KR101368178B1 - 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 필터를 형성하는 방법 - Google Patents

미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 필터를 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 형성된 광중합 반응 용액 주입구를 통하여 광중합 반응 용액을 주입하는 단계로서, 상기 광중합 반응 용액은 광중합 가능한 단량체, 가교제, 광중합 개시제 및 포로겐 (porogen)을 포함하는 것인 단계; 및 상기 광중합 반응 용액에 자외선을 조사하여 상기 유체 흐름 경로 내에 다공성 중합체를 합성하는 단계:를 포함하는, 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 필터를 형성하는 방법을 제공한다.
필터, 미세유동장치

Description

미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 필터를 형성하는 방법{Method of fomring a filter in a fluid flow path in a microfluidic device}
본 발명은 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 필터를 형성하는 방법에 관한 것이다.
미세유동장치, 예를 들면 CD 형상 또는 마이크로칩 형상의 미세유동장치는 생물학적 분석에 많이 이용된다. 이러한 생물학적 분석에 있어서, 비드는 세포 또는 단백질, 핵산과 같은 물질을 분석하는데 빈번하게 사용되고 있다. 이러한 비드가 미세유동장치를 이용한 생물학적 분석에 사용되는 경우, 비드를 사용한 후 이를 용액과 분리할 필요가 있다. 이러한 분리에는 원심분리 및 여과 등이 사용될 수 있다.
미세유동장치 내에 필터 즉, 원하는 여과가 이루어지도록 하는 다공성 물질을 미세유동장치 내에 형성하는 것은 마이크로채널의 차원이 일반적으로 500마이크로미터 이하이기 때문에 어려움이 있다. 차원이 작기에 때문에 필터를 삽입하는 자체가 어려울 뿐만 아니라. 적당한 위치에 삽입하는 것이 어렵다. 또한, 마이크로채널 등에 삽입된 필터를 밀봉하는 것도 또한 어렵다.
미국특허 제6,811,695호에는 필터를 갖는 미세유동장치로서, 미세유동 입구 체널을 정의하는 제1 실질적으로 평면 장치 층; 미세유동 출구 체널을 정의하고, 제1 높이를 갖는, 제2 실질적으로 평면 장치 층; 상기 제1 장치층 및 제2 장치층 사이에 배치되고, 상기 입구 채널과 출구 채널 사이에 배치되어 있고, 제1 넓이를 갖는 개구 (aperture)를 정의하는 제3 장치층; 및 제2 높이와 제2 넓이를 갖고, 상기 개구 근처에서 상기 미세유동장치 출구 채널 내에 실질적으로 배치된 필터 요소를 포함하고, 상기 제2 높이는 제1 높이보다 크고, 상기 제2 넓이는 제1 넓이보다 더 넓고, 상기 필터 요소는 상기 제2 장치층 및 상기 제3 장치층 사이에 압축적으로 보류되어 있는 것인 장치가 개시되어 있다. 또한, 미국특허 제6,852,851호에는 세포유래의 DNA 또는 세포 핵 또는 이들의 혼합물을 분리하는 방법으로서 a) 전 세포 현탁액을 파쇄 시약으로 처리하여 세포질 막 및 적어도 핵 막의 일부를 파쇄하는 단계; 및 b) a)의 파쇄물을 미세제작된 장치의 마이크로채널에 도입하는 것으로, 각 마이크로채널은 채널 내에 형성된 DNA를 포함하는 메쉬 (mesh)가 형성되어 있고, 마이크로채널을 통하여 액체는 통과시키나 DNA 및 세포 핵의 통과 또는 흐름을 방해하는 수단을 포함하는 것인 단계; 및 c) DNA를 포함하는 상기 메쉬를 세척하는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 미국특허 제7,279,134호에는 각 상부 및 하부 미세유동채널 쌍을 포함하는 복수의 카스케이드 미세유동채널을 포함하는 기판 플랫폼; 및 각 상부 및 하부 미세유동채널 쌍의 말단 부분 사이에 배치되어 있고, 복수 개의 포어를 가지고 있어 입구 측에 있는 상부 미세유동 채널에 도입될 수 있는 유입 유체를 선택적으로 여과하여 출구 측에 있는 하부 미세유 동 채널에 여과된 유출 유체를 제공하는 반투과성 배리어를 포함하는, 복수의 다공성 막을 포함하는, 미세유동장치가 개시되어 있다.
이상과 같은 선행기술에 의하더라도, 미세유동장치 내에 다공성 막, 즉 필터를 효율적으로 형성할 수 있는 방법이 여전히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 미세유동장치 내에 다공성 막, 즉 필터를 효율적으로 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 형성된 광중합 반응 용액 주입구를 통하여 광중합 반응 용액을 주입하는 단계로서, 상기 광중합 반응 용액은 광중합 가능한 단량체, 가교제, 광중합 개시제 및 포로겐 (porogen)을 포함하는 것인 단계; 및 상기 광중합 반응 용액에 자외선을 조사하여 상기 유체 흐름 경로 내에 다공성 중합체를 합성하는 단계:를 포함하는, 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 필터를 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, "미세유동장치"란 하나 이상의 입구와 출구가 마이크로채널을 통하여 연결되어 있는 장치를 말한다. 따라서, 입구 또는 출구가 마이크로채널을 통하여 연결되어 있는 것이면 그 명칭에 상관없이 미세유동장치에 포함된다. 예를 들면, 마이크로칩이 포함될 수 있다. 이러한 미세유동장치는 세포 농축, 세포 분리, 파쇄 및 핵산의 증폭을 위한 랩온어칩으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 본원의 미세유동장치가 랩온어칩과 세포 농축, 세포 분리, 핵산 파쇄 및 핵산 증폭부로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수단을 포함하여야 하는 것은 아니며, 단순히 입구와 출구가 구비되어 있고, 상기 입구와 출구 사이가 마이크로채널에 의하여 연결되어 있거나, 마이크로채널에 의하여 연결된 마이크로챔버가 구비되어 있는 것일 수 있다. 상기 미세유동장치는 회전가능한 디스크의 형태 (이하 CD 형태라고도 함)인 것일 수 있다. 국제특허공개 WO97/21090에는 시료 입구 포트, 유체 마이크로채널, 반응챔버 및 출구 포트를 포함하는 개시되어 있으나, 그 개시 내용은 전체로서 원용에 의하여 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 방법은 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 형성된 광중합 반응 용액 주입구를 통하여 광중합 반응 용액을 주입하는 단계로서, 상기 광중합 반응 용액은 광중합 가능한 단량체, 가교제, 광중합 개시제 및 포로겐 (porogen)을 포함하는 것인 단계를 포함한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 광중합 가능한 단량체는 광중합 가능한 것이면 어는 것이나 포함된다 바람직하게는, 상기 단량체는 비닐계 단량체인 것일 수 있다. 상기 비닐계 단량체는 C1-C20의 알킬 아크릴레이트, C1-C20의 알킬 메타크릴레이트 및 스티렌으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
또한, 상기 가교제는 지방족 또는 방향족 가교제인 것일 수 있다. 상기 지방족 가교제는, C1-C20의 알킬 아크릴레이트, C1-C20의 알킬 메타크릴레이트 및 스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 단량체의 1 내지 20개로 이루어진 중합체 또는 공중체, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판 디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타릴레이트, 디비닐케톤, 아릴아크릴레이트, 디알릴 말레에이트, 디알릴 푸말레이트, 디알릴 숙시네이트, 디알릴 카보네이트, 디알릴 말로네이트, 디알릴 옥살레이트, 디알릴 아디페이트, 디알릴 세바케 이트, 디비닐 세바케이트, N,N'-메틸렌디아크릴아미드 및 N,N'-메틸렌디메타크릴아미드로 구성된 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
또한, 상기 방향족 가교제는 디비닐벤젠, 트리비닐벤젠, 디비닐톨루엔, 디비닐나프탈렌, 디알릴프탈레이트, 디비닐크실렌 및 디비닐에틸벤젠으로 구성된 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 개시제는 당업계에서 알려진 임의의 라디칼 중합 개시제가 사용될 수 있다. 예를 들면, 아조비스부티로니트릴 (azobisisobutyronitrile : AIBN), 1,1'-아조비스(시클로헥산카르보니트릴 (1,1'-Azobis(cyclohexanecarbonitrile: ABCN), 벤조페논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 및 베조일 퍼옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 포로겐은 탄소수 6개 이상의 탄화수소 및 지방족 알콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
상기 필터가 형성되는 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로는 금속, 규소, 플라스틱 및 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 재질로 구성되는 것으로서, 필터가 결합하여 고정화될 수 있도록 하는 관능기를 포함하고 있는 것일 수 있다. 상기 관능기는 자연적으로 존재하는 것이거나, 예를 들면 자유 라디칼 중합할 수 있는 비닐 관능기를 갖도록 관능화하여 도입된 것일 수 있다. 이러한 관능기와 단량체 또는 개시제의 관능기와의 반응에 의하여 필터가 유체 흐름 경로 내에 고정화된 다.
상기 유체 흐름 경로는 마이크로채널 또는 마이크로챔버인 것일 수 있다. 또한, 광중합 반응 용액을 주입하는 것은 당업계에 알려진 임의의 방법에 의하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 수동으로 주입하는 피펫 또는 공기압이나 압전장치를 이용한 기기적 주입기가 사용될 수 있다. 상기 도입되는 반응 용액의 양은 도입하고자 하는 필터의 위치 및 필터가 자치할 면적 등에 따라 달라질 수 있다. 상기 주입은 광중합 반응 용액 주입구를 통하여 이루어지므로, 복수 개의 마이크로채널 또는 마이크로챔버가 존재하는 경우, 원하는 위치에 원하는 포어 크기를 갖는 필터를 제조할 수 있다
상기 광중합 반응 용액은 광중합 가능한 단량체 100중량부에 대하여, 가교제 10 내지 100 중량부, 광중합 개시제 1 내지 10 중량부 및 포로겐 (porogen) 50 내지 500중량부를 포함하는 것일 수 있다. 상기 가교제 및 포로겐의 양은 반응시간, 최종 필터에 도입하고자 하는 포어 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 동일 포어 크기의 필터를 만들 때 반응 시간을 줄이기 위해서 가교제와 포로겐의 농도를 증가시켜야 하며, 반응 시간을 일정하게 하고 포어의 크기를 줄이기 위해선 가교제의 농도를 높이고 포로겐의 농도는 낮춰야 하며, 가교제와 포로겐의 농도가 일정할 때 포어의 크기는 반응 시간이 길수록 작아진다.
본 발명의 방법은 상기 광중합 반응 용액에 자외선을 조사하여 상기 유체 흐 름 경로 내에 다공성 중합체를 합성하는 단계를 포함한다.
상기 자외선은 파장 250 nm 내지 400 nm의 자외선이 될 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 상기 자외선의 조사는 미세유동장치의 외부로부터 제공되는 것이거나, 내부에서 제공되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 미세유동장치의 재질은 자외선이 투과될 수 있도록 하는 광투과성인 것이 적합하다.
본 발명의 방법에 의하면, 미세유동장치 내의 다양한 유체 흐름 경로에 원하는 크기의 포어를 가진 필터를 용이하게 형성시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: CD 형상의 미세유동장치 내의 유체 이동 경로 내에 다양한 포어 크기를 가진 필터의 형성
본 실시예에서는 복수 개의 챔버와 마이크로채널을 가진 CD (compact disk) 형상의 미세유동장치 내의 마이크로채널에 필터를 형성하였다.
(1) CD 형상의 미세유동장치 (이하 단순히 CD 라고도 함)의 제조
투명한 PMMA (poly (methylmethacrylate) copolymer) 재질로 된 상판과 하판 에 CNC (computer numerical control) 가공 장치 (Sirius 550, Hwacheon Inc., Korea)에 의하여 마이크로채널, 마이크로챔버, 입구 및 출구 등을 제조하고, 상기 상판과 하판을 접착시킴으로써 CD를 제조하였다. CNC 가공 장치는 컴퓨터에 입력된 기 디자인된 도면과 동일하게 기기적으로 가공하는 장치로 정밀제어가 가능한 가공 장비로 구멍을 가공하거나 채널을 깍거나 챔버를 깍아 일정한 형태를 만드는 장비이다.
CD의 차원은 지름 120mm, 상판 및 하판의 두께가 각각 1mm 및 6mm이다. 비드 충진 (packing) 영역이 깊이 0.2mm. 넓이 1mm이고, 마이크로채널의 깊이 1mm이고 넓이는 1mm이다. 챔버의 깊이는 3mm이다.
도 1은 제작된 CD의 일부분을 나타내는 도면이다. 도 1에는, 챔버 (10), 마이크로채널 (20) 및 용액 주입구 (30)가 도시되어 있으며, 우측 도면은 좌측의 네모칸 부분을 확대한 것이다.
도 2는 제작된 CD의 일부분으로서 마이크로챔버 및 마이크로채널 (A) 및 마이크로채널 내부에 합성된 필터를 나타내는 주사전자현미경 사진 (B)을 나타낸다.
(2) 광중합 반응 용액의 제작, 주입 및 노광
메틸 메타크릴레이트 150㎕ (15 부피%), 트리메틸롤프로판 트리메타크릴레이트 (TRIM) 100㎕ (10 부피%), 메탄올 500㎕ (50 부피%), n-헥산 250㎕ (25 부피%)를 혼합한 다음, 여기에 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 100mg을 녹여, 광중합 반응 용액을 제조하였다.
광중합 반응 용액 7㎕를 (1)절에서 제작된 CD의 광중합 반응 용액 주입구 (도 1 참조)를 통하여 주입하고, CD를 외부를 통하여, i-라인 (365 nm)의 자외선을 조사하였다. 노광 시간은 각각 1.5분, 2분, 및 3분으로 하였다.
다음으로 100㎛, 40㎛, 3㎛의 각각 다른 직경의 비드를 포함하는 용액을 상기 필터가 형성되어 있는 마이크로채널의 CD의 중심부 쪽에 연결되어 있는 마이크로챔버를 첨가하고, CD를 원심분리 장치에 넣고 3600rpm으로 1.5분 노광한 경우 20초, 2분 노광한 경우 30초 및 3분 노광한 경우 40초 동안 원심분리하여 비드가 여과되었는지 여부를 확인함으로써, 필터의 포어 크기를 추정하였다.
도 3은 필터를 미세유동장치의 마이크로채널 내에서 인 시튜로 형성하고, 비드를 포함하는 용액을 원심분리한 결과를 나타내는 도면이다. 도 3a의 A는 마이크로채널에 필터가 형성되어 있고 마이크로챔버에 100㎛ (맨 왼쪽), 40㎛ (중앙), 3㎛(맨 오른쪽)의 각각 다른 직경의 비드를 포함하는 용액이 포함되어 있는 것을 나타내고, B는 자외선을 1.5분 동안 노광하여 광중합한 경우의 여과 결과를 나타내는 것이고, C는 자외선을 2분 동안 노광하여 광중합한 경우의 여과 결과를 나타내는 것이고, 도 3b의 A는 마이크로채널에 필터가 형성되어 있고 마이크로챔버에 100㎛ (맨 왼쪽), 40㎛ (중앙), 3㎛(맨 오른쪽)의 각각 다른 직경의 비드를 포함하는 용액이 포함되어 있는 것을 나타내고, B는 자외선을 3분 동안 노광하여 광중합한 경우의 여과 결과를 나타내는 것이다.
비드를 포함하는 용액을 여과한 결과, 비드 보류 비율 (bead retention rate)은 표 1과 같다.
표 1.
90초 120초 180초
100㎛ 0% >99% >99%
40㎛ 0% >99% >99%
3㎛ 0% 54% >99%
표 1에서, 맨 왼쪽 세로 칸은 비드의 크기를 나타내고 맨 위쪽 가로 열은 노광 시간을 나타내며, 그 외 부분의 숫자는 비드 보류 비율 (bead retention rate)을 나타낸다. 비드 보류 비율은 필터를 통과하지 못한 비드의 수/넣어준 비드의 수) x100에 의하여 계산되었다.
표 1에 나타낸 바와 같이 반응시간이 길어짐에 따라 비드 크기가 아주 작은 것도 필터를 통과할 수 없게 됨을 알 수 있다. 즉, 반응시간이 길어짐에 따라 포어 크기가 작아짐을 알 수 있다. 따라서, 반응시간을 조절함으로써 필터의 포어 크기를 조절할 수 있다. 그러므로, 복수 개의 마이크로채널 및 마이크로챔버를 가진 미세유동장치 특히, CD 형태로 구현된 미세유동장치에서 각각의 마이크로채널 및 마이크로챔버에 원하는 크기의 포어를 가진 필터를 용이하게 형성할 수 있다.
도 1은 제작된 CD의 일부분을 나타내는 도면이다.
도 2는 제작된 CD의 일부분으로서 마이크로챔버 및 마이크로채널 (A) 및 마이크로채널 내부에 합성된 필터를 나타내는 주사전자현미경 사진 (B)을 나타낸다.
도 3은 필터를 미세유동장치의 마이크로채널 내에서 인 시튜로 형성하고, 비드를 포함하는 용액을 원심분리한 결과를 나타내는 도면이다.

Claims (11)

  1. 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 형성된 광중합 반응 용액 주입구를 통하여 광중합 반응 용액을 주입하는 단계로서, 상기 광중합 반응 용액은 광중합 가능한 단량체, 가교제, 광중합 개시제 및 포로겐 (porogen)을 포함하는 것인 단계; 및 상기 광중합 반응 용액에 자외선을 조사하여 상기 유체 흐름 경로 내에 다공성 중합체를 합성하는 단계:를 포함하는, 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로에 필터를 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단량체는 비닐계 단량체인 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비닐계 단량체는 C1-C20의 알킬 아크릴레이트, C1-C20의 알킬 메타크릴레이트 및 스티렌으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가교제는 지방족 또는 방향족 가교제인 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 지방족 가교제는, C1-C20의 알킬 아크릴레이트, C1-C20의 알킬 메타크릴레이트 및 스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 단량체의 1 내지 20개로 이루어진 중합체 또는 공중체, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판 디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타릴레이트, 디비닐케톤, 아릴아크릴레이트, 디알릴 말레에이트, 디알릴 푸말레이트, 디알릴 숙시네이트, 디알릴 카보네이트, 디알릴 말로네이트, 디알릴 옥살레이트, 디알릴 아디페이트, 디알릴 세바케이트, 디비닐 세바케이트, N,N'-메틸렌디아크릴아미드 및 N,N'-메틸렌디메타크릴아미드로 구성된 군으로부터 선택된 것인 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 방향족 가교제는 디비닐벤젠, 트리비닐벤젠, 디비닐톨루엔, 디비닐나프탈렌, 디알릴프탈레이트, 디비닐크실렌 및 디비닐에틸벤젠으로 구성된 군으로부터 선택된 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 개시제는 아조비스부티로니트릴 (azobisisobutyronitrile : AIBN), 1,1'-아조비스(시클로헥산카르보니트릴)(1,1'-Azobis(cyclohexanecarbonitrile): ABCN), 벤조페논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 및 베조일 퍼옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 포로겐은 탄소수 6개 이상의 탄화수소 및 지방족 알콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 필터가 형성되는 미세유동장치 내의 유체 흐름 경로는 금속, 규소, 플라스틱 및 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 재질로 구성되는 것으로서, 필터가 결합하여 고정화될 수 있도록 하는 관능기를 포함하고 있는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 유체 흐름 경로는 마이크로채널 또는 마이크로챔버인 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광중합 반응 용액은 광중합 가능한 단량체 100중량부에 대하여, 가교제 10 내지 100 중량부, 광중합 개시제 1 내지 10 중량부 및 포로겐 (porogen) 50 내지 500중량부를 포함하는 것인 방법.
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