KR101853968B1 - 균일한 농도구배를 제공하는 미세유체칩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2종 이상의 유체를 혼합함에 있어서 균일한 농도구배를 제공하는 미세유체채널 구조물 제공한다. 이를 위해 본 발명은 원형채널, 및 상기 원형채널과 유체가 이동하도록 연결된 유체유입채널, 배출채널 및 서로 대칭인 한쌍의 분지채널을 포함하는 원형교차채널 구조물로서, 상기 유체유입채널은 상기 원형채널에 방사상으로 연결되고, 상기 배출채널은 상기 원형채널을 기준으로 상기 유체유입채널과 반대 방향에 방사상으로 연결되며, 상기 한쌍의 분지채널은 상기 유체유입채널의 유체 흐름방향으로의 연장선과 0° 초과 90° 미만의 각을 이루면서 원형교차채널과 접하는 양 접점으로부터 각각 분기되어 형성된 것인, 채널 내에서 혼합 유체가 균일한 농도구배를 갖는 원형교차채널구조물을 제공하나. 본 발명은 본 발명에 따르면, 3가지 이상 유체의 흐름에서 이를 균일하게 섞고 분기할 수 있다.

Description

균일한 농도구배를 제공하는 미세유체칩 {A microfluidic chip for enhanced gradient generation}

본 발명은 미세유체칩에 관한 것으로서, 2개 이상의 채널이 구비되고 채널을 통해 균일한 농도구배가 구현되는 미세유체칩에 관한 것이다.

미세유체칩은 플라스틱, 유리, 또는 실리콘을 포함하는 다양한 소재로 제조된 기판 위에 유체가 흐를 수 있도록 구비된 미세채널 및 챔버 등이 구비된 칩이다. 미세채널을 통해 혈액, 체액, 시약, 배지 또는 세포배양액 등 다양한 종류의 유체가 이동할 수 있으며, 미세유체칩은 임상진단, 바이오분야, 의학 및 정밀화학 분야 등에서 널리 이용되고 있다. 미세유체 기술은 단일 칩 또는 기판 상에 적용되어 실험실에서 수행되는 전체 연구과정을 하나의 칩으로 통합하는 것을 가능하게 하였다. 랩온어칩(lab-on-a-chip)과 같은 미세유체칩은 필요한 다양한 기능을 통합하기 위해, 혼합기, 유체 분리 채널 및 밸브 등과 같은 복잡한 차원의 구성을 포함한다. 미세유체에 대한 연구는 세포 기반 연구 및 다른 응용연구의 수행에서 그 사용 빈도가 점진적으로 증가하고 있다. 미세유체에 기반한 연구는 보다 더 적은 부피의 제제를 사용하면서 보다 더 신속하고 감도 높은 탐지 결과를 제공하므로, 통상의 연구실 수준의 분석공정에 비해 여러 가지 장점을 갖는다. 최근, 미세유체 기술은 생화학 연구분야 전반에 걸쳐 이용되고 있을 뿐만 아니라, 신경과학 분야에서도 그 이용도가 증가하고 있다.

한편, 미세유체칩을 이용한 세포 연구에 있어서, 다양한 세포로부터 생리학적 특성 및 변화를 분석하고자 하는 경우, 미세유체칩 내 유체의 농도구배를 균일하게 구현해야 할 필요가 있다. 미세유체칩 내에서 균일한 농도구배가 구현되면, 이를 이용하여 예를 들어, 미량의 항체에 대한 암세포와 정상세포의 반응 차이를 분석할 수 있다. 또한, 미세조류 등 미생물 배양 시에 최소량으로 요구되는 미량 원소들의 함량을 정확하게 검출할 수 있으며, 이는 추후 배양 시스템으로 도입 할 수 있다.

유량은 단위시간당 흐르는 유체 부피의 양으로 정의된다. 미세유체칩 내에서는 유량을 제어한 농도구배 형성이 가능하므로, 이러한 농도구배 현상을 이용한 다양한 연구가 가능하다. 농도가 다른 유체가 각각 다른 2개의 채널로부터 유입되어 하나의 채널을 형성하면서 통합되면, 이론적으로는 층류의 특성에 따라 각각 1:1의 비율로 동일하게 섞이게 되어 50%씩 희석 된 혼합액이 생성된다. 연속적인 농도구배를 구현하고자 하는 경우, 상기 혼합액은 혼합액을 수용하는 채널의 말단부에서 또 다른 유체와 동일한 비율로 혼합되고, 이를 반복하여 농도구배 현상을 구현한다. 한편, 2갈래씩 분기하면서 여러 개의 농도구배점 (n)을 형성하려면 n-2만큼의 혼합단계가 필요한데, 이는 미세유체칩의 공간 활용면에서 효율적이지 못하고, 농도구배현상의 왜곡을 유발할 수 있다. 따라서, 최근에는 T자형의 채널을 통해 적은 수의 혼합단계와 교차점으로 농도구배를 구현하고자 하는 시도가 있다. 그러나, 기존의 T자형 (교차형) 채널은 주입채널에 수평인 배출채널과 수직인 배출채널 간의 유량차이로 인해 혼합이 반복 될수록 한쪽으로 치우치는 불균형성의 농도구배가 형성되는 문제가 있다. 예를 들어, 0, 25, 50, 75 및 100% 5개의 농도구배점 (n)을 형성함에 있어서, T형의 3갈래 채널은 (n-1)/2 관계식으로 2단계의 혼합단계만이 필요할 것으로 예상할 수 있으나, 실제 모든 연구 결과는 S자형의 농도구배가 형성되고 있음을 제시한다. 도 2는 이를 시뮬레이션 한 결과로서, 기존의 T형 채널이 정상적인 농도구배를 형성하기 어렵다는 것을 나타낸다. T형의 3갈래 채널은 교차점을 통과하면서 직진인 채널 (E, 110)과 이에 수직인 채널 L (121) 및 R (122)의 유량 비율이 각각 4:1로 혼합되어 흐르게 된다 (도 2 참조). 따라서, 교차점을 경과한 후 흐르는 유체에 있어서, E 채널과 R+L 채널의 유량비율은 2:1이 된다. 최종적으로 균일한 비율의 농도구배가 형성이 되기 위해서 교차점의 혼합단계 이후 모든 단계에서 유량이 1:1이 되어야 하지만, 2:1인 유량의 불균형으로 인해 25%는 18%, 75%는 83%가 형성되므로 7%의 오차가 수반된 채로 농도구배가 형성되어, 균일한 농도구배를 갖는 혼합유체를 수득하는 것이 불가능 하다.

또한, 기존의 농도구배를 형성하는 미세유체칩은 2가지의 유체를 이용하여 농도구배를 형성하는데, 이는 2가지 기원에서 유래하는 유체를 균일하게 혼합하는 것을 전제로 한다. 그러나 3가지 이상 유체의 흐름에서 이를 균일하게 섞고 분기할 수 있는 미세유체칩 또는 유체관은 종래 방법에서 제시된 바 없다 (Generation of solution and surface gradients using microfluidic systems N. L. Jeon, S. K. W. Dertinger, D. T. Chiu, I. S. Choi, A. D. Stroock and G. M. Whitesides, Langmuir, 2000, 16, 83118316). 한국특허등록 제 10-1528429호에 따르면, 하나의 독립된 기원에서 흘러 들어오는 유체들이 미세유체 관에서 층류로 유입되면서 긴 관을 따라 이동하는 동안 혼합된다. 이는 다시 분기점에서 나뉘고 다른 분기점에서 합류하는 관에서 추가적으로 혼합되는 과정을 반복하며 농도구배를 형성하는 미세유체 칩을 제시한다. 그러나 상기 429 특허에 따르면, 3 이상의 일정한 분기를 위한 균일한 혼합이 불가능하다. 또한 한국특허공개 제 10-2014-0041079호는 농도구배 생성 미세유체장치를 기술한다. 그러나 상기 특허공개에 기술된 장치는, 미세유체 농도구배를 형성하는 주채널이 별도로 존재하여 주채널 내 위치에 따른 농도구배를 형성하는 장치로서, 채널의 양 옆에 배치된 공급채널에서 별도의 펌프 또는 약물 등의 공급에 따라 농도구배가 형성 및 변화될 수 있다. 이러한 방법은 연속적인 농도구배를 형성할 수 있으나 형성된 농도구배의 유지시간이 짧으며, 구배 형성을 지속하기 위해서는 계속적인 약물 공급이 필수적이다.

이에 본 발명자들은 미세유체칩에서 농도구배를 구현함에 있어서, 기존의 미세유체칩이 갖는 문제점을 해결하고자 노력한 결과, 3갈래로 확장되는 원형교차채널을 지닌 미세유체칩을 적용함에 의해, 서로 다른 채널 중의 유체가 혼합될 때 형성되는 유량의 비율이 반복적인 혼합에도 불구하고 1:1로 계속 유지된다는 놀라운 사실을 확인하여 본 발명을 완성하였다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 미세유체칩에서 정확한 비율로 농도구배현상을 구현할 수 있다.

한국특허공개 제 10-2014-0041079호 한국특허등록 제 10-1528429호

Generation of solution and surface gradients using microfluidic systems N. L. Jeon, S. K. W. Dertinger, D. T. Chiu, I. S. Choi, A. D. Stroock and G. M. Whitesides, Langmuir, 2000, 16, 83118316

이와 같이, 본 발명의 목적은 2종 이상의 유체를 혼합함에 있어서 균일한 농도구배를 형성하는 미세유체채널구조물을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 3가지 이상 유체의 흐름에서 이를 균일하게 섞고 분기할 수 있는 미세유체채널구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 3갈래로 확장되는 원형교차채널을 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 원형교차채널은, 원형채널, 및 상기 원형채널과 유체가 이동하도록 연결된 유체유입채널, 배출채널 및 서로 대칭인 한쌍의 분지채널을 포함하며, 상기 유체유입채널은 상기 원형채널에 방사방향으로 연결되고, 상기 배출채널은 상기 원형채널을 기준으로 상기 유체유입채널과 반대 방향에 방사방향으로 연결되며, 상기 한쌍의 분지채널은 상기 유체유입채널의 유체 흐름방향으로의 연장선과 0° 초과 90° 미만의 각을 이루면서 원형교차채널과 접하는 양 접점으로부터 각각 분기되어 형성된다.

다른 일 구현예에서, 상기 한쌍의 분지채널은 상기 유체유입채널의 유체 흐름방향으로의 연장선과 45° 각도를 이루면서 원형교차채널과 접하는 양 접점으로부터 서로 대칭으로 분기된다.

또 다른 일 구현예에서, 2개 이상의 상기 원형교차채널구조물이 병렬 배치되고, 상기 원형교차채널구조물 중 어느 하나로부터 분기된 분지채널이 이웃하는 다른 원형교차채널구조물에서 분기된 분지채널 중 하나와 Y형 채널을 형성하도록 통합된 미세유체채널 구조물이 제공된다. 상기 병렬배치된 원형교차채널을 유체흐름의 하류에 추가로 배치함으로서 보다 더 많은 농도구배점을 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에서, 3개 이상의 상기 원형교차채널구조물이 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되고, 어느 하나의 상기 원형교차채널구조물의 분지채널 중 하나의 일 말단부가 이웃하는 원형교차채널구조물의 분지채널 중 하나의 일 말단부와 유체가 이동하도록 채널연결부에서 연결되며, 상기 채널연결부를 형성하는 2개의 서로 다른 분지채널은 동일한 채널길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물이 제공된다.

다른 일 구현예에서, n개의 상기 원형교차채널구조물이 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되어 1단계 농도구배채널을 형성하고; 2n개의 상기 원형교차채널구조물이 상기 n개 원형교차채널구조물이 형성하는 동심원의 확장된 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되어 2단계 농도구배채널을 형성하며; 상기 2단계 농도구배채널 중 n개의 원형교차채널구조물의 유체유입채널 각각의 일 말단부는 상기 1단계 농도구배채널의 각 원형교차채널구조물의 각 배출채널의 일 말단부과 유체가 이동하도록 연결되고, 상기 2단계 농도구배채널 중 다른 n개의 원형교차채널구조물의 유체유입부 각각은 상기 1단계 농도구배채널의 각 채널연결부와 유체가 이동하도록 연결되며; 상기 n은 3이상의 정수인 것인, 채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물이 제공된다. 여기서 각 원형교차채널구조물의 유채유입채널은 브릿지채널을 경유하여 상기 각 배출채널 및 각 채널연결부와 유체가 이동하도록 연결될 수 있다. 농도구배점을 증가시키기 위해, 확장된 동심원 구조의 m 단계 농도구배채널을 제공하는 경우, 상기 m 단계 농도구배채널은 m-1 단계에 포함된 상기 원형교차채널구조물의 2배에 해당하는 원형교차채널구조물을 포함한다.

본 발명에서 사용된 용어 "미세유체채널구조물"과 "미세유체칩"은 동일한 의미를 가지며, 기판상에 유체가 흐를 수 있는 미세채널이 형성된 구조물은 모두 이에 포함되는 것으로 이해된다.

본 발명에서 "방사방향" 또는 “방사상”은 원의 중심을 지나는 직선방향을 의미한다.

본 발명에 따라 미세유체채널 내에서 혼합유체의 농도구배를 균일하게 구현하는 것은 정확히 제어된 농도 조건하에서 다양한 세포의 생리학적 특성 및 변화를 분석하는 것을 가능하게 한다. 이와 같이 본 발명의 미세유체채널구조물 또는 미세유체칩은 채널 내를 이동하는 유체의 미세한 농도 차이를 재현하는 것이 가능하므로 미량의 항체 및 활성인자 등에 의한 효과를 분석할 수 있는 수단을 제공한다. 따라서, 본 발명의 미세유체칩은 미세조류 분석, 기초 암 생물학 및 약물후보 스크리닝 분야 등에서 폭넓게 활용될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 미세유체채널구조물의 일 예를 도시한 것이다.
도 2는 COMSOL 프로그램 시뮬레이션 결과이다. COMSOL 시뮬레이션 실행 후 분산되는 유속의 정도가 색으로 구분되어 표시된 것으로서, 종래기술에 따른 T자형 미세유체칩과 본 발명의 미세유체채널구조물의 농도구배 현상을 비교한 것이다.
도 3은 본 발명의 미세유체채널구조물을 이용한 농도구배현상을 확인한 결과이다.
도 4a는 복수개의 본 발명의 미세유체채널구조물이 동심원상에 방사상 배치되고, 3개의 유체를 사용한 농도구배현상을 COMSOL 프로그램으로 시뮬레이션한 것이다.
도 4b는 복수개의 본 발명의 미세유체채널구조물이 동심원상에 방사상 배치된 것으로서, 블루, 레드 및 옐로우의 3가지 색의 유체가 흐르도록 한 후 농도구배를 관찰한 것이다.
도 5는 복수개의 본 발명의 미세유체채널구조물이 동심원상에 방사상 배치되고, 4개의 유체를 사용한 농도구배현상을 COMSOL 프로그램으로 시뮬레이션한 것이다.

이하, 본 발명의 구성요소와 기술적 특징을 다음의 실시예들을 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예들은 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

제조예 - 미세유체채널구조물 제조

원형교차채널구조물 제조하였다. 상기 원형교차채널구조물은 시료를 제공하는 유체유입채널 (210), 배출채널 (230) 및 대칭인 한쌍의 분지채널 (241, 242)과 유체가 이동하도록 연결된 원형채널 (220)을 포함한다. 상기 유체유입채널 (210)은 유체유입부 (211)를 통해 상기 원형채널과 방사상으로 연결되도록 하였다. 상기 배출채널 (230)은 상기 원형채널 (220) 상에 상기 유체유입부 (211)의 맞은편에 구비된 유체배출부 (231)에서 분기되며, 상기 서로 대칭인 한쌍의 분지채널 (241 및 242)은 상기 유체유입채널의 유체 흐름방향으로의 연장선과 45° 각을 이루면서 상기 원형교차채널과 접하는 양 접점 (243 및 244)으로부터 각각 분기되도록 하였다.

상기 원형교차채널구조물은 원의 중심으로부터 반지름이 각각 1,000 ㎛ 및 900 ㎛인 원주면을 이루는 격벽에 의해 형성된 채널로서 100 ㎛의 폭을 갖도록 하였다. 본 제조예에서 수득한 미세유체채널구조물은 모든 채널이 100 ㎛의 폭을 갖도록 하였으며, 각 채널의 높이는 60 ㎛가 되도록 하였다. 그러나, 본 발명의 미세유체칩에서 채널 높이와 폭은 특별히 제한되지 않고, 채널에 주입되는 물질의 종류나 실험의 목적 및 조건에 따라 유동적으로 결정될 수 있을 것이다. 또한, 채널의 높이는 10 ㎛ 내지 100 ㎛이내 일 것이며, 30 ㎛ 내지 80 ㎛가 바람직하고, 40 ㎛ 내지 60 ㎛가 더 바람직하다.

본 제조예에서 상기 원형교차채널구조물은 미세유체채널구조물을 제조하는 방법으로서 당업계에 일반적으로 알려진 공정에 따라 제조될 수 있다. 즉, 일반적인 포토리소그래피 (photolithography) 방법으로 실리콘웨이퍼 (silicon wafer) 표면에 SU-8 PhotoResist(PR)-100 (Microchem, US)을 부은 후, 농도구배채널이 그려진 필름마스크 (film mask)를 올린 후 UV를 조사하였다. 다음, 디벨로핑 (developing) 과정을 거친 후 채널이 각인된 마스터웨이퍼 (master wafer)를 수득하였다. 다음, PDMS Sylgard 184 (다우코닝사)와 해당 경화제를 10:1의 비율로 섞어 상기 마스터 웨이퍼 상에 부은 후, 95℃ 핫 플레이트에 2시간 이상 올려두어 경화시켰다. 음각 패턴을 지닌 상기 경화된 PDMS를 40 × 60 mm 슬라이드 글래스와 함께 1 분간 플라즈마 (Femto Science, KR) 처리하여 글래스 상에 PDMS를 부착하여 제조하였다. 75℃ 오븐에서 30분간 안정화시켰다.

실험예 1 - T형 미세유체채널 구조물과 비교예

종래기술에 따른 T형 채널을 제작하였다. 먼저 직선의 E채널 (110), 상기 E 채널과 수직인 유체 흐름을 갖고 상기 E채널과 유체가 이동하도록 연결된 L채널 (121) 및 R채널 (122)을 제작하였다. 상기 E채널을 흐르는 유체는 상기 L채널 및 R채널이 교차하는 교차점을 지나 계속 직진하도록 하였다. 다음, 상기 제조예에서 제작한 본 발명의 원형교차채널구조물과 상기 T형 채널에서의 유체 이동을 COMSOL 프로그램으로 제작자의 프로토콜에 따라 시뮬레이션 (https://www.comsol.com/)하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 COMSOL 시뮬레이션 실행 후 분산되는 유속의 정도가 색으로 구분되어 표시되었다. 도 2에서 유속이 빠를 때는 빨강색, 유속이 중간인 경우 연두색, 유속이 느릴 때는 파란색으로 각각 표시가 되었다. 종래기술의 T형 채널의 시뮬레이션 결과, 수직인 채널의 유속은 노란색에 가깝고 양옆은 짙은 파란색에 가까운 것으로 나타났으며, 이는 수직인 채널로 유속이 집중되었음을 의미한다. 반면에, 3갈래의 원형교차채널은 유속이 느려지면서 연두색에 가까워졌고, 양옆으로는 파란색에 가깝다는 시뮬레이션 결과를 얻었다. 이것은 본 발명의 원형교차채널이 종래 T형 채널과 달리 양옆으로도 유속이 좀 더 흐르게 된다는 것을 제시한다. 또한, 도 2는 유속을 500 ㎕/hr 으로 했을 때에 각 채널로 분산되는 유속을 계산한 결과 값을 나타내며, 각각 1:4:1 및 1:2:1의 비율로 유속이 흐르는 것이 COMSOL 프로그램으로 계산되었다.

도 2에서 확인되는 바와 같이, T형 미세유체채의 교차점 (130)에는 "S"자형의 농도구배가 형성된 것이 확인되었다. 이와 같이, 상기 T형의 3갈래 채널은 직진인 E채널 (110)과 이에 수직인 L채널 (121) 및 R채널 (122)의 유량 비율이 각각 4:1로 분기되어 흐르는 것이 관찰되었으며, 교차점에서 E채널과 R+L 채널이 혼합되는데, 이때 유량 비율은 2 (E채널) : 1 (R채널 + L채널)인 것이 확인되었다. 최종적으로 균일한 비율의 농도구배가 형성이 되기 위해서는, 혼합단계 이후 모든 단계에서 유량이 1:1이 되어야 하지만, 상기 T형 채널은 2:1의 불균형인 비율을 초래하므로 25%는 18%, 75%는 83%로 형성되어 7%의 오차를 갖는 농도구배가 형성되었다.

반면에, 본 발명의 유체채널구조물에서는 배출채널에서 혼합유체가 각각 1:1의 유량 비율을 갖는 것이 시뮬레이션에 의해 확인되었다.

실험예 2 - 5개의 농도구배점을 갖는 미세유체채널구조물

0, 25, 50, 75 및 100%의 5개 농도구배점을 갖는 미세유체채널구조물을 제조하고 각 농도구배점에서의 농도분포를 확인하였다.

먼저, 본 발명의 제조예에 따른 원형교차채널구조물 3개가 병렬 배치되고, 어느 하나의 원형교차채널구조물로부터의 분지채널 중 하나가 이웃하는 원형교차채널로부터의 분지채널 중 하나와 "Y"형 채널로 통합되어 하나의 채널을 형성하도록 하였다. 다음, 형광물질 (2 mM Rhodamine B (sigmaaldrich Cat.No.: R6626))을 포함하는 증류수 (100%)와 순수한 증류수 (0%)가 "Y"형 채널에서 혼합되어 형광물질이 50% 희석된 유체가 형성되도록 하여, 형광물질 농도가 0 (301), 50 (302) 및 100% (303)인 증류수가 상기 3개의 원형교차채널구조물의 각 유체유입채널의 일 말단부를 통해 주입되도록 하였다 (도 3 참조). 다음, 형광세기를 PerkinElmer LS55 형광 기기를 사용하여 측정하고 이를 그래프로 나타내었다. 도 3에서 확인되는 것과 같이, 5개의 균일한 농도구배점이 형성되었다.

또한, 도 4a를 참조하면, 3개의 원형교차채널구조물 (401, 402, 403)이 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되고, 어느 하나의 원형교차채널구조물로부터 분기된 분지채널 중 하나의 일 말단부가 이웃하는 원형교차채널구조물의 원형교차채널로부터 분기된 분지채널의 일 말단부와 채널연결부 (451, 452, 453)에서 유체가 이동하도록 연결된 구조를 갖도록 하였다. 여기서 하나의 채널연결부를 형성하는 2개의 서로 다른 분지채널은 동일한 길이를 갖도록 하였다. 또한, 상기 3개의 원형교차채널구조물이 동심원상에 배치된 것과 같은 방법으로, 6개의 원형교차채널구조물이 하나의 동심원을 형성하되 상기 3개의 원형교차채널구조물이 형성하는 동심원에서 확장된 동심원을 형성하고 상기 3개의 원형교차채널구조물이 형성하는 동심원의 외각에 배치되도록 하여 2단계의 동심원 구조를 갖도록 하였다. 또한, 상기 하나의 동심원을 형성하는 6개의 원형교차채널구조물의 각 유체유입채널의 일 말단 부는 보다 더 작은 동심원을 형성하는 상기 3개의 원형교차채널구조물의 각 배출채널 및 각 채널연결부와 유체가 이동하도록 연결되었다. 여기서 각 원형교차채널의 유체유입채널 및 배출채널의 일 말단부 각각은 유체가 이동하는 힘을 제공하기 위한 브릿지채널과 유체가 이동하도록 연결되었다. 상기 브릿지채널은 시료를 상기 미세유체채널구조물로 이동시키기 위한 힘 (force)을 제공하기 위한 것으로서 다양한 구조를 갖도록 할 수 있다. 본 발명에서는 ㄹ 자형의 왕복구조로 반원형 회로를 형성하도록 하였다.

도 4b는 목적하는 균일한 농도구배가 연속적으로 구현되었는지 확인하기 위해, 유체유입부를 통해 푸드컬러 레드, 블루, 및 옐로우 3종 (정우공업으로부터 입수)의 유체를 흘려주었다. 각 채널을 흐르는 유체의 유속은 500 ㎕/hr 이 되도록 하였다. 그 결과, 5개의 농도구배점에 연속적으로 형성된 것을 도 4b에서 확인할 수 있다. 도 4a는 COMSOL 시뮬레이션 수행 결과로서, 빨간색으로 표시된 숫자 25, 50, 75 및 100, 및 파란색으로 표시된 숫자 0은 농도구배 %를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 미세유체칩은 3가지 이상의 물질을 균일하게 혼합하고, 연속적인 농도구배를 제공한다.

실험예 3 - 9개의 농도구배점을 갖는 미세유체칩

3단계의 동심원 구조를 형성하도록 하고, 가장 안쪽의 동심원 구조물이 4개의 원형교차채널구조물을 포함하도록 한 것을 제외하고는 상기 실험예 2에서와 동일한 방법으로 미세유체채널구조물을 제작하였다. 도 5는 COMSOL 시뮬레이션 수행 결과로서, 도면 우측의 색 막대는 농도를 나타낸 것이다. 9개의 농도구배점에 연속적으로 형성된 것이 확인되었다.

본 발명의 미세유체칩을 이용하여, 연속적인 농도구배를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 미세유체칩은 미세조류 분석, 기초 암 생물학 및 약물후보 스크리닝 분야 등에서도 폭넓게 활용될 수 있을 것이다.

100: T형 미세유체채널; 110: E채널; 121:L채널; 122: R채널; 130: 교차점
200, 301, 302, 303, 401, 402, 403: 원형교차채널구조물
210: 유채유입채널; 211: 유체유입부
220: 원형채널; 230: 배출채널; 231: 유체배출부
241, 242: 분지채널
300, 400, 500: 복수의 농도구배점을 갖는 미세유체채널구조물
311, 312: 리저버
421, 422, 423: 브릿지채널; 451, 452, 453: 채널연결부

Claims (11)

1. 원형채널, 및 상기 원형채널과 유체가 이동하도록 연결된 유체유입채널, 배출채널 및 서로 대칭인 한쌍의 분지채널을 포함하는 원형교차채널구조물로서,
   상기 유체유입채널은 상기 원형채널에 방사방향으로 연결되고,
   상기 배출채널은 상기 원형채널을 기준으로 상기 유체유입채널과 반대 방향에 방사방향으로 연결되며,
   상기 한쌍의 분지채널은 상기 유체유입채널의 유체 흐름방향으로의 연장선과 0° 초과 90° 미만의 각을 이루면서 원형교차채널과 접하는 양 접점으로부터 각각 분기되어 형성된 것인,
   채널 내에서 혼합 유체가 균일한 농도구배를 갖는 원형교차채널구조물.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 원형채널, 유체유입채널, 배출채널 및 분지채널이 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는, 채널 내에서 혼합 유체가 균일한 농도구배를 갖는 원형교차채널구조물.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 한쌍의 분지채널이 상기 유체유입채널의 유체 흐름방향으로의 연장선과 45°각을 이루면서 원형교차채널과 접하는 양 접점으로부터 각각 분기되어 형성된 것을 특징으로 하는,
   채널 내에서 혼합 유체가 균일한 농도구배를 갖는 원형교차채널구조물.
4. 2개 이상의 제 1항 또는 제 2항의 원형교차채널구조물이 병렬 배치되고, 상기 원형교차채널구조물 중 어느 하나로부터 분기된 분지채널이 이웃하는 다른 원형교차채널구조물에서 분기된 분지채널 중 하나와 Y 형 채널을 형성하도록 통합된 것인,
   채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물.
5. 3개 이상의 제 1항 또는 제 2항의 원형교차채널구조물이 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되고,
   어느 하나의 상기 원형교차채널구조물의 분지채널 중 하나의 일 말단부가 이웃하는 원형교차채널구조물의 분지채널 중 하나의 일 말단부와 유체가 이동하도록 채널연결부에서 연결되며,
   상기 채널연결부를 형성하는 2개의 서로 다른 분지채널은 동일한 채널길이를 갖는 것을 특징으로 하는,
   채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물.
6. 제 5항에 있어서,
   유체가 이동하는 힘을 제공하기 위해, 브릿지채널이 상기 원형교차채널의 유체유입부의 일 말단부에 유체가 이동하도록 연결된 것을 특징으로 하는,
   채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물.
7. n개의 제 1항 또는 제 2항의 원형교차채널구조물이 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되어 1단계 농도구배채널을 형성하고,
   2n개의 제 1항 또는 제 2항의 원형교차채널구조물이 상기 n개 원형교차채널구조물이 형성하는 동심원의 확장된 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되어 2단계 농도구배채널을 형성하며,
   상기 2단계 농도구배채널 중 n개의 원형교차채널구조물의 각 유체유입채널의
   일 말단부는 상기 1단계 농도구배채널의 원형교차채널구조물의 각 배출채널의 일 말단부와 유체가 이동하도록 연결되고, 상기 2단계 농도구배채널 중 다른 n개의 원형교차채널구조물의 각 유체유입채널의 일 말단부는 상기 1단계 농도구배채널의 각 채널연결부의 일 말단부와 유체가 이동하도록 연결되며,
   상기 n은 3이상의 정수인 것인,
   채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 원형교차채널의 유체유입채널 및 배출채널의 일 말단부 각각은 유체가 이동하는 힘을 제공하기 위한 브릿지채널과 유체가 이동하도록 연결된 것을 특징으로 하는,
   채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물.
9. n개의 제 1항 또는 제 2항의 원형교차채널구조물이 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되어 1단계 농도구배채널을 형성하고,
   2n개의 제 1항 또는 제 2항의 원형교차채널구조물이 상기 n개 원형교차채널구조물이 형성하는 동심원의 확장된 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되어 2단계 농도구배채널을 형성하며,
   상기 2단계 농도구배채널 중 n개의 원형교차채널구조물의 각 유체유입채널의 일 말단부는 상기 1단계 농도구배채널의 원형교차채널구조물의 각 배출채널의 일 말단부와 유체가 이동하도록 연결되고, 상기 2단계 농도구배채널 중 다른 n개의 원형교차채널구조물의 각 유체유입채널의 일 말단부는 상기 1단계 농도구배채널의 각 채널연결부의 일 말단부와 유체가 이동하도록 연결되고,
   상기 n은 3이상의 정수인 것인,
   채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물에 있어서,
   2n x 2 개의 제 1항 또는 제 2항의 원형교차채널구조물이 상기 2n개 원형교차채널구조물이 형성하는 동심원의 확장된 동심원상에 서로 동일한 간격으로 배치되어 3단계 농도구배채널을 추가로 형성하며,
   상기 3단계 농도구배채널 중 2n개의 원형교차채널구조물의 각 유체유입채널의 일 말단부는 상기 2단계 농도구배채널의 원형교차채널구조물의 각 배출채널과 유체가 이동하도록 연결되고, 상기 3단계 농도구배채널 중 다른 2n개의 원형교차채널구조물의 각 유체유입부의 일 말단부는 상기 2단계 농도구배채널의 각 채널연결부의 일 말단부와 유체가 이동하도록 연결된 것인,
   채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물.
10. 제 5항에 있어서, 상기 원형채널, 유체유입채널, 배출채널 및 분지채널이 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는,
    채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체채널구조물.
11. 하나 이상의 제 1항 또는 제 2항의 상기 원형교차채널구조물을 포함하여, 채널 내 유체가 다수의 농도구배점을 제공하는 미세유체칩.

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