KR101776187B1

KR101776187B1 - 미세유체칩 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101776187B1
Application number: KR1020160153960A
Authority: KR
Inventors: 권보미; 유홍기; 전성윤; 신유진
Original assignee: 한양대학교 산학협력단; 한국과학기술원
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2017-09-08

Abstract

본 발명은 미세유체칩 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 미세유체칩은 투명 기판(10), 일면에 그루브(21)(groove)를 구비하는 판 형상으로, 상기 일면이 상기 투명 기판(10) 상에 배치되어 미세유체채널(27)을 형성하고, 미세유체채널(27)과 소통하도록 주입구(23) 및 배출구(25)가 두께 방향으로 관통된 본체(20), 및 미세유체채널(27) 내에 배치되는 투명 기판(10)의 외면에, 세포(1)가 착상하고 생장하는 기저면을 형성하여 강성을 조절하는 하이드로젤 박막(30)을 포함한다.

Description

미세유체칩 및 그 제조방법{Fabrication of microfluidic chips for cell culturing and optical observation}

본 발명은 미세유체칩 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 유체의 전단응력에 노출된 다양한 세포를 실제의 생리적인 환경과 유사한 환경에서 배양하고 안정적으로 관찰할 수 있는 미세유체칩 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현대 바이오 연구에서 가장 중요한 기본작업 중의 하나로 생체 외 세포배양(in vitro cell culture) 기술을 꼽는다. 체외 세포 성장환경을 정밀하게 컨트롤할 수 있다면, 세포형상이 성장에 미치는 영향과 같은 생화학적, 기계적 반응의 변화를 이해할 수 있는 기회가 된다. 세포 환경의 제어는 세포생물학적 관점에서 기본적인 연구를 수행하기 위한 수단이다. 세포의 표현형 및 반응을 제어하는 생화학적 경로에 관한 생물학적 이해는 세포 외부환경에서의 제어된 자극에 대한 반응을 모니터링함으로써 얻어질 수 있다. 이에 생화학적 경로, 세포운명 결정, 또는 조직의 형태형성에 대한 기본 연구를 가능하게 할 수 있는 마이크로시스템 개발이 요청되었고, 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 세포 배양 미세유체 장치가 고안되기 시작하였다.

상기 세포 배양 미세유체 장치는 미세채널, 미세채널로 시료를 주입하는 주입구, 및 시료를 배출하는 배출구로 이루어지고, 시료 중의 세포는 미세채널을 따라 흐르다가 미세채널의 저면에 형성된 웰에 트랩되어 배양된다. 그러나 종래 세포 배양 미세유체 장치는 실제 세포가 자라는 생리적 환경을 그대로 모사할 수 없다. 특히, 미세채널의 바닥면이 주로 유리나 실리콘 계열의 재질로 형성되므로, 대부분의 조직이 지니는 생리적 범위의 바닥 강성과 심한 격차가 있고, 세포주변이나 배지에 존재하는 일부 소수성 가용성 인자(soluble factor)가 그 바닥면에 흡수, 감금되어, 세포의 신호전달체계에 영향에 주는 문제가 있다. 또한, 두꺼운 PDMS 바닥을 통해서는 채널 내의 세포를 일반 현미경으로 관찰하는 것도 불가능하다.

이에, 종래 세포 배양 미세유체 장치의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.

KR

2011-0064549

A

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 세포가 착상하고 생장하는 미세유체채널 기저면의 강성을 생리학적 범위로 조절하고, 세포의 신호전달에 중요한 각종 가용성 인자(soluble factor)가 기저면에 흡수, 감금되지 않으며 배양액과 함께 세포 기저면을 포함한 세포주변에 자연스럽게 분포 할 수 있는 미세유체칩을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩은 투명 기판; 일면에 그루브(groove)를 구비하는 판 형상으로, 상기 일면이 상기 투명 기판 상에 배치되어 미세유체채널을 형성하고, 상기 미세유체채널과 소통하도록 주입구 및 배출구가 두께 방향으로 관통된 본체; 및 상기 미세유체채널 내에 배치되는 상기 투명 기판의 외면에, 세포가 착상하고 생장하는 기저면을 형성하여 강성을 조절하는 하이드로젤 박막;을 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩에 있어서, 상기 투명 기판은 유리이고, 상기 본체는 실리콘 계열의 물질로 이루어진다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩에 있어서, 상기 하이드로젤 박막은 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(pllyacrylic acid), 폴리하이드록시에틸 메타크릴레이드(hydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 및 히알루론산(hyaluronic acid) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어진다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩에 있어서, 상기 하이드로젤 박막의 두께는 100 ~ 1000 ㎛이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩에 있어서, 상기 하이드로젤 박막 상에 코팅되고, 상기 세포와 접합하는 세포접합물질;을 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩에 있어서, 상기 세포접합물질은 세포외 기질(extracellular matrix) 단백질이고, 상기 세포는 단일층으로 착상된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩에 있어서, 상기 미세유체채널은 높이가 폭의 0.1배 이하이고, 길이가 상기 폭의 10배 이상이다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩 제조방법은 (A) 일면에 하이드로젤 박막이 형성된 투명 기판, 및 일면에 그루브가 구비되고 상기 그루브와 소통되도록 주입구 및 배출구가 두께 방향으로 관통된 판 형상의 본체를 각각 준비하는 단계; (B) 상기 투명 기판의 일면 중 상기 하이드로젤 박막이 배치되지 않은 외면, 및 상기 본체의 일면에 산소 플라즈마 처리하는 단계; 및 (C) 상기 투명 기판의 일면과 상기 본체의 일면을 결합하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩 제조방법에 있어서, 상기 (A) 단계의 하이드로젤 박막이 형성된 투명 기판을 준비하는 단계는 (A′-1) 상기 투명 기판의 일면을 표면 처리하는 단계; (A′-2) 상기 투명 기판의 일면에 적어도 2개 이상의 마스킹 테이프를 이격하여 나란하게 부착하고, 나란한 상기 마스킹 테이프 사이에 하이드로젤 용액을 도포하는 단계; (A′-3) 도포된 상기 하이드로젤 용액에 커버글라스(cover glass)를 올려 상기 하이드로젤 박막을 중합하는 단계; 및 (A′-4) 상기 하이드로젤 박막 상에, 건조를 방지하는 보호필름을 배치하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩 제조방법에 있어서, 상기 (A) 단계의 본체를 준비하는 단계는 (A″-1) 상기 본체의 그루브에 대응하는 돌출부가 형성된 마스터 몰드를 제조하는 단계; (A″-2) 상기 돌출부 상에, 소정의 높이를 갖는 적어도 2개 이상의 기둥을 배치하는 단계; (A″-3) 상기 기둥이 잠기도록, 실리콘 계열의 물질을 상기 마스터 몰드에 주입하는 단계; 및 (A″-4) 상기 실리콘 계열의 물질을 경화하고, 상기 기둥을 제거하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩 제조방법에 있어서, 상기 (C) 단계 이후에, 상기 하이드로젤 박막에 세포와 접합하는 접합물질을 코팅하는 단계;를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩 제조방법에 있어서, 상기 세포접합물질은 세포외 기질(extracellular matrix) 단백질이고, 상기 세포는 단일층으로 착상되어 배양된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩 제조방법에 있어서, 상기 하이드로젤 박막은 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리하이드록시에틸 메타크릴레이드(hydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 및 히알루론산(hyaluronic acid) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어진다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩 제조방법에 있어서, 상기 하이드로젤 박막의 두께는 100 ~ 1000 ㎛이다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 미세유체채널의 바닥면을 투명한 재질로 선택하고, 그 위에 세포가 착상하는 기저면을 하이드로젤 박막으로 형성함으로써, 기저면의 강성을 생리학적 범위 내로 조절하여 유체가 흐르는 혈관 등의 장기(organ) 환경을 모사하고, 외부에서 세포의 다양한 생리현상을 실시간으로 관찰할 수 있다.

따라서, 본 발명은 다양한 체외(in vitro) 배양시스템에 적용 가능하고, 이를 통해 관 형태의 다양한 장기 내에서 발생할 수 있는 다양한 질병 현상과 관련된 세포의 생리현상 연구에 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 결합 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A' 라인에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 제조방법에 의해 제조된 미세유체칩의 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 기저면의 강성에 따른 세포 생장을 나타내는 이미지이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 결합 사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A' 라인에 따른 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미세유체칩은 투명 기판(10), 일면에 그루브(groove, 21)를 구비하는 판 형상으로, 상기 일면이 상기 투명 기판(10) 상에 배치되어 미세유체채널(27)을 형성하고, 미세유체채널(27)과 소통하도록 주입구(23) 및 배출구(25)가 두께 방향으로 관통된 본체(20), 및 미세유체채널(27) 내에 배치되는 투명 기판(10)의 외면에, 세포(1)가 착상하고 생장하는 기저면을 형성하여 강성을 조절하는 하이드로젤 박막(30)을 포함한다.

생체 외 세포배양(in vitro cell culture) 기술은 현대 바이오 연구에서 가장 중요한 기본작업 중의 하나이다. 체외 세 성장환경을 정밀하게 컨트롤할 수 있다면, 세포형상이 성장에 미치는 영향과 같은 생화학적, 기계적 반응의 변화를 이해할 수 있으므로, 마이크로유체시스템을 이용한 마이크로 세포 환경 제어에 대한 관심이 증대되면서, 다양한 종류의 미세유체 장치가 고안되었다. 그러나 세포 배양을 위한 종래의 미세유체 장치는 주로 유리나 실리콘 계열의 재질을 사용해 미세채널의 바닥면을 제공하므로, 바닥 강성이 생리적 범위의 강성과 차이가 있고, 세포 신호전달에 관여하는 가용성 인자(soluble factor)가 바닥을 투과할 수 없거나 경우에 따라 소수성 특징의 인자만 선택적으로 흡수, 감금되는 등 실제 세포가 자라는 생리적 환경을 그대로 모사할 수 없었다. 이에 종래 미세유체 장치의 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에 따른 미세유체칩이 안출되었다.

본 발명에 따른 미세유체칩은 투명 기판(10), 본체(20), 및 하이드로젤 박막(30)을 포함한다.

여기서, 투명 기판(10)은 그 위에 배치되는 본체(20), 및 하이드로젤 박막(30)을 지지하는 지지체이다. 투명 기판(10)은 본체(20)와 결합하여, 본체(20)와의 사이에 미세유체채널(27)을 형성하고, 그 미세유체채널(27) 내에서 세포(1)가 착상되어 생장하므로, 그 세포(1)의 생장 과정을 외부에서 관찰할 수 있도록 투명한 소재로 이루어진다. 이때, 그 소재는 예를 들어, 유리일 수 있다. 다만, 투명 기판(10)의 소재가 반드시 유리에 한정되어야 하는 것은 아니고, 외부에서 관찰 가능한 정도의 투명도를 가지는 한 다른 고분자 물질 등을 사용할 수도 있다.

본체(20)는 판 형상으로 형성되되, 그 일면에 가느다란 홈 형태의 그루브(groove, 21)를 구비한다. 여기서, 본체(20)의 일면이 투명 기판(10)과 결합될 때에, 투명 기판(10)의 외면에 의해 그루브(21)의 개방부가 폐쇄되면서 미세유체채널(27)을 형성한다. 이때, 미세유체채널(27) 내에 배치되는 투명 기판(10)의 외면은 미세유체채널(27)의 바닥면이 되고, 그루브(21)의 내면은 미세유체채널(27)의 천정면(cellars)이 된다. 이렇게 형성된 미세유체채널(27)에 세포(1)가 착상하여 생장하고, 그 속에서 배지(2)가 유동한다.

또한, 본체(20)에는 세포(1) 및 배지(2)를 주입하고 배출하는 주입구(23), 및 배출구(25)가 형성된다. 여기서, 주입구(23), 및 배출구(25)는 미세유체채널(27)과 소통되도록 연결되어야 하는바, 미세유체채널(27)에서부터 본체(20)의 타면으로, 즉 본체(20)의 두께 방향으로 관통되어 형성된다.

이때, 주입구(23) 및 배출구(25) 각각은 적어도 하나 이상일 수 있다. 주입구(23) 및/또는 배출구(25)가 다수 개일 때에는, 미세유체채널(27)이 여러 갈래로 분기되어 각각의 분기된 미세유체채널(27)에 연통되도록 주입구(23) 및/또는 배출구(25)가 형성된다(도시되지 않음).

이러한 본체(20)는 폴리디메닐실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 등의 실리콘 계열의 물질로 이루어질 수 있는데, 그 소재가 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.

하이드로젤 박막(30)은 미세유체채널(27)의 바닥면에, 하이드로젤이 박막 형태로 교화(gelation)되어 형성된다. 이때, 하이드로젤 박막(30)은 세포(1)가 착상되어 생장하는 기저면을 형성하고, 그 기저면 위에서 세포(1)는 2차원적 세포(1)배양구조로 배양된다.

생리학적인 기저면의 강성은 수백 ㎩에서 수백 ㎪에 이르는데, 하이드로젤 박막(30)을 사용하는 경우에는 그 생리학적 범위 내로 강성을 조절할 수 있고, 세포(1)의 신호전달에 중요한 각종 가용성 인자(soluble factor)가 그 기저면을 자유롭게 투과할 수 있다. 이러한 하이드로젤 박막(30)은 교화(gelation)된 후에는 독성이 없는 물질로서, 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(pllyacrylic acid), 폴리하이드록시에틸 메타크릴레이드(hydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 및 히알루론산(hyaluronic acid) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 다만, 반드시 상술한 물질에 한정되는 것은 아니다.

한편, 하이드로젤 박막(30)의 강성은 세포(1)의 종류와 실험 목적에 따라 가변적일 수 있는데, 상기 소재 물질과 크로스링커(crosslinker)의 배합비율을 달리하여 조절할 수 있다.

또한, 하이드로젤 박막(30)은 현미경 위에서 세포(1) 거동을 관찰할 수 있을 정도의 광투과성을 가져야 하므로, 그 두께는 대략 100 ~ 1000 ㎛로 형성될 수 있다.

미세유체채널(27)의 디자인 중에서 가장 중요한 부분은 채널의 길이(L), 높이(H), 및 폭을 정하는 것인데, 하기 수학식에 따라 원하는 배지(2)의 유량에 따라 이를 결정할 수 있다.

[수학식]

여기서, τ는 전단응력(dynes/㎠), Q는 유량(㎝³/s), μ는 유체점도(dynes·s/㎝), H는 채널의 높이(㎝)이고, W는 채널의 폭(㎝)이다.

일 예로 미세유체채널(27)의 높이(H)가 폭의 0.1배 이하이고, 길이(L)가 상기 폭의 10배 이상이면, 즉 그 높이(H)가 폭에 비해 충분히 얇고, 길이(L)가 폭에 비하여 충분히 길면, 미세유체채널(27)의 중앙부에서 안정적인 층류(laminar flow)를 구현할 수 있다.

종합적으로, 본 발명에 따르면, 심혈관 및 다양한 관 형태의 장기에서 혈액을 포함한 다양한 유체에 의한 전단응력에 해당 장기가 노출되었을 시의 상황을 모사할 수 있다. 특히 세포는 외부의 다양한 물리적, 화학적인 자극환경(바닥면의 경도, 전단응력, 가용성 인자에 노출되는 상황 등)을 감지하여 그 환경변화에 따라 거동이 확연히 달라지므로, 실제 관 형태 장기 내벽 조직의 다양한 환경을 모사 구현하기에는 하이드로젤을 기저면으로 두는 2차원적 세포배양구조가 유리하다. 또한, 본 발명은 광학적으로 관찰이 유리하도록 고안되어 생체 모사환경에서 세포의 실질적 관찰이 가능하다.

한편, 본 발명에 따른 미세유체칩은 세포접합물질(40)을 더 포함할 수 있다. 세포접합물질(40)은 배양되는 세포(1)와 접합하는 물질로서, 하이드로젤 박막(30) 상에 코팅된다. 여기서, 세포접합물질(40)은 세포외 기질(extracellular matrix) 단백질을 사용할 수 있고, 이때 세포(1)는 단일층으로 착상되어 배양된다. 다만, 세포접합물질(40)인 세포외 기질 단백질에는 콜라겐, 피브론엑틴, 라미닌, 젤라틴 등의 단백질이 있으며, 활용용도에 맞추어 선택, 코팅하여 세포(1)를 착상시킬 수도 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 미세유체칩의 제조방법에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 제조방법을 도시한 공정도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 제조방법에 의해 제조된 미세유체칩의 사진이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미세유체칩의 제조방법은 (A) 일면에 하이드로젤 박막이 형성된 투명 기판, 및 일면에 그루브가 구비되고 그루브와 소통되도록 주입구 및 배출구가 두께 방향으로 관통된 판 형상의 본체를 각각 준비하는 단계, (B) 투명 기판의 일면 중 하이드로젤 박막이 배치되지 않은 외면, 및 본체의 일면에 산소 플라즈마 처리하는 단계, 및 (C) 투명 기판의 일면과 본체의 일면을 결합하는 단계를 포함한다.

여기서, 미세유체칩의 제조방법은 본 발명에 따른 미세유체칩을 제조하는 방법이므로, 상술한 내용과 중복되는 사항에 대해서는 설명을 생략하거나 간단하게만 기술한다.

본 발명에 따른 미세유체칩은 아래 방법에 의해 제조된다.

먼저, 하이드로젤 박막이 형성된 투명 기판, 및 본체를 각각 준비한다(A).

구체적으로, 하이드로젤 박막이 형성된 투명 기판을 준비하는 공정을 설명하면, 우선 투명 기판의 일면을 표면 처리하는데(A′-1), 투명 기판이 유리인 경우에는 NaOH(1M)를 그 유리 기판의 표면에 도포하여 2시간 놓아두고, 그 위에 Aminopropyltrimethoxisilane(97%)를 약 2 ~ 3방울 떨어뜨린 후 6분간 두었다가, 증류수로 5 ~ 6회 세척하고 건조한다. 그 다음에, 글루타르알데히드(Glutaraldehyde, 0.25%)를 도포하고 30분간 두었다가 증류수로 5 ~ 6회 세척한다.

이후에는 표면 처리된 투명 기판의 일면에 하이드로젤 용액을 도포한다(A′-2). 이때, 적어도 2개 이상의 마스킹 테이프를 투명 기판의 일면에 이격하여 나란하게 부착하고, 나란한 마스킹 테이프 사이에 하이드로젤 용액을 도포한다. 여기서, 마스킹 테이프의 개수는 형성하고자 하는 미세유체채널의 개수에 비례하는 것으로서, 예를 들어, 1개의 미세유체채널을 형성하는 경우에는 2개가, 2개의 미세유체채널을 형성하는 경우에는 3개가 필요하다. 한편, 하이드로젤 용액은 폴리머, 물, 및 크로스링커 등으로 이루어질 수 있다.

이렇게 하이드로젤 용액이 도포되면, 그 용액 위에 커버글라스(cover glass)를 올려, 하이드로젤 박막을 교화(gelation)시킨다(A′-3).

그리고 나서, 하이드로젤 박막 상에, 보호필름을 배치하는데(A′-4), 여기서 보호필름은 하이드로젤의 건조를 방지하기 위한 것으로, 예를 들어 멸균된 PDMS 필름 등을 사용할 수 있다.

한편, 준비된 본체는 판 형상으로 형성되되, 일면에 그루브를 구비하고, 두께 방향으로 주입구 및 배출구가 관통되어 있다. 이러한 본체를 준비하기 위해서는, 먼저 본체의 그루브에 대응하는 돌출부가 형성된 양각 패턴의 마스터 몰드를 제작한다(A″-1). 예를 들어, 실리콘 웨이퍼에 SU-8로 패턴하여 제작하거나, 또는 멸균하여 사용하기 용이하도록 120 ℃ 이상의 고온 상태를 견딜 수 있는 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리머를 가공하여 마스터 몰드를 제작할 수 있다.

그 다음에, 본체의 주입구 및 배출구를 생성하기 위해서, 돌출부 상에 소정의 높이를 갖는 적어도 2개 이상의 기둥을 배치하고(A″-2), 그 기둥이 잠기도록 실리콘 계열의 물질을 마스터 몰드에 주입한다(A″-3).

실리콘 계열의 물질 주입이 완료되면, 핫플레이트 또는 건조 오븐에 넣어 그 물질을 경화하고, 상기 기둥을 제거하면(A″-4), 그루브와 주입구 및 배출구가 형성된 본체를 준비할 수 있다.

이렇게 투명 기판 및 본체가 준비되면, 산소 플라즈마 처리 공정을 수행한다(B). 이때, 산소 플라즈마 처리는 투명 기판의 일면 중 하이드로젤 박막이 배치되지 않은 외면과, 본체의 일면에 이루어진다. 이러한 플라즈마 처리 공정은 하나의 플라즈마 챔버에서 동시에 진행될 수 있다.

산소 플라즈마 처리를 통해 표면 개질이 완료되면, 보호필름을 제거하고, 하이드로젤 박막이 본체의 그루브 내에 배치되도록, 투명 기판의 일면과 본체의 일면을 서로 결합한다(C). 이때, 산소 플라즈마 접합공정을 사용하여 투명 기판과 본체를 결합시킬 수 있다. 플라즈마 공정을 통해 투명 기판의 일면과 본체의 일면이 친수성으로 개질되어, 공유결합을 통해 두 표면이 화학적으로 안정하게 결합되므로 유체의 유수를 방지할 수 있다. 동시에 플라즈마 에싱을 통해 표면의 멸균효과를 동시에 얻을 수 있어 제조과정 중 추가적인 오염 없이 세포를 안정적으로 배양할 수 있는 환경을 구현할 수 있다.

투명 기판과 본체의 결합으로 미세유체채널이 형성되고, 그 채널 내에 하이드로젤 박막이 배치되면, 세포를 착상시킬 수 있는 세포접합물질을 코팅하여, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미세유체칩을 제조할 수 있다.

또한, 도 5의 (b)와 같이, 주입구와 배출구에 튜브를 연결하고, 그 튜브에 실린지 펌프(syringe pump), 연동 펌프(peristaltic pump) 등의 펌프를 연결하여, 다양한 유체의 유동상황을 조성할 수 있다.

이하에서는 미세유체채널 바닥면의 강성이 세포배양에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체칩의 기저면의 강성에 따른 세포 생장을 나타내는 이미지이다.

본 실험에서는 미세유체채널 바닥면의 강성을 0.3, 2.4, 19.2, 153.6 ㎪로 변경하면서 세포를 관찰하였다. 이때, 세포는 Bovine aortic endothelial cell(BAEC) 우(牛)동맥혈관내피세포로서, 폴리아크릴아미이드 젤에 콜라겐이 코팅된 표면에서 배양되었다.

그 결과, 유체가 흐르기 시작하면 세포의 형태가 변하기 시작하며, 특히, 바닥면의 강성에 따라 세포의 형태가 확연히 달라진다(도 6의 (a)). 세포의 움직임을 24시간 동안 트래킹한 데이터를 보면 바닥면의 강성에 따라 세포의 거동도 차이가 있다(도 6의 (b)). 이는 세포가 바닥면의 강성을 감지하여 그 환경에 따라 다른 생장모습을 보이는 것이므로, 세포의 다양한 생리현상 관찰 시에 신체 내의 생리적 환경과 일치하는 주변환경이 구현되어야만 정확한 생리현상에 대한 정보를 획득할 수 있다는 것을 입증하는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 미세유체칩은 하이드로젤 박막을 통해 미세유체채널 바닥면의 강성을 생리학적인 범위 내로 조절할 수 있으므로 세포의 생리현상에 대한 정확한 정보를 취득할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 세포 2: 배지
10: 투명 기판 20: 본체
21: 그루브 23: 주입구
25: 배출구 27: 미세유체채널
30: 하이드로젤 박막 40: 세포접합물질

Claims

투명 기판;
일면에 그루브(groove)를 구비하는 판 형상으로, 상기 일면이 상기 투명 기판 상에 배치되어 미세유체채널을 형성하고, 상기 미세유체채널과 소통하도록 주입구 및 배출구가 두께 방향으로 관통된 본체; 및
상기 미세유체채널 내에 배치되는 상기 투명 기판의 외면에, 세포가 착상하고 생장하는 기저면을 형성하여 강성을 조절하는 하이드로젤 박막;
을 포함하고,
상기 하이드로젤 박막 위에서 상기 세포가 2차원 세포배양구조로 배양되며,
상기 하이드로젤 박막은 외부에서 상기 세포의 거동을 관찰할 수 있도록, 광투광성을 가지고,
상기 강성은 상기 하이드로젤 박막의 소재 물질과 크로스링커(crosslinker)의 배합비율에 따라 조절되는 미세유체칩.
청구항 1에 있어서,
상기 투명 기판은 유리이고,
상기 본체는 실리콘 계열의 물질로 이루어지는 미세유체칩.
청구항 1에 있어서,
상기 하이드로젤 박막의 소재 물질은
폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(pllyacrylic acid), 폴리하이드록시에틸 메타크릴레이드(hydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 및 히알루론산(hyaluronic acid) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 미세유체칩.
청구항 1에 있어서,
상기 하이드로젤 박막의 두께는 100 ~ 1000 ㎛인 미세유체칩.
청구항 1에 있어서,
상기 하이드로젤 박막 상에 코팅되고, 상기 세포와 접합하는 세포접합물질;
을 더 포함하는 미세유체칩.
청구항 5에 있어서,
상기 세포접합물질은 세포외 기질(extracellular matrix) 단백질이고,
상기 세포는 단일층으로 착상되어 배양되는 미세유체칩.
청구항 1에 있어서,
상기 미세유체채널은
높이가 폭의 0.1배 이하이고,
길이가 상기 폭의 10배 이상인 미세유체칩.
(A) 일면에 하이드로젤 박막이 형성된 투명 기판, 및 일면에 그루브가 구비되고 상기 그루브와 소통되도록 주입구 및 배출구가 두께 방향으로 관통된 판 형상의 본체를 각각 준비하는 단계;
(B) 상기 투명 기판의 일면 중 상기 하이드로젤 박막이 배치되지 않은 외면, 및 상기 본체의 일면에 산소 플라즈마 처리하는 단계; 및
(C) 상기 투명 기판의 일면과 상기 본체의 일면을 결합하는 단계;
를 포함하고,
상기 (A) 단계의 하이드로젤 박막이 형성된 투명 기판을 준비하는 단계는
(A′-1) 상기 투명 기판의 일면을 표면 처리하는 단계;
(A′-2) 상기 투명 기판의 일면에 적어도 2개 이상의 마스킹 테이프를 이격하여 나란하게 부착하고, 나란한 상기 마스킹 테이프 사이에 하이드로젤 용액을 도포하는 단계;
(A′-3) 도포된 상기 하이드로젤 용액에 커버글라스(cover glass)를 올려 상기 하이드로젤 박막을 교화(gelation)하는 단계; 및
(A′-4) 상기 하이드로젤 박막 상에, 건조를 방지하는 보호필름을 배치하는 단계;
를 포함하는 미세유체칩 제조방법.
삭제
청구항 8에 있어서,
상기 (A) 단계의 본체를 준비하는 단계는
(A″-1) 상기 본체의 그루브에 대응하는 돌출부가 형성된 마스터 몰드를 제조하는 단계;
(A″-2) 상기 돌출부 상에, 소정의 높이를 갖는 적어도 2개 이상의 기둥을 배치하는 단계;
(A″-3) 상기 기둥이 잠기도록, 실리콘 계열의 물질을 상기 마스터 몰드에 주입하는 단계; 및
(A″-4) 상기 실리콘 계열의 물질을 경화하고, 상기 기둥을 제거하는 단계;
를 포함하는 미세유체칩 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 (C) 단계 이후에, 상기 하이드로젤 박막에 세포와 접합하는 세포접합물질을 코팅하는 단계;
를 더 포함하는 미세유체칩 제조방법.
청구항 11에 있어서,
상기 세포접합물질은 세포외 기질(extracellular matrix)이고,
상기 세포는 단일층으로 착상되어 배양되는 미세유체칩 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 하이드로젤 박막은
폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(pllyacrylic acid), 폴리하이드록시에틸 메타크릴레이드(hydroxyethyl methacrylate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 및 히알루론산(hyaluronic acid) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 미세유체칩 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 하이드로젤 박막의 두께는 100 ~ 1000 ㎛인 미세유체칩 제조방법.