KR101749243B1 - 자기력을 이용한 혈장 분리 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기력을 이용한 혈장 분리 방법 및 장치에 관한 것으로서, 혈액이 들어오는 입구부; 상기 입구부를 통과한 혈액에서 모세관력에 의하여 혈장을 분리하는 필터부; 자화가 가능한 물질로 구성되며, 외부에서 발생한 자기력에 의한 움직임에 의해서 상기 필터부에 압력을 가하여 혈장 분리를 도와주는 자력 수부; 혈액으로부터 분리된 혈장을 배출하는 출구부; 및 상기 입구부, 상기 필터부, 상기 자력수부 및 상기 출구부를 감싸는 필터 외형체를 포함한다.

Description

자기력을 이용한 혈장 분리 방법 및 장치 {Method and Device for Filtering Blood Using Magnetic Force}
본 발명은 전혈로부터 혈장을 분리하는 데 사용하는 혈장 분리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오 칩에 부착 가능하고, 일회용으로 사용이 가능한 자기력을 이용한 혈장 분리 방법 및 장치에 관한 것이다.
혈액은 사람 또는 동물의 혈관을 순환하고, 폐에서 받아들인 산소를 조직세포로 운반하며, 이산화탄소를 조직으로부터 폐로 운반하여 밖으로 방출시킨다. 또한, 혈액은 소화관에서 흡수된 영양소를 장기나 조직 세포로 운반하고, 조직의 분해 산물인 생체에 불필요한 물질을 신장으로 운반하여 몸 밖으로 배출시키며, 내분비선에서 분비된 호르몬을 작용 기관 및 조직으로 운반한다. 그리고, 혈액은 체열을 균등하게 분산시켜 체온을 일정하게 유지하고, 생체에 침입한 세균이나 이물질 등을 파괴 및 무독화시키는 다양한 기능을 수행한다.
혈액은 각종 질병이나 건강 상태를 판단하기 위한 주요한 지표로서, 혈액 분석장치를 이용하여 특정 단백질의 유무 또는 양을 측정함으로써, 단백질과 관련된 질병을 진단하고 예후 관리한다. 최근에는 소량의 혈액을 스트립 형태의 일회용 칩에 투입하여 손쉽고 빠르게 특정 질병을 진단하고 분석할 수 있는 바이오칩(biochip)이 개발되고 있다. 이러한 바이오칩은 전문 인력이나 전문 테스트 장비를 필요로 하지 않고, 오랜 시간이 소요되는 각종 혈액 테스트 및 분석을 빠르고 저렴하게 실시할 수 있는 장점이 있다.
혈액은 적혈구, 백혈구, 혈소판 등을 포함하는 혈구와 물, 단백질, 지방, 당질 및 기타 무기질을 포함하는 혈장(血漿)으로 이루어지고, 검출 대상이 되는 단백질은 주로 혈장에 존재한다. 고감도의 재현성 있는 결과를 얻기 위해서 혈구는 바이오칩을 이용하여 혈액으로부터 제거되고, 혈장 성분만이 단백질을 측정하고 검출하는 데 이용된다. 따라서, 혈액 중 혈장 성분만을 효과적으로 분리하기 위한 혈장 필터 요소는 바이오칩의 일종의 전처리기로서 필요하고, 바이오칩의 정확성 및 정밀도를 위해서 중요한 구성요소이다.
기존에 전혈로부터 혈장을 분리하기 위한 다양한 방법들이 있다. 예컨대, 원심력을 이용하여 혈구와 혈장을 분리하는 방법, 혈구보다 작은 크기의 미세구조체를 유로에 배치하고 미세구조체를 이용하여 혈액으로부터 혈구를 걸러서 혈장을 추출하는 방법, 혈구가 통과하지 못하는 낮은 높이의 격막을 설치하여 혈액으로부터 혈장 성분만 추출하는 방법, 종이, 유리섬유, 다공성 매질 및 멤브레인(membrane) 등을 혈액이 유동하는 측면 또는 정면에 배치하여 혈구를 분리하는 방법, 중력에 의한 혈구의 침강 효과를 이용하여 혈구와 혈장이 층을 이루도록 하여 혈장만을 뽑아내는 방법 및 혈액에 전기적 신호를 가하여 혈구의 흐름을 편향시키는 방법 등이 있다.
이와 같은 바이오칩 상에서 혈장 분리 필터는 요구조건으로서, 소량의 시료 혈액 사용, 높은 혈구제거 효율, 간편한 동작, 비희석, 신속성, 재현성, 저가 일회용 사용 및 범용성 등을 요구한다.
하지만, 종래의 혈장 분리 필터는 이러한 요구조건 중 일부만을 만족시키거나 특징적인 기능만을 가지고 있었고, 상기 요구조건을 모두 만족시키기에는 구조적, 기능적인 측면에서 한계가 있었다.
본 발명은 소량의 시료 혈액 사용, 높은 혈구제거 효율, 간편한 동작, 비희석, 신속성, 재현성, 저가 일회용 사용 및 범용성을 두루 갖춘 자기력을 이용한 혈장 분리 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 자기력을 이용한 혈장 분리 장치는, 혈액이 들어오는 입구부; 상기 입구부를 통과한 혈액에서 모세관력에 의하여 혈장을 분리하는 필터부; 자화가 가능한 물질로 구성되며, 외부에서 발생한 자기력에 의한 움직임에 의해서 상기 필터부에 압력을 가하여 혈장 분리를 도와주는 자력 수부; 혈액으로부터 분리된 혈장을 배출하는 출구부; 및 상기 입구부, 상기 필터부, 상기 자력수부 및 상기 출구부를 감싸는 필터 외형체를 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명에 따른 자기력을 이용한 혈장 분리 방법은, 필터의 모세관력에 의해 혈액으로부터 혈장을 분리하는 혈장 분리 단계; 및 분리된 혈장을 이동시켜 바이오칩에 저장하는 혈장 저장 단계를 포함하되, 상기 혈장 분리 단계에서, 외부에서 발생한 자기력에 의해 상기 필터에 압력을 가하여 혈장 분리를 도와주는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 멤브레인 필터 및 자기력을 이용한 혈장 분리 방법 및 장치를 제공함으로써, 혈장 분리를 위해 소량의 혈액만이 요구되고, 혈구 제거 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 소량의 혈액을 필터에 투입하고 모체에 장착하는 동작으로 혈장을 분리할 수 있어서 동작이 매우 간단한다.
또한, 희석을 필요로 하지 않고 전혈을 그대로 사용할 수 있어서 단백질 검출 결과의 민감도 및 재현성을 높일 수 있다.
또한, 저가의 플라스틱 소재를 사용하여 일체형으로 제조 가능함으로써, 일회용으로 사용될 수 있고, 대량으로 생산 가능하다.
또한, 탈부착이 용이하여 모든 종류의 바이오칩에 부착 가능하고, 모듈화가 가능하며, 범용성이 큰 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혈장 분리 장치, 바이오칩 및 자기력 발생장치의 구조를 설명하기 위한 단면도,
도 2는 도 1의 혈장 분리 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 분리 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자력수부의 다양한 형태의 천공 형상을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 혈장 분리 장치의 구조를 설명하기 위한 단면도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혈장 분리 장치의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혈장 분리 장치, 바이오칩 및 자기력 발생장치의 구조를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1의 혈장 분리 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 분리 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 혈장 분리 장치(100)는 바이오칩(200)에 탈부착이 가능하고, 외부에 자기력 발생장치(300)가 설치된다.
혈장 분리 장치(100)의 출구부(102)는 바이오칩(200)의 입구부(201)에 맞추어 부착되고, 혈장 분리 장치(100)에서 나오는 혈장이 바이오칩(200)으로 흘러가는 통로 역할을 한다.
혈장 분리 장치(100)와 바이오칩(200)의 결합을 위하여 혈장 분리 장치(100)의 하면에는 하부 고정부(140)가 설치된다. 자기력 발생장치(300)는 혈장 분리 장치(100)의 자력수부(120)에 자기력을 인가하여 출구부(102) 쪽으로 자력수부(120)가 이동하게 한다.
도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 혈장 분리 장치(100)는 필터 외형체(170) 내부의 원형 공간에 상부 탄성판(150), 자력수부(120), 멤브레인 필터(110) 및 하부 탄성판(160)이 적층되어 있고, 각 구성 요소는 상부 고정부(130) 및 하부 고정부(140)에 의해 고정된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 혈장 분리 장치(100)의 혈장 분리 과정을 자세하게 설명하기로 한다.
우선, 혈액이 혈장 분리 장치(100)의 입구부(101)에 투입되어, 모세관력 및 중력 등에 의해 자력수부(120)와 멤브레인 필터(110)를 통과하여 출구부(102)로 이동한다. 이때, 혈액 중의 혈구 성분은 멤브레인 필터(110)에 흡착되어 제거되고 혈장 성분만이 통과하게 된다.
그리고, 출구부(102) 즉, 바이오칩(200)의 입구부(201)로 이동된 혈장은 모세관력에 의해 바이오칩(200)의 혈장 저장 챔버(210)로 계속해서 이동한다. 이때, 혈장의 이동 속도를 조절하기 위해서 자기력 발생장치(300)를 이용하여 자력수부(120)에 인력을 가하고, 이를 통해 멤브레인 필터(110)에 포함되어 있는 혈장은 바이오칩(200) 쪽으로 짜내 지면서 이동된다. 여기서, 자기력 발생장치(300)에서 발생되는 자기력은 혈액이 투입되고 일정 시간이 지난 후에 일정한 크기를 유지하는 형태일 수 있고, 일정한 주기를 갖는 정현파 또는 사각파 형태로서, 주기적으로 멤브레인 필터(110) 내의 혈장을 쥐어짜는 역할을 할 수 있다.
이와 같이 자기력 발생장치(300)의 자기력은 멤브레인 필터(110)의 모세관력에 부가되어, 혈장 분리의 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 혈장 분리 장치(100)와 바이오칩(200)의 결합은 혈액 투입 이전에 미리 이루어지거나 혈액 투입 후 이루어질 수 있다.
이하에서는, 혈액 분리 장치(100)를 구성하는 각 구성 요소의 역할에 대해서 자세하게 설명하기로 한다.
멤브레인 필터(110)는 종이, 유리 섬유 및 다공층 매질로 형성될 수 있으며, 혈장 분리 효율을 향상시키고 분리되는 혈장의 양을 조절하기 위하여 다수의 층으로 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 적층된 일정한 형태의 필터를 만들기 위해서 시트 형태의 필터를 펀칭해서 제작하는 것이 바람직하다. 그리고, 멤브레인 필터(110)에는 바이오칩(200)에서 필요한 선행 반응을 위하여 각종 바이오 물질 및 화학 물질 등이 도포될 수 있다.
자력수부(120)는 자기력 발생장치(300)에 의해 일정한 크기의 자력을 생성하기 위해서 자화가 가능한 물질로 형성되어야 한다. 특히, 자석 및 철 등으로 제작되는 것이 바람직하다. 자력수부(120)의 중심부는 혈액의 원활환 이동을 위해서 천공되는 것이 바람직하다. 도 3은 자력수부(120)의 천공 형상을 나타낸 도면으로서, 자력수부(120)의 천공 형상은 원형, 다각형 및 십자 모양 등의 형태가 될 수 있다.
또한, 자력수부(120)는 자기력 발생장치(300)에 의해 발생한 자력의 인력으로 인해 멤브레인 필터(110) 방향으로 움직임이 발생한다. 이러한 자력수부(120)의 움직임에 의하여 멤브레인 필터(110)에 변위를 가할 수 있고, 멤브레인 필터(110)에 생성된 모세관력에 추가적인 압력을 가하여 혈장 분리를 가속화시킬 수 있다.
그리고, 혈장 분리 성능의 한 변수로서 자력의 크기가 있는데, 이 자력의 크기는 자기력 발생장치(300)의 성능, 자력수부(120)의 재질, 형상, 크기 및 두께 등으로 변경될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 필터 외형체(170)의 내부 공간에서 자력수부(120)의 원활한 움직임을 위하여 자력수부(120) 또는 필터 외형체(170) 내부 공간에 윤활제가 도포될 수 있다.
자기력 발생장치(300)는 바이오칩(200)의 하단에 밀착되어 배치되는 것이 바람직하다. 자기력 발생장치(300)는 영구자석 또는 전자석으로 형성될 수 있고, 자력의 크기는 자력수부(120)의 크기 및 위치에 맞게 조절되는 것이 바람직하다. 여기서, 자기력 발생장치(300)가 전자석일 경우, 자기력의 온오프 제어, 시간의 함수 형태로 자기력의 제어 및 전류 제어를 통한 자기력의 제어를 통해 자력의 크기를 제어할 수 있고, 혈장 유동에 추가적인 역할을 수행할 수 있다. 자기력 발생장치(300)가 영구자석일 경우, 영구자석의 자력의 크기를 선택하여 자력수부(120)에 영향을 미치는 자기력을 선택할 수 있고, 혈장 유동에 상승 효과를 줄 수 있다.
상부 탄성판(150)은 중심부가 뚫린 오링 형태로서 상부 고정부(130)에 부착된다. 상부 탄성판(150)은 자력수부(120)가 자기력 발생장치(300)의 자기력에 의하여 이동할 때, 상부 고정부(130)에 자력수부(120)가 결합되는 것을 방지한다.
하부 탄성판(160)은 중심부가 뚫린 오링 형태로서 멤브레인 필터(110)와 하부 고정부(140) 사이에 밀착되어 설치되고, 혈장 분리 과정에서 멤브레인 필터(110)와 필터 외형체(170) 사이의 공간에 의해 출구부(102)로 혈구가 불필요하게 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
상부 탄성판(150)과 하부 탄성판(160)으로 각종 고무판, PDMS(Poly Dimethyl Siloxane) 및 실리콘 러버 등이 사용될 수 있다.
상부 고정부(130)는 필터 외형체(170) 내에 적층된 구성 요소를 원형 공간에 구속되도록 하기 위한 것으로서 내부에 천공을 형성하고, 단면 테잎으로 제작되어 필터 외형체(170) 및 상부 탄성판(150) 등에 부착된다.
하부 고정부(140)는 혈장 분리 장치(100)와 바이오칩(200)의 결합을 위하여 혈장 분리 장치(100)의 하면에 설치되고, 다양한 재질의 양면 테잎 혹은 다른 접착력이 있는 밀봉 수단으로 형성될 수 있다. 혈장 분리 장치(100)는 바이오칩(200)의 크기, 재질에 상관없이 혈장 분리 장치(100)의 출구부(102)와 바이오칩(200)의 입구부(201)의 크기만 적당히 맞출 수 있으면, 하부 고정부(140)에 의해 고정이 가능하여 바이오칩(200)의 종류에 상관없이 범용성을 가지고 사용될 수 있다.
필터 외형체(170)는 혈장 분리 장치(100)의 기타 구성 요소를 적층 설치하기 위한 것으로서 편리성을 위해 다양한 형태 및 재질로 제작될 수 있고, 저가 대량 제작을 위해서 플라스틱 사출 성형되는 것이 바람직하다.
또한, 필터 외형체(170)의 내부 공간은 10㎕ ~ 100㎕의 혈액을 수용하고, 기타 구성 요소가 적층될 수 있는 정도면 원형 천공 이외에도 다양한 형태로 구성될 수 있다.
또한, 필터 외형체(170)의 내부 공간은 자력수부(120)가 원활히 움직일 수 있도록 자력수부(120)의 크기보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 혈장 분리 장치의 구조를 설명하기 위한 단면도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혈장 분리 장치의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
필터 외형체(170)의 형태와 혈장 분리 장치(400, 500)의 기타 구성 요소는 혈장 분리의 효율을 향상시키기 위해 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 적층 및 배치가 가능하다. 특히, 도 4는 3개의 자력수부(420)와 3개의 멤브레인 필터(410)를 교차 적층한 예시이고, 이와 같이 바이오칩(200)의 용도 및 필요한 혈장의 양, 혈장 분리의 정밀도, 혈장 분리 시간 및 효율 등에 따라 필요한 수의 자력수부(420)와 멤브레인 필터(410)를 교차 적층하여 사용할 수 있다.
도 5의 혈장 분리 장치(500)에서는 도 1의 상부 고정부(130)와 상부 탄성판(150)을 각각 별도의 부품으로 구성하지 않고, 상부 고정부(130) 및 상부 탄성판(150)을 대체하여 고정부(575)를 구비하며, 고정부(575)는 필터 외형체(570)와 일체형으로 되어 있다.
이와 같이 본 발명의 다른 실시예에서는 부품의 기능을 일체화하여 제품의 단가 및 부품의 내구성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
100, 400, 500: 혈장 분리 장치 110, 410, 510: 멤브레인 필터
120, 420, 520: 자력수부 130: 상부 고정부
140: 하부 고정부 150: 상부 탄성판
160: 하부 탄성판 170, 470, 570: 필터 외형체
200: 바이오칩 300: 자기력 발생장치

Claims (14)

  1. 혈액이 들어오는 입구부;
    상기 입구부를 통과한 혈액에서 모세관력에 의하여 혈장을 분리하는 필터부;
    자화가 가능한 물질로 구성되며, 상기 필터부 상에 배치되는 자력 수부;
    상기 필터부 아래에 배치되고, 상기 자력 수부에 자기력을 인가하는 자기력 발생 장치;
    혈액으로부터 분리된 혈장을 배출하는 출구부; 및
    상기 입구부, 상기 필터부, 상기 자력수부 및 상기 출구부를 감싸는 필터 외형체를 포함하되,
    상기 자력수부는 상기 자기력에 의해 상기 자기력 발생 장치를 향하여 이동하고, 상기 필터부에 압력을 가하여 혈장 분리를 도와주는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부는 복수의 계층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필터부는 멤브레인 필터인 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 멤브레인 필터에는 바이오칩에서 필요한 선행 반응을 위한 바이오 물질 또는 화학 물질이 도포되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구부, 상기 자력수부 및 상기 출구부에 각각 혈액 또는 혈장이 흐르는 관통 구멍이 있는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 관통 구멍은 하나 또는 복수개의 원형, 십자 또는 다각형 형상 중에 하나인 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출구부가 바이오칩의 입구부에 정렬되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 자기력 발생장치는 상기 바이오칩 밑에 설치되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 외형체는 플라스틱 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부 및 상기 자력수부는 각각 복수의 계층으로 구성되고, 서로 번갈아가며 교차 적층되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 장치.
  11. 필터부의 모세관력에 의해 혈액으로부터 혈장을 분리하는 혈장 분리 단계; 및
    분리된 혈장을 이동시켜 바이오칩에 저장하는 혈장 저장 단계;
    를 포함하되,
    상기 혈장 분리 단계는:
    상기 필터부 아래에 배치된 자기력 발생장치가 상기 필터부 상에 배치된 자력수부에 자기력을 인가하는 것;
    상기 자력수부가 상기 자기력에 의해 상기 자기력 발생장치를 향하여 이동하는 것; 및
    상기 자력수부가 상기 자기력 발생장치를 향하여 이동하는 것을 통해 필터부에 압력을 가하여 혈장 분리를 도와주는 것을 포함하는 자기력을 이용한 혈장 분리 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 필터부는 멤브레인 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 혈장 분리 단계에서,
    혈액 중의 혈구 성분이 상기 멤브레인 필터에 흡착되어 제거되고 혈장 성분만이 통과되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 혈장 분리 단계에서,
    상기 자기력에 의해 주기적으로 상기 멤브레인 필터 내의 혈장을 쥐어짜내는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 혈장 분리 방법.
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