KR101551644B1 - 연속 유동식 혈액 분리 구조를 갖는 바이오칩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혈액 시료의 지속적인 유동 중에 추출 채널의 친수성 마이크로비드를 이용해 연속적으로 빠른 시간에 다량의 혈장 분리가 가능한 마이크로 채널 구조를 갖는 바이오칩에 관한 것이다.

Description

연속 유동식 혈액 분리 구조를 갖는 바이오칩 {Biochip having Structure of Blood Separation in Continuous Flow}

본 발명은 바이오칩에 관한 것으로서, 특히 혈액 시료의 지속적인 유동 중에 혈장 분리가 지속적으로 이루어질 수 있는 마이크로 채널 구조를 갖는 바이오칩에 관한 것이다.

최근에 혈액에서 단백질 등의 각종 바이오마커(birmarker)를 검출하여 진단에 활용하기 위한 바이오진단 기술이 개발되고 있다. 이를 위해서는, 혈액으로부터 혈구를 제거한 혈장을 추출하고, 이에 포함되어 있는 바이오마커를 검출하기 위한 플랫폼이 개발되어야 한다. 특히, 플라스틱과 같은 고체 기판 표면 위에 형성된 미세유체채널을 이용하여 추출 및 검출을 수행할 수 있는 바이오칩이 대표적인 플랫폼이다.

바이오칩은 전문 인력이나 부가적인 장비 없이 검사를 수행하는 현장 검사기(Point-of-Card Test)로 활용될 수 있다. 바이오칩을 이용한 바이오마커의 검출 과정은 미세유체채널에 혈액 등의 시료 주입, 주입된 혈액으로부터의 혈장 분리, 그리고, 혈장으로부터의 바이오마커 검출로 이루어진다. 검출 과정에는 항원-항체 결합 또는 DNA하이브리다이제이션(hybridization)이 구현되며, 이를 위해서는 시료가 미세유체채널을 통해 지속적으로 흐름을 유지해야 한다.

따라서, 바이오진단을 위한 바이오칩의 구조를 제작하기 위해서는 시료의 유동이 지속되는 가운데, 혈장의 추출이 가능한 구조가 구현되어야 한다. 특히, 현장 검사의 중요성이 증가됨에 따라 압력 등의 외력의 인가 없이 유동을 지속적으로 발생시킬 수 있는 단순한 구조의 바이오칩 개발이 필요하다.

바이오칩의 미세유체채널 구조에서 혈액으로부터 혈구를 제거하고 혈장을 분리하기 위한 일반적인 기술로서, 마이크로채널에 필라(pillar)나 미세 구조의 채(seiver)를 도입하는 방법, 원리분리기법, 전기적 방법 등이 있다. 특히, 2-6㎛ 크기인 혈구를 필라나 미세채를 이용하여 제거하는 방법들이 저가의 바이오칩 생산에 적용이 가능할 것으로 사료된다. 그러나, 혈구의 크기가 매우 작고, 이에 따라 필라나 미세채의 크기도 혈구의 크기보다 작아져야 하므로 이로 인해, 추출되는 혈장의 양과 유동 발생시간이 짧은 문제점을 가지고 있다.

관련 선행문헌으로서 대한민국 등록특허공보 제10-0907909호 (2009.07.08. 공고) 등을 참조할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 혈액 시료의 지속적인 유동 중에 추출 채널의 친수성 마이크로비드를 이용해 지속적으로 혈장 분리가 가능한 마이크로 채널 구조를 갖는 바이오칩을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 바이오칩은, 주입구, 연결채널 및 배출구가 연속적으로 연결되며, 상기 주입구로 주입된 혈액이 상기 연결채널을 통과해 상기 배출구로 흐르도록 혈액의 유동을 위한 주채널; 및

상기 연결채널의 어느 한 부분에 형성한 구멍을 통해 연결되며, 혈액 중의 혈장 유입을 통해 혈장 분리를 위한 혈장 분리 채널을 포함하고, 상기 혈장 분리 채널은, 혈액 중의 혈구를 제외한 혈장의 통과를 위한 상기 구멍에서부터 혈장을 유입시키고 혈장의 유동을 위한 추출채널, 및 상기 추출채널의 끝에서 상기 추출채널에서의 혈장의 유동을 지속적으로 유도하도록 혈장을 흡수하는 친수성 비드들이 채워진 흡수조를 포함한다.

상기 추출채널의 관 형태가 그 단면의 가로 또는 세로 길이 중 어느 하나 이상이 혈구의 크기보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주채널 및 상기 혈장 분리 채널은 내부 표면이 친수성으로 이루어져 친수성인 내부 표면에 따른 모세관 압력에 의해 혈액 시료의 유동을 지속적으로 유지시킬 수 있다.

상기 추출채널은 상기 구멍에서 연장되는 부분이 상기 연결채널에 수직한 방향 또는 다른 각도의 비스듬한 방향으로 연장되어 연결될 수 있다.

상기 친수성 비드들은 유리나 고분자 재료로 이루어진 비드들, 또는 다른 재료의 비드들의 표면을 친수성 재료로 코팅한 비드들일 수 있다.

상기 친수성 비드들의 미리 정해진 직경에 의해 형성되는 해당 공극량에 따라 소정의 흡수율을 갖도록 할 수 있다.

상기 주채널 및 상기 혈장 분리 채널은 글래스, 실리콘, 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)의 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 액체 시료와 접촉하는 채널의 내벽은 친수성인 것을 특징으로 한다.

상기 주채널의 상기 배출구에 혈액 시료의 유동을 지속적으로 유도하도록 혈액을 흡수하는 친수성 비드들이 채워진 흡수조를 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명의 다른 일면에 따른 혈액의 혈장 분리 방법은, 주입구, 연결채널 및 배출구가 연속적으로 연결된 주채널에서, 상기 주입구로 주입된 혈액이 상기 연결채널을 통과해 상기 배출구로 흐르도록 혈액을 유동시키는 단계; 및 상기 연결채널의 어느 한 부분에 형성한 구멍을 통해 연결된 추출채널에서, 혈액 중의 혈구를 제외한 혈장을 통과시키되, 상기 추출채널의 끝에 결합된 흡수조에 친수성 비드들을 채워 혈장을 흡수함으로써 혈장의 유동을 지속시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 바이오칩에 따르면, 혈액 시료의 지속적인 유동 중에 추출 채널의 친수성 마이크로비드를 이용해 외부의 에너지 없이 모세관 원리에 의해서 연속적으로 혈액으로부터 적혈구나 백혈구 등의 입자를 간단히 제거한 혈장을 추출함으로써, 진단검사학의 각종 검사를 용이하게 할 수 있으며, 또한, 각종 바이오칩에 손쉽게 추가함으로써 바이오칩의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 바이오칩의 생산 측면에서 마이크로비드를 이용한 혈장의 흡수 구조는 기존의 흡수 패드나 패브릭을 이용한 방법에 비해, 구현이 가능하며, 마이크로비드의 크기 변화를 통해 흡수율을 변화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속 유동식 혈액 분리 구조를 갖는 바이오칩을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도1의 추출채널과 흡수조의 단면도이다.
도 3은 도1의 주채널과 혈장 추출 채널의 연결 부위 영역에서 혈구를 분리하고 혈장 추출 채널로 흐르는 혈장의 이동을 보여주는 사진의 일례이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속 유동식 혈액 분리 구조를 갖는 바이오칩을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오칩은, 주채널(main channel)(10)과 혈장 분리 채널(20)을 포함한다. 주채널(10)은 주입구(11), 관 형태의 연결채널(12)(예, 폭 100㎛, 높이 50㎛) 및 배출구(13)가 연속적으로 연결된 형태로 구성되고, 연결채널(12)의 어느 한 부분에 형성한 구멍(15)을 통해 연결되는 혈장 분리 채널(20)은 관 형태의 추출채널(21)(예, 폭 5mm, 높이 2㎛)과 흡수조(22)가 연속적으로 연결된 형태로 구성된다.

이와 같은 주채널(10)과 혈장 분리 채널(20)은 글래스, 실리콘, 또는 PDMS(polydimethylsiloxane) 등 고분자 재질 등 친수성으로 이루어질 수 있고, 주채널(10)과 혈장 분리 채널(20)이 서로 다른 재질로 이루어질 수도 있으나 동일 재질에 의해 한 몸체로 제작되는 것이 바람직하며, 혈액이나 혈장 시료가 접하는 내부 표면은 친수성을 가져야 한다.

본 발명에서, 주입구(11)로 시료인 혈액이 주입되고, 주입된 혈액은 친수성 표면에 따른 모세관 압력에 의해서 연결채널(12)을 통과해 배출구(13)로 빠져나간다. 특히, 배출구(13)에 친수성 특성을 가지는 마이크로비드를 채우면, 마이크로비드 사이의 공극에서 형성되는 모세관 압력에 의해서 혈액의 유동을 지속시킬 수도 있다.

혈장 분리 채널(20)은 연결채널(12)에 흐르는 혈액 중의 혈구(적혈구, 백혈구)를 제외한 혈장 유입을 통해 혈장 분리를 위한 채널로서, 추출채널(21)은 연결채널(12)의 측벽 어느 한 부분에 형성한 구멍(15)에 접속되어 구멍(15)에서부터 혈액 중의 혈구를 제외한 혈장을 유입시키고 흡수조(22) 쪽으로 혈장이 흐르도록 한다. 추출채널(21)의 끝에는 친수성 마이크로비드들(microbeads)이 채워진 흡수조(22)가 결합되어 있어서 친수성 마이크로비드 간의 공극에 의해 발생하는 모세관 압력에 의해서 추출채널(21)에서의 혈장의 유동을 지속적으로 유도하도록 혈장을 흡수한다.

도 1과 같이, 관 형태의 연결채널(12)의 측벽(또는 바닥에 가능) 어느 한 부분에 형성하는 구멍(15)은 가로 또는 세로 길이가 혈구보다 작은 길이가 되도록 하여 혈장만 통과될 수 있도록 하며, 마찬가지로 추출채널(21)의 그 단면의 가로 또는 세로 길이도 혈구보다 작은 길이가 되도록 하여 혈장만 통과될 수 있도록 하기 위하여, 그 단면의 가로 또는 세로 길이 중 어느 하나 이상은 2㎛이하(예를 들어, 100nm~2㎛)인 것이 바람직하다.

추출채널(21)은 구멍(15)에서 연장되는 부분이 연결채널(12)에 수직한 방향을 향할 수 있고, 다만 이에 한정되는 것은 아니며 경우에 따라서는 구멍(15)에서 연장되는 추출채널(21)의 해당 시작 부분이 연결채널(12)에 수직한 방향 이외의 다른 각도의 비스듬한 방향으로 연장되어 연결될 수도 있다.

흡수조(22)에 채워진 친수성 마이크로비드들 (예, 직경 500nm ~ 수십 ㎛)은 폴리에틸렌글리콜 (PEG), 폴리바이닐알콜 (PVA),　폴리바이닐아세테이트 (PVAc) 등 고분자 재료나 유리로 이루어질 수도 있고, 소수성 재질과 같은 다른 재료의 비드들을 제작후 비드들의 표면을 친수성 재료로 코팅한 비드들 형태가 될 수도 있다. 필요에 따라서는 친수성 마이크로비드들 대신에 종이나 패브릭(직물 등 섬유)을 사용하는 것도 가능하다.

흡수조(22)에 채워진 친수성 마이크로비드들은 외부의 에너지나 압력 없이도 모세관 원리에 의해서 발생하는 모세관 압력에 의해서 추출채널(21)의 혈장을 흡수함으로써 추출채널(21)에서의 혈장의 유동을 유지시킨다. 특히, 친수성 마이크로비드들의 크기에 따라서, 도 2에 나와 있는 마이크로비드들간에 형성되는 공극의 크기를 변화시킬 수 있으며, 공극의 크기에 따라 모세관 압력을 조절할 수 있다. 따라서, 이와 같은 친수성 마이크로비드들의 직경은 다르게 미리 정해져 제작될 수 있고, 친수성 마이크로비드들의 직경에 따라 목적에 맞는 흡수율을 갖도록 할 수 있다. 이러한 흡수율의 변화를 통해 추출채널(21) 내의 혈장의 유속을 변화시킬 수 있게 된다.

이와 같은 원리에 따라 주채널(10)의 배출구(13)에도 위와 같이 흡수조(22)에 채워지는 친수성 마이크로비드들을 채워넣은 흡수조를 둠으로써 혈액 시료의 유동을 지속적으로 유도하도록 할 수 있다.

도 3과 같은 연결 채널(12)과 이에 연결된 추출 채널(21)의 연결 영역 부근에서의 혈구의 분리 및 추출된 혈장이 추출 채널(21)로 흐르는 혈장의 이동 사진의 일례에서 보듯이, 적혈구, 백혈구 등이 제거된 혈장만이 추출채널(21)로 이동하는 것으로 확인하였으며, 추출채널(21)이 혈장으로 다 채워진 후에도 흡수조(22)의 마이크로비드들의 공극으로 인해 혈장이 흡수되어 추출채널(21) 내부는 혈장의 유동이 지속됨을 확인하였다.

이와 같은 본 발명의 원리에 따라 추출채널(21)의 적절한 위치에 각종 검출기를 장착하여 혈장을 배출시키고 바이오마커 검출이나 혈장 분석용으로 적용할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바이오칩에서는, 주입구(11)로 주입된 혈액이 연결채널(12)을 통과해 배출구(13)로 흐르도록 혈액을 유동시키면서, 연결채널(12)의 구멍(15)을 통해 연결된 추출채널(21)에서 혈액 중의 혈구를 제외한 혈장을 통과시키되, 추출채널(22)의 끝에 결합된 흡수조(22)에 친수성 비드들을 채워 혈장을 흡수함으로써 혈장의 유동을 유도시킴으로써, 시료 분석용 혈장을 추출할 수 있게 된다. 이와 같이, 혈액 시료의 지속적인 유동 중에 추출 채널(21)의 친수성 마이크로비드를 이용해 외부의 에너지 없이 모세관 원리에 의해서 빠른 시간에 지속적으로 다량의 혈액으로부터 적혈구나 백혈구 등의 입자를 간단히 제거한 혈장을 추출함으로써, 진단검사학의 각종 검사를 용이하게 할 수 있으며, 또한, 각종 바이오칩에 손쉽게 추가함으로써 바이오칩의 성능을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

주채널(10)
혈장 분리 채널(20)
주입구(11)
연결채널(12)
배출구(13)
추출채널(21)
흡수조(22)

Claims (9)

1. 주입구, 연결채널 및 배출구가 연속적으로 연결되며, 상기 주입구로 주입된 혈액이 상기 연결채널을 통과해 상기 배출구로 흐르도록 하는 주채널; 및
   상기 연결채널의 어느 한 부분에 형성된 구멍을 통해 연결되어 상기 혈액 중의 혈장이 유입되는 혈장 분리 채널을 포함하고,
   상기 혈장 분리 채널은, 혈액 중 혈구를 제외한 혈장을 통과시키기 위한 상기 구멍에서부터 혈장을 유동시키는 추출채널, 및 상기 추출채널의 끝에서 상기 추출채널에서의 혈장의 유동을 지속적으로 유도하도록 혈장을 흡수하는 친수성 비드들이 채워진 흡수조를 포함하고,
   상기 주채널의 상기 배출구는, 혈액의 유동을 지속적으로 유도하도록 혈액을 흡수하는 친수성 비드들이 채워진 흡수조를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오칩.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 추출채널의 관 형태가 그 단면의 가로 또는 세로 길이 중 어느 하나 이상이 2㎛이하인 것을 특징으로 하는 바이오칩.
3. 제1항에 있어서,
   상기 추출채널은 상기 구멍에서 연장되는 부분이 상기 연결채널에 수직한 방향 또는 다른 각도의 비스듬한 방향으로 연장되어 연결되는 것을 특징으로 하는 바이오칩.
4. 제1항에 있어서,
   상기 친수성 비드들은 유리나 고분자 재료로 이루어진 비드들, 또는 다른 재료의 비드들의 표면을 친수성 재료로 코팅한 비드들인 것을 특징으로 하는 바이오칩.
5. 제1항에 있어서,
   상기 친수성 비드들의 미리 정해진 직경에 의해 형성되는 공극량에 따라 소정의 흡수율을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 바이오칩.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 주채널 및 상기 혈장 분리 채널은 글래스, 실리콘, 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오칩.
7. 제1항에 있어서,
   상기 주채널 및 상기 혈장 분리 채널은 내부 표면이 친수성으로 이루어져 친수성인 내부 표면에 따른 모세관 압력에 의해 시료의 유동을 지속적으로 유지시키는 것을 특징으로 하는 바이오칩.
   
8. 삭제
9. 주입구, 연결채널 및 배출구가 연속적으로 연결된 주채널에서, 상기 주입구로 주입된 혈액이 상기 연결채널을 통과해 상기 배출구로 흐르도록 상기 혈액을 유동시키는 단계; 및
   상기 연결채널의 어느 한 부분에 형성된 구멍을 통해 연결된 추출채널에서, 혈액 중의 혈구를 제외한 혈장을 통과시키되, 상기 추출채널의 끝에 결합된 흡수조에 채워진 친수성 비드들이 혈장을 흡수함으로써 상기 혈장의 유동을 유도시키는 단계를 포함하고,
   상기 배출구로 흐르도록 상기 혈액을 유동시키는 단계는,
   상기 주채널의 상기 배출구는 친수성 비드들이 채워진 흡수조를 포함함으로써, 혈액의 유동을 지속적으로 유도하는 단계를 포함하는 혈액의 혈장 분리 방법.

Images