KR101433091B1 - Chematoxis Analysis Microfluidic Apparatus of bacteria, Production Method and Chematoxis Analysis Method of bacteria - Google Patents

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Abstract

박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치, 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 주화성 분석 방법을 개시한다. 상기 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치는 외부로부터 제공되는 유리 하부기판; 상기 유리 하부기판 상에 접하되도록 형성되는 PDMS 상부 기판;을 포함하며, 상부 기판은, 다종의 세포를 배양시키는 적어도 하나 이상의 세포 배양 챔버; 상기 PDMS 상부 기판 내에 형성되며, 외부로부터 제공되는 박테리아를 상기 상부 기판 내에 주입시키도록 형성된 박테리아 주입구; 외부로부터 제공되는 콜라겐 젤이 주입되는 적어도 한 개 이상의 콜라겐 젤 주입구;를 포함하며, 상기 PDMS 상부 기판은, 상기 세포 배양 챔버, 박테리아 주입 채널 입구, 박테리아 추출 채널 출구 및 콜라겐 젤 주입구가 연결시키는 미세 유로들가 형성되는 것을 특징으로 한다.A microfluidic device for the analysis of the chemotaxis of bacteria, a method for producing the same, and a method for analyzing the chemotaxis of bacteria using the same. The microfluidic device for analyzing the chemotaxis of the bacteria includes a glass bottom substrate provided from the outside; And a PDMS upper substrate formed to be in contact with the glass lower substrate, wherein the upper substrate comprises: at least one cell culture chamber for culturing a plurality of cells; A bacteria injection port formed in the PDMS upper substrate and configured to inject bacteria provided from the outside into the upper substrate; Wherein the PDMS upper substrate has at least one collagen gel injection port into which a collagen gel provided from the outside is injected, wherein the PDMS upper substrate is connected to the cell culture chamber, the bacterial injection channel inlet, the bacteria extraction channel outlet, Are formed.

Description

박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치, 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 주화성 분석 방법{Chematoxis Analysis Microfluidic Apparatus of bacteria, Production Method and Chematoxis Analysis Method of bacteria}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria, a method for producing the microfluidic device, and a method for analyzing the chemotaxis of the bacteria using the microfluidic device.

본 발명은 플루이딕 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다종의 세포가 하나의 기판에서 공생배양되고, 이를 통해 분비되는 물질들을 이용하여 실시간으로 주화성 환경을 조성할 수 있는 독립적인 배양 공간과 이를 물리적으로 분리하기 위한 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치, 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 주화성 분석 방법을 제공하는 것이다.
The present invention relates to a fl uidic device, and more particularly, to a fl uidic device in which a plurality of cells are co-cultivated on a single substrate, and an independent culture space capable of forming a co- A microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria for physically separating bacteria, a manufacturing method thereof, and a method for analyzing the chemotaxis of bacteria using the same.

박테리아는 특정한 물질이나 환경 조건의 농도 구배가 존재하는 상황에서 선호하는 물질이나 환경 방향으로 이동하거나 혐오하는 물질이나 환경의 반대 방향으로 이동하는 특성을 가지고 있다. 이러한 박테리아의 특성을 주성이라 하는데, 생화학적 물질의 구배에 따라 이동하는 현상을 주화성이라 한다.
Bacteria have the property of moving in the opposite direction of a substance or environment that moves or disgustes in the direction of a preferred substance or environment in the presence of a concentration gradient of a specific substance or environmental condition. The characteristic of these bacteria is called the dominant phenomenon, and the phenomenon of moving according to the gradient of the biochemical substance is called the chemotaxis.

19세기 부터 박테리아는 암 조직 또는 세포에 대해 주화성을 보이는 것을 관찰하였고, 이러한 현상을 이용하여 암을 치료하고자 하는 노력은 지속되어왔다. 이러한 노력에 불구하고 박테리아가 암을 찾아내는 직접 적인 원인은 아직 밝혀지지 않았다. 박테리아를 치료 목적으로 사용하기 위해서는 박테리아가 암을 선호하는 현상에 대한 명확한 원인을 밝혀 박테리아로 인한 부작용에 대해 대비할 수 있어야 한다.Since the 19th century, bacteria have observed the chemotaxis of cancer tissues or cells, and efforts to treat cancer have continued. Despite these efforts, the direct cause of bacterial cancer detection has yet to be revealed. In order to use bacteria for therapeutic purposes, it is necessary to be able to identify the obvious cause of bacteria preferring cancer and to be prepared for the side effects caused by bacteria.

박테리아가 암을 선호하는 원인은 크게 암 조직 원활하지 못한 산소 공급을 인해 발생하는 산소 결핍 환경과 박테리아가 암 세포에서 특이적으로 분비되는 생화학적 물질에 대해 보이는 주화성이라 추정하고 있다. The reason bacteria prefer cancer is largely presumed to be the manifestation of the oxygen deficiency environment caused by the inadequate supply of cancer tissue and the biochemical substances that bacteria specifically secrete from cancer cells.

암 세포는 암 조직으로서의 비정상적인 빠른 증식으로 인해 균일하지 않은 산소와 영양분 공급이 발생하여 조직 내부에는 괴저성의 산소 결핍 부위가 발생한다. Cancer cells are unstable oxygen and nutrient supply due to abnormally rapid proliferation as a cancer tissue, resulting in a gangrene-deficient area in the tissue.

암 조직에 대한 주화성을 보이는 박테리아는 보통 혐기성 박테리아로 알려져 있어 암 조직에 대한 박테리아의 주화성은 조직 내부의 산소 결핍 환경에 의한 것이라 자연스럽게 추측할 수 있다.
Bacteria that show chemotaxis to cancer tissues are usually known as anaerobic bacteria, so it is natural to assume that the chemotaxis of bacteria to cancer tissues is due to the oxygen deficiency environment inside the tissues.

하지만 암 세포는 조직으로서의 빠른 증식을 위해 정상 세포에서 일반적으로 발현되지 않는 암 특이적인 생화학적 물질들을 지속적으로 다량 분비하게 되는데, 만약 박테리아가 암을 지향하는 원인이 이러한 생화학적 물질이라면, 이를 분석하기 위해 실시간으로 분비되는 물질들에 대한 농도 구배 환경을 이루고 주화성을 분석할 수 있는 조건을 구성해야한다.
However, cancer cells continue to secrete massive quantities of cancer-specific biochemical substances that are not normally expressed in normal cells for rapid proliferation as a tissue. If bacteria is the cause of cancer-causing biochemical matter, In order to establish the concentration gradient environment for the substances secreted in real time and to analyze the chemotaxis,

또한 암 세포 특이적인 물질에 대한 지향성이라는 것을 확인하기 위해서는 정상 세포와 암세포가 같은 조건으로 함께 배양되는 환경에서 박테리아의 지향성을 확인해야 한다. 따라서 두 가지 이상의 세포를 하나의 환경에서 동시에 공생 배양할 수 있는 조건도 함께 구비되어야 한다.
In addition, in order to confirm the directivity toward the cancer cell-specific substance, it is necessary to confirm the directivity of bacteria in an environment in which normal cells and cancer cells are cultured together under the same conditions. Therefore, conditions for simultaneous cultivation of two or more cells in one environment should be provided.

주화성을 확인하기 위한 가장 기초적인 방법으로는 모세관을 이용한 분석법이 있다.The most basic method for identifying chemotaxis is capillary analysis.

도 1은 종래 기술에 따른 박테리아의 주화성 분석법을 나타낸 도면이며, 도 2는 종래 기술에 따른 마이크로 플루이딕 장치 기반의 주화성 분석법을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a view showing a method of analyzing the chemotaxis of bacteria according to the prior art, and FIG. 2 is a view showing a chemotaxis analysis method based on a microfluidic device according to the prior art.

도 1에 도시된 바와 같이, 특정 물질이 삽입된 모세관을 박테리아 용액에 넣어 확산을 통해 농도 구배가 발생하고 이에 대한 박테리아의 주화성을 분석하게 된다.As shown in FIG. 1, a capillary having a specific substance inserted therein is put into a bacterial solution, and a concentration gradient is generated through diffusion to analyze the chemotaxis of the bacteria.

하지만 이러한 방법은 주화성을 판단할 수 있는 기준이 정성적인 방법을 통해 이루어져 정확한 분석보다는 경향을 파악하는 정도에 그칠 수밖에 없다. 또한 동시에 다수의 샘플을 분석하기 어렵다.
However, this method is limited to the degree of understanding the tendency rather than the accurate analysis because the criterion which can judge the harmony is made through the qualitative method. It is also difficult to analyze a large number of samples at the same time.

박테리아의 주화성 분석을 위해 제시된 다른 방법으로 텍사스 A&M 대학 화학공학과 Jayaraman 교수가 발표한 마이크로 플루이딕 장치가 있다.Another proposed method for the analysis of the chemotaxis of bacteria is the microfluidic device published by Professor Jayaraman of the Chemical Engineering Department of Texas A & M University.

도 2에 도시된 바와 같이, 주화성을 확인하고자 하는 두 가지의 용액을 농도 구배 형성 채널(gradient generator)을 통해 주입하여 주화성 확인 챔버(chemotaxis chamber) 내에 안정된 농도 구배가 이뤄지게 한다. As shown in FIG. 2, two solutions for confirming the chemotaxis are injected through a gradient generator to cause a stable concentration gradient in the chemotaxis chamber.

박테리아는 주화성 확인 챔버 상부에서 주입되어 챔버 내부에서의 움직임을 통해 주화성을 분석할 수 있게 한다. 이 방법은 하나의 소형 기판에 모든 구성 요소를 가지고 있어 분석이 용이할 수 있지만, 안정된 농도 구배 형성을 위해 연속 유동 흐름을 요하고, 이에 따라 실험이 진행되는 동안 다량의 배양액이 필요하다. 또한 이러한 연속 유동은 박테리아와 높은 운동성을 가진 생물을 분석할 때, 의도하지 않은 영향을 미칠 수 있다.
Bacteria are injected at the top of the chemotaxis confirmation chamber to allow for the analysis of chemotaxis through movement within the chamber. This method is easy to analyze because it has all the components in one small substrate, but it requires continuous flow flow to form stable concentration gradient, and thus a large amount of culture solution is needed during the experiment. This continuous flow can also have unintended effects when analyzing bacteria and highly motile organisms.

공생 배양은 2종 이상의 세포를 혼합 배양하는 것으로 2종 이상의 세포를 같은 환경에서 직접적으로 비교하기 위해 보통 이 방법이 사용된다. 하지만 만약 분석 대상 세포들의 배양액이 다를 경우, 이러한 공생 배양이 어려워진다. 이러한 모든 세포들이 자랄 수 있는 하나의 배양액을 선택해야 하는데, 이 경우 종래의 배양액을 사용하지 못하게 되는 경우가 발생하며 정상적인 배양을 통해서만 발생할 수 있는 조건 및 물질들에 대한 영향을 배제해야 한다.
Symbiotic cultures are usually a mixture of two or more cells, which is usually used to directly compare two or more cells in the same environment. However, if the cultures of the cells to be analyzed are different, such a symbiotic culture becomes difficult. All of these cells should be able to grow in a single culture medium, in which case conventional cultures may not be able to be used and the effects on conditions and materials that can only occur through normal culture should be excluded.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다종의 세포가 하나의 기판에서 공생배양되면서 발생하는 생화학적 물질들에 대한 실시간 농도 구배 환경을 만들어 정량적인 방법으로 박테리아의 주화성을 평가할 수 있는 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치, 제조 방법 및 이를 이용한 박테리아의 주화성 분석 방법을 제공하는 것이다.
The problem to be solved by the present invention is to provide a real-time concentration gradient environment for biochemical substances generated by co-culturing a plurality of cells on a single substrate, to evaluate the chemotaxis of bacteria by a quantitative method, And a method for analyzing the chemotaxis of bacteria using the microfluidic device.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치는 세포 등에서 분비되는 물질들을 이용하여 실시간으로 주화성 환경을 조성할 수 있는 독립적인 배양 공간과 이를 물리적으로 분리하기 위한 콜라겐 젤 주입구, 박테리아를 주입할 수 있는 채널로 구성되는 것을 특징으로 한다.
The microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is an independent culture space capable of creating a chemotactic environment in real time using materials secreted from cells, A collagen gel inlet for separation, and a channel through which bacteria can be injected.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치는 외부로부터 제공되는 유리 하부기판; 상기 유리 하부기판 상에 접하되도록 형성되는 PDMS 상부 기판;을 포함하며, 상기 PDMS 상부 기판은, 다종의 세포를 배양시키는 적어도 하나 이상의 세포 배양 챔버; 상기 상부 기판 내에 형성되며, 외부로부터 제공되는 박테리아를 상기 상부 기판 내에 주입시키도록 형성된 박테리아 주입구; 외부로부터 제공되는 콜라겐 젤이 주입되는 적어도 한 개 이상의 콜라겐 젤 주입구;를 포함하며, 상기 상부 기판은, 상기 세포 배양 챔버, 박테리아 주입구 및 콜라겐 젤 주입구가 연결시키는 미세 유로들가 형성되는 것을 특징으로 한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria, comprising: a glass bottom substrate provided from the outside; And a PDMS upper substrate formed to contact with the glass lower substrate, wherein the PDMS upper substrate comprises at least one cell culture chamber for culturing a plurality of cells; A bacteria inlet formed in the upper substrate and configured to inject bacteria provided from the outside into the upper substrate; And at least one collagen gel injection port into which a collagen gel provided from the outside is injected, wherein the upper substrate has fine flow channels connected to the cell culture chamber, the bacteria injection port, and the collagen gel injection port.

상기 콜라겐 젤 주입구는, 상기 세포 배양 챔버의 갯수와 동일한 갯수로 형성되는 것을 특징으로 한다.
The collagen gel injection ports are formed in the same number as the number of the cell culture chambers.

상기 미세 유로는, 상기 박테리아 주입구와 연결되어 박테리아를 이동시키는 메인 유로; 및 상기 메인 유로와 연결되며, 상기 콜라겐 젤 주입구 및 상기 세포 배양 챔버와 연결된 서브 유로를 포함하며, 상기 서브 유로는, 상기 세포 배양 챔버 내의 세포와 상기 메인 유로 내에 이동되는 박테리아와의 주화성에 따른 세포 확산이 일어나는 확산 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Wherein the micro channel includes a main channel connected to the bacteria inlet port to move the bacteria; And a sub channel connected to the main channel and connected to the collagen gel injection port and the cell culture chamber, wherein the sub channel includes a cell culture chamber and a cell culture chamber, And a diffusion channel in which cell diffusion takes place.

상기 확산 유로의 양 끝단은, 적어도 110°내지 180°미만의 각으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
And both ends of the diffusion channel are formed at an angle of at least 110 ° to less than 180 °.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조방법은 외부로부터 유리 하부기판을 제공하는 제1단계; 및 외부로부터 PDMS 상부 기판을 제작한 후, 산소 플라즈마 처리 공정을 통해 상기 유리 하부기판 상에 상기 PDMS 상부 기판을 접합시키는 제2단계를 포함한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria, comprising the steps of: providing a glass bottom substrate from outside; And a second step of bonding the PDMS upper substrate on the glass lower substrate through an oxygen plasma treatment process after manufacturing a PDMS upper substrate from the outside.

상기 제2단계는 외부로부터 제공된 실리콘 웨이퍼에 황산과 과산화수소가 4:1 비율로 섞인 피라나용액(Piranha solution)으로 표면의 유기물질을 제거한 후, 스핀코터를 이용하여 음성 감광제 SU-8을 도포하는 도포 단계; 상기 도포 단계 이후, 소프트 베이크를 실시하여 상기 SU-8에 포함된 유기용제를 제거한 후, 노광과 포스트 베이크(post bake)를 통해 음성감광제의 레진 결합을 형성한 후, 하드 베이킹(hard baking) 공정을 수행하여, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 미세 유로 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계; 상기 미세 유로 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 PDMS와 경화제를 10:1의 비유로 섞인 혼합용액을 부은 후, 경화시켜 PDMS 기판을 생성한 후, 세포 배양 챔버, 박테리아 주입구 및 콜라겐 젤 주입구를 형성하는 PDMS 상부 기판 생성 단계; 및 상기 유리 하부기판과 상기 PDMS 상부 기판을 산소플라즈마 처리하여 접합시키는 접합 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In the second step, organic substances on the surface are removed with a Piranha solution in which sulfuric acid and hydrogen peroxide are mixed in a ratio of 4: 1 to a silicon wafer provided from the outside, and then a negative photosensitive agent SU-8 is applied using a spin coater An application step; After the application step, soft baking is performed to remove the organic solvent contained in the SU-8, and resin bonding of the negative photoresist is formed through exposure and post bake, followed by hard baking A pattern forming step of forming a fine flow path pattern on the silicon wafer; A PDMS substrate was produced by pouring a mixed solution of PDMS and a curing agent in a non-oil mixed solution on a silicon wafer having the microchannel pattern formed thereon, and then curing the PDMS substrate. Thereafter, a PDMS substrate for forming a cell culture chamber, a bacterial injection port and a collagen gel injection port An upper substrate generating step; And bonding the glass lower substrate and the PDMS upper substrate by oxygen plasma treatment.

상기 PDMS 상부 기판 생성 단계는, 상기 혼합용액을 70℃의 온도로 3시간 동안 경화시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
The PDMS upper substrate forming step is a step of curing the mixed solution at a temperature of 70 ° C for 3 hours.

상기 접합 단계는, 상기 산소 플라즈마를 200W의 전력으로, 2분 30초 동안 처리하여, 상기 유리 하부기판 상에 상기 PDMS 상부 기판을 접합시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
The bonding step is a step of bonding the PDMS upper substrate on the glass lower substrate by treating the oxygen plasma with a power of 200 W for 2 minutes and 30 seconds.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치를 이용한 박테리아의 주화성 분석 방법은 콜라겐 젤 주입구 내에 콜라겐 젤을 주입시켜 확산 유로 내부를 채우는 콜라겐 젤 주입단계; 세포 배양 챔버 내에 세포를 배양시키는 세포 배양 단계; 박테리아 주입구 내에 연록 형광 단백질이 수식화된 박테리아를 주입시키는 단계; 및 확산 유로 내로 확산된 박테리아의 주화성 정도를 상기 확산 유로 내에 위치한 세포종에 대한 박테리아의 형광 밝기를 통해 주화성을 분석하는 단계를 포함한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing the chemotaxis of bacteria using a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria, comprising the steps of injecting a collagen gel into a collagen gel injection port and injecting collagen gel ; Culturing the cells in a cell culture chamber; Injecting a bacteria in which a fluorescent protein has been modified into a bacterial injection port; And analyzing the degree of chemotaxis of the bacteria diffused into the diffusion channel through the fluorescence intensity of the bacteria against the cell type located in the diffusion channel.

본 발명에 따르면 하나의 기판에서 2 종 이상의 세포를 각기 독립된 공간에서 각기 사용되는 종래의 배양액을 이용하여 장시간 배양할 수 있으며, 이에 따라 분비되는 생화학적 물질들에 대한 실시간 농도 구배를 형성할 수 있는 이점이 있다. 또한, 다수의 샘플을 형광의 정도를 비교하는 정량적인 방법을 통해 보다 명확하고 객관적으로 분석할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, it is possible to cultivate two or more kinds of cells in a single substrate for a long period of time using a conventional culture solution used in each independent space, thereby forming a real-time concentration gradient for secreted biochemical substances There is an advantage. In addition, it is possible to analyze more clearly and objectively through a quantitative method of comparing the degree of fluorescence of a plurality of samples.

상세하게는, 첫째, 세포 배양 챔버와 박테리아 주입 채널 사이에 주입된 콜라겐 젤은 견고한 물리적인 벽을 형성하여 각 배양액이 박테리아 주입 채널이나 이종 세포 배양 챔버에 섞이지 않도록 독립적인 배양 공간을 제공한다.Specifically, first, the collagen gel injected between the cell culture chamber and the bacterial injection channel forms a solid physical wall, thereby providing an independent culture space so that each culture solution is not mixed into the bacterial injection channel or the xenogeneic cell culture chamber.

둘째, 벽을 형성하는 콜라겐 젤의 다공성 성질을 이용하여 장시간의 배양을 세포에서 분비되는 다양한 생화학적 물질들이 확산을 통해 박테리아 채널로 실시간 농도 구배를 형성하여 박테리아의 주화성을 분석할 수 있다.Secondly, by using the porous nature of the collagen gel forming the wall, it is possible to analyze the chemotaxis of the bacteria by forming a real time concentration gradient in the bacterial channel through diffusion of various biochemical substances secreted from the cells for a long time.

셋째, 정지된 흐름에서 분석이 진행되기 때문에 박테리아의 주화성을 운동성에 영향을 미치지 않고 수행할 수 있으며, 배양액 등의 시약의 사용을 수백 μl이하로 줄일 수 있다.Thirdly, since the analysis is carried out in the stationary flow, the chemotaxis of the bacteria can be performed without affecting the motility, and the use of the reagent such as the culture liquid can be reduced to a few hundred μl or less.

넷째, 연록 형광 단백질(green fluorescent protein, GFP)이 수식화된 박테리아를 이용하여 일정한 시간 후에 박테리아의 형광의 밝기를 비교하면 객관적이며 정량적인 분석이 가능하다.Fourth, by comparing the fluorescence intensity of bacteria after a certain period of time using the bacteria in which green fluorescent protein (GFP) is formulated, objective and quantitative analysis is possible.

다섯째, 제작 공정은 종래의 소프트 리소그래피(soft lithography) 방법을 이용함으로 단순하며 저가로 제작할 수 있다.
Fifth, the manufacturing process can be made simple and low-cost by using a conventional soft lithography method.

도 1은 종래 기술에 따른 박테리아의 주화성 분석법을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 마이크로 플루이딕 장치 기반의 주화성 분석법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 상부 기판을 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 속한 박테리아의 주화성 분석 영역을 확대한 마이크로 플루이딕 장치의 부분 사시도이다.
도 6은 본 발명에 속한 박테리아의 주화성 분석 영역을 나타낸 평면도이다.
도 7은 도 6의 콜라겐 젤 주입 영역 끝단을 확대한 사시도이다.
도 8a는 채널 형상 계수 및 접촉각도에 따른 확장채널에서의 이론적 모세관 압력을 수학식으로 나타내기 위한 예시도이다.
도 8b는 도 8a에 기재된 이론적 모세관 압력을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조 방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 10은 도 9에 도시된 제2단계를 보다 구체적으로 나타낸 플로우 차트이다.
도 11은 본 발명에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조 공정도를 나타낸 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 실시 예로 간 암과 정상세포의 형광 살모넬라 주화성 분석 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 12은 분 발명에 따른 실시 예로 살모넬라 주화성 결과 분석 방법을 나타낸 표이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a method for analyzing the chemotaxis of bacteria according to the prior art.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method for analyzing chemotaxis based on a microfluidic device according to the prior art.
3 is a plan view of an upper substrate of a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to the present invention.
4 is a perspective view of a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to the present invention.
FIG. 5 is a partial perspective view of a microfluidic device in which a chemotaxis analysis region of a bacteria belonging to the present invention is enlarged. FIG.
FIG. 6 is a plan view showing a chemotaxis analysis region of a bacteria belonging to the present invention. FIG.
FIG. 7 is an enlarged perspective view of the end portion of the collagen gel injection region of FIG. 6. FIG.
8A is an exemplary diagram for representing the theoretical capillary pressure in the expansion channel according to the channel shape coefficient and the contact angle.
8B is a graph showing the theoretical capillary pressure shown in FIG. 8A.
FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to an embodiment of the present invention.
10 is a flowchart showing the second step shown in Fig. 9 in more detail.
11 is a flow chart showing a manufacturing process of a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a procedure for analyzing the fluorescence Salmonella chemotaxis of liver cancer and normal cells according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 12 is a table showing a method for analyzing the salmonella chemotaxis result according to an embodiment of the present invention.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Specific structural and functional descriptions of embodiments according to the concepts of the present invention disclosed in this specification or application are merely illustrative for the purpose of illustrating embodiments in accordance with the concepts of the present invention, The examples may be embodied in various forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein or in the application.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that the embodiments according to the concepts of the present invention are not intended to be limited to any particular mode of disclosure, but rather all variations, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.The terms first and / or second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be referred to as a first component second component only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example without departing from the scope of the right according to the concept of the present invention, The two components can also be named as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, .

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합하는 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ",or" having ", and the like, are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, , Steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, as a matter of principle, without departing from the spirit and scope of the invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 3은 본 발명에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 상부 기판을 나타낸 평면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 사시도이며, 도 5는 본 발명에 속한 박테리아의 주화성 분석 영역을 확대한 마이크로 플루이딕 장치의 부분 사시도이며, 도 6은 본 발명에 속한 박테리아의 주화성 분석 영역을 나타낸 평면도이며, 도 7은 도 6의 콜라겐 젤 주입 영역 끝단을 확대한 사시도이다.FIG. 3 is a top view of an upper substrate of a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to the present invention, FIG. 4 is a perspective view of a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to the present invention, FIG. 6 is a plan view showing a chemotaxis analysis region of a bacteria belonging to the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the microfluidic device of FIG. FIG.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치(1000)는 세포 등에서 분비되는 물질들을 이용하여 실시간으로 주화성 환경을 조성할 수 있는 독립적인 배양 공간과 이를 물리적으로 분리하기 위한 콜라겐 젤 주입구, 박테리아를 주입할 수 있는 채널로 구성되는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 3, the microfluidic device 1000 for analyzing chemotaxis of bacteria according to the present invention can be used as an independent culture space capable of creating a chemotactic environment in real time using materials secreted from cells and the like, A collagen gel injection port for separating the bacteria into the bacteria, and a channel through which bacteria can be injected.

보다 상세하게, 상기 장치(1000)는 유리 하부기판(200) 및 PDMS 상부 기판(100)을 포함한다.More specifically, the apparatus 1000 includes a glass bottom substrate 200 and a PDMS top substrate 100.

상기 PDMS 상부 기판(100)은 상기 유리 하부기판(200) 상에 접하되도록 형성된다.The PDMS upper substrate 100 is formed to be in contact with the glass lower substrate 200.

상기 PDMS 상부 기판(200)은 박테리아 주입구(120,130), 콜라겐 젤 주입구(140), 세포 배양 챔버(110)를 포함한다.The PDMS upper substrate 200 includes bacterial injection ports 120 and 130, a collagen gel injection port 140, and a cell culture chamber 110.

상기 세포 배양 챔버(110)는 다종의 세포를 배양시킨다.The cell culture chamber 110 cultivates various kinds of cells.

상기 박테리아 주입구(120, 130)는 상기 PDMS 상부기판(100) 내에 형성되며, 외부로부터 제공되는 박테리아를 주입시키도록 형성된다.The bacteria injection ports 120 and 130 are formed in the PDMS upper substrate 100 and are formed to inject bacteria supplied from the outside.

상기 콜라겐 젤 주입구(140)는 외부로부터 제공되는 콜라겐 젤이 주입되며, 상기 PDMS 상부 기판(100) 내에 적어도 한 개 이상 형성된다.The collagen gel injection port 140 is injected with collagen gel provided from the outside, and at least one or more collagen gel injection holes 140 are formed in the PDMS upper substrate 100.

이때, 상기 PDMS 상부 기판(100)은 상기 세포 배양 챔버(110), 박테리아 주입구(120, 130) 및 콜라겐 젤 주입구(140)를 연결시키는 미세 유로가 형성된다.At this time, the PDMS upper substrate 100 has a micro channel for connecting the cell culture chamber 110, the bacteria injection ports 120 and 130, and the collagen gel injection port 140.

상기 PDMS 상부 기판(100)과 상기 유리 하부기판(200)은, 산소 플라즈마 처리 공정을 통해 접합된다.The PDMS upper substrate 100 and the glass lower substrate 200 are bonded through an oxygen plasma treatment process.

상기 콜라겐 젤 주입구(140)는, 상기 세포 배양 챔버(110)의 갯수와 동일한 갯수로 형성된다.The collagen gel injection ports 140 are formed in the same number as the number of the cell culture chambers 110.

상기 미세 유로는 상기 박테리아 주입구(120, 130)와 연결되어 박테리아를 이동시키는 메인 유로 및 상기 메인 유로와 연결되며, 상기 콜라겐 젤 주입구(140) 및 상기 세포 배양 챔버(110)와 연결된 서브 유로를 포함하며, 상기 서브 유로는, 상기 세포 배양 챔버(110) 내의 세포와 상기 메인 유로 내에 이동되는 박테리아와의 주화성에 따른 세포 확산이 일어나는 확산 유로(141)를 포함할 수 있다.The micro channel includes a main channel connected to the bacteria injection ports 120 and 130 and connected to the main channel and a sub channel connected to the collagen gel injection port 140 and the cell culture chamber 110 And the sub channel may include a diffusion channel 141 in which cell diffusion occurs depending on the chemotaxis of cells in the cell culture chamber 110 and bacteria moving in the main channel.

상기 확산 유로(141)의 양 끝단은, 적어도 110°내지 180°미만의 각으로 형성될 수 있다.Both ends of the diffusion channel 141 may be formed at an angle of at least 110 ° to less than 180 °.

보다 구체적으로, 상기 확산 유로의 각은 바람직하게는 110°로 형성되며, 이는 수동적으로 콜라겐 젤의 유동을 멈추게 하여 제어된 형태의 콜라겐 젤 벽을 형성하도록 유도하기 위함이다.More specifically, the angle of the diffusion channel is preferably 110 °, which is intended to passively cause the flow of the collagen gel to stop to form a controlled-type collagen gel wall.

참고로, 도 8a은 채널 형상 계수 및 접촉각도에 따른 확장채널에서의 이론적 모세관 압력을 수학식으로 나타내기 위한 예시도이며, 도 8b는 도 8a에 기재된 이론적 모세관 압력을 나타낸 그래프이다.8A is an exemplary view for expressing the theoretical capillary pressure in the extended channel according to the channel shape coefficient and the contact angle, and FIG. 8B is a graph showing the theoretical capillary pressure shown in FIG. 8A.

도 8a를 참조하면, 높이가 일정한 채널이 확장하는 형상에서 유체의 진행을 나타낸 것으로, 확장 지점에서 모세관 유동이 가지는 압력은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.Referring to FIG. 8A, the progress of the fluid in the shape in which the channel having a constant height is expanded is shown. The pressure of the capillary flow at the expansion point can be expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012033510032-pat00001
Figure 112012033510032-pat00001

여기서, θ는 접촉각, β는 채널 확장 각도, σ는 표면장력계수, α는 유체계면의 곡률반경이다.Where? Is the contact angle,? Is the channel extension angle,? Is the surface tension coefficient, and? Is the radius of curvature of the fluid interface.

모세관 압력(Pn)은 아래의 수학식 2와 같이 다시 나타낼 수 있다.The capillary pressure Pn can be rewritten as: < EMI ID = 2.0 >

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112012033510032-pat00002
Figure 112012033510032-pat00002

채널이 형성되는 PDMS 상부 기판과 유리 하부기판의 재질이 달라서 접촉각이 각각 θ와 θi인 경우 압력은 다음과 같다. 이때, 모세관 압력 Pn이 음의 값을 가지면 확장지점에서 모세관 유동은 정지하며 양의 값을 가지면 유동이 진행하게 됨을 알 수 있다.When the contact angle is θ and θi, the pressure is as follows. At this time, if the capillary pressure Pn has a negative value, it is understood that the capillary flow stops at the expansion point and the flow proceeds when the capillary pressure Pn has a positive value.

도 8b를 참조하면, 높이가 일정한 경우 모세관의 폭이 작을 수록 큰 정지압력을 가지며 특정한 확장각도에서 최대의 정지압력이 나타남을 알 수 있다.(여기서, 모세관의 폭(h)는 100㎛이며, 확장 각도(θ)는 70°이다.)Referring to FIG. 8B, it can be seen that as the width of the capillary is small, the capillary tube has a large stopping pressure and a maximum stopping pressure appears at a certain extension angle when the height is constant. Here, the width h of the capillary is 100 μm, The expansion angle [theta] is 70 [deg.]).

또한 채널의 접촉각이 다른 경우에도 수학식 1을 이용해 쉽게 정지 압력의 변화를 살펴볼 수 있다.
Also, even when the contact angle of the channel is different, the change of the stopping pressure can easily be checked using Equation (1).

즉, 본 발명의 장치(1000)는 2종 이상의 세포가 배양을 통해 발현하는 각기 다른 생화학적 물질들에 대한 박테리아의 주화성을 정량적인 방법으로 분석하기 위한 장치로서, PDMS 재질의 상부 기판(100)과 유리 재질의 하부기판(200)으로 구성되는데, 상기 PDMS 상부 기판(100)에 주화성 분석을 위한 모든 구성요소가 단층의 채널(예컨대, 미세유로)로 설계되어 있다.That is, the apparatus 1000 of the present invention is an apparatus for quantitatively analyzing the chemotaxis of bacteria to different biochemical substances expressed by culturing two or more kinds of cells, and comprises a PDMS material upper substrate 100 And a lower substrate 200 made of a glass material. All the components for the chemotaxis analysis are designed as a monolayer channel (for example, a microchannel) in the PDMS upper substrate 100.

PDMS 상부 기판(100)은 유리 하부기판(200)과 접합되어 일체화될 수 있도록 산소 플라즈마로 일정한 전력에서 일정한 시간동안 처리하여 이루어진다. 이때 상기 접합은 산소플라즈마 200W로 2분 20초 동안 처리한 후에 접하는 것이 바람직하다.The PDMS upper substrate 100 is bonded to the lower glass substrate 200 and is processed with oxygen plasma at a constant power for a predetermined time so as to be integrated. At this time, it is preferable that the bonding is performed after treatment with oxygen plasma 200 W for 2 minutes and 20 seconds.

상기 PDMS 상부 기판(100)에는 다종의 세포가 배양될 수 있는 세포 배양 챔버(110)와, 박테리아가 주입될 수 있는 박테리아 주입구(120, 130), 또한 이 두 요소들을 물리적으로 분리할 수 있는 콜라겐 젤 주입구(140)가 구비되어 있다. 이러한 구성 요소들은 별도의 처리없이 하나의 채널로 구성되어 있어 매우 간단한 MEMS 공정을 통해 제작될 수 있다.The PDMS upper substrate 100 is provided with a cell culture chamber 110 in which a plurality of cells can be cultured, bacterial injection ports 120 and 130 into which bacteria can be injected, collagen A gel inlet 140 is provided. These components can be fabricated through a very simple MEMS process because they are composed of one channel without additional processing.

본 발명에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치를 이용하여 박테리아의 주화성을 분석 과정은 다음과 같다. 마이크로 플루이딕 장치 내부에 콜라겐 젤 주입을 통해 형성된 독립된 공간에서 각기 다른 배양액을 사용하는 2 개 이상의 세포주를 일정시간 배양한다.The process for analyzing the chemotaxis of bacteria using a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to the present invention is as follows. Two or more cell lines using different culture media in a separate space formed by injection of collagen gel into the microfluidic device are cultured for a certain period of time.

이때, 콜라겐 젤 주입구 설계에 있어 채널의 형상을 조정하여 지정된 위치에만 콜라겐 젤(141)이 채워질 수 있도록 하였다. 도 6을 참조하면 모세관력과 표면장력이 지배하는 마이크로 단위의 유동에서 채널의 형상이 90°이상으로 급격히 확장할 때 유동이 멈추게 되는 현상을 이용하여 콜라겐 세포 배양 챔버와 박테리아 주입 채널을 연결하는 콜라겐 젤 주입 부분 양 끝단에는 그 폭이 급격히 확장하는 형태의 채널 형상을 설계하여 주입시 수동적으로 젤의 유동을 멈추게 하여 제어된 형태의 콜라겐 젤 벽을 형성하도록 유도하였다. 이때 채널이 확장하는 각도는 안정된 유동의 제어를 위해 110°이상 내지 180°미만으로 설계하는 것이 바람직하다.(도 7참조)At this time, in the design of the injection port of the collagen gel, the shape of the channel was adjusted so that the collagen gel 141 could be filled only at the designated position. Referring to FIG. 6, the phenomenon that the flow stops when the shape of the channel sharply expands to 90 ° or more in the micro-unit flow dominated by the capillary force and the surface tension, is used for collagen cell culture chamber- At both ends of the gel injection part, the shape of the channel is designed so that the width thereof is rapidly expanded, and the flow of the gel is manually stopped when injecting, thereby inducing the formation of the controlled collagen gel wall. At this time, it is desirable that the angle of expansion of the channel is designed to be not less than 110 ° and less than 180 ° for stable flow control (see FIG. 7).

세포가 배양되는 동안 박테리아 주입 중앙 채널은 아무것도 채워지지 않은 상태에서 세포에서 분비되는 생화학적 물질들은 콜라겐 젤 내부로 확산된다.While the cells are being cultured, the biochemical substances secreted from the cells are spread into the collagen gel while the bacterial injection center channel is not filled.

일정시간 이후 박테리아를 중앙 채널에 주입하여 중앙채널과 연결되어 있는 콜라겐 젤 끝단에서의 생화학적 물질들의 확산에 의해 형성된 농도 구배를 이용해 박테리아의 주화성을 분석한다.After a period of time, bacteria are injected into the central channel to analyze the chemotaxis of the bacteria using a concentration gradient formed by the diffusion of biochemical substances at the end of the collagen gel connected to the center channel.

이때, 사용되는 박테리아는 정량적인 분석을 위해 연록 형광 단백질(green fluorescent protein, GFP)와 같은 물질을 수식화하여 주화성 분석시 특정 방향으로 몰린 박테리아의 수를 짐작하여 판단하지 않고 형광 현미경을 사용하여 검출 부위(도 6을 참조)의 일정한 노출 시간을 부여한 형광 사진을 찍고 이에 형광 밝기를 그래픽 소프트웨어를 통해 정량적으로 비교하여 분석을 수행한다.
At this time, for the quantitative analysis, the bacteria to be used are obtained by modifying a substance such as green fluorescent protein (GFP) to determine the number of bacteria that have been put in a specific direction in the flammability analysis, (See FIG. 6), and the fluorescence brightness is quantitatively compared with the graphic software to analyze the fluorescence.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조 방법을 나타낸 플로우 챠트이며, 도 10은 도 9에 도시된 제2단계를 보다 구체적으로 나타낸 플로우 차트이며, 도 11은 본 발명에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조 공정도를 나타낸 순서도이다.FIG. 9 is a flow chart showing a method of manufacturing a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to an embodiment of the present invention, FIG. 10 is a flowchart showing the second step shown in FIG. 9 in more detail, 11 is a flowchart showing a manufacturing process of a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to the present invention.

도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조 방법(S100)은 제1단계(S110) 및 제2단계(S120)를 포함한다.9 to 11, a method (S100) of manufacturing a microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to an embodiment of the present invention includes a first step (S110) and a second step (S120) do.

상기 제1단계(S110)는 외부로부터 유리 하부기판을 제공 단계이다.The first step (S110) is a step of providing a glass bottom substrate from the outside.

상기 제2단계(S120)는 외부로부터 PDMS 상부 기판을 제작한 후, 산소 플라즈마 처리 공정을 통해 상기 유리 하부기판 상에 상기 PDMS 상부 기판을 접합시키는 단계이다.In the second step (S120), the PDMS upper substrate is manufactured from the outside, and then the PDMS upper substrate is bonded to the glass lower substrate through an oxygen plasma processing process.

보다 구체적으로, 상기 제2단계(S120)는 도포 단계(S121), 패턴 형성 단계(S122), PDMS 상부 기판 생성 단계(S123) 및 접합 단계(S124)를 포함한다.More specifically, the second step S120 includes an applying step S121, a pattern forming step S122, a PDMS upper substrate producing step S123, and a bonding step S124.

상기 도포 단계(S121)는 외부로부터 제공된 실리콘 웨이퍼에 황산과 과산화수소가 4:1 비율로 섞인 피라나용액(Piranha solution)으로 표면의 유기물질을 제거한 후, 스핀코터를 이용하여 음성 감광제 SU-8을 도포하는 단계일 수 있다.In the coating step (S121), organic substances on the surface are removed with a Piranha solution in which sulfuric acid and hydrogen peroxide are mixed in a ratio of 4: 1 to a silicon wafer provided from the outside, and then a negative photoresist SU-8 It may be a step of applying.

상기 패턴 형성 단계(S122)는 상기 도포 단계 이후, 소프트 베이크를 실시하여 상기 SU-8에 포함된 유기용제를 제거한 후, 노광과 포스트 베이크(post bake)를 통해 음성감광제의 레진 결합을 형성한 후, 하드 베이킹(hard baking) 공정을 수행하여, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 미세 유로 패턴을 형성하는 단계일 수 있다.In the pattern formation step S122, after the application step, soft baking is performed to remove the organic solvent contained in the SU-8, and resin bonding of the negative photoresist is formed through exposure and post bake , And a hard baking process to form a fine flow path pattern on the silicon wafer.

상기 PDMS 상부 기판 생성 단계(S123)는 상기 미세 유로 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 PDMS와 경화제를 10:1의 비유로 섞인 혼합용액을 부은 후, 경화시켜 PDMS 기판을 생성한 후, 세포 배양 챔버, 박테리아 주입구 및 콜라겐 젤 주입구를 형성하는 단계일 수 있다. In the PDMS upper substrate formation step (S123), a mixture solution of PDMS and a curing agent in a ratio of 10: 1 is poured on a silicon wafer having the microchannel pattern formed thereon, and then cured to form a PDMS substrate. A bacterial injection port and a collagen gel injection port.

상기 접합 단계(S124)는 상기 유리 하부기판과 상기 PDMS 상부 기판을 산소플라즈마 처리하여 접합시키는 단계일 수 있다.The bonding step (S124) may be a step of bonding the lower glass substrate and the PDMS upper substrate by oxygen plasma treatment.

여기서, 상기 PDMS 상부 기판 생성 단계(S123)는, 상기 혼합용액을 70℃의 온도로 3시간 동안 경화시키는 단계일 수 있으며, 상기 접합 단계(S124)는 상기 산소 플라즈마를 200W의 전력으로, 2분 30초 동안 처리하여, 상기 유리 하부기판 상에 상기 PDMS 상부 기판을 접합시키는 단계일 수 있다.
The PDMS upper substrate forming step S123 may be a step of curing the mixed solution at a temperature of 70 DEG C for 3 hours, and the bonding step (S124) may be a step of heating the oxygen plasma to 200 DEG C for 2 minutes For 30 seconds to bond the PDMS top substrate onto the glass bottom substrate.

도 12는 본 발명에 따른 실시 예로 간 암과 정상세포의 형광 살모넬라 주화성 분석 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 13은 분 발명에 따른 실시 예로 살모넬라 주화성 결과 분석 방법을 나타낸 표이다.FIG. 12 is a schematic view showing a fluorescence Salmonella assimilation analysis process of hepatic cancer and normal cells according to an embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a table showing a method of analyzing Salmonella chemotaxis result analysis according to an embodiment of the present invention.

도 12에 도시된 바와 같이, 콜라겐 젤 주입구(140)를 통해 주입된 콜라겐 젤로 인해 독립적 배양 공간이 제공된 상기 마이크로 플루이딕 장치 세포 배양 챔버(110)에 각각 간 암세포와 간 정상세포를 일정시간 배양하고 중앙 박테리아 주입구(120)를 통해 주입된 형광 박테리아가 주입되어 분석을 진행하였다.12, cancer cells and hepatic normal cells are cultured for a predetermined time in the microfluidic device cell culture chamber 110 provided with an independent culture space due to the collagen gel injected through the collagen gel injection port 140 Fluorescent bacteria injected through the central bacterial injection port 120 were injected and analyzed.

도 13을 참조하면, 본 발명을 이용한 분석결과를 나타낸 것으로 분석 영역(도 6)에 일정 노출 시간(200 ms)의 형광 사진을 찍고 이 부분에 대한 형광의 밝기를 수치적으로 비교하여 특정 세포종에 대한 박테리아의 주화성을 분석할 수 있다.Referring to FIG. 13, fluorescence photographs were taken at a predetermined exposure time (200 ms) in the analysis area (FIG. 6) and numerical comparison of the brightness of fluorescence to this part was performed. The chemotaxis of Korean bacteria can be analyzed.

따라서, 본 발명에 따르면 세포 배양 챔버로 주입되는 세포와 배양액은 견고한 벽을 이루는 콜라겐 젤로 인해 독립적인 공간에서 장시간 배양 이 가능하게되고 이에 따라 발생하는 생화학적 물질들은 다공성의 콜라겐 젤 내부로 확산되게 한다.Therefore, according to the present invention, the cells and the culture liquid injected into the cell culture chamber can be cultured independently in a space for a long time due to the collagen gel which forms a solid wall, and the biochemical substances generated thereby are diffused into the porous collagen gel .

이러한 상기 PDMS 상부 기판과 유리기판이 일체화되는 상태에서 각 세포 배양 챔버에서 2종 이상의 세포가 독립적으로 배양되고 중앙의 박테리아 주입 채널에 박테리아 용액이 주입되면 각 콜라겐 젤 끝단에서부터 확산되는 생화학적 물질에 대한 박테리아의 주화성을 분석하게 되는 것이다. When the PDMS upper substrate and the glass substrate are integrated, two or more kinds of cells are independently cultured in each cell culture chamber, and when the bacteria solution is injected into the central bacterial injection channel, the biochemical material diffused from the end of each collagen gel It will analyze the chemotaxis of bacteria.

이때, 보다 더 객관적인 정량적 분석을 위해 연록 형광 단백질(green fluorescent protein, GFP) 수식화된 박테리아를 이용하여 주화성의 정도를 각 위치에 모인 박테리아로 인해 발생하는 형광의 밝기를 측정하여 판단하게 된다.For more objective quantitative analysis, we use green fluorescent protein (GFP) -modified bacteria to determine the degree of chemotaxis by measuring the brightness of fluorescence caused by bacteria in each location.

본 발명에 따르면 하나의 기판에서 2 종 이상의 세포를 각기 독립된 공간에서 각기 사용되는 종래의 배양액을 이용하여 장시간 배양할 수 있으며, 이에 따라 분비되는 생화학적 물질들에 대한 실시간 농도 구배를 형성할 수 있는 이점이 있다. 또한, 다수의 샘플을 형광의 정도를 비교하는 정량적인 방법을 통해 보다 명확하고 객관적으로 분석할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, it is possible to cultivate two or more kinds of cells in a single substrate for a long period of time using a conventional culture solution used in each independent space, thereby forming a real-time concentration gradient for secreted biochemical substances There is an advantage. In addition, it is possible to analyze more clearly and objectively through a quantitative method of comparing the degree of fluorescence of a plurality of samples.

상세하게는, 첫째, 세포 배양 챔버와 박테리아 주입 채널 사이에 주입된 콜라겐 젤은 견고한 물리적인 벽을 형성하여 각 배양액이 박테리아 주입 채널이나 이종 세포 배양 챔버에 섞이지 않도록 독립적인 배양 공간을 제공한다.Specifically, first, the collagen gel injected between the cell culture chamber and the bacterial injection channel forms a solid physical wall, thereby providing an independent culture space so that each culture solution is not mixed into the bacterial injection channel or the xenogeneic cell culture chamber.

둘째, 벽을 형성하는 콜라겐 젤의 다공성 성질을 이용하여 장시간의 배양을 세포에서 분비되는 다양한 생화학적 물질들이 확산을 통해 박테리아 채널로 실시간 농도 구배를 형성하여 박테리아의 주화성을 분석할 수 있다.Secondly, by using the porous nature of the collagen gel forming the wall, it is possible to analyze the chemotaxis of the bacteria by forming a real time concentration gradient in the bacterial channel through diffusion of various biochemical substances secreted from the cells for a long time.

셋째, 정지된 흐름에서 분석이 진행되기 때문에 박테리아의 주화성을 운동성에 영향을 미치지 않고 수행할 수 있으며, 배양액 등의 시약의 사용을 수백 μl이하로 줄일 수 있다.Thirdly, since the analysis is carried out in the stationary flow, the chemotaxis of the bacteria can be performed without affecting the motility, and the use of the reagent such as the culture liquid can be reduced to a few hundred μl or less.

넷째, 연록 형광 단백질(green fluorescent protein, GFP)이 수식화된 박테리아를 이용하여 일정한 시간 후에 박테리아의 형광의 밝기를 비교하면 객관적이며 정량적인 분석이 가능하다.Fourth, by comparing the fluorescence intensity of bacteria after a certain period of time using the bacteria in which green fluorescent protein (GFP) is formulated, objective and quantitative analysis is possible.

다섯째, 제작 공정은 종래의 소프트 리소그래피(soft lithography) 방법을 이용함으로 단순하며 저가로 제작할 수 있다.
Fifth, the manufacturing process can be made simple and low-cost by using a conventional soft lithography method.

상기와 같은 본 발명은 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치, 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 주화성 분석 방법에 대한 실시 구성에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 하지만, 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것을 이해되어야 한다.
As described above, the microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria, the method for producing the same, and the method for analyzing the chemotaxis of bacteria using the same can be variously modified and take various forms. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific forms thereof, which come within the scope of the appended claims, including all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims .

100: PDMS 상부 기판 110: 다종 세포 배양 챔버
120, 130: 박테리아 주입구 140: 콜라겐 젤 주입구
141: 확산 유로 200: 유리 하부 기판
1000: 플루이딕 장치
100: PDMS upper substrate 110: Multi-cell culture chamber
120, 130: Bacteria injection port 140: Collagen gel injection port
141: diffusion channel 200: glass bottom substrate
1000: Fluidic device

Claims (10)

삭제delete 외부로부터 제공되는 유리 하부기판;
상기 유리 하부기판 상에 접합되도록 형성되는 상부 기판;을 포함하며,
상부 기판은,
다종의 세포를 배양시키는 적어도 둘 이상의 세포 배양 챔버;
상기 상부 기판 내에 형성되며, 외부로부터 제공되는 박테리아를 상기 상부 기판 내에 주입시키도록 형성된 박테리아 주입구;
외부로부터 제공되는 콜라겐 젤이 주입되는 적어도 둘 이상의 콜라겐 젤 주입구;를 포함하며,
상기 상부 기판은,
상기 세포 배양 챔버, 박테리아 주입구 및 콜라겐 젤 주입구을 연결시키는 미세 유로가 형성되고,
상기 미세 유로는,
상기 박테리아 주입구와 연결되어 박테리아를 이동시키는 메인 유로; 및
상기 메인 유로와 연결되며, 상기 콜라겐 젤 주입구 및 상기 세포 배양 챔버와 연결된 서브 유로를 포함하며,
상기 서브 유로는,
상기 세포 배양 챔버 내의 세포와 상기 메인 유로 내에 이동되는 박테리아와의 주화성에 따른 세포 확산이 일어나는 확산 유로를 포함하고,
확산 유로의 끝단을 연장한 연장선과, 메인유로간의 각도는 110°이상 180°미만이며,
상기 확산유로 내부는 상기 콜라겐 젤 주입구로부터 주입된 콜라겐 젤로 채워지되, 상기 메인유로에는 콜라겐 젤이 유입되지 않는 것을 특징으로 하는 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치.
A glass lower substrate provided from the outside;
And an upper substrate formed to be bonded onto the lower glass substrate,
In the upper substrate,
At least two cell culture chambers for culturing a plurality of cells;
A bacteria inlet formed in the upper substrate and configured to inject bacteria provided from the outside into the upper substrate;
And at least two collagen gel injection ports into which a collagen gel provided from the outside is injected,
Wherein the upper substrate comprises:
A micro channel for connecting the cell culture chamber, the bacterial injection port, and the collagen gel injection port is formed,
The fine flow path,
A main flow channel connected to the bacteria inlet port to move the bacteria; And
And a sub channel connected to the main channel and connected to the collagen gel inlet and the cell culture chamber,
The sub-
And a diffusion channel in which cell diffusion occurs depending on the chemotaxis of cells in the cell culture chamber and bacteria moving in the main channel,
The angle between the extension line extending the end of the diffusion flow passage and the main flow passage is at least 110 but less than 180,
Wherein the diffusion channel is filled with collagen gel injected from the injection port of the collagen gel, and the collagen gel is not introduced into the main flow channel.
제2항에 있어서,
상기 콜라겐 젤 주입구는,
상기 세포 배양 챔버의 갯수와 동일한 갯수로 형성되는 것을 특징으로 하는 박테리아의 주화성 부석용 마이크로 플루이딕 장치.
3. The method of claim 2,
In the collagen gel injection port,
Wherein the microfluidic device is formed in the same number as the number of the cell culture chambers.
삭제delete 삭제delete 외부로부터 유리 하부기판을 제공하는 제1단계; 및
외부로부터 PDMS 상부 기판을 제작한 후, 산소 플라즈마 처리 공정을 통해 상기 유리 하부기판 상에 상기 PDMS 상부 기판을 접합시키는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2항에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조방법.
A first step of providing a glass bottom substrate from outside; And
And a second step of bonding the PDMS upper substrate to the lower glass substrate through an oxygen plasma treatment process after the PDMS upper substrate is manufactured from the outside. A method of manufacturing a microfluidic device.
제6항에 있어서,
상기 제2단계는,
외부로부터 제공된 실리콘 웨이퍼에 황산과 과산화수소가 4:1 비율로 섞인 피라나용액(Piranha solution)으로 표면의 유기물질을 제거한 후, 스핀코터를 이용하여 음성 감광제 SU-8을 도포하는 도포 단계;
상기 도포 단계 이후, 소프트 베이크를 실시하여 상기 SU-8에 포함된 유기용제를 제거한 후, 노광과 포스트 베이크(post bake)를 통해 음성감광제의 레진 결합을 형성한 후, 하드 베이킹(hard baking) 공정을 수행하여, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 미세 유로 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계;
상기 미세 유로 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 PDMS와 경화제를 10:1 의 비유로 섞인 혼합용액을 부은 후, 경화시켜 PDMS 기판을 생성한 후, 세포 배양 챔버, 박테리아 주입구 및 콜라겐 젤 주입구를 형성하는 PDMS 상부 기판 생성 단계; 및
상기 유리 하부기판과 상기 PDMS 상부 기판을 산소플라즈마 처리하여 접합시키는 접합 단계를 포함하는 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조방법.
The method according to claim 6,
The second step comprises:
A step of applying a negative photosensitive agent SU-8 using a spin coater after removing organic substances on the surface with a Piranha solution in which sulfuric acid and hydrogen peroxide are mixed in a ratio of 4: 1 to a silicon wafer provided from the outside;
After the application step, soft baking is performed to remove the organic solvent contained in the SU-8, and resin bonding of the negative photoresist is formed through exposure and post bake, followed by hard baking A pattern forming step of forming a fine flow path pattern on the silicon wafer;
A PDMS substrate was produced by pouring a mixed solution of PDMS and a curing agent in a non-oil mixed solution on a silicon wafer having the microchannel pattern formed thereon, and then curing the PDMS substrate. Thereafter, a PDMS substrate for forming a cell culture chamber, a bacterial injection port and a collagen gel injection port An upper substrate generating step; And
And bonding the lower glass substrate and the upper PDMS substrate by oxygen plasma treatment to bond the lower glass substrate to the PDMS upper substrate.
제7항에 있어서,
상기 PDMS 상부 기판 생성 단계는,
상기 혼합용액을 70℃의 온도로 3시간 동안 경화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The PDMS upper substrate generating step may include:
And curing the mixed solution at a temperature of 70 캜 for 3 hours. 2. The method according to claim 1, wherein the microfluidic device is a microfluidic device.
제7항에 있어서,
상기 접합 단계는,
상기 산소 플라즈마를 200W의 전력으로, 2분 30초 동안 처리하여, 상기 유리 하부기판 상에 상기 PDMS 상부 기판을 접합시키는 단계인 것을 특징으로 하는 박테리아의 주화성 부석용 마이크로 플루이딕 장치의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the joining step,
Treating the oxygen plasma at a power of 200 W for 2 minutes and 30 seconds to bond the PDMS top substrate onto the glass bottom substrate.
콜라겐 젤 주입구 내에 콜라겐 젤을 주입시켜 확산 유로 내부를 채우는 콜라겐 젤 주입단계;
세포 배양 챔버 내에 세포를 배양시키는 세포 배양 단계;
박테리아 주입구 내에 연록 형광 단백질이 수식화된 박테리아를 주입시키는 단계; 및
확산 유로 내로 확산된 박테리아의 주화성 정도를 상기 확산 유로 내에 위치한 세포종에 대한 박테리아의 형광 밝기를 통해 주화성을 분석하는 단계를 포함하는, 제2항에 따른 박테리아의 주화성 분석용 마이크로 플루이딕 장치를 이용한 주화성 분석 방법.
A collagen gel injecting step of injecting a collagen gel into the injection port of the collagen gel to fill the diffusion channel;
Culturing the cells in a cell culture chamber;
Injecting a bacteria in which a fluorescent protein has been modified into a bacterial injection port; And
A microfluidic device for analyzing the chemotaxis of bacteria according to claim 2, comprising a step of analyzing the degree of chemotaxis of bacteria diffused into the diffusion channel through the fluorescent brightness of bacteria to a cell type located in the diffusion channel Method for the analysis of chemotaxis using.
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