KR102260910B1

KR102260910B1 - 세포 기반 상호 작용 연구를 위한 마이크로 유체 플랫폼

Info

Publication number: KR102260910B1
Application number: KR1020177016048A
Authority: KR
Inventors: 안드레아 파베시; 세이 히엔 림; 쉐 콴 림; 치 문 콴
Original assignee: 에이아이엠 바이오테크 피티이. 엘티디.
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2021-06-04
Also published as: CA3004596A1; JP6857123B2; US20180327700A1; CA3004596C; EP3218300A4; CN107108199B; US10711234B2; KR20170078841A; WO2016076795A1; JP2017533725A; EP3218300A1; SG11201809990TA; CN107108199A

Abstract

본 발명에 따른 세포-기반 상호작용을 조사하기 위한 마이크로 유체 플랫폼(10)은, 적절한 광학 특성을 갖는 적절한 플라스틱 재료로 제조되는 칩 베이스(12)를 포함한다. 상기 칩 베이스(12)는 세포가 보유되는 배양 배지를 함유하기 위한 마이크로 유체 채널과 유체 연통하는 다수의 포트를 구비한다. 바람직하게는, 가스 투과성 라미네이트(20)는 칩 베이스(12)의 바닥면에 접합된다. 각각이 포트(14)는 상기 포트(14)를 마이크로 유체 채널(16)에 연결하는 내부 유입구(22)와, 상기 유입구(22)에 인접하는 배양 배지 유체의 작은 저장소를 담고 있는 트로프(24)를 포함하며, 사용시에, 배양 배지는 상기 유입구로부터 직접적으로보다는 트로프를 통하여 마이크로 유체 채널로부터 흡인된다.

Description

세포 기반 상호 작용 연구를 위한 마이크로 유체 플랫폼{MICROFLUIDIC PLATFORM FOR INVESTIGATING CELL-BASED INTERACTIONS}

본 발명은 3 차원(3D) 미세 환경에서 세포를 배양하는데 사용되는 마이크로 유체 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 마이크로 유체 장치에 관한 것이되, 이에 한정되는 것은 아니다.

마이크로 유체(microfluidic) 기술은 고해상도 실시간 이미징, 다중 통신 세포 유형 및 흐름 및 경사도 제어 기능을 제공하여, 사용자로 하여금 보다 생리적인 3 차원(3D) 미세 환경에서 세포를 배양할 수 있게 한다. 국제 특허 출원 PCT / US2009 / 039434에는 3차원 마이크로 유체 플랫폼 및 그 사용 방법이 설명되어 있다. 이러한 선행 기술 장치를 제조하는데 사용되는 재료는 광학적으로 투명하고 기체 투과성이며 성형 가능한 실리콘인 폴리디메틸실록산(PDMS)이다. PDMS는 일반적으로 마이크로 유체 장치를 생산하기위한 소프트 리소그래피 프로세스를 이용한 신속한 프로토타이핑에 사용됩니다. 그러나 PDMS는 Beebe et al. in Lab Chip, 2012, 12, 1224-1237 에 자세히 설명한 이유에 대한 셀 기반 응용에 이상적인 물질이 아니다. 간단히 말해서 그 단점 중 일부는 다음과 같다.

. PDMS는 소수성 화합물의 대량 흡수가 잘되는 침투성 물질이다. - 소수성 약물 / 단백질을 조사하는 생물학적 분석법은 그 유효 농도가 벌크 흡수(bulk absorption)에 의해 낮아지므로 영향을 받게 된다.

. PDMS는 증발하는 경향이 있다 - PDMS의 수증기 투과성은 사용된 배양 배지의 양이 적은 마이크로 유체 장치에서 단점입니다. 증발은 삼투압 변화를 일으키고 세포의 행동에 영향을 줄 수 있다.

. PDMS는 소수성을 회복한다. PDMS는 일반적으로 소수성이며 플라즈마로 처리되어 표면의 친수성을 증가시킨다. 친수성 표면은 표면 기능화(surface functionalization) 및 마이크로 채널 충전(microchannel filling)과 같은 마이크로 유체 분야(microfluidics)의 특정 과정을 촉진시킨다. 그러나, 플라즈마 처리된 PDMS 표면은 벌크로부터 표면으로의 중합체 사슬의 확산으로 인해 소수성을 회복한다. 사용자는 사용하기 전에 플라즈마 처리를 반복해야 한다. 불편함과는 별개로, 많은 사용자들은 플라즈마 챔버에 접근하지 못할 수도 있다.

. PDMS는 대량 생산에 적합하지 않다. PDMS의 제조 주기 시간은 긴 경화 시간과 처리 시간으로 인해 용인할 수 없을 정도로 길다.

본 발명은 PDMS로 제조된 종래 기술 장치의 문제점에 덜 민감한 플라스틱 재료로 제조된 3 차원 마이크로 유체 플랫폼을 제공하기 위해 개발되었다. 본 발명의 마이크로 유체 플랫폼은 또한 그 기능을 향상시키는 다수의 다른 유리한 특징을 포함할 수 있다.

이 명세서에서의 선행 기술 문헌에 대한 언급은 단지 예시를 목적으로 제공되며, 선행 기술이 싱가포르 또는 다른 곳에서 일반적으로 사용되는 지식의 일부임을 인정하는 것으로 간주되어서는 안된다.

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 세포 - 기반 상호 작용을 조사하기 위한 마이크로 유체 플랫폼이 제공되며, 상기 플랫폼은 :

적절한 광학 특성을 갖는 적절한 플라스틱 재료로 제조되며, 세포가 보유되는 배양 배지를 함유하기위한 마이크로 유체 채널과 유체 연통하는 다수의 포트를 구비하는 칩 베이스를 구비한다.

바람직하게는, 상기 칩 베이스는 사출 성형 가능하고 광학적으로 투명한 엔지니어링 플라스틱 재료로 제조된다. 통상적으로 플라스틱 재료는 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 고리형 올레핀 공중합체(COC), 고리형 올레핀 중합체(COP)로 이루어진 군에서 선택된다.

바람직하게는, 상기 플랫폼은 칩 베이스의 바닥면에 접착된 가스 투과성 라미네이트를 더 포함한다.

바람직하게는 가스 투과성 라미네이트는 낮은 벌크 밀도를 갖는 중합체로 제조된다. 전형적으로, 낮은 벌크 밀도의 중합체는 폴리메틸펜텐(PMP) 및 폴리(1- 트리메틸실릴-1-프로핀)(PTMSP), 또는 폴리 메틸화된 폴리(디페닐 아세틸렌)과 같은 폴리메틸화된 중합체, 또는 다른 수단을 통해 충분한 기체 투과성을 달성하는 중합체를 포함하는 군에서 선택된다. 일반적으로 상기 라미네이트는 열적층, 용매 결합, 접착(습식 또는 건식 접착제 사용) 또는 칩 베이스 및 라미네이트에 사용된 특정 재료에 따른 다른 수단에 의해 칩 베이스에 접합된다. 바람직하게는 가스 투과성 라미네이트는 광학적으로 투명하다.

전형적으로, 칩 베이스는 선형 어레이로 배열된 긴 형상의 다수의 마이크로 유체 채널을 가지며, 각각의 마이크로 유체 채널은 인접한 채널과 실질적으로 평행하다. 바람직하게는, 각각의 마이크로 유체 채널은 한 쌍의 포트를 가지며, 하나의 포트는 각 단부에 각각 제공된다. 바람직하게는 포트는 모두 칩 베이스의 상부 표면 상으로 개방되어 있다. 바람직하게는, 마이크로 유체 채널은 한 쌍의 마이크로 유체 채널과 제 3 마이크로 유체 채널 사이의 제어된 유체 연통을 허용하도록 마이크로 유체 채널 사이에 배치된 제 3 마이크로 유체 채널과 함께 쌍으로 배열된다. 전형적으로, 제 3 마이크로 유체 채널은 하이드로 겔 또는 다른 세포 외 매트릭스로 채워진다. 바람직하게는, 모든 마이크로 유체 채널은 칩 베이스의 바닥면에 형성되고, 칩 베이스의 바닥면에 결합된 가스 투과성 라미네이트는 채널을 둘러싸게 된다.

바람직하게는, 상기 칩 베이스는 상기 포트와 유체 연통하지 않는 상면에 성형된 다수의 저장소로써 형성되어 있고, 사용시 각 저장소는 멸균수, 하이드로 겔 또는 기타 물질을 수용하여 장치 주위에 습한 환경을 생성하도록 되어있다.

통상적으로, 칩 베이스는 일반적으로 각각의 종 방향 에지를 따라 배열된 포트를 갖는 일반적으로 가늘고 긴 직사각형 형상이다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라, 세포 - 기반 상호 작용을 조사하기 위한 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법이 제공되며, 이 방법은

적절한 광학 특성을 갖는 적절한 플라스틱 재료로부터 칩 베이스를 성형하는 단계를 포함하되, 상기 칩 베이스는 세포가 보유되는 배양 배지를 함유하기 위한 마이크로 유체 채널과 유체 연통하는 복수의 포트를 구비한다.

바람직하게는, 칩 베이스를 성형하는 단계는 광학적으로 투명한 엔지니어링 플라스틱 재료를 사용하여 사출 성형하는 단계를 포함한다. 전형적으로 플라스틱 재료는 폴리 카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 고리형 올레핀 공중합체(COC) 및 고리형 올레핀 중합체(COP)로 이루어진 군에서 선택된다.

전형적으로, 상기 방법은 가스 투과성 라미네이트를 상기 칩 베이스의 바닥면에 접합하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는 가스 투과성 라미네이트는 광학적으로 투명하고 낮은 벌크 밀도를 갖는 중합체로 제조된다. 전형적으로 낮은 벌크 밀도의 중합체는 폴리메틸펜텐(PMP) 및 폴리(1- 트리메틸 실릴 -1- 프로 핀)(PTMSP), 폴리 메틸화된 폴리(디페닐 세틸렌)과 같은 폴리 메틸화된 중합체, 또는 다른 수단을 통하여 충분한 기체 투과성을 얻는 중합체를 포함하는 군에서 선택된다.

전형적으로 라미네이트를 칩 베이스에 결합시키는 단계는 라미네이트를 가열 라미네이션에 의해 칩 베이스에 라미네이트하는 것을 포함한다. 선택적으로, 라미네이트를 칩 베이스에 결합시키는 단계는 칩 베이스 및 라미네이트 각각에 사용되는 특정 물질에 따라 용매 결합, 접착 결합(습식 또는 건식 접착제를 사용) 또는 다른 결합 수단을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 세포 - 기반 상호 작용을 조사하기 위한 마이크로 유체 플랫폼이 제공되며, 상기 플랫폼은 :

세포가 보유되는 유체 배양 배지를 수용하기 위한 마이크로 유체 채널과 유체 연통하는 복수의 포트를 갖는 칩 베이스를 구비하되, 각각의 포트는 상기 마이크로 유체 채널과 상기 포트를 연결하는 내부 유입구 및 유입구에 인접한 배양 배지의 작은 저장소를 수용하는 트로프(trough)를 구비하며, 사용시에 배양 배지는 내부 유입구를 통해 직접적으로가 아니라 트로프를 통해 마이크로 유체 채널로부터 흡인될 수 있다.

일 실시예에서, 유입구는 포트의 중심에 제공되고, 트로프는 입구를 둘러싸는 환형 형상이다.

일반적으로 트로프의 바닥은 반원형 단면으로 된다.

바람직하게는 마이크로 유체 플랫폼의 포트는 모듈식 부착 인터페이스로 설계된다.

바람직하게는, 상기 포트는 튜브 커넥터 및 주사기 펌프와 같은 표준 루어 체결부를 마이크로 유체 플랫폼에 부착하기위한 범용 모듈러 루어 커넥터를 수용하도록 구성된다.

바람직하게는, 다수의 마이크로 유체 칩은 단일 마이크로 플레이트 홀더에 수용되어 유지 될 수 있다. 바람직하게는, 홀더는 칩과 유체 연통하지 않는 상면에 제공된 복수의 내부 저장소를 포함하며, 사용시, 각각의 저장조는 멸균수(sterile water), 하이드로 겔 또는 다른 물질을 수용하여 칩 주위에 습한 환경을 생성한다.

명세서 전체에 걸쳐 다르게 요구하지 않는 한, "포함하는" 이라는 단어는 명시된 정수 또는 정수 그룹을 포함 하나 다른 정수 또는 정수 그룹을 배제하지 않음을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 마찬가지로, "바람직하다"의 용어는 명시된 정수 또는 정수 그룹이 바람직하지만 본 발명의 작용에 필수적이지 않다는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다.

본 발명의 본질은 첨부된 도면을 참조하여 예로서 주어진 마이크로 유체 플랫폼의 몇몇 특정 구체예의 다음의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다 :
도 1a는 본 발명에 따른 마이크로 유체 플랫폼의 제 1 실시예의 등각도이다.
도 1(b)는 도 1(a)의 마이크로 유체 플랫폼의 평면도이다.
도 2는 칩 베이스 및 가스 투과성 라미네이트의 바람직한 배치를 도시하는 도 1의 마이크로 유체 플랫폼의 단면도이다.
도 3은 종래 포트의 구성을 도시하는 종래의 마이크로 유체 플랫폼의 단면도이다.
도 4는 개선된 포트의 바람직한 구성을 나타내는 본 발명에 따른 마이크로 유체 플랫폼의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 유체 플랫폼과 함께 사용될 수 있는 바람직한 모듈러 루어 커넥터를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 유체 플랫폼 내의 포트에 연결된 모듈러 루어 커넥터를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따라 3 개 이하의 마이크로 유체 플랫폼을 수용하기 위한 마이크로 플레이트 홀더의 일 실시예의 평면도이다.
도 8은 내부에 제공된 내부 저장소의 위치를 도시하는, 도 1의 마이크로 유체 플랫폼의 상부면과 하부면의 등각도이다.
도 9는 도 7의 마이크로 플레이트 홀더에 제공된 내부 저장 기의 위치를 도시한다.
도 10은 도 1의 마이크로 유체 플랫폼에서 마이크로 유체 채널의 바람직한 실시예의 확대된 저면도이다.
도 11은 도 10의 라인 A-A를 통한 마이크로 유체 채널의 확대 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 - 기반 상호 작용을 조사하기위한 마이크로 유체 플랫폼(10)의 바람직한 실시예는 적절한 광학 특성을 갖는 적절한 플라스틱 재료로 제조된 칩 베이스(12)를 포함한다. 칩 베이스(12)는 세포가 보유되는 배양 배지(17)를 수용하기위한 마이크로 유체 채널(16)과 유체 연통하는 다수의 포트(14)를 갖는다.

전형적으로, 칩 베이스(12)는 도 10 및 도 11에서 가장 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 선형 어레이로 배열된 긴 구성의 복수의 마이크로 유체 채널(16)을 가지며, 각각의 마이크로 유체 채널(16)은 인접한 채널과 실질적으로 평행하다. 각각의 마이크로 유체 채널은 도 4에 가장 명확하게 도시된 바와 같이 각각의 단부에 각각 제공된 제 1 및 제 2 포트(14)를 구비한다. 바람직하게는, 상기 포트(14)는 모두 칩 베이스(12)의 상부 표면 상에 개방된다. 전형적으로 칩 베이스(12)는 일반적으로 길고 직사각형인 구성이며, 포트(14)는 각각의 종방향 에지를 따라 배열된다. 칩 베이스(12)의 전형적인 치수는 길이 75 mm, 폭 25 mm 및 깊이 6 mm이다. 마이크로 유체 채널(16)의 깊이는 전형적으로 250 마이크론이다.

바람직하게는, 마이크로 유체 채널(16)은 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 그 사이에 제공된 제 3 마이크로 유체 채널(16c)을 갖는 쌍(16a, 16b)으로 배열된다. 제 3 채널(16c)은 한 쌍의 마이크로 유체 채널(16a, 16b) 및 제 3 마이크로 유체 채널(16c)간에 제어된 유체 연통을 허용하도록 배치된다. 통상적으로, 제 3 마이크로 유체 채널(16c)은 하이드로 겔(18) 또는 다른 세포 외 매트릭스로 채워진다.

바람직하게는, 칩 베이스(12)는 사출성형 될 수 있고 광학적으로 투명한 엔지니어링 플라스틱 재료로 제조된다. 전형적으로 플라스틱 물질은 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 고리형 올레핀 공중 합체(COC), 고리형 올레핀 중합체(COP)로 이루어진 군에서 선택된다(반드시 이에 한정되는 것은 아님).

폴리카보네이트, 폴리스티렌 등과 같은 플라스틱은 역사적으로 대규모로 세포 배양 장치를 제조하는 데 사용되어 왔다. 전통적인 세포 배양 장치는 플라스크 또는 웰(well)인데, 이들은 큰 공기의 헤드 공간과 매체 부피를 가져서 가스 교환이 쉽게 이루어진다. 그러나, 마이크로 유체 장치는 밀봉된 채널에서 작은 체적으로 구성되며, 가스 교환은 대부분의 플라스틱이 가스 불-투과성이기 때문에 제한 요소가 된다. 이러한 제한은 플라스틱 칩 베이스(14)를 가스 투과성 라미네이트(20)와 결합함으로써 극복될 수 있다.

가스 투과성 라미네이트(20)는 광학적으로 투명하고 낮은 벌크 밀도를 갖는 중합체로 제조되는 것이 바람직하다. 전형적으로, 낮은 벌크 밀도의 중합체는 폴리메틸펜텐(PMP) 및 폴리(1- 트리메틸 실릴 -1- 프로 핀)(PTMSP), 또는 폴리메틸화된 폴리(디 페닐 아세틸렌)과 같은 폴리 메틸화된 중합체, 또는 다른 수단을 통해 충분한 기체 투과성을 달성하는 중합체의 군에서 선택된다. 바람직하게는, 모든 마이크로 유체 채널(16)은 칩 베이스(12)의 바닥면에 형성되고 가스 투과성 라미네이트(20)는 칩 베이스의 바닥면에 결합되어, 도 2 및 도 11에 도시된 바와 같이 채널(16)을 둘러싸게 된다. 상기 라미네이트(20)는 칩 베이스(12) 및 라미네이트(20) 각각에 사용된 특정 재료에 따라 열 라미네이션(heat lamination), 솔벤트 본딩, 접착(습식 또는 건식 접착제 사용) 또는 다른 수단에 의해 칩 베이스(12)에 접착된다.

칩 베이스(12)를 가스 투과성 중합체로 완전히 만들 수도 있다. 그렇게 함으로써, 라미네이트(20) 및 칩 베이스(12)가 동일한 재료 특성을 갖기 때문에, 보다 단순한 라미네이션 공정을 제공하는데 이점을 가질 수 있다. 그러나 산소가 얇은 라미네이트(수십에서 수백 마이크로 미터 정도)와 비교하여 두꺼운 칩 베이스(밀리미터 정도)를 통해 확산되어야하기 때문에 산소 가용성이 크게 증가하지 않을 수 있다. 특수 가스 투과성 플라스틱은 사출 성형에 부적합한 재료 특성을 가질 수도 있다. 이러한 이유로, 바람직한 실시예에서, 칩 베이스(12)는 표준 사출 성형 가능한 플라스틱으로 제조되고, 장치는 얇은 가스 투과성 라미네이트로 적층된다.

본 발명의 마이크로 유체 플랫폼 또는 칩(10)은 배양 시스템에서 세포의 생체 내 거동을 복제할 수 있다. 마이크로 유체 플랫폼 또는 칩(10)의 적용은 다음을 포함할 수 있다 (이에 한정되는 것은 아님) :

. 학술 및 산업 R&D를 위한 연구 도구

. 제약 회사의 약물 발견 도구

. 개별 환자에 대한 임상 요법 맞춤식 보조 도구

사용 편의성은 학술 R&D 고객 세그먼트의 중요한 차별화 요소이다. PDMS 칩 제조의 불편함 외에 사용자는 다음과 같은 다른 사용상 어려움에 직면하게 된다.

매일 배지 교체 - 마이크로 유체 장치는 각 채널 내에서 작은 배양 배지 공간을 가지고 있다(일반적으로 수십 마이크로 리터). 이것은 배양된 세포에 의해 배지의 영양소 함량이 빨리 소모되고 매일 배지를 교환해야 한다는 것을 의미한다. 사용자가 많은 소형 장치의 배지를 교체해야 하기 때문에 프로세스는 간단하고 빠르며 오류가 없어야 한다. 배양 배지는 전형적으로 진공 흡인부에 부착된 피펫 팁으로 마이크로 유체 채널로부터 흡인된다. 흔히 발생하는 오류는 너무 많은 진공력이 가해져 세포가 배양액과 함께 채널 밖으로 빠져나와 세포 손실/사망을 초래하는 과잉 흡인이다.

유연성 : 연구원은 다양한 설정, 예를 들어 다른 장치 및 설비를 배양 시스템에 연결하여 배양 조건을 수정하는 등의 설정으로 실험할 수 있는 유연성을 중요시 한다. 현재 사용자는 자신의 연결을 만들어야 하는데, 이는 불편하고 신뢰할 수 없다.

취급 : 사용자는 인큐베이터에서 제한된 공간을 최대한 활용하는 마이크로 유체 칩을 원한다. 이 칩은 또한 유출이나 오염없이 조직 배양 후드 및 다양한 현미경 플랫폼으로 운반되어야 한다. 장치의 자동 처리(예 : 로봇 플랫폼)는 마이크로타이터 플레이트(microtiter plate)와 같은 특정 폼팩터로 제한된다.

증발 제어 - 마이크로 유체 장치는 배양 배지가 작기 때문에 증발 손실은 배양액 삼투막의 현저한 변화를 일으켜 바람직하지 않은 배양 조건을 초래하게 된다. 사용자는 증발에 ?Ъ?기 위해 인큐베이터 내부에 습도 챔버를 설치해야 한다.

전술한 사용상의 어려움을 극복하기 위해 다수의 혁신이 마이크로 유체 플랫폼 또는 칩(10)의 바람직한 실시예에 통합되었다. 이러한 추가 혁신에 대해 이제 자세히 설명한다.

A. 지나친 흡인없이 배지의 급격한 변화

선행 기술의 마이크로 유체 포트 설계는 모양이 원통형이며 채널에 직접 연결된다(도 3 참조). 배양 배지를 교체하는 동안 진공 흡인은 세포가 채널 밖으로 빠져나가게 할 수 있다. 향상된 포트 설계는 내부 유입구보다 깊은 내부 트로프를 만드는 것을 포함한다(도 4 참조). 각각의 포트(14)는 포트(14)와 마이크로 유체 채널(16)을 연결하는 내부 유입구(22)와, 상기 유입구(22)에 인접한 배양액 유체의 작은 저장소를 수용하는 트로프(24)를 가지며, 사용시 배양 배지는 내부 유입구(2)를 직접 통하는 것 보다는 트로프(24)를 통하여 마이크로 유체로부터 흡인 될 수 있다.

도시된 실시예에서, 유입구(22)는 포트(14)의 중심에 제공되고, 트로프(24)는(도 4의 단면도에 도시된 바와 같이) 동심원으로 입구를 둘러싸는 환형 형상이다. 대안적으로, 트로프(24)는 유입구(22)에 인접하게 배치되지만 여전히 다른 구성일 수 있다. 트로프의 바닥은 전형적으로 반원형 단면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 트로프(24)에 배치된 유리/피펫 팁(26)을 통한 진공의 적용은 배양액 유체의 제거를 야기하여, 트로프 내의 매질이 완전히 제거될 때 정지한다. 내부 입구(22)의 더 높은 높이로 인해, 채널 내의 배양 배지 및 세포는 피펫 팁이 트로프(24) 내에 얼마나 오랫동안 보관되더라도 진공 흡인에 의해 영향을 받지 않을 것이다. 새로운 배지는 채널(16)의 한쪽에 있는 포트( "상류"포트)에 추가되어 채널을 통해 흐르게 하여 기존의 배지를 교체하게 된다. 마이크로 유체 시스템에서 표면 장력 효과의 결과로 하류 포트에 소량의 새로운 배지를 추가해야 할 수 있으므로 하류 유입구의 표면 장력은 들어오는 흐름을 극복할 수 있게 된다.

B. 모듈 형 루어 커넥터 및 인터페이스를 통한 유연성

칩 채널 포트(14)는 모듈식 부착 인터페이스로서 설계되는 것이 바람직하다. AIM의 범용 루어 체결 커넥터(30)(도 5에 도시)는 사용자가 마이크로 유체 칩(10)에 표준 루어 체결부(예 : 튜브 커넥터 및 시린지 펌프 부착을 위한 것)를 부착할 수 있게 한다. AIM에 의해 개발된 이후의 액세서리는 포트(14) 또는 범용 커넥터에 직접 연결된다. 도 5는 마이크로 유체 플랫폼(10)의 각각의 포트(14)에 연결된 다수의 모듈러 커넥터(30)를 도시한다. 도 5는 루어 슬립 및 루어 체결 연결용 커넥터(좌측) 및 루어 슬립 및 루어 체결 시린지에 부착된 커넥터(우측)를 도시한다.

다른 제조업체의 선행 기술 접근법은 칩에 직접 내장된 별도의 구성 요소를 기반으로 한다. 커넥터 구성 요소는 칩 밖으로 튀어나오며 기본적으로 칩에 포함됩니다. 현재의 모듈식 설계에는 두 가지 중요한 장점이 있다.

(i) 마이크로 유체 칩(10)은 단일 재료로부터 단일 성분으로 보다 효율적으로 제조될 수 있다 - 모든 사용자가 다른 장치에 연결하기를 원하지는 않는다. 이 사용자들은 기본 칩(10)을 단독으로 사용하는 옵션을 가질 것이다. 다른 장치에 연결해야 하는 다른 사용자는 모듈러 루어 커넥터를 사용하는 별도의 옵션이 있다. 이러한 설계 접근법은 핵심 플랫폼(즉, 칩)이 제조하기 쉽고, 사용자 커뮤니티가 더 낮은 가격 기반을 얻고 더 많은 선택권을 갖기 때문에 제조업체와 사용자 모두에게 경제적으로 합리적이다.

(ii) 포트는 이중 역할을 수행합니다 - 포트는 연결을 필요로 하지 않는 사용자가 신속하게 배지를 변경할 수 있는 저장소 역할을 한다. 주사기 펌프 등에 연결해야 하는 다른 사용자는 포트를 연결 인터페이스로 사용합니다. 후자의 사용자 그룹은 펌프와 같은 연결된 장치를 사용하여 배지를 교환하므로 빠른 배지 변경 기능이 필요하지 않습니다. 이 접근법은 칩상의 제한된 공간의 사용을 최적화한다. 또한 향후의 액세서리를 포트의 트로프 및 유입구와 매칭시키는 인터페이스로 칩 자체에 직접 부착할 수 있어 다른 제조업체가 오늘날 사용하는 추가 구성 요소를 없애준다.

C. SBS / ANSI 호환 마이크로 플레이트 홀더로 취급 개선

도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 마이크로 유체 칩(10)이 단일 마이크로 플레이트 홀더(40)에 수용되어 유지될 수 있는 것이 유리하다. 마이크로 플레이트 홀더(40)의 도시된 실시예는 측벽과 실질적으로 평면인 베이스를 갖는 트레이(42) 및 이에 연결되어 제공된 다수의 구획부(46)를 포함한다. 트레이(42) 내의 각 구획부(46)는 내부에 마이크로 유체 칩(10)을 수용하도록 되어있다. 도시된 실시예에서, 트레이(42)는 내부에 3 개까지의 유체 칩(10)을 수용하도록 설계된다. 바람직하게는, 홀더(40)는 마이크로 유체 칩(10)을 내부에 둘러싸기 위해 트레이의 상부에 수용되는 커버(44)를 더 포함한다. 바람직하게는, 커버(44)는 실질적으로 투명하다. 바람직하게는, 복수의 홀더(40)는 또한 적층 가능하다.

현미경 슬라이드 및 마이크로 타이터 플레이트와 같은 표준 폼 팩터는 생물 및 제약 연구 산업에서 널리 사용된다. 칩과 홀더는 모두 기존의 표준을 준수하도록 설계되었으므로 장치가 기존 워크 플로에 적합하다. 홀더는 표준 현미경 플랫폼에도 적합하며 세포 배양기의 작업 공간을 극대화하기 위해 쌓아 올릴 수 있다. 홀더는 칩 채널 포트(14)가 마이크로 타이터 플레이트에 대한 SBS / ANSI 표준을 따르도록 배치되어, 자동화된 플레이트 충전/취급 시스템과 호환 가능하다. 이러한 시스템은 마이크로 플레이트의 웰(well)을 채우기 위해 만들어지며, 정확하게 위치시킬 충전 위치를 요구합니다. 이 설계 접근법의 또 다른 이점은 학술적 실험실에서 수동 조작에 적합한 장치를 산업 자동화 환경에 배치할 수 있다는 것입니다.

D. 칩 및 홀더 설계를 통한 습도 제어

마이크로 유체 시스템 사용자는 증발을 제한하기 위해 종종 습도 챔버에 장치를 설치해야 한다. 바람직하게는, 칩(10)과 홀더(40) 모두는 멸균수, 하이드로 겔(예 : 아가로오스(agarose), 폴리아크릴아미드 등) 또는 장치(홀더 내부) 주위에 습한 환경을 생성하는 다른 물질로 채울 수 있는 내장형 저장조를 구비한다(도 8 및 도 9 참조). 이 방법은 별도의 습도 챔버를 설치할 필요가 없다. 또한 가습 기능이 칩과 홀더 자체에 내장되어 있어 이미징 플랫폼에 장치를 옮길 때 습기가 많은 조건을 손쉽게 처리하고 유지할 수 있다.

도 8에서 가장 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 칩 베이스(12)는 그 상부 표면으로 성형된 복수의 저장소(50)로써 형성된다. 저장소(50)는 포트(14)와 유체 연통하지 않는다. 사용시, 각각의 저장조는 멸균수, 하이드로 겔 또는 다른 물질을 보유하여 장치 주위에 습한 환경을 생성하는 데 사용될 수 있다.

유사하게, 홀더(40)는 도 9에서 가장 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 트레이(42) 내에 제공된 복수의 내부 저장소(60)를 더 포함한다. 저장소(60)는 칩(10)과 분리되어 유체 연통하지 않는다. 따라서, 사용시에, 저장소(60)는 멸균수, 하이드로 겔 또는 다른 물질을 보유하여 칩(10) 주위에 습한 환경을 생성하는 데 사용될 수 있다.

이제, 마이크로 유체 플랫폼의 바람직한 실시예가 상세히 기술되었으므로, 다음을 포함하는 종래 기술에 비해 다수의 이점을 제공한다는 것이 명백 할 것이다:

(i) 칩의 기판에 PDMS를 사용하는 것과 관련된 문제를 극복한다.

(ii) 개선된 칩 채널 포트 설계는 과잉 흡인과 관련된 문제를 해결한다.

(iii) 칩은 자체적으로 또는 모듈러 루어 커넥터를 사용하는 다른 장치와 함께 사용할 수 있다.

(iv) 칩과 홀더 모두 마이크로 타이터 플레이트에 대한 SBS / ANSI 표준을 준수하므로 자동화된 플레이트 채움/처리 시스템과 호환된다.

(v) 내장형 저장조는 칩과 홀더 모두 온-보드 습도 조절 기능을 제공한다.

관련 기술 분야의 당업자는 본 발명의 기본 발명 개념에서 벗어나지 않고 전술 한 실시예에 다양한 변형 및 개선이 이루어질 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 설명된 실시예에서 유체 플랫폼 또는 칩에는 각각 3 세트의 마이크로 유체 채널이 제공된다. 그러나 칩은 원하는 수의 채널을 다양한 구성으로 통합하도록 맞춤 설계 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다.

10: 플랫폼
12: 칩 베이스
14: 포트
16: 채널
17: 배양 배지

Claims

세포 - 기반 상호 작용을 조사하기 위한 마이크로 유체 플랫폼으로서, 상기 플랫폼은 :
세포가 보유되는 유체 배양 배지를 수용하기 위한 마이크로 유체 채널과 유체 연통하는 복수의 포트를 갖는 칩 베이스를 구비하되,
각각의 포트는 상기 마이크로 유체 채널과 상기 포트를 연결하는 내부 유입구, 유입구에 인접한 배양 배지의 저장소를 수용하는 트로프(trough) 및 상기 트로프와 상기 내부 유입구 상의 상부 저장소를 구비하며, 사용시에 상기 유체 배양 배지는 상기 내부 유입구를 통해 직접적으로가 아니라 트로프를 통해 마이크로 유체 채널로부터 흡인(aspirated)되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 1 항에 있어서,
상기 유입구는 상기 포트의 중심에 제공되고, 상기 트로프는 상기 유입구를 둘러싸는 환형 형상인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 2 항에 있어서,
상기 트로프의 바닥은 반원형 단면으로 되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 유체 플랫폼의 상기 포트는 모듈식 부착 인터페이스로 설계되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 4 항에 있어서,
표준 루어 체결부를 마이크로 유체 플랫폼에 부착하기위한 모듈식 부착부로서 모듈러 루어 커넥터를 수용하도록 되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 1 항에 있어서,
다수의 마이크로 유체 플랫폼은 단일 마이크로 플레이트 홀더에 수용되어 유지되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 6 항에 있어서,
상기 홀더는 상기 칩과 유체 연통되지 않은 복수의 내부 저장소를 구비하되, 각각의 저장소는 사용시에 멸균수, 하이드로겔(hydrogel), 또는 상기 칩 주위에 가습 환경을 생성하는 물질들을 보유하도록 된 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 5 항에 있어서,
상기 표준 루어 체결부는 튜브 커넥터 및 주사기 펌프를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 1 항에 있어서,
상기 칩 베이스는 소정의 광학 특성을 가진 플라스틱 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 9 항에 있어서,
상기 칩 베이스는 사출 성형 가능하고 광학적으로 투명한 엔지니어링 플라스틱 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 10 항에 있어서,
상기 플라스틱 물질은 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 고리형 올레핀 공중합체(COC), 고리형 올레핀 중합체(COP)를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 9 항에 있어서,
상기 칩 베이스의 바닥면에 접착된 가스 투과성 라미네이트를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 12 항에 있어서,
상기 가스 투과성 라미네이트는 낮은 벌크 밀도를 갖는 중합체로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 13 항에 있어서,
낮은 벌크 밀도를 갖는 상기 중합체는 폴리메틸펜텐(PMP) 및 폴리(1- 트리메틸실릴-1-프로핀)(PTMSP), 폴리 메틸화된 중합체, 폴리 메틸화된 폴리(디페닐 아세틸렌), 및 소정의 기체 투과성을 가지는 중합체를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 12 항에 있어서,
상기 가스 투과성 라미네이트는 광학적으로 투명한 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 15 항에 있어서,
상기 라미네이트는 가열 라미네이션(heat lamination), 용매 결합, 또는 접착에 의해 칩 베이스에 접합되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 9 항에 있어서,
상기 칩 베이스는 선형 어레이로 배열된 긴 형상의 다수의 마이크로 유체 채널을 가지며, 각각의 마이크로 유체 채널은 인접한 채널과 평행한 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 17 항에 있어서,
각각의 마이크로 유체 채널은 한쌍의 포트를 구비하되, 하나의 포트는 각각의 마이크로 유체 채널의 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 18 항에 있어서,
상기 포트 전체는 상기 칩 베이스의 상부 표면 상으로 개방되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 18 항에 있어서,
상기 마이크로 유체 채널은 한 쌍의 마이크로 유체 채널과 제 3 마이크로 유체 채널 사이의 제어된 유체 연통을 허용하도록 마이크로 유체 채널 사이에 배치된 제 3 마이크로 유체 채널과 함께 쌍으로 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 20 항에 있어서,
상기 제 3 마이크로 유체 채널은 하이드로 겔 또는 다른 세포 외 매트릭스로 채워지는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 21 항에 있어서,
모든 마이크로 유체 채널은 상기 칩 베이스의 바닥면에 형성되고,
가스 투과성 라미네이트는 상기 칩 베이스의 바닥면에 결합되어 상기 채널을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 18 항에 있어서,
상기 칩 베이스는 상기 포트와 유체 연통하지 않는 상부 표면에 성형된 다수의 저장소로써 형성되며, 사용시 각 저장소는 멸균수, 하이드로 겔 또는 주위에 가습 환경을 생성하는 물질들을 수용하도록 된 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
제 9 항에 있어서,
상기 칩 베이스는 각각의 종 방향 에지를 따라 배열된 포트를 갖는 긴 직사각형 형상인 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼.
세포 - 기반 상호 작용을 조사하기 위한 제 9 항에 따른 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
복수의 포트를 포함하기 위하여 플라스틱 물질로부터 칩 베이스를 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법.
제 25 항에 있어서,
상기 칩 베이스를 성형하는 단계는 광학적으로 투명한 엔지니어링 플라스틱 물질을 사용하여 사출 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법.
제 26 항에 있어서,
상기 플라스틱 물질은 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌(PE), 고리형 올레핀 공중합체(COC), 및 고리형 올레핀 중합체(COP)를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법.
제 25 항에 있어서,
상기 칩 베이스의 바닥면에 가스 투과성 라미네이트를 접착하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 가스 투과성 라미네이트는 광학적으로 투명하고, 낮은 벌크 밀도를 갖는 중합체로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법.
제 29 항에 있어서,
낮은 벌크 밀도의 상기 중합체는 폴리메틸펜텐(PMP) 및 폴리(1- 트리메틸 실릴 -1- 프로 핀)(PTMSP), 폴리 메틸화된 중합체, 폴리 메틸화된 폴리(디페닐 세틸렌), 및 소정의 기체 투과성을 가지는 중합체를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 라미네이트를 상기 칩 베이스에 결합시키는 단계는 상기 라미네이트를 가열 라미네이션에 의해 상기 칩 베이스에 라미네이트하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 라미네이트를 상기 칩 베이스에 결합시키는 단계는 용매 결합 또는 접착 결합시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 플랫폼을 제조하는 방법.