KR102103084B1 - 박막을 이용하여 분리 가능한 구조를 갖는 마이크로 플루이딕 디바이스 - Google Patents

박막을 이용하여 분리 가능한 구조를 갖는 마이크로 플루이딕 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 '박막을 이용하여 분리 가능한 구조를 갖는 마이크로 플루이딕 디바이스에 관한 것으로서, 유체의 유속을 측정하기 위한 유속측정 구조물과, 세포 또는 미세입자를 분리하기 위한 세포분리 구조물을 포함하는 하부패널과, 상기 하부패널과 분리되고 시료가 통과하는 미세유체 채널을 포함하는 상부패널과, 상기 세포분리 구조물 주위에 자기장을 발생시키는 외부 자기장원과, 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료가 상기 유속측정 구조물과 세포분리 구조물에 직접 닿지 않도록 상기 하부패널과 상부패널이 접하는 부분에 구비되어 상기 하부패널과 상부패널을 분리함으로써, 상기 하부패널을 반복하여 여러 번 사용이 가능하도록 하는 박막과, 상기 하부패널과 상부패널을 음압으로 흡착하기 위한 음압형성수단을 포함함으로써, 유속측정 및 세포분리 구조물을 포함하는 패널을 영구적으로 사용할 수 있고, 구조가 간단하여 제작이 용의하므로 제조원가가 저렴한 효과가 있다.

Description

박막을 이용하여 분리 가능한 구조를 갖는 마이크로 플루이딕 디바이스{A Microfluidic Device for Separating Fine Particles in Fluid and Measuring Flow velocity}
본 발명은 박막을 이용하여 분리 가능한 구조를 갖는 마이크로 플루이딕 디바이스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체 내 세포 또는 미세입자를 분리하기 위한 세포분리 구조물과, 유속을 측정하기 위한 유속측정 구조물을 하나의 칩 안에 포함하고, 박막을 이용하여 시료가 흐르는 패널과 상기 구조물들이 집적화된 패널을 서로 분리가능하게 구성함으로써, 유속측정 및 세포분리 구조물을 포함하는 패널을 영구적으로 사용할 수 있고, 구조가 간단하여 제작이 용의하므로 제조원가가 저렴한 마이크로 플루이딕 디바이스에 관한 것이다.
의약 분야에서의 진단, 치료 및 연구 분야에서 최종 목적 또는 다른 분석을 하기 위한 준비적인 도구로서, 세포 타입 또는 세포 내 성분의 분리가 요구된다.
통상, 혈장과 같은 생물학적 샘플로부터 특정의 표적 생체분자를 분리하는 방법으로서, 실리카, 유리섬유, 음이온교환수지 또는 자성 비드를 이용하는 방법이 알려져 있다. 이들 중에서 자성 비드를 이용하는 방법에 따르면, 표면에 표적 생체분자와 결합될 수 있는 프로브를 갖는 자성 비드를 샘플 용액에 투입하여 표적 생체분자를 포획하게 하고, 샘플 용액으로부터 다시 자성 비드를 분리함으로써 표적 생체분자를 추출한다. 이렇게 자성 비드를 이용하여 표적 생체분자를 분리하는 방법 (bead based separation) 방법은 이미 상용화 되어서, 세포, 단백질, 핵산 또는 기타의 생체분자 등을 분리하는데 널리 사용되고 있다 예를 들면, 미국특허 US 6,893,881에서는 항체가 코팅된 상자성(paramagnetic) 비드를 사용하여 특정 표적 세포를 분리하는 방법을 제시하고 있다.
이와 관련한 종래의 기술로서, 본 출원인이 출원한 한국등록특허 10-1622342호(자기 영동을 이용한 미세입자 분리 장치 및 이를 이용하여 미세입자를 분리하는 방법)에서는 패턴화된 세포분리 구조물을 포함하여 분리하고자 하는 미세입자의 자성이 미약할 경우에도 우수한 효율로 신속하게 분리가 가능하도록 하였다.
그러나, 상기 종래의 기술은 세포를 분리하기 위하여 마이크로 플루이딕 칩 내로 시료를 주입 및 배출시키기 위한 유체 펌프가 필요하다. 기존에 이러한 유체를 주입시키기 위한 방법은 주사기 펌프를 이용하거나 공압을 이용하여 유체의 속도를 조절하는 방법이 있다.
주사기 펌프는 설치 및 조작이 쉬워 현재 많은 연구실에서 사용되지만, 유속이 급격히 변할 때 응답이 느리고, 주사기의 피스톤으로 인하여 유체의 속도가 진동하며, 마이크로 플루이딕 칩 내의 압력을 반영하지 않아 칩이 터질 수 있다. 따라서, 최근에는 이를 보완하기 위하여 공압을 이용하여 유체의 속도를 조절하는 방법을 사용한다. 이 방법은 마이크로 플루이딕 칩 내부의 조건에 따라 교정이 가능하며 주사기와 달리 많은 부피의 용액이 처리가 가능하다. 하지만 공압을 조절하기 위하여 현재의 유속에 대한 정보가 있어야 하므로 유속측정 장치가 항상 필요로 하게 된다.
따라서, 종래에는 세포분리 장치와 함께 유속측정 장치가 개별의 장비로써 필요하므로, 실험을 위한 많은 공간이 요구된다.
또한, 세포분리 장치와 유속측정 장치는 제작이 까다롭고 가격이 비싸며, 바이오 시료를 사용하는 경우 재사용이 불가능하여 일 회만 사용하고 버려야 하므로, 비용적인 측면에서 매우 고가인 단점이 있다.
한국등록특허 10-1622342호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 유체 내 세포 또는 미세입자를 분리하기 위한 세포분리 구조물과, 유속을 측정하기 위한 유속측정 구조물이 하나의 패널에 포함되어, 기존의 유속측정 장치와 세포분리 장치를 하나의 칩 안에 집적화시켜 크기를 줄일 수 있는 마이크로 플루이딕 디바이스를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 박막을 이용하여 시료가 흐르는 패널과 유속측정 및 세포분리 구조물이 집적화된 패널을 서로 분리가능하게 구성함으로써, 구조물이 설치된 패널을 영구적으로 사용할 수 있고, 구조가 간단하여 제작이 용의하므로 제조원가가 저렴한 마이크로 플루이딕 디바이스를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 유체의 유속을 측정하기 위한 유속측정 구조물과, 세포 또는 미세입자를 분리하기 위한 세포분리 구조물을 포함하는 하부패널과, 상기 하부패널과 분리되고 시료가 통과하는 미세유체 채널을 포함하는 상부패널과, 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료에 특정한 동작을 하기 위한 특정 기능부로서, 상기 세포분리 구조물 주위에 자기장을 발생시키는 외부 자기장원과, 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료가 상기 유속측정 구조물과 세포분리 구조물에 직접 닿지 않도록 상기 하부패널과 상부패널이 접하는 부분에 구비되어 상기 하부패널과 상부패널을 분리함으로써, 상기 하부패널을 반복하여 여러 번 사용이 가능하도록 하는 박막과, 상기 하부패널과 상부패널을 음압으로 흡착하기 위한 음압형성수단을 포함하는 마이크로 플루이딕 디바이스가 제공된다.
상기 미세유체 채널은 세포 또는 미세입자를 포함하는 시료가 주입되는 시료 주입부와, 버퍼가 주입되는 버퍼 주입부를 포함하는 주입용 미세유체 채널 영역과, 상기 시료에 포함된 세포 또는 미세입자가 분리되면서 통과하는 분리용 미세유체 채널 영역과, 상기 분리용 미세유체 채널 영역을 통과하면서 분리된 세포 또는 미세입자가 수집되는 챔버와, 나머지 시료들이 수집되는 챔버로 각각 분리 배출되는 복수개의 배출부를 포함하는 배출용 미세유체 채널 영역으로 구분될 수 있다.
본 발명에서, 상기 세포분리 구조물은 상기 하부패널에 몰딩에 의하여 패턴화되어 형성되는 자성체 미세 구조물로 이루어질 수 있다.
상기 세포분리 구조물은 분리하고자 하는 미세입자에 따라 시료의 흐름 방향에 대한 경사각, 두께, 구조물간의 간격, 설치 개수, 외부 자기장원의 크기와 미세유체 채널 내의 유체 흐름 속도를 변화시키게 된다.
한편, 상기 음압형성수단은 상기 하부패널과 상부패널의 접하는 면에 형성되는 공기제거 통로와, 상기 공기제거 통로와 연통되어 음압을 인가함으로써, 상기 하부패널과 상부패널 사이에 공기층을 완전히 제거하고 상기 하부패널과 상부패널을 흡착시키는 음압인가홀로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 공기제거 통로는 상기 상부패널의 하면에 형성되고, 상기 음압인가홀은 상기 상부패널의 상면 또는 측면에 연통되도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 박막의 재질은 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethyl siloxane), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene Terephthalate), 폴리이미드(PI; polyimide), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 고분자 플라스틱, 유리 및 세라믹 중 적어도 어느 하나 이상의 선택된 재질을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 유속측정 구조물은 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료에 열을 가하기 위한 히터와, 상기 히터에서 발생한 열에 의해 상기 시료의 온도가 상승하면 시료의 온도 변화에 따른 저항 차이를 측정하도록 상기 히터의 전후로 설치되는 2개의 온도 측정 전극을 포함한다.
상기 유속측정 구조물은 상기 미세유체 채널의 시료 주입부, 버퍼 주입부 및 분리된 세포 또는 미세입자가 수집되는 챔버의 배출부에 대응되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 상기 박막은 복수개의 층으로 이루어지는 다박막(Multilayer) 구조로 이루어질 수 있다.
상기 박막은 유속측정 구조물이 접하는 위치에 다박막 구조로 형성될 수 있으며, 유속측정 구조물에서 발생한 열이 박막에 직접 전달되어 팽창되는 것을 방지하기 위한 열차단막이 포함되어 이루어질 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 유속측정 구조물과 세포분리 구조물을 한 개의 하부패널에 집적화하여 장치의 크기를 줄일 수 있고, 기존의 유속측정 장치와 세포분리 장치를 개별의 장비로 구비할 필요가 없으므로, 장치를 간소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 박막을 이용하여 세포분리 및 유속측정 구조물을 포함하는 패널과, 시료가 통과하는 패널이 분리되는 구조를 가짐으로써, 시료가 직접 측정장치에 닿지 않게 하여 세포분리 및 유속측정 구조물을 포함하는 패널을 영구적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 구조가 간단하여 제작이 용이하므로 기존의 유체 유속측정 장치에 비해 제조원가가 저렴할 뿐만 아니라, 유속측정 구조물을 포함하는 패널은 거의 영구적으로 사용이 가능하므로 종래의 기술에 비해 비용적인 측면에서 매우 유리한 장점이 있다.
또한, 분리된 패널들 사이에 음압을 인가하여 흡착하는 방법에 의해 패널들을 결합함으로써, 성능이 매우 우수한 고성능의 유체 유속측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예 전체 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예 결합 사시도이다.
도 4는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4에서의 A-A 단면도이다.
도 7은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제2 실시예를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제3 실시예를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스가 설치된 일예를 도시한 사시도이다.
도 10는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제4 실시예를 도시한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제5 실시예를 도시한 평면도이다.
도 12는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제6 실시예를 도시한 평면도이다.
도 13은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제7 실시예를 도시한 평면도이다.
도 14는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제8 실시예를 도시한 평면도이다.
도 15는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제9 실시예를 도시한 평면도이다.
도 16은 도 15의 실시예 사진이다.
도 17은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제10 실시예를 도시한 평면도이다.
도 18은 도 17의 실시예 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스는 도 1에서 보는 바와 같이, 유체의 유속을 측정하기 위한 유속측정 구조물(130-1, 120-1, 140-1, 120-2, 130-2, 140-2, 150, 160, 170)과, 시료 또는 버퍼의 주입부(220-1, 220-2)와 배출부(230-1, 230-2)를 포함하는 미세유체 채널과, 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료에 특정한 동작을 하기 위한 특정 기능부(500)를 포함한다.
상기 미세유체 채널의 주입부(220-1, 220-2) 및 배출부(230-1, 230-2)에 각각 유속측정 구조물(130-1, 120-1, 140-1, 120-2, 130-2, 140-2, 150, 160, 170)이 위치하고, 상기 특정 기능부(500)는 미세유체 채널의 중간에 위치한다.
따라서, 상기 유속측정 구조물은 상기 특정 기능부(500)에서 특정한 동작을 하기 위한 유속을 측정하는 역할을 한다.
본 발명에서는 상기 특정 기능부(500)의 실시예로서 유체 내 세포 또는 미세입자를 분리하기 위한 세포분리 구조물을 포함한다.
도 2는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예 전체 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예 결합 사시도이고, 도 4는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예를 도시한 평면도이다.
또한, 도 5는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 4에서의 A-A 단면도이다.
본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예는 도 2에 도시한 바와 같이, 크게 하부패널(100), 상기 하부패널(100)과 분리되고 시료가 통과하는 미세유체 채널(210)을 포함하는 상부패널(200), 상기 하부패널(100)과 상부패널(200)을 분리하는 박막(300)을 포함한다.
본 발명에서, 상기 하부패널(100)은 유체의 유속을 측정하기 위한 유속측정 구조물(120a, 120b, 130a, 130b, 140a, 140b, 150, 160, 170)과, 세포 또는 미세입자를 분리하기 위한 세포분리 구조물(110)을 포함하는 것에 특징이 있다.
즉, 본 발명은 기존의 유속측정 장치와 세포분리 장치를 하나의 칩 안에 집적화시켜 크기를 줄일 수 있는 마이크로 플루이딕 디바이스를 제공하는데 그 목적이 있는 것이며, 이를 위해, 상기 하부패널(100)은 유체의 유속을 측정하기 위한 유속측정 구조물(120a, 120b, 130a, 130b, 140a, 140b, 150, 160, 170)과, 세포 또는 미세입자를 분리하기 위한 세포분리 구조물(110)이 모두 포함되는 구조로 이루어지는 것에 특징이 있다.
여기서, 상기 유속측정 구조물(120a, 120b, 130a, 130b, 140a, 140b, 150, 160, 170)과 세포분리 구조물(110)은 상부패널(200)의 미세유체 채널(210)에 대응되는 위치에 형성되어야 하며, 이에 대한 상세한 내용은 후술하도록 한다.
또한, 본 발명은 시료가 통과하는 상부패널(200)을 상기 하부패널(100)과 분리하고 상기 시료가 유속측정 구조물 및 세포분리 구조물(110)에 직접 닿지 않도록 상기 하부패널(100)과 상부패널(200)이 접하는 부분에 박막(300)을 구성하는데 또 다른 특징이 있다.
즉, 종래의 기술에서는 시료가 유속측정을 위한 히터에 직접 닿게 하지 않도록 히터나 유속측정센서 위에 코팅을 하고, 히터 및 측정센서가 하나의 구조물에 제작된 일체형 구조를 사용하였으나, 본 발명은 패널을 2개로 분리하고 그 분리된 면에 시료가 히터나 유속측정센서에 직접 닿지 않도록 하기 위해 상기 박막(300)을 적용하여 유속측정 구조물을 포함하는 하부패널(100)은 영구적으로 사용할 수 있도록 하였다.
여기서, 상기 박막(300)은 열, 자기력 등 미세유체 채널(210)에 흐르는 세포 또는 미세입자에 영향을 미칠수 있는 힘이 잘 전달될 수 있도록 얇게 형성되는 것이 바람직하며, 박막(300)의 재질은 PDMS(polydimethyl siloxane), PET(polyethylene Terephthalate), PI(Polyimide), PP(Polypropylene), 고분자 플라스틱, 유리 및 세라믹 중 적어도 어느 하나 이상의 선택된 재질을 포함할 수 있다.
한편, 상기 상부패널(200)은 시료가 통과하는 미세유체 채널(210)을 포함하는데, 상기 미세유체 채널(210)은 시료와 버퍼가 주입되는 복수개의 주입부를 포함하는 주입용 미세유체 채널 영역과, 상기 시료에 포함된 세포 또는 미세입자가 자기 영동에 의해 분리되면서 통과하는 분리용 미세유체 채널 영역(210)과, 상기 분리용 미세유체 채널 영역(210)을 통과하면서 분리된 세포 또는 미세입자와, 나머지 시료들을 각각 배출하는 복수개의 배출부(230)(232)를 포함하는 배출용 미세유체 채널 영역으로 구분될 수 있다.
상기 주입용 미세유체 채널 영역의 복수개의 주입부는 세포 또는 미세입자를 포함하는 시료가 주입되는 시료 주입부(220)와, 버퍼가 주입되는 버퍼 주입부(222)를 포함한다. 경우에 따라, 상기 시료 주입부(220)와 버퍼 주입부(222)는 2개 이상이 형성될 수도 있으며, 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다.
상기 시료 주입부(220)와 버퍼 주입부(222)는 도 2에서 보는 바와 같이, 세포 또는 미세입자를 포함하는 시료와 버퍼가 각각 시료 주입부(220)와 버퍼 주입부(222)를 통해 따로 주입되도록 분리되어 형성되며, 상기 시료 주입부(220)와 버퍼 주입부(222)를 통해 따로 주입된 시료와 버퍼는 분리용 미세유체 채널 영역(210)에 모이게 되고, 분리용 미세유체 채널 영역(210)을 통과하면서 상기 시료에 포함된 세포 또는 미세입자가 분리되어 상기 배출용 미세유체 채널 영역의 복수개의 배출부(230)(232)를 통해 배출된다.
본 발명에 따른 마이크로 플루이딕 디바이스에서 분리가 가능한 미세입자는 DNA, 항체, 펩티드, 스몰펩티드 등 자성 입자와 결합할 수 있는 미세입자라면 어떠한 것이라도 가능하며, 바람직하게는 RNA 또는 혈중 종양 세포(CTC circulating tumor cell)를 포함한다.
상기 분리용 미세유체 채널 영역(210)을 통과하면서 분리된 세포 또는 미세입자는 배출용 미세유체 채널 영역의 복수개의 배출부 중 어느 하나의 배출부(230)로 보내지어 외부의 챔버에 수집되고, 나머지 시료들은 별도의 배출부(232)를 통해 배출되어 외부의 챔버에 수집된다.
여기서, 상기 미세유체 채널(210)은 상부패널(200)의 하면에 형성되며, 상기 미세유체 채널(210)을 통해 흐르는 시료가 상기 하부패널(100)의 유속측정 구조물(120a, 120b, 130a, 130b, 140a, 140b, 150, 160, 170)과 세포분리 구조물(110)에 직접 닿지 않으면서도 유속측정 및 세포분리가 가능하도록 상기 상부패널(200)의 하면에는 상기 박막(300)이 부착된다.
여기서, 상기 박막(300)은 상기 미세유체 채널(210)을 모두 포함하는 크기로 이루어져야 한다.
한편, 시료가 상기 분리용 미세유체 채널 영역(210)을 통과하면서 세포 또는 미세입자를 분리하기 위해, 상기 상부패널(200)의 분리용 미세유체 채널 영역(210)에 대응되는 위치의 상기 하부패널(100)에는 세포분리 구조물(110)이 형성된다.
상기 세포분리 구조물(110)은 자기력(Lateralmagnetophoresis), 유전영동(Dielectrophresis), 어쿠스틱(Acoustic), 레이져(Laser manipulation), DLD(Deterministic Lateral Displacement)등의 방법으로 세포 또는 미세입자를 분리하도록 구성할 수 있다.
본 발명에서는 상기 세포분리 구조물(110)을 자성체 미세 구조물로 적용하였으며, 자기 영동을 이용하여 유체 내 세포 또는 미세입자와 자성입자를 결합시키는 방법으로 세포 또는 미세입자를 분리하도록 한다.
여기서, 유체 내 세포 또는 미세입자와 자성입자를 결합시키는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 일반적으로 알려진 방법에 의하여 결합될 수 있다. 또한, 자성입자는 코발트, 철, 망간, 아연, 니켈 및 구리로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 산화물인 것이 바람직하나, 자성을 나타내는 물질이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 이러한 자성입자의 표면을 개질한 후 분리를 원하는 미세입자와 반응시켜 상기 자성입자의 표면에 미세입자를 고정하게 된다
이를 위해, 본 발명에서는 상기 세포분리 구조물(110) 주위에 자기장을 발생시키는 외부 자기장원(도시안함)이 필요하다.
구체적으로, 상기 세포분리 구조물(110)은 상기 하부패널(100)에 몰딩에 의하여 패턴화되어 형성되는 자성체 미세 구조물로 이루어지며, 상기 자성체 미세 구조물은 도 2에서 보는 바와 같이, 복수개의 선형 구조물로 이루어지고, 각각의 선형 구조물은 일정 간격을 두고 형성된다.
또한, 자성체 미세 구조물(110)은 상기 미세유체 채널(210)에서 시료의 흐름 방향에 대하여 일정 크기의 경사각을 갖도록 상기 하부패널(100)에 패턴 형성된다.
본 발명에 있어서, 상기 자성체 미세 구조물(110)이 시료의 흐름 방향에 대한 경사각을 θ 라고 할 때, 상기 θ 는 상기 미세유체 채널 영역에서 변화하도록 패턴 형성되어 상기 하부패널(100)에 포함될 수 있다.
예컨대, 상기 미세유체 채널(210)의 주입부에서 배출부까지 상기 자성체 미세 구조물의 시료의 흐름 방향에 대한 경사각 θ 를 순차적으로 각각 θ1, θ2 ... θn 라고 할 때, 상기 θ1, θ2 ... θn 은 점차 큰 값으로 이루어질 수 있으며, 상기 θn 은 90°인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 자성체 미세 구조물로서 강자성 와이어가 시료의 흐름에 대하여 θ 각도를 가지고 기판에 인쇄 회로 공정으로 포함되어 제조되며, 상기 시료 주입부(220)로 투입된 자성입자와 결합된 미세입자가 예각(θ<90°)으로 하부패널(100)에 포함된 자성체 미세 구조물(110) 위를 통과하게 된다. 이때, 외부 자기장원이 인가되면, 하부패널(100)에 포함된 자성체 미세 구조물인 강자성 와이어 주위에는 고구배(high gradient) 자기장(magnetic field)이 형성되며, 따라서 자성체 미세 구조물인 와이어 주위에 놓여있는 자성입자가 결합된 미세입자들은 고구배 자장의 영향으로 상기 자성체 미세구조물 방향으로 자기력을 받게 되어, 자성체 미세 구조물의 측면방향으로 힘을 받아 이동하게 된다.
즉, 자기력이 작용하지 않을 경우에는 자성을 띠는 미세입자와 자성을 띠지 않는 미세입자에 모두 유체의 항력만이 작용하므로, 주입되는 방향으로 수평하게 이동하게 되지만, 자기력이 작용할 경우 자기력의 영향을 받는 미세입자들은 자성체 미세 구조물의 측면방향으로 힘을 받아 경로가 변하게 되어 결과적으로 자성을 띠지 않는 입자들과는 분리되게 된다.
여기서, 상기 세포분리 구조물(110)은 분리하고자 하는 미세입자에 따라 시료의 흐름 방향에 대한 경사각, 두께, 구조물간의 간격, 설치 개수, 외부 자기장원의 크기와 미세유체 채널 내의 유체 흐름 속도를 변화시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 하부패널(100)에 설치되는 상기 유속측정 구조물은 상기 미세유체 채널(210)을 통과하는 시료에 열을 가하기 위한 히터(120a, 120b, 150)와, 상기 히터(120a, 120b, 150)에서 발생한 열에 의해 상기 시료의 온도가 상승하면 시료의 온도 변화에 따른 저항 차이를 측정하도록 상기 히터(120a, 120b, 150)의 전후로 설치되는 2개의 온도 측정 전극(130a, 130b, 140a, 140b, 160, 170)을 포함한다.
즉, 상기 히터(120a, 120b, 150)의 일측에는 제1 온도 측정 전극(130a, 130b, 160)이 설치되고, 히터(120a, 120b, 150)의 타측에는 제2 온도 측정 전극(140a, 140b, 170)이 설치되어, 시료가 흐르는 방향으로 상기 히터의 전후에 각각 온도 측정 전극이 설치되어, 상부패널(200)의 미세유체 채널(210)을 통과하는 시료가 상기 히터에서 발생한 열에 의해 온도가 상승하면 시료의 온도 변화에 따른 저항 차이를 측정하는 것이다.
이와 같은 유속측정 구조물은 상기 미세유체 채널의 시료 주입부(220), 버퍼 주입부(222) 및 분리된 세포 또는 미세입자가 수집되는 챔버의 배출부(230)에 대응되는 위치에 설치되어, 상부패널(200)에 주입되고 배출되는 모든 유체의 속도를 측정할 수 있어 세포분리 구조물(110)의 성능을 조절할 수 있다.
이 경우, 상기 하부패널(100)에서 히터 및 온도 측정 전극은 다양한 구조 및 형상으로 적용가능하고, 시료의 온도를 측정할 수 있는 구성이라면 본 발명의 도면에 도시한 구조에 한정되지 않음은 물론이다.
한편, 본 발명은 상기 하부패널(100)과 상부패널(200)을 음압으로 흡착하기 위한 음압형성수단을 포함한다.
상기 음압형성수단은 상기 하부패널(100)과 상부패널(200)의 접하는 면에 형성되는 공기제거 통로(240)와, 상기 공기제거 통로(240)와 연통되어 음압을 인가함으로써, 상기 하부패널과 상부패널 사이에 공기층을 완전히 제거하고 상기 하부패널과 상부패널을 흡착시키는 음압인가홀(250)로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 공기제거 통로(240)는 상기 상부패널(200)의 하면에 형성되고, 상기 음압인가홀(250)은 상기 상부패널의 상면 또는 측면에 연통되도록 형성될 수 있다.
상기 공기제거 통로(240)는 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 미세유체 채널(210)을 감싸는 형상 및 위치로 형성된다. 즉, 상기 미세유체 채널(210)의 주입부(220, 222), 배출부(230, 232)가 형성되는 영역을 모두 포함하도록 하며, 바람직하게는 4각형으로 형성되는 것이 좋다.
상기 음압인가홀(250)은 외부의 기기에 연결되어 음압을 인가함으로써, 상기 공기제거 통로(240)의 공기를 빨아들이게 되고, 상기 하부패널(100)과 상부패널(200) 사이에 공기층을 완전히 제거하여 상기 하부패널(100)과 상부패널(200)이 진공 흡착되도록 한다.
도 5는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제1 실시예를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 4에서의 A-A 단면도로서, 상기 공기제거 통로(240)는 상기 상부패널(200)의 하면에 형성되고, 상기 음압인가홀(250)은 상기 상부패널(200)의 상면에 연통되도록 형성되어 상기 음압인가홀(250)을 통해 상기 하부패널(100)과 상부패널(200) 사이에 공기층을 완전히 제거하여 상기 하부패널(100)과 상부패널(200)이 진공 흡착되도록 한다.
도 7은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제2 실시예를 도시한 단면도로서, 상기 공기제거 통로(240)는 상기 상부패널(200)의 하면에 형성되고, 상기 음압인가홀(250)은 상기 상부패널(200)의 측면에 연통되도록 형성된다.
이와 같이, 상기 음압인가홀(250)은 상기 상부패널(200)의 상면 뿐 아니라 측면에 연통되도록 형성될 수 있으며, 상기 공기제거 통로(240)는 상부패널(200) 뿐만 아니라 하부패널(100)에 형성됨도 가능하다.
즉, 상기 공기제거 통로(240)가 상기 하부패널(100)의 상면에 형성되고, 상기 음압인가홀(250)은 상기 하부패널(100)의 하면 또는 측면에 연통되도록 형성되어 상기 음압인가홀(250)을 통해 상기 하부패널(100)과 상부패널(200) 사이에 공기층을 완전히 제거하여 상기 하부패널(100)과 상부패널(200)이 진공 흡착되도록 할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스의 제3 실시예를 도시한 단면도로서, 본 발명의 상기 박막(300)은 복수개의 층으로 이루어지는 다박막(Multilayer) 구조로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 박막(300)은 유속측정 구조물(120a, 130a, 140a, 150, 160, 170)이 접하는 위치에 다박막 구조(310)로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 유속측정 구조물에서 발생한 열이 박막(300)에 직접 전달되어 팽창되는 것을 방지하기 위함으로써, 상기 박막(300)은 다양한 재질을 이용한 다박막 구조(Multilayer)를 가질 수 있다.
일예로, 상기 박막(300)이 PDMS(polydimethyl siloxane) 박막의 경우, 유속측정 구조물의 히터(120a)(120b)(150)에서 유속 측정을 위한 열이 발생될 수 있는데, PDMS 박막의 다공성 특성으로 인하여 박막 내의 기체가 팽창하여 박막이 팽창할 수 있고, 또한, 팽창한 박막으로 미세유체 채널(210)의 유체가 투과 될 수 있는 문제가 있다.
이 경우, 유속측정 구조물(120a, 130a, 140a, 150, 160, 170)이 접하는 위치에 히터에서 발생한 열이 박막(300)에 직접 전달되는 것을 방지하도록 열차단막(310)을 구비하여, 다박막 구조(Multilayer)를 적용하면 상기한 문제를 해결할 수 있다.
도 9는 본 발명의 마이크로 플루이딕 디바이스가 설치된 일예를 도시한 사시도이다. 이에서 보는 바와 같이, 유속측정 구조물과 세포분리 구조물(110)이 포함된 하부패널(100)을 신호처리 회로(10)에 설치한 다음, 사용자의 목적에 맞는 미세 유체 채널이 형성된 상부패널(200)을 설치하여 세포 또는 미세입자를 분리할 수 있다.
상기 하부패널(100)에 상부패널(200)을 부착한 후에는, 상기 음압형성수단을 통해 음압을 인가하여 상기 하부패널(100)과 상부패널(200)을 진공 흡착되도록 한다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 '박막을 이용하여 분리 가능한 구조를 갖는 마이크로 플루이딕 디바이스의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
도 9에서 보는 바와 같이, 세포분리 구조물과 유속측정 구조물이 설치된 하부패널(100)을 시스템에 설치한 후, 사용자가 측정하고자 하는 유체 유속측정범위에 따라 다양한 구조의 미세유체 채널이 형성된 상부패널(200)을 설치하여 유속을 측정할 수 있다.
여기서, 본 발명은 하부패널(100)과 상부패널(200)의 분리가 가능하므로 하부패널(100)은 유속측정 시스템에 설치한 그대로 사용하고 상부패널(200)만 사용자가 측정하고자 하는 유체 유속측정범위에 따라 교환하여 사용할 수 있다.
또한, 세포분리 구조물(110) 위에 선형의 채널 구조에 국한되지 않고 사용자에 목적에 맞는 다양한 구조의 유체 채널이 형성된 상부패널(200)을 설치하여 다양한 방식으로 세포를 분리할 수 있다.
아울러, 상기 특정 기능부(500)은 다양한 실시예를 적용할 수 있다.
도 10 내지 도 18은 상기 특정 기능부의 다양한 실시예를 나타낸 것으로, 크게 [1] 외부 에너지를 이용한 방법과 [2] 구조를 이용한 방법으로 구분할 수 있다.
먼저, [1] 외부 에너지를 이용한 방법으로서, 1)열(Heat transfer)(도 10), 2)자기력(Lateralmagnetophoresis)(도 11), 3)유전영동(Dielectrophoresis)(도 12), 4)어쿠스틱(Acoustic)(도 13), 5)광학(Laser manipulation)(도 14)이 있다.
또한, [2] 구조를 이용한 방법으로는 1) DLD (Deterministic lateral Displacement)(도 15)(도 16), 2) Vortex (도 17)(도 18)이 있다.
상기 DLD (Deterministic lateral Displacement)는 세포나 입자의 크기차를 이용하여 유체 칩내의 구조를 이용하여 분리하는 방법으로, 도 16은 실시예 사진이다.
한편, Vortex는 세포나 입자의 크기차를 이용하여 유체 칩내의 구조를 이용하여 분리하는 방법으로, 도 18은 실시예 사진이다.
이와 같은 본 발명은 세포분리 및 유속측정 구조물을 포함하는 패널을 반복하여 여러 번 사용이 가능하여 거의 영구적으로 사용 가능하고, 상부패널(200)의 구조가 간단하여 제작이 용이하므로 기존의 유체 유속측정장치에 비해 제조원가가 저렴하여 비용적인 측면에서 매우 유리한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 분리된 패널들 사이에 음압을 인가하여 흡착하는 진공 결합방법에 의해 분리된 패널들을 결합함으로써, 성능이 매우 우수한 고성능의 유체 유속측정이 가능하다.
또한, 시료가 통과하는 패널을 사용자가 측정하고자 하는 유체 유속측정범위에 따라 교환하여 사용할 수 있으므로 측정 가능한 유속의 범위를 제한하지 않고 범용적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100 : 하부패널 110 : 세포분리 구조물
120a, 120b, 150 : 히터
130a, 130b, 140a, 140b, 160, 170: 온도 측정 전극
200 : 상부패널 210 : 미세유체 채널
220 : 시료 주입부 222: 버퍼 주입부
230, 232 : 배출부 240 : 공기제거 통로
250 : 음압인가홀 300 : 박막

Claims (13)

  1. 유체의 유속을 측정하기 위한 유속측정 구조물을 포함하는 하부패널;
    상기 하부패널과 분리되고 시료가 통과하는 미세유체 채널을 포함하는 상부패널;
    상기 미세유체 채널을 통과하는 시료가 상기 유속측정 구조물에 직접 닿지 않도록 상기 하부패널과 상부패널이 접하는 부분에 구비되어 상기 하부패널과 상부패널을 분리함으로써, 상기 하부패널을 반복하여 여러 번 사용이 가능하도록 하는 박막;
    상기 미세유체 채널을 통과하는 시료에 특정한 동작을 하기 위한 특정 기능부;
    상기 하부패널과 상부패널을 음압으로 흡착하기 위한 음압형성수단; 및
    상기 유체 내 세포 또는 미세입자를 분리하기 위해 상기 하부패널에 몰딩에 의하여 패턴화되어 형성되며 자성체 미세 구조물로 이루어지는 세포분리 구조물;
    을 포함하며,
    상기 박막은 상기 유속측정 구조물에서 발생한 열이 박막에 직접 전달되어 팽창되는 것을 방지하기 위한 열차단막을 포함하는 다박막(Multilayer) 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 특정 기능부는 상기 세포분리 구조물 주위에 자기장을 발생시키는 외부 자기장원으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세유체 채널은 세포 또는 미세입자를 포함하는 시료가 주입되는 시료 주입부와, 버퍼가 주입되는 버퍼 주입부를 포함하는 주입용 미세유체 채널 영역;
    상기 시료에 포함된 세포 또는 미세입자가 분리되면서 통과하는 분리용 미세유체 채널 영역; 및
    상기 분리용 미세유체 채널 영역을 통과하면서 분리된 세포 또는 미세입자가 수집되는 챔버와, 나머지 시료들이 수집되는 챔버로 각각 분리 배출되는 복수개의 배출부를 포함하는 배출용 미세유체 채널 영역으로 구분되는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 세포분리 구조물은 분리하고자 하는 미세입자에 따라 시료의 흐름 방향에 대한 경사각, 두께, 구조물간의 간격, 설치 개수, 외부 자기장원의 크기와 미세유체 채널 내의 유체 흐름 속도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 음압형성수단은 상기 하부패널과 상부패널의 접하는 면에 형성되는 공기제거 통로와,
    상기 공기제거 통로와 연통되어 음압을 인가함으로써, 상기 하부패널과 상부패널 사이에 공기층을 완전히 제거하고 상기 하부패널과 상부패널을 흡착시키는 음압인가홀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 공기제거 통로는 상기 상부패널의 하면에 형성되고,
    상기 음압인가홀은 상기 상부패널의 상면 또는 측면에 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 박막의 재질은 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethyl siloxane), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene Terephthalate), 폴리이미드(PI; polyimide), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 고분자 플라스틱, 유리 및 세라믹 중 적어도 어느 하나 이상의 선택된 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 유속측정 구조물은 상기 미세유체 채널을 통과하는 시료에 열을 가하기 위한 히터; 및
    상기 히터에서 발생한 열에 의해 상기 시료의 온도가 상승하면 시료의 온도 변화에 따른 저항 차이를 측정하도록 상기 히터의 전후로 설치되는 2개의 온도 측정 전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유속측정 구조물은 상기 미세유체 채널의 시료 주입부, 버퍼 주입부 및 분리된 세포 또는 미세입자가 수집되는 챔버의 배출부에 대응되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 플루이딕 디바이스.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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