KR102056938B1 - 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체 및 이를 이용한 생체분자 필터 - Google Patents

매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체 및 이를 이용한 생체분자 필터 Download PDF

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Abstract

매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체 및 이를 이용한 생체분자 필터가 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체는, 복수의 윈도 셀이 매트릭스 형태로 형성된 윈도 영역과, 윈도 셀이 형성되지 않은 차단 영역을 포함하며, 상기 윈도 영역을 따라 이동하는 시료로부터 생체분자를 필터링하는 필터링부; 및 상기 필터링부에서 연장되어 상기 필터링부를 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 필터링부의 윈도 영역에 형성된 각각의 윈도 셀은, 일정 크기 이하의 생체분자를 통과시키는 미세 홀들을 가지도록 구성됨으로써, 시료에 포함된 생체분자 분리 과정에서 생체분자의 손상을 방지하고 시간과 비용을 절감함은 물론, 멤브레인 구조체의 내구성을 개선하고 필터링 대상 생체분자 이외의 물질에 의한 멤브레인 구조체의 폐색과 이로 인한 필터링 효율 저하를 방지한다.

Description

매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체 및 이를 이용한 생체분자 필터{Membrane structure with matrix structure and biomolecule filter using the same}
본 발명은 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체 및 이를 이용한 생체분자 필터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 윈도 셀을 가지는 멤브레인 구조체 및 이를 이용하여 시료에 포함된 생체분자를 필터링하는 생체분자 필터에 관한 것이다.
일반적으로, 생체분자(biomolecule)는 핵산, 단백질, 미세 소포 등과 같이 생체를 구성하는 물질 또는 생체에서 유래된 물질을 말한다. 최근, 세포들 간 신호 전달 물질인 엑소좀(exosome)을 이용하여 암이나 알츠하이머 등의 질병을 진단할 수 있다는 사실이 알려지면서, 엑소좀과 같은 특정 생체분자를 효율적으로 분리할 수 있는 기술에 대한 관심과 연구가 급증하고 있다.
그러나, 미국 공개특허공보 제2012-0142001호에 개시된 바와 같이, 소포 단백질에 달라붙는 항체를 마이크로 칩에 고정시켜 체액 내 소포를 분리하는 기존 기술은, 전처리 과정으로서 원심 분리 과정을 거쳐야 하며 항체를 고정하기 위해 고가의 장비를 사용해야 하기 때문에, 생체분자의 손상을 초래하고 생체분자 분리 과정에 많은 시간과 비용이 요구되는 문제가 있다.
또한, 한국 등록특허공보 제10-0550515호 등에 개시된 바와 같이, 다공막을 사용하여 생체분자를 분리하는 기존 기술은, 단순한 필름 형태의 DFR(dry film resist) 막을 사용하거나 폴리카보네이트(polycarbonate) 막을 사용하기 때문에, 다공막의 내구성이 떨어지고 취급과 설치가 어려운 문제가 있다. 더욱이, 기존 기술은 다공막이 설치된 채널에 시료를 충전하여 정적인 상태의 시료에서 생체물질을 필터링하기 때문에, 시료에 포함된 다른 물질에 의해 다공막이 폐색되고 이로 인해 필터링 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 시료에 포함된 생체분자의 분리 과정에서 생체분자의 손상을 방지하고 시간과 비용을 절감함은 물론, 멤브레인 구조체의 내구성을 개선하고 필터링 대상 생체분자 이외의 물질에 의한 멤브레인 구조체의 폐색과 이로 인한 필터링 효율 저하를 방지하는, 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체 및 이를 이용한 생체분자 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체는, 복수의 윈도 셀이 매트릭스 형태로 형성된 윈도 영역과, 윈도 셀이 형성되지 않은 차단 영역을 포함하며, 상기 윈도 영역을 따라 이동하는 시료로부터 생체분자를 필터링하는 필터링부; 및 상기 필터링부에서 연장되어 상기 필터링부를 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 필터링부의 윈도 영역에 형성된 각각의 윈도 셀은, 일정 크기 이하의 생체분자를 통과시키는 미세 홀들을 가지도록 구성되어, 시료에 포함된 생체분자를 필터링한다.
일 실시예에 있어서, 상기 필터링부는, 복수의 윈도 영역을 포함하고, 상기 복수의 윈도 영역은, 상기 차단 영역을 사이에 두고 차례로 이격되어 나란히 배치되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인 구조체는, 상기 윈도 셀을 구성하는 관통공이 형성된 기판; 및 상기 기판에 적층되어 상기 관통공의 일 측 개구를 커버하는 다공막을 포함하는 적층 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기판은, 실리콘 기판을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기판은, 상기 실리콘 기판에 적층된 산화 실리콘(SiO2) 층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다공막은, 질화 실리콘(Si3N4)으로 구성될 수 있다.
본 발명에 일 실시예에 따른 생체분자 필터는, 상술한 실시예들 중 어느 한 실시예에에 따른 멤브레인 구조체를 이용하여 시료에 포함된 생체분자를 필터링하는 필터로서, 상기 멤브레인 구조체의 일 면 측에 위치하며, 시료를 공급받아 상기 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 이동시키는 제1 하우징; 및 상기 멤브레인 구조체의 타 면 측에 위치하며, 상기 멤브레인 구조체의 상기 타 면을 통해 나오는 생체분자를 수집하는 제2 하우징을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 하우징은, 상기 시료가 유입되는 유입구; 상기 시료에서 적어도 일부의 생체분자가 분리된 잔여 시료를 배출하는 제1 배출구; 및 상기 유입구를 통해 유입된 시료를, 상기 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 이동시킨 후 상기 제1 배출구로 전달하는 제1 유로를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유로는, 상기 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 형성되며, 상기 유입구와 상기 제1 배출구를 연결하는 유로 홈부; 및 상기 유로 홈부의 주변에 형성되어 시료의 누출을 방지하는 격벽부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 하우징은, 접착제가 도포되어 상기 멤브레인 구조체의 지지부와 접착되는 제1 접착부; 및 상기 제1 접착부를 상기 제1 하우징의 외부와 연통시키는 제1 벤트 홀을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인 구조체를 통해 분리된 생체분자를 배출하는 제2 배출구; 및 상기 멤브레인 구조체의 상기 타 면을 통해 나오는 생체분자를 이동시켜 상기 제2 배출구로 전달하는 제2 유로를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 유로는, 상호 일정 간격을 두고 나란히 연장되도록 구성되어 상기 멤브레인 구조체의 상기 타 면에서 나오는 생체분자의 이동을 일정 방향으로 가이드하는 복수의 가이드 홈부, 및 상기 복수의 가이드 홈부에 의해 가이드되며 이동된 생체분자를 수집하여 상기 제2 배출구로 전달하는 수집 홈부를 가지는 제2 유로 홈부; 및 상기 제2 유로 홈부의 주변에 형성되어 생체분자의 누출을 방지하는 제2 격벽부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 하우징은, 접착제가 도포되어 상기 멤브레인 구조체의 지지부와 접착되는 제2 접착부; 및 상기 제2 접착부를 상기 제2 하우징의 외부와 연통시키는 제2 벤트 홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 시료에 포함된 생체분자를 다공성 구조를 가진 멤브레인 구조체를 통해 필터링하는 방식으로 분리함으로써, 생체분자의 손상을 방지하고 생체분자 분리 과정에 요구되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.
특히, 멤브레인 구조체에 복수의 윈도 셀을 형성하고, 파손되기 쉬운 다공성 구조를 각각의 윈도 셀 단위로 분할하여 구성함으로써, 멤브레인 구조체의 내구성을 개선하고 멤브레인 구조체의 취급과 설치를 용이하게 할 수 있다.
또한, 윈도 셀들이 매트릭스 형태로 배열된 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 시료를 이동시키면서 시료에 포함된 생체분자를 필터링함으로써, 필터링 대상 생체분자 이외의 물질에 의한 멤브레인 구조체의 폐색과 이로 인한 필터링 효율 저하를 방지할 수 있다.
또한, 일정량의 시료를 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 반복적으로 순환시키며 시료에 포함된 생체분자를 필터링함으로써, 생체분자 확보에 필요한 시료의 양을 감소시키면서도 생체분자 수득률을 개선할 수 있다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 상기 언급되지 않은 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 이하의 설명으로부터 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분자 필터를 나타낸 전방 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 생체분자 필터를 나타낸 후방 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 생체분자 필터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체를 나타낸 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 멤브레인 구조체의 윈도 셀 부분을 나타낸 확대도이다.
도 6은 도 5에 도시된 A-A′ 부분을 나타낸 수직 단면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 제1 하우징의 내부면을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 3에 도시된 제2 하우징의 내부면을 나타낸 사시도이다.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대한 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우 그에 관한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서에 있어서, ‘생체분자’는 핵산, 단백질, 미세 소포 등과 같이 생체를 구성하는 물질과 생체에서 유래된 물질은 물론, 이러한 물질들이 결합, 분해, 변형, 또는 변이되어 이루어진 모든 물질들을 의미하는 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분자 필터(100)가 전방 사시도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분자 필터(100)는, 제1 하우징(110), 제2 하우징(120), 및 상기 제1 하우징(110)과 제2 하우징(120)의 사이에 설치되는 멤브레인 구조체(미도시)를 포함할 수 있다.
제1 하우징(110)은, 멤브레인 구조체의 일 면 측에 위치하며, 필터링 대상 생체분자를 포함한 시료를 공급받아 멤브레인 구조체의 일 면에 접촉시키도록 구성된다. 이를 위해, 제1 하우징(110)은 제1 배출구(111), 유입구(112) 및 제1 유로(미도시)를 포함할 수 있다.
유입구(112)는, 제1 하우징(110)의 외부에서 공급되는 시료가 제1 하우징(110)의 내부로 유입되도록 구성된다. 예컨대, 유입구(112)는 제1 하우징(110)의 외부면에 형성된 시료 공급관 삽입용 돌출부와, 상기 돌출부의 말단부에서 상기 제1 하우징(110)의 내부면까지 연장된 관통구를 포함하도록 구성될 수 있다.
제1 배출구(111)는, 유입구(112)로 유입된 시료에서 적어도 일부의 생체분자가 분리된 잔여 시료를 배출하도록 구성된다. 예컨대, 제1 배출구(111)는 제1 하우징(110)의 외부면에 형성된 시료 회수관 삽입용 돌출부와, 상기 제1 하우징(110)의 내부면에서 상기 시료 회수관 삽입용 돌출부의 말단부까지 연장된 관통구를 포함하도록 구성될 수 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 제1 하우징(110)의 제1 유로는, 유입구(112)를 통해 유입된 시료를, 멤브레인 구조체의 일 면과 접촉시키면서 상기 일 면 상의 일정 경로를 따라 이동시킨 후 제1 배출구(111)로 전달하도록 구성된다.
또한, 제1 하우징(110)은 제1 하우징(110)의 내부와 외부를 연통시키는 제1 벤트 홀(116)을 더 포함할 수 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 생체분자 필터(100)가 후방 사시도로 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분자 필터(100)의 제2 하우징(120)은, 멤브레인 구조체의 일 면 측에 위치한 제1 하우징(110)에 대응하여 멤브레인 구조체의 타 면 측에 위치하며, 멤브레인 구조체의 타 면을 통해 나오는 생체분자를 수집하여 배출하도록 구성된다. 이를 위해, 제2 하우징(120)은 제2 배출구(121) 및 제2 유로(미도시)를 포함할 수 있다.
제2 배출구(121)는, 멤브레인 구조체를 통해 분리된 생체분자를 배출하도록 구성된다. 예컨대, 제2 배출구(121)는 제2 하우징(120)의 외부면에 형성된 생체분자 수집관 삽입용 돌출부와, 상기 제2 하우징(120)의 내부면에서 상기 생체분자 수집관 삽입용 돌출부의 말단부까지 연장된 관통구를 포함하도록 구성될 수 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 제2 하우징(120)의 제2 유로는, 멤브레인 구조체의 상기 타 면을 통해 나오는 생체분자를 수집하여 제2 배출구(121)로 전달하도록 구성된다.
또한, 제2 하우징(120)은 제2 하우징(120)의 내부와 외부를 연통시키는 제2 벤트 홀(126)을 더 포함할 수 있다.
도 3에는 도 1에 도시된 생체분자 필터(100)가 분해 사시도로 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 생체분자 필터(100)는 멤브레인 구조체(130)를 포함하며, 상기 멤브레인 구조체(130)를 이용하여 시료에 포함된 생체분자를 필터링한다. 즉, 제1 하우징(110)은 멤브레인 구조체(130)의 일 면 측에 위치하며 멤브레인 구조체(130)의 상기 일 면과 결합되고, 제2 하우징(120)은 멤브레인 구조체(130)의 타 면 측에 위치하며 멤브레인 구조체(130)의 상기 타 면과 결합된다. 실시예에 따라, 제1 하우징(110)과 제2 하우징(120)은 멤브레인 구조체(130)를 수용하도록 구성될 수도 있다. 예컨대, 제1 하우징(110)과 제2 하우징(120)은, 상호 결합에 의해 형성된 내부 공간에 멤브레인 구조체(130)를 수용하며, 상기와 같이 제1 하우징(110)은 멤브레인 구조체(130)의 일 면과 결합되고 제2 하우징(120)은 멤브레인 구조체(130)의 타 면과 결합될 수 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체(130)가 평면도로 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 구조체(130)는, 시료에 포함된 생체분자를 필터링하도록 구성된 막 형태의 구조체로서, 필터링부(132) 및 지지부(134)를 포함한다.
필터링부(132)는, 생체분자 필터링이 수행되는 부분으로서, 윈도 셀(w)이 형성된 윈도 영역(Dw)과 윈도 셀(w)이 형성되지 않은 차단 영역(Db)을 포함한다.
필터링부(132)의 윈도 영역(Dw)은, 시료 이동 경로를 따라 복수의 윈도 셀(w)이 매트릭스 형태로 형성되어 시료와 접촉하도록 구성된 영역이다. 멤브레인 구조체(130)와 결합되는 제1 하우징(110)은, 필터링부(132)의 윈도 영역(Dw)을 따라 유로를 형성하고, 해당 유로를 통해 시료를 이동시킨다. 필터링부(132)는 상기와 같이 윈도 영역(Dw)을 따라 이동하는 시료로부터 생체분자를 필터링한다. 이를 위해, 윈도 영역(Dw)에 형성된 각각의 윈도 셀(w)은, 일정 크기 이하의 생체분자를 통과시키는 다수의 미세 홀을 가진다.
필터링부(132)의 차단 영역(Db)은, 필터링부(132)의 전체 영역 중 윈도 영역(Dw)을 제외한 영역으로서, 생체분자의 필터링이 일어나지 않는 영역이다. 이러한 차단 영역(Db)에는 후술되는 제1 하우징(110)의 격벽부 등이 위치하게 되어, 윈도 영역(Dw)을 따라 이동하는 시료의 누출을 차단하게 된다.
실시예에 따라, 필터링부(132)는 도 4와 같이 복수의 윈도 영역(Dw)을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 윈도 영역(Dw)은 차단 영역(Db)을 사이에 두고 차례로 이격되어 나란히 배치될 수 있다.
한편, 지지부(134)는, 필터링부(132)에서 연장 또는 확장되어 상기 필터링부(132)를 지지하도록 구성된다. 즉, 지지부(134)는 멤브레인 구조체(100)의 운반 시 사용자에 의해 파지되거나, 멤브레인 구조체(100)의 설치 시 다른 구조체에 접착 또는 삽입되어 필터링부(132)를 지지하는 프레임에 해당하는 부분이다.
멤브레인 구조체(130)가 도 4와 같이 사각형의 평판 형태로 구성되는 경우, 필터링부(132)는 멤브레인 구조체(130)의 중심 부분에 위치하고, 지지부(134)는 멤브레인 구조체(130)의 테두리 부분에 위치할 수 있다. 멤브레인 구조체(130)의 형태, 크기, 필터링부(132)와 지지부(134)의 위치 등은 멤브레인 구조체(100)가 적용되는 환경에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명에 있어서 유의할 점은, 시료에 포함된 필터링 대상 생체분자는, 윈도 영역(Dw)에 형성된 윈도 셀(w)에 의해 분리되는 것이 아니라, 각각의 윈도 셀(w)에 형성된 미세 홀들에 의해 분리되는 것이라는 점이다. 즉, 윈도 셀(w)의 크기와 형태는, 필터링 대상 생체분자의 크기와는 무관한 것이다.
도 5에는 도 4에 도시된 멤브레인 구조체(130)의 윈도 셀(w) 부분이 확대도로 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 멤브레인 구조체(130)의 필터링부(132)에 형성된 각각의 윈도 셀(w)에는 다수의 미세 홀(h)이 형성된다. 이러한 윈도 셀(w)의 크기는, 예컨대 멤브레인 구조체(130)가 50×50mm 사이즈로 구성되는 경우 1.2×1.2mm 사이즈로 구성될 수 있다. 즉, 윈도 셀(w)의 크기와 형태는, 필터링 대상 생체분자의 크기와는 무관한 것이며, 윈도 셀 구조의 강도와 두께 등에 따라 다양하게 변경될 수 있는 것이다.
한편, 윈도 셀(w)에 형성되는 미세 홀(h)의 크기는, 필터링 대상 생체분자의 크기에 따라 결정된다. 즉, 윈도 셀(w)에 형성되는 미세 홀(h)은 10nm 이상 3000nm 이하 범위에 해당하는 직경을 가지도록 구성될 수 있다. 예컨대, 필터링 대상 생체분자가 엑소좀(exosome)인 경우, 윈도 셀(w)에 형성되는 다수의 미세 홀(h)은 10nm 이상 300nm 이하 범위에 해당하는 직경을 가지도록 구성될 수 있다.
도 6에는 도 5에 도시된 A-A′ 부분이 수직 단면도로 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 멤브레인 구조체(130)는 기판(130a) 및 다공막(130b)을 포함하는 적층 구조를 가질 수 있다.
기판(130a)은, 멤브레인 구조체(130)의 기본 골격에 해당하는 것으로서, 코어 층을 이루는 실리콘 기판(L1)을 포함할 수 있다. 또한, 기판(130a)은 잔류 응력으로 인한 기판의 변형이나 크랙(crack)의 발생을 방지하기 위해, 실리콘 기판(L1)에 적층되는 산화 실리콘 층(L2)을 더 포함할 수 있다. 산화 실리콘 층(L2)은 도 6과 같이 실리콘 기판(L1)의 상부 면과 하부 면에 모두 적층될 수 있으며, 실시예에 따라 상·하부 면 중 어느 한 면에만 적층될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 산화 실리콘 층(L2)은 반도체 제조 기술의 증착 공정을 통해 실리콘 기판(L1)에 적층될 수 있다.
이러한 기판(130a)에는 윈도 셀(w)을 구성하기 위한 관통공(Hw)이 형성된다. 이 경우, 관통공(Hw)은 반도체 제조 기술의 리소그래피(lithography) 공정을 통해 형성될 수 있다.
다공막(130b)은, 윈도 셀(w)의 다공성 구조에 해당하는 것으로서, 일정 크기 이하의 생체분자를 통과시키는 다수의 미세 홀(h)을 가지고 기판(130a)의 일 면에 적층되어 지지되며, 관통공(Hw)의 일 측 개구를 커버한다.
일 실시예에 있어서, 다공막(130b)은 실리콘계 화합물로 구성될 수 있다. 예컨대, 다공막(130b)은 질화 실리콘(Si3N4), 산화 실리콘(SiO2) 및 탄화 실리콘(SiC)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물로 구성될 수 있으며, 특히 질화 실리콘(Si3N4)으로 구성될 수 있다.
질화 실리콘은, 주로 반도체 제조시 알칼리 이온이 반도체 표면으로 확산하는 것을 방지하는 패시베이션(passivation) 막으로 사용되는 소재이다. 본 발명에서는, 질화 실리콘의 특성, 즉 강도가 높고(상온 굽힘 강도 100~140㎏/㎟), 열 팽창률이 낮으며(열 팽창률 3×10-6/℃), 내열 충격성이 뛰어난 점 등을 고려하여, 질화 실리콘이 다공막(130b)의 소재로서 채택된다. 이와 같이, 다공막(130b)을 질화 실리콘으로 구성함으로써, 다공막의 두께를 감소시키고 공극률을 높일 수 있으며, 그 결과 멤브레인 구조체의 생체분자 분리 효율을 개선할 수 있다.
이 경우, 다공막(130b)은 나노 사이즈의 두께, 즉 50nm 이상 500nm 이하 범위에 해당하는 두께를 가지도록 구성될 수 있다. 다공막(130b)의 두께가 50nm 미만이면 다공막(130b)의 강도가 떨어지고 제조 과정 또는 사용 과정에서 파손되기 쉽다. 반면, 다공막(130b)의 두께가 500nm를 초과하면 생체분자 분리 시간이 길어지고 분리 효율이 떨어지게 된다. 막 강도와 생체분자 분리 효율을 동시에 만족시키기 위해, 다공막(130b)은 100nm 이상 300nm 이하 범위에 해당하는 두께를 가지도록 구성될 수도 있다.
한편, 다공막(130b)에 형성되는 미세 홀(h)의 크기는, 필터링 대상 생체분자의 크기에 따라 결정된다. 즉, 다공막(130b)에 형성되는 다수의 미세 홀(h)은 10nm 이상 3000nm 이하 범위에 해당하는 직경을 가지도록 구성될 수 있다. 예컨대, 필터링 대상 생체분자가 엑소좀(exosome)인 경우, 다공막(130b)에 형성되는 다수의 미세 홀(h)은 10nm 이상 300nm 이하 범위에 해당하는 직경을 가지도록 구성될 수 있다. 이 경우, 다공막(130b)에 형성되는 나노 사이즈의 미세 홀들은 높은 해상도를 가지는 전자 빔 리소그래피(electron beam lithography)나 X선 리소그래피(X-ray lithography) 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 7에는 도 3에 도시된 제1 하우징(110)의 내부면이 사시도로 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 하우징(110)은, 멤브레인 구조체(130)의 일 면 측에 위치하며, 필터링 대상 생체분자를 포함한 시료를 공급받아 멤브레인 구조체(130)의 윈도 영역(Dw)을 따라 이동시키도록 구성된다. 이를 위해, 제1 하우징(110)은 제1 배출구(111), 유입구(112) 및 제1 유로(113)을 포함하며, 실시예에 따라 제1 접착부(114), 제1 접착제 수용 홈(115), 제1 벤트 홀(116), 제1 외벽부(117) 등을 더 포함할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 유입구(112)는 필터링 대상 생체분자를 포함한 시료가 제1 하우징(110)의 외부에서 내부로 유입되도록 구성된다. 또한, 제1 배출구(111)는 유입구(112)를 통해 유입된 시료에서 적어도 일부의 생체분자가 분리된 잔여 시료를 배출하도록 구성된다.
유입구(112)와 제1 배출구(111)를 연결하는 제1 유로(113)는, 유입구(112)를 통해 유입된 시료를, 멤브레인 구조체(130)의 윈도 영역(Dw)과 접촉시키면서 상기 윈도 영역(Dw)을 따라 이동시킨 후 제1 배출구(111)로 전달하도록 구성된다. 이 경우, 제1 유로(113)는 유입된 시료를 멤브레인 구조체(130)의 복수의 윈도 영역(Dw)과 모두 접촉시킨 후 제1 배출구(111)로 전달하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제1 유로(113)는 유입구(112)와 제1 배출구(111)를 연결하는 미앤더(meander) 형태의 시료 이동 경로를 멤브레인 구조체(130)의 일 면에 형성하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 유로(113)는 도 7와 같이 유입구(112)를 통해 유입된 시료를 멤브레인 구조체(130)의 윈도 영역들을 따라 지그재그 방향으로 이동시키며 제1 배출구(111) 측으로 점진적으로 진행시키는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 제1 유로(113)는 제1 유로 홈부(113a) 및 제1 격벽부(113b)를 포함할 수 있다. 제1 유로 홈부(113a)는, 유입구(112)와 제1 배출구(111)를 연결하는 홈 구조로서, 상술한 바와 같이 미앤더 형태로 구성될 수 있다. 제1 격벽부(113b)는, 제1 유로 홈부(113a)의 주변에 형성되어 제1 유로 홈부(113a)에서의 시료 누출을 방지하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 하우징(110)은 멤브레인 구조체(130)의 일 면과 제1 유로(113)의 제1 격벽부(113b) 사이를 실링(sealing)하는 실링 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 실링 부재는 접착성과 방수성을 가진 고분자 합성수지로 구성될 수 있다. 실시예에 따라, 실링 부재는 멤브레인 구조체(130)의 일 면에 밀착되는 고무 부재를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 격벽부(113b)는 상기 고무 부재가 삽입되어 설치되는 설치 홈(113c)을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 있어서, 제1 격벽부(113b)는 제1 유로 홈부(113a)와 후술되는 제1 접착부(114) 사이에 형성되는 제1 접착제 차단 홈(113d)를 더 포함할 수 있다. 제1 접착제 차단 홈(113d)은 제1 접착부(114)와 멤브레인 구조체(130) 간의 접착 시 해당 접착면에서 유출되는 잔량의 접착제를 수용하도록 구성되어, 접착제가 제1 유로 홈부(113a) 측으로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
한편, 제1 접착부(114)는, 접착제가 도포되는 부분으로서, 멤브레인 구조체(130)의 일 면에 접착된다. 이 경우, 제1 접착부(114)는 접착제에 의해 형성되는 접착층의 두께를 고려하여 제1 유로(113)의 제1 격벽부(113b)와 단차를 가지며 제1 격벽부(113b)보다 낮게 형성될 수 있다. 또한, 제1 접착부(114)는 멤브레인 구조체(130)의 테두리 부분에 해당하는 지지부(134)와 접착되도록 환형 구조로 형성될 수 있다.
제1 접착제 수용 홈(115)은, 제1 접착부(114)의 외측 둘레에 형성되는 홈으로서, 기본적으로 제1 접착부(114)와 같이 접착제가 도포될 수 있다. 이 경우, 제1 접착제 수용 홈(115)은 제1 접착부(114)와 멤브레인 구조체(130) 간의 접착 시 해당 접착면으로부터 유출되는 잔량의 접착제를 수용하며 멤브레인 구조체(130)와 접착되도록 구성될 수 있다. 제1 접착부(114)가 환형 구조로 구성될 경우, 제1 접착제 수용 홈(115)은 제1 접착부(114)를 따라 형성된 환형의 홈으로 구성될 수 있다.
제1 벤트 홀(116)은, 제1 접착부(114)를 제1 하우징(110)의 외부와 연통시키도록 구성된다. 제1 벤트 홀(116)은 제1 접착부(114)와 멤브레인 구조체(130) 간의 접착 시 발생하는 가스나 잔량의 접착제를 외부로 배출시킬 수 있다. 이 경우, 제1 벤트 홀(116)은 제1 접착제 수용 홈(115) 내에 형성될 수 있다.
제1 외벽부(117)는, 제1 하우징(110)의 최외각 구조로서, 멤브레인 구조체(130)의 외부 노출을 방지하여 멤브레인 구조체(130)를 보호하도록 구성된다. 예컨대, 제1 외벽부(117)는 멤브레인 구조체(130)의 가장 바깥쪽 테두리 부분과 접착되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 외벽부(117)는 제1 접착부(114)나 제1 접착제 수용 홈(115)과 같이 미리 접착제로 도포되지 않아도, 제1 접착부(114)와 제1 접착제 수용 홈(115)이 멤브레인 구조체(130)와 접착되는 과정에서 유입되는 접착제에 의해 멤브레인 구조체(130)와 접착될 수 있다.
도 8에는 도 3에 도시된 제2 하우징(120)의 내부면이 사시도로 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제2 하우징(120)은, 멤브레인 구조체(130)의 일 면 측에 위치한 제1 하우징(110)에 대응하여 멤브레인 구조체(130)의 타 면 측에 위치하며, 멤브레인 구조체(130)의 타 면을 통해 나오는 생체분자를 수집하여 배출하도록 구성된다. 이를 위해, 제2 하우징(120)은 제2 배출구(121) 및 제2 유로(123)를 포함하며, 실시예에 따라 제2 접착부(124), 제2 접착제 수용 홈(125), 제2 벤트 홀(126), 제2 외벽부(127) 등을 더 포함할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 제2 배출구(121)는 멤브레인 구조체(130)를 통해 분리된 생체분자를 배출하도록 구성된다.
제2 유로(123)는, 멤브레인 구조체(130)의 타 면에서 각 윈도 셀(w)의 미세 홀들을 통해 나오는 생체분자를 이동시켜 제2 배출구(121)로 전달하도록 구성된다. 이를 위해, 제2 유로(123)는 제2 유로 홈부(123a, 123b) 및 제2 격벽부(123c)를 포함할 수 있다.
제2 유로 홈부(123a, 123b)는 멤브레인 구조체(130)의 타 면과 제2 배출구(121)를 연결하는 홈 구조로서, 복수의 가이드 홈부(123a) 및 수집 홈부(123b)를 포함할 수 있다.
복수의 가이드 홈부(123a)는, 멤브레인 구조체(130)의 타 면에서 각각의 윈도 셀(w)을 통해 나오는 생체분자의 이동을 일정 방향, 즉 수집 홈부(123b) 방향으로 가이드하는 홈들로서, 멤브레인 구조체(130)의 전체 영역 중 적어도 필터링부(132)에 해당하는 영역을 커버하도록 서로 일정 간격을 두고 나란히 연장된 긴 홈들로 구성될 수 있다.
수집 홈부(123b)는, 복수의 가이드 홈부(123a)에 의해 가이드되며 이동된 생체분자를 수집하여 제2 배출구(121)로 전달하는 홈으로서, 각각의 가이드 홈부(123a)와 제2 배출구(121)를 연결하도록 구성될 수 있다.
제2 격벽부(123c)는, 제2 유로 홈부(123a, 123b)의 주변에 형성되어 생체분자의 누출을 방지하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 하우징(120)은 멤브레인 구조체(130)의 타 면과 제2 격벽부(123c) 사이를 실링하는 실링 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 실링 부재는 접착성과 방수성을 가진 고분자 합성수지로 구성될 수 있다.
또한, 일 실시예에 있어서, 제2 격벽부(123c)는 제2 유로 홈부(123a, 123b)와 후술되는 제2 접착부(124) 사이에 형성되는 제2 접착제 차단 홈(123d)를 더 포함할 수 있다. 제2 접착제 차단 홈(123d)은 제2 접착부(124)와 멤브레인 구조체(130) 간의 접착 시 해당 접착면에서 유출되는 잔량의 접착제를 수용하도록 구성되어, 접착제가 제2 유로 홈부(123a, 123b) 측으로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
한편, 제2 접착부(124)는, 접착제가 도포되는 부분으로서, 멤브레인 구조체(130)의 타 면에 접착된다. 이 경우, 제2 접착부(124)는 접착제에 의해 형성되는 접착층의 두께를 고려하여 제2 유로(123)의 제2 격벽부(123c)와 단차를 가지며 제2 격벽부(123c)보다 낮게 형성될 수 있다. 또한, 제2 접착부(124)는 멤브레인 구조체(130)의 테두리 부분에 해당하는 지지부(134)와 접착되도록 환형 구조로 구성될 수 있다.
제2 접착제 수용 홈(125)은, 제2 접착부(124)의 외측 둘레에 형성되는 홈으로서, 기본적으로 제2 접착부(124)와 같이 접착제가 도포될 수 있다. 이 경우, 제2 접착제 수용 홈(125)은 제2 접착부(124)와 멤브레인 구조체(130) 간의 접착 시 해당 접착면으로부터 유출되는 잔량의 접착제를 수용하며 멤브레인 구조체(130)와 접착되도록 구성될 수 있다. 제2 접착부(124)가 환형 구조로 구성될 경우, 제2 접착제 수용 홈(125)은 제2 접착부(124)를 따라 형성된 환형의 홈으로 구성될 수 있다.
제2 벤트 홀(126)은, 제2 접착부(124)를 제2 하우징(120)의 외부와 연통시키도록 구성된다. 제2 벤트 홀(126)은 제2 접착부(124)와 멤브레인 구조체(130) 간의 접착시 발생하는 가스나 잔량의 접착제를 외부로 배출시킬 수 있다. 이 경우, 제2 벤트 홀(126)은 제2 접착제 수용 홈(125) 내에 형성될 수 있다.
제2 외벽부(127)는, 제2 하우징(120)의 최외각 구조로서, 멤브레인 구조체(130)의 외부 노출을 방지하여 멤브레인 구조체(130)를 보호하도록 구성된다. 이를 위해, 제2 외벽부(127)는 멤브레인 구조체(130)의 가장 바깥쪽 테두리 부분과 접착되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제2 외벽부(127)는 제2 접착부(124)나 제2 접착제 수용 홈(125)과 같이 미리 접착제로 도포되지 않아도, 제2 접착부(124)와 제2 접착제 수용 홈(125)이 멤브레인 구조체(130)에 접착되는 과정에서 유입되는 접착제에 의해 멤브레인 구조체(130)와 접착될 수 있다.
이와 같이 구성된 생체분자 필터(100)는, 제1 하우징(110)의 유입구(112)를 통해 공급받은 시료를 멤브레인 구조체(130)의 윈도 영역(Dw)을 따라 이동시키면서 시료에 포함된 생체분자를 필터링한 후, 필터링된 생체분자를 제2 하우징(120)의 제2 배출구(121)로 배출하는 한편, 일부 생체분자가 분리된 잔여 시료를 제1 하우징(110)의 제1 배출구(111)로 배출할 수 있다. 또한, 생체분자 필터(100)는 제1 배출구(111)를 통해 배출된 잔여 시료를 다시 유입구(112)를 통해 공급받는 방식으로, 일정량의 시료를 멤브레인 구조체(130)의 윈도 영역(Dw)을 따라 반복적으로 순환시키며 시료에 포함된 생체분자를 필터링할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 시료에 포함된 생체분자를 다공성 구조를 가진 멤브레인 구조체를 통해 필터링하는 방식으로 분리함으로써, 생체분자의 손상을 방지하고 생체분자 분리 과정에 요구되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.
특히, 멤브레인 구조체에 복수의 윈도 셀을 형성하고, 파손되기 쉬운 다공성 구조를 각각의 윈도 셀 단위로 분할하여 구성함으로써, 멤브레인 구조체의 내구성을 개선하고 멤브레인 구조체의 취급과 설치를 용이하게 할 수 있다.
또한, 윈도 셀들이 매트릭스 형태로 배열된 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 시료를 이동시키면서 시료에 포함된 생체분자를 필터링함으로써, 필터링 대상 생체분자 이외의 물질에 의한 멤브레인 구조체의 폐색과 이로 인한 필터링 효율 저하를 방지할 수 있다.
또한, 일정량의 시료를 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 반복적으로 순환시키며 시료에 포함된 생체분자를 필터링함으로써, 생체분자 확보에 필요한 시료의 양을 감소시키면서도 생체분자 수득률을 개선할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 실시예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 생체분자 필터 110 : 제1 하우징
111 : 제1 배출구 112 : 유입구
113 : 제1 유로 114 : 제1 접착부
115 : 제1 접착제 수용 홈 116 : 제1 벤트 홀
117 : 제1 외벽부 120 : 제2 하우징
121 : 제2 배출구 123 : 제2 유로
124 : 제2 접착부 125 : 제2 접착제 수용 홈
126 : 제2 벤트 홀 127 : 제2 외벽부
130 : 멤브레인 구조체 132 : 필터링부
134 : 지지부

Claims (13)

  1. 시료에 포함된 생체분자를 필터링하는 멤브레인 구조체로서,
    시료 이동 경로를 따라 복수의 윈도 셀이 매트릭스 형태로 형성된 윈도 영역과, 윈도 셀이 형성되지 않은 차단 영역을 포함하며, 상기 윈도 영역을 따라 이동하는 시료로부터 생체분자를 필터링하는 필터링부; 및
    상기 필터링부에서 연장되어 상기 필터링부를 지지하는 지지부를 포함하고,
    상기 필터링부의 윈도 영역에 형성된 각각의 윈도 셀은, 일정 크기 이하의 생체분자를 통과시키는 미세 홀들을 가지며,
    상기 윈도 셀을 구성하는 관통공이 형성된 기판; 및 상기 기판에 적층되어 상기 관통공의 일 측 개구를 커버하는 다공막을 포함하는 적층 구조를 갖고, 상기 다공막은 실리콘계 화합물로 구성된 것을 특징으로 하는, 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터링부는, 복수의 윈도 영역을 포함하고,
    상기 복수의 윈도 영역은, 상기 차단 영역을 사이에 두고 차례로 이격되어 나란히 배치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은, 실리콘 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 실리콘 기판에 적층된 산화 실리콘(SiO2) 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공막은, 질화 실리콘(Si3N4)으로 구성된 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 가진 멤브레인 구조체.
  7. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 멤브레인 구조체를 이용하여 시료에 포함된 생체분자를 필터링하는 생체분자 필터로서,
    상기 멤브레인 구조체의 일 면 측에 위치하며, 시료를 공급받아 상기 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 이동시키는 제1 하우징; 및
    상기 멤브레인 구조체의 타 면 측에 위치하며, 상기 멤브레인 구조체의 상기 타 면을 통해 나오는 생체분자를 수집하는 제2 하우징을 포함하는 생체분자 필터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 하우징은,
    상기 시료가 유입되는 유입구;
    상기 시료에서 적어도 일부의 생체분자가 분리된 잔여 시료를 배출하는 제1 배출구; 및
    상기 유입구를 통해 유입된 시료를, 상기 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 이동시킨 후 상기 제1 배출구로 전달하는 제1 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자 필터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 유로는,
    상기 멤브레인 구조체의 윈도 영역을 따라 형성되며, 상기 유입구와 상기 제1 배출구를 연결하는 유로 홈부; 및
    상기 유로 홈부의 주변에 형성되어 시료의 누출을 방지하는 격벽부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자 필터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 하우징은,
    접착제가 도포되어 상기 멤브레인 구조체의 지지부와 접착되는 제1 접착부; 및
    상기 제1 접착부를 상기 제1 하우징의 외부와 연통시키는 제1 벤트 홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자 필터.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제2 하우징은,
    상기 멤브레인 구조체를 통해 분리된 생체분자를 배출하는 제2 배출구; 및
    상기 멤브레인 구조체의 상기 타 면을 통해 나오는 생체분자를 이동시켜 상기 제2 배출구로 전달하는 제2 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자 필터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 유로는,
    상호 일정 간격을 두고 나란히 연장되도록 구성되어 상기 멤브레인 구조체의 상기 타 면에서 나오는 생체분자의 이동을 일정 방향으로 가이드하는 복수의 가이드 홈부, 및 상기 복수의 가이드 홈부에 의해 가이드되며 이동된 생체분자를 수집하여 상기 제2 배출구로 전달하는 수집 홈부를 가지는 제2 유로 홈부; 및
    상기 제2 유로 홈부의 주변에 형성되어 생체분자의 누출을 방지하는 제2 격벽부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자 필터.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 하우징은,
    접착제가 도포되어 상기 멤브레인 구조체의 지지부와 접착되는 제2 접착부; 및
    상기 제2 접착부를 상기 제2 하우징의 외부와 연통시키는 제2 벤트 홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자 필터.
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