KR101261710B1 - 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법, 이에 의하여 제조된 혈관모사장치, 및 이를 이용한 약물 시험 방법 - Google Patents

폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법, 이에 의하여 제조된 혈관모사장치, 및 이를 이용한 약물 시험 방법 Download PDF

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Abstract

폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법, 이에 의하여 제조된 혈관모사장치, 및 이를 이용한 약물 시험 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혈관모사장치 제조방법은 실리콘 기판 상에 포토레지스트층을 적층하는 단계; 상기 포토레지스트층을 패터닝하여 소정 높이와 너비를 가지며, 사각 단면의 미세유체채널을 상기 실리콘 기판 상에 하나 이상 제조하는 단계; 상기 미세유체채널을 열처리하여, 상기 실리콘 기판 상에 형성된 미세유체채널의 사각 단면을 반원 단면으로 변화시키는 단계; 상기 반원 단면의 미세유체채널이 형성된 실리콘 기판에 제 1 폴리머층을 도포한 후, 열처리하여 상기 제 1 폴리머층에 상기 반원 단면의 미세유체채널을 음각 형태로 전사시키는 단계; 및 상술한 단계에 의하여 제조되며, 반원 단면의 미세유체채널이 음각 형태로 전사된 제 2 폴리머층과 상기 제 1 폴리머층을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 혈관모사장치는 몰드-임프린팅 방식으로 제조된 두 개의 폴리머 기판을 결합시키는 방식으로 제조된다. 이때 상기 폴리머 기판에는 미세유체채널이 음각 형태로 패터닝된 상태이므로, 두 기판의 결합에 따라 실제 혈관과 유사한 채널이 형성된다. 따라서, 폴리머 기판으로 이루어진 칩 내에 복수 개의 미세유체채널을 형성시켜, 복수 혈관에 대한 시험을 한꺼번에 진행할 수 있으므로, 경제성이 우수하다.

Description

폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법, 이에 의하여 제조된 혈관모사장치, 및 이를 이용한 약물 시험 방법{Method for manufacturing blood vessel simulator using polymer microfluidic channel, blood vessel simulator manufactured by the same, and method for screening drug using the same}
본 발명은 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치, 이를 이용한 혈액, 약물 시험 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세유체채널이 형성된 두 개의 폴리머 기판을 결합시키는 방식으로 원형의 혈관을 모사하므로, 복수의 혈관을 단일 폴리머 기판에 형성시킬 수 있는 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치, 이를 이용한 혈액, 약물 시험 방법에 관한 것이다.
생체 내부를 순환하고 있는 혈액은 원형의 단면 형상을 갖는 튜브 형태를 이룬다. 이러한 좁은 크기의 혈관을 유동하는 혈액에는 다양한 질환, 예를 들면 혈액응괴(血液凝塊) 질환인 혈전증 등이 발생할 수 있다. 이러한 질환은 상대적으로 작은 직경 및 긴 길이를 가지는 혈관 내에서 특이적으로 발생한다. 따라서, 이러한 혈관 내 질환을 검사하고, 이에 대한 적합한 약물을 선택하기 위해서는 인-비트로 환경과 실제 생체 내의 인-비보 환경을 최대한 근사하게 접근시켜야 하지만, 다양한 형태와 크기의 혈관을 인-비트로 환경에서 유사하게 모사하는 것은 매우 어렵다. 즉, 기존의 인-비트로의 2D 세포 배양은 실제 생체 내의 인-비보 환경과 차이가 있어 약물 효용 스크리닝 시 생체 내에서의 효용성이 저하되고, 약물 선도 물질 발굴에 있어 장시간과 고비용을 요구한다. 반면, 인-비보 실험은 동물, 인체를 이용한 고가의 실험이므로, 고수율 스크리닝(High throughput screening)이 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 종래 기술에 따른 인-비보 및 인-비트로의 단점들을 극복할 수 있는 생체모방 마이크로 시스템 기반의 혈관모사장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 혈관모사장치를 이용한 약물시험방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판 상에 포토레지스트층을 적층하는 단계; 상기 포토레지스트층을 패터닝하여 소정 높이와 너비를 가지며, 사각 단면의 미세유체채널을 상기 실리콘 기판 상에 하나 이상 제조하는 단계; 상기 미세유체채널을 열처리하여, 상기 실리콘 기판 상에 형성된 미세유체채널의 사각 단면을 반원 단면으로 변화시키는 단계; 상기 반원 단면의 미세유체채널이 형성된 실리콘 기판에 제 1 폴리머층을 도포한 후, 열처리하여 상기 제 1 폴리머층에 상기 반원 단면의 미세유체채널을 음각 형태로 전사시키는 단계; 및 상술한 단계에 의하여 제조되며, 반원 단면의 미세유체채널이 음각 형태로 전사된 제 2 폴리머층과 상기 제 1 폴리머층을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 2 폴리머층은 반원 단면의 미세유체채널이 형성된 상기 실리콘 기판에 도포된 후 열처리된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 실리콘 기판 상에 형성된 미세유체채널의 사각 단면을 반원 단면으로 변화시키는 단계는 상기 포토레지스트층을 측면으로 흐르게 하는, 리플로우 공정으로 진행된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 폴리머층 및 제 2 폴리머층은 동일 물질로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 및 제 2 폴리머층은 투명 재질이며, 상기 미세유체채널은 네트워크를 형성한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 미세유체채널 내로 혈관내피세포를 배양시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 의하여 제조된 혈관모사장치를 제공한다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 혈관모사장치를 이용한 약물 시험 방법으로, 상기 방법은 (a) 상술한 혈관모사장치 내의 미세유체채널에 혈액을 투입하고, 혈액 내에 질환을 형성시키는 단계; (b) 치료 약물을 상기 미세유체채널에 유동시키는 단계; 및 (c) 상기 미세유체채널 내에서 상기 치료 약물에 의한 혈관 질환 치료 효과를 진단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 미세유체채널은 복수 개이며, 상기 복수 개의 미세유체채널에는 상이한 농도의 약물이 주입된다.
본 발명은 또한 상기 질환이 혈전증인 혈전 치료 약물 시험 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 혈관모사장치는 몰드-임프린팅 방식으로 제조된 두 개의 폴리머 기판을 결합시키는 방식으로 제조된다. 이때 상기 폴리머 기판에는 미세유체채널이 음각 형태로 패터닝된 상태이므로, 두 기판의 결합에 따라 실제 혈관과 유사한 채널이 형성된다. 따라서, 폴리머 기판으로 이루어진 칩 내에 복수 개의 미세유체채널을 형성시켜, 복수 혈관에 대한 시험을 한꺼번에 진행할 수 있으므로, 경제성이 우수하다. 특히 본 발명에 따른 혈관모사장치는 혈관 내에서 발생하는 혈전증가 같은 질환의 모니터링과 이를 치료하기 위한 맞춤형 의약 개발에 있어 특히 유용하다. 즉, 마이크로 시스템 단위로 구현된 인공혈관을 통하여 실제 인-비보와 유사한 혈액, 혈액속도, 혈관 내에 존재하는 전단응력 조건을 형성할 수 있으며, 이로써 실제 생체 환경과 유사한 환경에서 약물 스크리닝을 고속, 고효율로 할 수 있다.
도 1 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관모사장치의 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반원 단면의 미세유체채널의 SEM 이미지이다.
도 9 및 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 혈관모사장치의 단면 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리머 기반의 혈관모사장치의 채널에 인간 혈관내피세포(HUVEC)를 흘리고, 1일과 4일에 걸쳐 배양시킨 후의 채널 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 혈관모사장치를 이용한 약물시험방법, 특히 혈전 치료용 약물의 스크리닝 방법의 단계도이다.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관모사장치의 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 고온의 환경에서 견딜 수 있는 실리콘 기판(100) 상에 포토레지스트층(110)을 적층하고, 패터닝하여, 상기 실리콘 기판(100)상에 미세유체채널을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 미세유체채널은 상기 실리콘 기판(100) 상에 소정 높이만큼 적층된 구조이다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 포토레지스트층(110)은 포지티브 계열의 포토레지스트인 AZ 40 XT를 사용하였으며, 높이는 150 ㎛, 너비는 300 ㎛이었다.
도 3을 참조하면, 미세유체채널을 이루는 포토레지스트층(110)과 실리콘 기판(100)을 소정 온도로 가열시키며, 이에 따라 상기 포토레지스트층(110)은 녹아내리며, 특히 길이 방향이 아닌 너비 방향, 즉, 측면으로 포토레지스트가 흘러내리게 되며, 그 결과 리플로우(reflow)된 반원 단면의 미세유체채널이 상기 실리콘 기판(100)으로부터 돌출된 형태로 형성되며, 이로써 반원 단면의 미세유체채널이 양각 형태로 구비된 주형이 제조된다.
도 4를 참조하면, 도 3에서 반원 단면을 가지는 미세유체채널(110)이 형성된 실리콘 주형 (100) 상에 제 1 폴리머층(120a)을 도포하고, 상기 제 1 폴리머층(120a)를 소정 온도로 열처리된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 폴리머층(120a) 물질은 폴리디메틸실록산(PDMS)이었으며, 제 1 폴리머층(120a)을 경화시키기 위한 열처리 온도는 65 ℃이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
도 5를 참조하면, 실리콘 주형(100)으로부터 제 1 폴리머층(120a)은 분리되는데, 이때 상기 분리된 제 1 폴리머층(120a)에는 반원 단면의 미세유체채널이 음각 형태로 형성된다.
동일한 방식으로 도 3에서 제조된 실리콘 주형 상에 제 2 폴리머층(120b)을 도포하고, 이를 경화시킨 후 분리함으로써 반원 단면을 가지는 음각 형태의 미세유체채널이 상기 제 2 폴리머층(120b)에 형성된다(도 6 참조).
도 7을 참조하면, 도 5에서 제조된 제 1 폴리머층(120a)가 제 2 폴리머층(120b)을 결합, 접합시켜, 내부에 원형 단면의 미세유체채널(121)이 형성된 폴리머 기반의 혈관모사장치가 제조된다. 특히 본 발명에서 상기 제 1 폴리머층(120a)과 제 2 폴리머층(120b)은 동일한 실리콘 주형을 사용하여 몰드-임프린팅 방식으로 제조되므로, 서로의 반원 단면의 미세유체채널이 동일한 위치에서 용이하게 대응되는 장점이 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 제 2 폴리머층(120b)은 제 1 폴리머층(120a)와 동일한 물질인 PDMS가 사용되었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반원 단면의 미세유체채널의 SEM 이미지이다.
도 8을 참조하면, 직선형뿐만 아니라, 비직선형, 가지형 등의 다양한 패턴으로 반원 단면의 미세유채채널이 PDMS층 내에 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서, 동일한 두 개의 PDMS층을 결합, 접합시키는 경우, 기판 내부에 형성된 미세유체채널이 형성되며, 이는 다양한 흐름 경로를 가지는 생체 내 혈관에 대응된다.
도 9 및 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 혈관모사장치의 단면 이미지이다.
도 9를 참조하면, 포토리쏘그래피 과정에서 포토레지스트의 두께 조절에 따라 원형 채널의 직경이 달라지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 다양한 크기의 인공혈관을 기판 내에 효과적으로 구현할 수 있다.
또한, 도 10을 참조하면, 기판 내에 실제 혈관 네트워크와 같이 다양한 형태의 채널 네트워크가 형성되는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리머 기반의 혈관모사장치의 채널에 인간 혈관내피세포(HUVEC)를 흘리고, 1일과 4일에 걸쳐 배양시킨 후의 채널 이미지이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 제조된 혈관모사장치 채널 내에 혈관내피세포가 용이하게 배양되며, 특히 채널 방향으로 혈관내피세포가 정렬되는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 혈관모사장치를 이용하여, 다양한 혈관 질환, 예를 들면 혈전증과 같은 질환을 치료하기 위한 약물을 시험할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 혈관모사장치를 이용한 약물시험방법, 특히 혈전 치료용 약물의 스크리닝 방법의 단계도이다.
도 12를 참조하면, 먼저 두 개의 폴리머층 결합에 따라 인공혈관을 폴리머 기판 내에 모사한다. 이후 상기 기판 내부에 형성된 미세유체채널에 환자로부터 채취한 혈액을 주입하고, 콜라겐 등과 같은 화학물질을 주입하거나, 또는 물리적, 광학적 방식으로 혈전을 미세유체채널인 인공혈관 내에 생성시킨다. 이후, 치료 약물을 복수 개의 미세유체채널에서 상이한 농도로 각각 유동시키며, 이에 따라 상기 미세유체채널 내에서 유도된 혈전의 생성 속도 또는 약물에 의한 용해 속도 등을 진단한다. 특히 본 발명에 따른 인공혈관 모사장치는 동일 기판 내에 복수 개의 인공혈관을 형성시킬 수 있으므로, 상이한 농도의 약물을 각각의 인공혈관에 주입하여 최적의 약물 투여량을 결정할 수 있다. 아울러, 상기 약물에 의한 혈전 생성 및 용해 변화는 상기 폴리머 기판 외부에 구비된 공초점 현미경 등에 의하여 관찰될 수 있으며, 이를 위하여 상기 폴리머층은 투명 재질일 수 있다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 이상 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 실리콘 기판 상에 포토레지스트층을 적층하는 단계;
    상기 포토레지스트층을 패터닝하여 소정 높이와 너비를 가지며, 사각 단면의 미세유체채널을 상기 실리콘 기판 상에 하나 이상 제조하는 단계;
    상기 미세유체채널을 열처리하여, 상기 실리콘 기판 상에 형성된 미세유체채널의 사각 단면을 반원 단면으로 변화시키는 단계;
    상기 반원 단면의 미세유체채널이 형성된 실리콘 기판에 제 1 폴리머층을 도포한 후, 열처리하여 상기 제 1 폴리머층에 상기 반원 단면의 미세유체채널을 음각 형태로 전사시키는 단계; 및
    상술한 단계에 의하여 제조되며, 반원 단면의 미세유체채널이 음각 형태로 전사된 제 2 폴리머층과 상기 제 1 폴리머층을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 폴리머층은 반원 단면의 미세유체채널이 형성된 상기 실리콘 기판에 도포된 후 열처리되는 것을 특징으로 하는, 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판 상에 형성된 미세유체채널의 사각 단면을 반원 단면으로 변화시키는 단계는 상기 포토레지스트층을 측면으로 흐르게 하는, 리플로우 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는, 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 폴리머층 및 제 2 폴리머층은 동일 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는, 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 폴리머층 및 제 2 폴리머층은 투명 재질인 것을 특징으로 하는, 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사 장치 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 미세유체채널은 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 하는, 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사 장치 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 방법은
    상기 미세유체채널 내로 혈관내피세포를 배양시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 혈관모사장치.
  9. 제 8항에 따른 혈관모사장치를 이용한 약물 시험 방법으로, 상기 방법은
    (a) 제 8항에 따른 혈관모사장치 내의 미세유체채널에 혈액을 투입하고, 혈액 내에 질환을 형성시키는 단계;
    (b) 치료 약물을 상기 미세유체채널에 유동시키는 단계; 및
    (c) 상기 미세유체채널 내에서 상기 치료 약물에 의한 혈관 질환 치료 효과를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 약물 시험 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 미세유체채널은 복수 개이며, 상기 복수 개의 미세유체채널에는 상이한 농도의 약물이 주입되는 것을 특징으로 하는 약물 시험 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 질환은 혈전증인 것을 특징으로 하는 혈전 치료 약물 시험 방법.
KR1020110048882A 2011-05-24 2011-05-24 폴리머 미세유체채널을 이용한 혈관모사장치 제조방법, 이에 의하여 제조된 혈관모사장치, 및 이를 이용한 약물 시험 방법 KR101261710B1 (ko)

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