KR102261558B1 - 이미지 조작 전기력을 사용한 바이오 입자 선별 장치 및 그 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

이미지 조작 전기력으로 바이오 입자를 선별하는 기기는 제1 기판, 제2 기판, 유체 채널, 하나 이상의 감광층 및 주입구 구멍을 포함한다. 상기 제1 기판은 제1 전도성 전극을 갖고, 상기 제2 기판은 제2 전도성 전극을 갖는다. 상기 제2 전도성 전극은 상기 제1 전도성 전극에 대향하여 배치된다. 상기 유체 채널은 상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이에 배치된다. 상기 감광층은 상기 제1 전도성 전극의 표면과 상기 제2 전도성 전극의 표면 중 적어도 하나의 표면 상에 일치하게 배치된다. 상기 주입구 구멍은 상기 제1 전도성 전극 및 제1 기판에 배치되며, 상기 주입구 구멍은 상기 유체 채널에 가까운 제1 개구부와 상기 유체 채널로부터 떨어진 제2 개구부를 포함하고, 상기 제1 개구부의 표면적은 제2 개구부의 표면적보다 크다.

Description

이미지 조작 전기력을 사용한 바이오 입자 선별 장치 및 그 작동 방법 {DEVICE FOR SORTING BIO-PARTICLES USING IMAGE-MANIPULATED ELECTRIC FORCE AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 일반적으로 바이오 입자를 선별하는 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이미지 조작 전기력을 사용하여 불균질 혼합물(heterogeneous mixture)로부터 바이오 입자를 선별하는 분야에 관한 것이다.
지난 수십 년 동안, 암을 효과적으로 진단, 검출 및/또는 치료하기 위한 다양한 접근법이 여러 학술기관 또는 회사에서 연구되고 공개되어 왔다. 또한, 생체 내에서 암을 표적화하거나 죽이기 위해 많은 연구가 수행되어 왔다. 그러나 암의 불확실성과 다양성으로 인해 실행 가능한 해결책은 방안은 제한되어 있다.
암을 진단하고 검출하는 접근법 중 하나는 체외에서 특정 암 관련 세포를 선별하고 분리하는 것이다. 이들 세포는 숙주의 몸 안에서 전이 중에 생성되는 순환 종양 세포(circulating tumor cell, CTC)일 수 있다. 미국 특허출원(US 2017/0297036)은 광 유도 유전 영동(light-induced dielectrophoresis)을 사용하여 미세 유체 기기(microfluidic device)에서 CTC를 검출 및 선별하는 방법을 개시한다. 미세 유체 기기는 내부에 유체가 흐를 수 있는 미세 유체 채널을 포함한다. 선별 프로세스 중에, 세포를 포함하는 유체가 미세 유체 채널에 주입된 다음, 선별 대상 세포(cell to be sorted)가 미리 정해진 영역에 도달하면 식별 및 위치결정이 이루어진다. 그런 다음, 식별 및 위치결정된 세포에 고리형 광 구역(ring-shaped light zone)이 조명된다. 그 후, 막대형 광 구역(bar-shaped light zone)이 미세 유체 채널 상에 조명되어 미세 유체 채널의 한쪽에서 다른 쪽으로 이동된다. 막대형 광 구역의 이동 중에, 미세 유체 채널 내의 불필요한 세포는 막대형 광 구역의 에지(edge) 근처에서 생성된 불균일한 전계로 인해 막대형 광 구역의 에지에 의해 제거된다(swept away). 대조적으로, 막대형 광 구역의 이동 중에, 고리형 광 구역과 중첩되는 세포는 제거되지 않아서 그 원래의 위치에 남아 있을 수 있다. 마지막으로, 모든 불필요한 세포를 제거한 후, 링형 광 구역을 이동시킴으로써 선별 대상 세포를 수집 영역으로 더 이동시켜 하나의 선별 프로세스를 완료할 수 있다. 선별 프로세스는 모든 선별 대상 세포(cells to be sorted)가 완전히 수집될 때까지 여러 번 반복될 수 있다.
US 2017/0297036에 개시된 선별 프로세스가 CTC와 같은 특정 세포를 선별할 수 있다고는 하지만 여전히 극복해야 할 단점이 있다. 예를 들어, 각각의 세포를 선별하는 데 사용되는 시간이 비교적 길다. 또한, 불필요한 세포가 광 막대(light bar)에 의해 완전히 제거되지 않을 수 있으므로, 일부의 불필요한 세포가 선별 대상 세포와 함께 수집 영역으로 유입될 수 있다.
또한, 불균질 혼합물을 포함하는 유체가 주입구를 통해 미세 유체 채널에 주입되기 때문에, 유체 중의 세포의 일부가 주입구 부근의 미세 유체 채널 내면에 부착 또는 축적될 수밖에 없고, 이는 선별 프로세스의 정확도에도 부정적인 영향을 미친다.
이 때문에, 본 발명은 선별 프로세스의 시간 효율성 및 정확도를 증가시킬 수 있는, 이미지 조작 전기력을 사용하여 선별 기기 및 그 작동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이것은 청구항 1에 기재된 기기 및 청구항 13에 기재된 방법에 의해 달성된다. 종속항은 대응하는 추가적인 발전 및 개선에 관한 것이다.
일부 실시예에서, 이미지 조작 전기력으로 바이오 입자를 선별하는 기기는 제1 기판(substrate), 제2 기판, 유체 채널(fluidic channel), 하나 이상의 감광층(photosensitive layer) 및 주입구 구멍(inlet hole)을 포함한다. 상기 제1 기판은 제1 전도성 전극(conductive electrode)을 갖고, 상기 제2 기판은 제2 전도성 전극을 갖는다. 상기 제2 전도성 전극은 상기 제1 전도성 전극에 대향하여 배치된다. 상기 유체 채널은 상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이에 배치된다. 상기 감광층은 상기 제1 전도성 전극의 표면과 상기 제2 전도성 전극의 표면 중 적어도 하나의 표면 상에 일치하게(conformally) 배치된다. 상기 주입구 구멍은 상기 제1 전도성 전극에 배치되며, 상기 주입구 구멍은 상기 유체 채널에 가까운 제1 개구부(opening)와 상기 유체 채널로부터 떨어진 제2 개구부를 포함하고, 상기 제1 개구부의 표면적은 제2 개구부의 표면적보다 크다.
일부 실시예에서, 전술한 선별 기기를 포함하는 장치의 작동 방법은,(a) 주입구 구멍을 통해 유체 채널에 바이오 입자를 포함하는 액체를 공급하는 단계;(b) 상기 바이오 입자가 상기 유체 채널의 선별 영역(sorting region)으로 유동한 경우에 상기 바이오 입자를 식별하는 단계; (c) 상기 바이오 입자가 식별된 후에 상기 액체의 유속(flowing rate)을 감소시키거나 상기 액체의 유동을 정지시키는 단계; (d) 단계 (c) 후에 상기 바이오 입자의 위치를 결정하는 단계; (e) 상기 선별 영역 상에 광 구역(light zone)을 조명하는 단계 - 상기 광 구역의 면적은 주 채널의 면적의 절반보다 큼 -; (f) 상기 선별 영역 상에 어두운 구역을 갖는 광 패턴(light pattern)을 조명하는 단계 - 상기 광 패턴은 상기 바이오 입자 중 적어도 하나와 중첩되고, 상기 어두운 구역은 그 어두운 구역에 인접한 영역의 휘도보다 어두운 휘도를 가짐 - ; 및 (g) 상기 광 패턴과 중첩되는 바이오 입자를 이동시키는 단계를 포함한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 예로서 더 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 불균질 혼합물로부터 바이오 입자를 선별하는 기기의 개략 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 A-A' 선 및 B-B' 선을 따라 각각 취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 유형의 주입구 및 배출구의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기기의 주 채널에서 유체 불균질 혼합물 수송체(fluid heterogeneous mixture transport)을 수송하는 프로세스 중의 선별 기기를 나타낸 개략도이다.
도 5는 상이한 유형의 주입구 및 배출구를 갖는 선별 기기를 작동시킨 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배출구와 주입구가 주 채널의 양단부에 배치되어 있는, 주입구와 반대쪽에 배출구를 갖는 기기를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주 채널 상부(top)에 감광층을 갖는 기기를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두 층의 감광성 재료를 갖는 기기를 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간층을 갖는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 조작 전기력을 사용하여 기기 내의 바이오 입자를 조작하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 조작 전기력을 사용하여 장치 내의 바이오 입자를 조작하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 조작 전기력을 사용하여 장치 내의 바이오 입자를 조작하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 13은 비교예 및 모범예에 따른 광학 현미경 및 형광 현미경의 이미지를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 몇 개의 유체 채널을 갖는 기기의 개략 평면도이다.
도 15a는 주 채널, 부 채널 및 수집 채널의 폭 비율이 1:1:1인 선별 기기의 조작 결과를 검증하는 실험 데이터이다.
도 15b는 주 채널, 부 채널 및 수집 채널의 폭 비율이 2:1:2인 선별 기기의 조작 결과를 검증하는 실험 데이터이다.
도 15c는 주 채널, 부 채널 및 수집 채널의 폭 비율이 10:1:10인 선별 기기의 조작 결과를 검증하는 실험 데이터이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 곡선형 주 채널을 갖는 기기의 개략적 평면도이다.
도 17은 곡선형 주 채널의 상이한 위치에서 유속을 검증하는 실험 데이터이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 곡선형 주 채널 및 곡선형 수집 채널을 갖는 기기의 개략 평면도이다.
본 명세서는 본 발명의 예시적인 실시예 및 적용예를 설명한다. 그러나, 본 발명은 이러한 예시적인 실시예 및 적용예, 또는 그러한 예시적인 실시예 및 적용예가 작동하거나 본 명세서에 기재되는 방식에 한정되지 않는다. 또한, 도면은 간략도 부분도를 보여 줄 수 있으며, 도면에서 요소의 치수는 명료하게 하기 위해 과장되거나 비례하지 않을 수 있다. 또한 방향(예: 위(above), 아래(below), 위(top), 아래(bottom), 옆, 위(up), 아래(down), 아래(under), 위(over), 위(upper), 아래(lower), 수평, 수직, "x", "y", "z"등)은, 제공되어 있는 경우, 상대적이며 예로서 그리고 예시 및 논의를 용이하게 하기 위해서만 제공되는 것이며, 한정을 목적으로 제공되는 것은 아니다.
유의해야 할 것은, "이미지 조작 전기력(image-manipulated electric force)"이라는 용어는 광 유도 유전 영동으로부터 생성된 힘으로 간주될 수 있다는 것이다. 즉, 본 출원에 개시된 바이오 입자를 조작하는 방법은 광 유도 유전 영동으로 바이오 입자를 조작하는 방법의 한 종류로 간주될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 불균질 혼합물로부터 바이오 입자를 선별하는 기기의 개략 평면도이다. 기기(100)는 상부 커버(upper cover)(102) 및 하부 커버(lower cover)(도시되지 않음)와 같은, 두 개의 대향하는 기판을 포함한다. 주 채널(112)과 같은 미세 유체 채널(microfluidic channel)이 커버들 사이에 배치된다. 주입구(120)와 배출구(122)와 같은 두 개의 접근 수단(access)이 주 채널(112)의 두 개의 원단부(distal end)에 배치된다. 기기(100)를 작동시키는 프로세스 중에, 세포와 같은 바이오 입자 및 액체 매질을 함유하는 액체 혼합물이 주입구(120)를 통해 주 채널(112)로 주입되고 배출구(122)를 통해 주 채널(112)로부터 배출될 수 있다. 도 1에 도시된 상부 커버(102)는 직사각형이지만, 상부 커버(102)(또는 하부 커버)의 형상은 다른 요건을 충족시키기 위해 적절하게 수정될 수 있다. 따라서, 상부 커버(102)(또는 하부 커버)는 삼각형, 정사각형, 원형, 직사각형, 또는 다각형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른도 1의 라인 A-A '및 라인 B-B'를 따라 취한 두 개의 단면도를 나타낸다. 기기(100)는 상부 커버(102), 상부 커버(102)에 대향하여 배치된 하부 커버(104), 및 상부 커버(102)와 하부 커버(104) 사이에 배치된 감광성 재료(110)를 포함한다. 제1 투명 전도성 전극(106) 및 제2 투명 전도성 전극(108)과 같은, 둘 이상의 투명 전도성 전극이 상부 커버(102)의 내표면(inner surface)(102-1)과 하부 커버(104)의 내표면(104-1)에 각각 퇴적되거나(deposited) 코팅된다. 제1 투명 전도성 전극(106) 및 제2 투명 전도성 전극(108)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide , ITO) 또는 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO)과 같은 투명한 전도성 물질로 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, AC 발전기에 전기적으로 연결되어, AC 발전기가 턴온될 때 두 개의 대향하는 전극(106 및 108) 사이의 주 채널(112)에서 교류 전계가 생성될 수 있다. 제1 투명 전도성 전극(106)의 두께와 제2 투명 전도성 전극(108)의 두께는 각각 0.05∼ 0.4㎛일 수 있다.
제1 투명 전도성 전극(106)과 제2 투명 전도성 전극(108)은 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)으로 이루어질 수 있는 감광성 재료(110)에 의해 분리될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 감광성 재료(110) 위에 필요한 파장의 광을 조사할 수 있는 광원(20)이 기기(100)의 위 또는 아래에 놓일 수 있다. 광이 감광성 재료(110)에 조사될 때, 조사되는 영역에 전하가 생성되어 축적될 수 있다. 따라서, 감광성 재료(110)의 전기 전도성은 그 위에 광을 조사함으로써 변화될 수 있다. 감광성 재료(110)의 두께는 0.1∼2㎛ 범위 내, 바람직하게는 0.5∼1㎛ 범위 내일 수 있다. 유의해야 할 것은, 비록 제1 투명 전도성 전극(106)이 감광성 재료(110)와 직접 접촉하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 전기 절연층을 배치함으로써 감광성 재료(110)로부터 분리될 수 있다.
또는, 전술한 상부 커버(102)와 하부 커버(104)는 유리, 폴리 메틸 메타 크릴 레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리 디메틸 실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 금속, 환상 올레핀 공중합체 및 환상 올레핀 중합체로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 투명 전도성 전극(106) 및 제2 투명 전도성 전극(108)은 투명 전도성 필름, 인듐 주석 산화물, 투명 전도성 산화물, 전도성 중합체, 금속 그리드(metal grid) 및 랜덤 메탈 네트워크(random metallic network), 탄소 나노튜브, 그래핀, 나노와이어 메시(nanowire mesh) 및 초박막 금속 필름으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 감광성 재료(110)은 금속 나노 입자, 그래핀, 비정질 실리콘, 이황화 몰리브덴, 인듐 아세나이드 나노와이어로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
주 채널(112)은 상부 커버(102)와 하부 커버(104) 사이에 배치되며, 주 채널(112)(주 채널(112)의 측벽 및 바닥면 포함)의 부분들의 윤곽은 감광성 재료(110)의 표면에 의해 규정될 수 있다. 바람직하게는 주 채널(112)의 폭과 주 채널(112)을 유동하는 바이오 입자의 평균 직경의 비는 1:1 내지 200:1일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 주입구 튜브(124)는 기기(100)의 주입구(120)에 연결되고 배출구 튜브(126)는 기기(100)의 배출구(122)에 연결된다. 주입구(120)는 두 부분, 즉 주입구 구멍(120-1)과 관통 구멍(120-2)을 포함할 수 있다. 또한, 배출구(122)는 두 부분, 즉 배출구 구멍(122-1)과 관통 구멍(122-2)을 포함할 수 있다. 주입구 구멍(120-1) 및 배출구 구멍(122-1)은 모두 제1 투명 전도성 전극(106)에 배치될 수 있으며, 관통 구멍(120-2, 122-2)은 모두 상부 커버(102)에 배치될 수 있다. 주입구 구멍(120-1) 및 배출구 구멍(122-1)의 경우, 각각의 구멍은 개구부의 면적이 서로 다른 두 개의 개구부를 포함할 수 있다. 유의해야 할 것은, 본 실시예에 따른 제1 투명 전도성 전극(106)에 주입구 구멍(120-1)과 배출구 구멍(122-1)이 배치되어 있지만, 주입구 구멍(120-1)과 배출구 구멍(122-1)은 각각 또한 상부 커버(102)까지 연장될 수 있다. 그 결과, 주입구 구멍(120-1)과 배출구 구멍(122-1)은 각각 그 일부가 상부 커버(102)에 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 다양한 유형의 주입구 및 배출구의 개략도이다. (유형(a) 내지(d)와 같은) 각각의 주입구(120-1) 및 배출구(122-1)에 대해 설명하면, 주입구 구멍(120-1)(또는 배출구 구멍(122-1)은 주 채널(112)에 가까운 제1 개구부(O1) 및 주 채널(112)로부터 떨어진 제2 개구부(O2)를 포함한다. 제1 개구부(O1)의 표면적(A1)은 제2 개구부(O2)의 표면적(A2)보다 크다. 도 3에 도시된 주입구(120) 및 배출구(122)의 공통된 특정은 단면적이 제2 개구부(O2)에서 제1 개구부(O1)를 향해 서서히 증가한다는 것이다. "서서히 증가되는 단면적"이라는 특징으로 인해, 바이오 입자를 함유하는 액체 혼합물이 주 채널(112)의 안밖으로 유동할 때, 바이오 입자가 주 채널(112) 부근의 주입구(120) 및 배출구(122)의 개구부의 표면에 부착되거나 축적될 가능성이 적다. 제2 개구부(O2)는 상이한 요건에 따라 제1 전도성 전극 또는 상부 커버에 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주 채널을 통해 유체 불균질 혼합물을 수송하는 프로세스 중의 선별 기기를 나타낸 개략도이다. 주 채널(112) 내로 주입되는 유체 불균질 혼합물(130)은 순환 종양 세포(132) 및 혈액 세포(134)와 같은 상이한 유형의 바이오 입자를 포함할 수 있다. 주 채널(112)에 가까운 개구부(O1)의 단면적(A1)이 주 채널(112)로부터 떨어진 개구부(O2)의 단면적(A2)보다 크면, 이들 세포(132, 134)는 주입구(120) 안으로 또는 배출구(122) 밖으로 쉽게 유동할 수 있고, 개구부(O1) 가까이에 부착되거나 축적되지 않는다. 결과적으로, 유체 불균질 혼합물(130) 내의 모든 세포(132, 134)가 주 채널(112)을 통해 성공적으로 유동하고 배출 튜브(126)에 의해 배출될 수 있기 때문에, 선별 프로세스의 정확성 및 효율성이 증가될 수 있다. 제1 투명 전도성 전극(106)의 두께가, 예컨대 0.05∼0.4㎛로 비교적 얇기 때문에, 주입구 구멍(120-1) 및 배출구 구멍(122-1)의 개구부(O2)는 본 발명의 일부 실시예에 따라 상부 커버(102)에 배치되는 것이 바람직하다.
도 5는 상이한 유형의 주입구 및 배출구를 갖는 선별 기기를 작동시킨 결과를 나타낸다. 사진(a-1) 및(a-2)는 기기의 안으로 또는 밖으로 유체 불균질 혼합물을 유동시키는 프로세스 중의 종래의 선별 기기의 주입구(또는 배출구)의 개구부에서 찍은 것이다. 사진에서 밝은 점들은 세포를 나타내며, 이들 세포는 주입구 또는 배출구에 명백히 부착되거나 축적되어 있다. 이와는 대조적으로, 사진 (b-1) 및 (b-2)는 본 발명의 일 실시예에 따른 선별 장치의 주입구(또는 배출구)의 개구부에서 찍은 것이며, 사진 (b-1) 및 (b-2)에는 밝은 점이 나타나 있지 않으며, 이는 주입구 또는 배출구에 어떠한 세포도 부착되거나 축적되지 않는다는 것을 의미한다.
대안으로, 본 명세서에 개시된 바이오 입자의 유형은 세포에 한정되지 않으며, 또한 종양 세포, 줄기 세포, 혈액 세포, 신경 세포, 상피 세포, 면역 세포, 유도된 다능성 줄기(induced pluripotent stem, iPS) 세포, 바이러스, 엑소좀, RNA, DNA 또는 단백질을 갖는 리포솜, 기생충 또는 임의의 다른 생물학적으로 관련된 입자를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주 채널의 양단에 배출구와 주입구가 배치되어 있는, 주입구와 대향하는 배출구를 갖는 기기를 나타낸 개략도이다. 도 6에 도시된 기기(100)도 또한 상부 커버(102), 하부 커버(104), 두 개의 전도성 전극(106, 108), 및 감광성 재료(110)를 포함한다. 도 6과 도 2에 도시된 구성의 주된 차이점은, 도 6의 배출구 구멍(122-1)이 제2 전도성 전극(108)에 배치되고 제1 전도성 전극(106) 내가 아니라 감광성 재료까지 더 연장될 수 있다는 것이다. 즉, 기기(100)로 유입되는 유체 혼합물은 주 채널(112)의 단부를 통해 기기(100) 밖으로 유동할 수 있다. 따라서, 기기의 공간 배치가 적절하게 설정될 수 있다. 또한, 배출구 구멍(122-1)은 상이한 요건에 따라 하부 커버(104)까지 더 연장될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주 채널의 상부(top)에 감광층을 갖는 기기를 나타낸 개략도이다. 도 7에 도시된 기기(100)는 도 2에 도시된 것과 유사하며, 주된 차이점은 도 7에 도시된 감광성 재료(110)가 제2 투명 전도성 전극(108) 상이 아니라 제1 투명 전도성 전극(106) 상에 일치하게 배치된다는 것이다. 따라서, 주 채널(112)의 하면은 감광성 재료(110)와 직접 접촉하지 않는다. 대조적으로, 주 채널(112)의 상면이 본 실시예에 따른 감광성 재료(110)와 직접 접촉한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두 층의 감광성 재료를 갖는 기기를 나타낸 개략도이다. 도 8에 도시된 기기(100)는 도 2에 도시된 것과 유사하며, 이 두 실시예 사이의 주된 차이점은, 두 층의 감광성 재료(110-1, 110-2)가 제1 투명 전도성 전극(106) 및 제2 투명 전도성 전극(108) 상에 각각 일치하게 배치된다는 것이다. 따라서, 주 채널(112)의 하면과 상면은 감광성 재료(110)와 직접 접촉한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간층을 갖는 기기를 나타낸 개략도이다. 도 9에 도시된 기기(100)는 도 2에 도시된 것과 유사하며, 이 두 실시예 사이의 주된 차이점은, 중간층(128)이 상부 커버(102)와 하부 커버(104) 사이에 더 배치되고, 보다 바람직하게 제1 투명 전도성 전극(106)과 감광성 재료(110) 사이에 배치된다는 것이다. 일 실시예에서, 주 채널(112)은 중간층(128)에 설치되고 중간층(128)에 형성된 공동(cavity)으로 간주될 수 있다. 추가의 접착제가 중간층(128)과 상부 커버(102)와 하부 커버(104) 사이에 배치되어 중간층(128)은 상부 커버(102)와 하부 커버(104)에 부착될 수 있다. 중간층(128)은 상부 커버(102)와 하부 커버(104)를 분리시키는 데 사용되는 전기 절연 재료로 이루어질 수 있다. 또한 중간층(128)은 유체 불균질 혼합물(130) 내부의 여분의 이온이 주 채널(112) 밖으로 확산될 수 있게 하는 반투막(semipermeable membrane)일 수 있다. 주 채널(112)에서 유체 불균질 혼합물(130)을 수송하는 중에, 유체 불균질 혼합물(130) 내의 약한 세포들 중 일부가 파괴될 수 있다. 파괴되거나 파괴되어 죽은 세포로부터 유체 불균질 혼합물(130) 내로 추가의 이온이 방출될 수 있는데, 이는 유체 불균질 혼합물(130)의 도전성에 부정적인 영향을 미치고 그에 따라 세포를 이동시키기 위한 이미지 조작 전기력에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 반투성 재료로 이루어진 중간층(128)을 배치함으로써, 추가의 이온이 반투성 재료를 통해 주 채널(112)로부터 유출될 수 있어 유체 불균질 혼합물(130)의 도전성을 일정 수준으로 유지할 수 있도록 한다.
여전히, 도 9에 도시된 중간층(128)은 유해 물질을 유체 불균질 혼합물 (130)의 세포 또는 액체 매질과 반응하지 않거나 용해하지 않는 생체 적합성 재료(biocompatible material)로 이루어질 수 있다. 따라서, 주 채널 (112)에서 유동하는 세포는 주 채널 (112)에 의해 오염되지 않을 수 있다. 일례로서, 생체 적합성 재료는 측벽을 따라 더욱 일치하게 배치될 수 있다. 또한, 필요하다면 중간층 (128) 또는 주 채널 (112)은 생체 적합성 재료로 이루어질 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 조작 전기력을 사용하여 기기 내에서 바이오 입자를 조작하는 방법을 나타낸 개략도이다. 이 기기의 작동 중에, 주 채널(112)을 유동하는 세포(132)을 분극시키기 위해 두 개의 대향하는 투명 전극 사이에 교류 전계가 인가된다. 분극된 세포(132)가 주 채널(112)의 미리 정해진 영역으로 유동하는 경우, 광원은 미리 정해진 영역 내의 감광성 재료에 광을 조명하여 주 채널(112)에 광 구역(140) 생성할 수 있다. 미리 정해진 영역은 광학 현미경 또는 형광 현미경으로 관찰 될 수 있는 임의의 영역일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 세포(132)가 존재하는 감광성 재료에, 내측 광 구역(142-1)과 외측 어두운 구역(142-2)을 포함하는 광 패턴(142)이 조명된다. 내측 광 구역(142-1)은 원형의 광 구역일 수 있고, 외측 어두운 구역(142-2)은 고리형의 어두운 구역일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 내측 광 구역(142-1)과 외측 어두운 구역(142-2)의 경계(144b)에는 전계 기울기가 있기 때문에, 세포(132)은 내측 광 구역(142-1)에 갇혀 광 패턴(142)을 이동하는 프로세스 중에 광 구역(140)과 함께 이동될 수 있다. 또한, 광 구역(140)의 표면적(140A)(광 구역(140)의 길이(140-1) 및 폭(140-2)에 의해 규정됨)은 주 채널(112)의 면적(112A)(주채널(112)의 측벽(112S)에 의해 규정됨)의 절반보다 큰 것이 바람직하다. 유의해야 할 것은, 전계 기울기가 또한 광 구역(140)의 에지(140E) 상에 생성되어 광 패턴(142)과 중첩되지 않는 다른 세포들이 광 구역(140)에 유지될 수 있도록 한다. 본 명세서에 기술된 용어 "어두운 구역"은 인접한 영역의 휘도보다 휘도가 낮은 영역을 의미하는 한편, 본 명세서에 기술된 용어 "광 구역"은 인접한 영역의 휘도보다 높은 휘도를 갖는 영역을 의미한다. 따라서, 외측 어두운 구역(142-2)이 인접 영역들보다 어둡게 유지되는 한, 외측 어두운 구역(142-2)도 광으로 조명될 수도 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 조작 전기력을 사용하여 기기 내의 바이오 입자를 조작하는 방법을 나타낸 개략도이다. 단계 (a)에서, 세포(132)은 미리 정해진 영역으로 유동할 때 현미경에 의해 식별되고 위치를 찾아 낼 수 있다. 세포(132)를 식별하기 위해, 선별 대상 세포(132) 및 불필요한 세포(134)는 주 채널로 들어가기 전에 서로 다른 형광 염료로 염색될 수 있다. 따라서 세포(132)로부터 방출되는 형광은 세포(134)로부터 방출되는 형광과 상이할 수 있다. 세포(132, 134)로부터 방출되는 형광을 검출하는 형광 현미경을 사용함으로써 세포(132)는 다른 세포(134)와 구별될 수 있다. 일단 세포(132)가 식별되고 위치를 찾아내면, 두 개의 대향하는 투명 전도성 전극을 가로 질러 교류 전계가 인가될 수 있고, 주 채널(112) 내에 광 구역(140)을 생성하도록 광이 감광 재료 상에 조명될 수 있다. 또한, 내측 광 구역(142-1) 및 외측 어두운 구역(142-2)이 세포(132)가 존재하는 감광성 재료 상에 조명된다. 그러면, 단계 (b)에서 광 패턴(142)의 외측 어두운 부분(142-2)이 확장될 수 있다. 외측 어두운 구역(142-2)의 외측 에지(144a)에서 생성된 전계 기울기로 인해, 광 패턴(142)의 외측 에지(144a) 부근의 세포(134)는 외측 어두운 구역(142-2)을 확장시키는 과중 중에 광 패턴(142)의 중심으로부터 멀리 밀릴 수 있다. 그 후, 단계 (c)에서, 세포(132)는 광 패턴(142)을 이동시킴으로써 부 채널쪽으로 이동될 수 있다. 광 패턴의 이동 중에, 광 패턴(142)은 이동하는 광의 외측 에지(144a)를 만나는 모든 세포(134)를 밀어낼 수 있다. 따라서, 광 패턴(142) 외부의 세포(134)는 부 채널(114)을 향해 이동할 수 없다. 마지막으로, 단계 (d)에서, 세포(132)는 광 구역(140)의 에지(140E)를 관통하여 부 채널(140)로 들어 갈 수 있다. 유의해야 할 것은, 광 구역(140)의 에지(140E)에서 전계 기울기가 존재하기 때문에, 세포(134)는 또한 에지(140E)에서 전계 기울기에 의해 밀려 나서 세포(132)와 함께 부 채널에 들어가지 않을 수 있다는 것이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 조작 전기력을 사용하여 기기 내에서 바이오 입자를 조작하는 방법을 나타낸 개략도이다. 도 12에서 설명하는 방법은, 도 11에서 설명한 것과 유사하며, 주된 차이점은 광 패턴(142)의 외측 어두운 구역(142-2)이 불완전한 고리라는 것이다. 즉, 광 패턴(142)과 중첩되는 세포(132)는 외측 어두운 구역(142-2)에 의해 완전히 둘러싸이지 않는다. 광 패턴(142)의 이동 중에, 단계 (b)에서, 외측 어두운 구역(142-2)은 광 패턴(142)의 이동 프로세스에서 외측 어두운 구역(142)의 개구부를 통해 세포(134)가 내측 광 구역(142-1) 내로 삼키지 않도록 하는 특성을 회전시킬 수 있다. 본 실시예의 다른 단계들은 도 11의 실시예에서 설명된 것과 유사하기 때문에, 이들 단계에 대한 상세한 설명은 간결함을 위해 생략된다. 유의해야 할 것은, 광 패턴(142)을 이동시키고, 외측 어두운 구역(142-2)을 회전시키고, 외측 어두운 구역(142-2)을 확장시키는 단계들의 시퀀스는 서로 다른 요건을 충족시키기 위해 변경될 수 있다는 것이다. 또한, 이 세 단계는 대안으로 동시에 수행될 수 있다.
미국 특허 US 2017/0297036 개시된 선별 방법과 비교하면, 본 출원의 도 11 및 도 12에 기재된 선별 방법이 훨씬 더 효율적이고 정확하다. 아래의 표 1 및 도 13을 참조하기 바란다. 도 13의 사진 (a-1)∼(a-3)은 US 2017/0297036에 개시된 선별 방법에 대응한다. 사진 (a-1) 및 (a-2)는 광학 현미경으로 찍은 이미지로, 바이오 입자( "점" 참조)가 수집 채널 내로 선별되어 있음을 보여준다. 그러나 형광 현미경을 통해 관찰된 사진 (a-3)에서 볼 수 있듯이, 많은 불필요한 바이오 입자( "둘러싸인 밝은 점" 참조)는 수집 채널 내로 선별된다. 도 13의 사진 (b-1)∼(b-3)은 본 출원에 개시된 선별 방법에 대응한다. 사진 (b-1) 및 (b-2)는 광학 현미경으로 촬영한 이미지로, 바이오 입자( "점" 참조)가 수집 채널 내로 선별되어 있음을 보여준니다. 또한, 형광 현미경을 통해 관찰된 사진 (b-3)에 나타낸 바와 같이, 불필요한 바이오 입자는 수집 채널로 선별되지 않는다. 따라서, 사진은 본 출원의 선별 정확도가 종래 기술보다 훨씬 우수함을 입증한다.
또한, 표 1에 나타낸 결과에 따르면, US 2017/0297036에 개시된 방법의 경우, 세포당 선별 시간은 약 139.2(s)이고 정확도는 약 60.4%에 불과하다. 정확도가 낮으면 불필요한 세포가 광 막대에 의해 완전히 제거되지 않아서 불필요한 세포 중 일부가 선별 대상 세포와 함께 수집 영역으로 유동할 수 있다는 것을 의미한다. 대조적으로, 본 발명에 개시된 선별 방법에 따르면, 세포당 선별 시간은 약 72.1(s)로 감소되고 정확도는 100 %까지 증가된다.
[표 1]
Figure 112019086333119-pat00001
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 몇몇 유체 채널을 갖는 기기의 개략 평면도이다. 도 14에 도시된 기기(100)는 도 1에 도시된 것과 유사하며, 주된 차이점은 도 14에 도시된 장치가 부 채널(114) 및 수집 채널(116)과 같은 다른 미세 유체 채널을 더 포함한다는 것이다. 부 채널(114)의 양단부는 주 채널(112) 및 수집 채널(116)에 각각 연결될 수 있다. 기기(100)의 작동 중에, 선별 대상 세포는 주 채널(112)에서부터 부 채널(114)을 통해 수집 채널(116)로 선별되어 수집 채널(116)에 일시적으로 저장될 수 있다. 수집 채널(116)에 저장된 세포의 수가 특정 값을 초과하거나 사용자 자신의 의지에 의해 언제든지, 이들 세포는 완충액(buffer) 주입 구멍(150-1)으로부터 수집 채널(116)까지 완충액에 의해 더 흘러 나와 수집 구멍(150-2)을 통해 시험관으로 배출될 수 있다. 또한, 주 채널, 부 채널 및 수집 채널의 폭 비율은 1:1:1, 2:1:2 및 10:1:1과 같이, 1:1:1 내지 10:1:10의 범위 내이지만 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 이점은 선별될 세포가 일시적으로 수집 채널(116)에 저장될 수 있어서, 주 채널(112)에서 수행되는 선별 프로세스가 중단되지 않고 연속적으로 수행될 수 있다는 것이다. 게다가, 기기(100)는 상이한 유형의 세포를 선별하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 라운드의 선별 프로세스에서, 동일한 종류의 세포 그룹이 수집 채널(116)에 수집된 다음 시험관으로 유출될 수 있다. 그 후, 제2 라운드의 선별 프로세스에서, 다른 종류의 세포 그룹이 수집 채널(116)에서 수집된 다음 시험관으로 유출될 수 있다. 도 15는 주 채널, 부 채널 및 수집 채널의 폭 비율이 상이한 선별 기기의 조작 결과를 나타낸다. 도 15에 도시된 결과는, 실험에 따라 폭 비가 상기한 범위 내에서 설계되면, 주 채널(112) 및/또는 수집 채널(116)에서 유체가 유동할 때 주 채널(112) 및 수집 채널(116)의 유체는 부 채널(112) 내로 유동할 수 없으므로, 주 채널(112)로부터 수집 채널(116)로 불필요한 세포가 유입되는 것을 방지하고, 반대의 경우도 마찬가지이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 곡선형 주 채널을 갖는 기기의 개략 평면도이다. 도 16에 도시된 기기(100)는 도 1에 도시된 것과 유사하며, 주된 차이점은 도 16에 도시된 기기가 곡선형 주 채널(112) 및 부 채널(114)을 더 포함한다는 것이다. 부 채널(114)의 일단부는 곡선형 주 채널(112)의 정점에 연결된다. 본 실시예에 따르면, 실험 데이터는 곡선형 주 채널(112)의 외측 곡선상의 유속 R1이 곡선형 주 채널(112)의 내측 곡선상의 유속 R2보다 느리다는 것을 보여준다. 예를 들어, 유체가 9×10-9 mm/min의 선형 유속을 갖는 경우, 유속 R1은 1.7×10-12 mm/min이고, 유속 R2는 4.7×10-9 mm/min일 수 있다. 따라서, 곡선형 주 채널(112)의 교차점에서 세포가 선별되는 경우, 이 영역에서보다 느린 유속으로 인해 선별 프로세스가 더 효과적일 수 있고, 곡선형 주 채널(112) 내의 유체가 부 채널 (114) 내로 유입되는 것을 방지할 가능성이 더 커진다. 실험 데이터는 도 17에 나타냈으며, 이는 곡선형 주 채널의 외측 곡선에 가까운 유속이 곡선 주 채널의 내측 곡선에 가까운 유속보다 느리다는 것을 입증한다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 곡선형 주 채널 및 곡선형 수집 채널을 갖는 기기의 개략 평면도이다. 도 18에 도시된 기기(100)는 도 14와 도 16에 도시된 구성을 통합한 것으로 간주될 수 있다. 도 18에 도시된 실시예의 이점은, 선별 대상 세포가 일시적으로 곡선 수집 채널에 저장될 수 있어 주 채널(112)에서 수행되는 선별 프로세스가 중단되지 않고 연속적으로 수행될 수 있다는 것이다. 또한, 기기(100)는 상이한 유형의 세포를 선별하는 데 사용될 수 있다. 게다가, 주 채널(112) 및 수집 채널(116)의 유동은 층류(laminar flow)일 수 있으며, 이는 주 채널(112) 및 수집 채널(116) 내의 유체가 유체의 유동 중에 부 채널(114)로 유입할 수 없어, 불필요한 세포가 주 채널(112)로부터 수집 채널(116)로 유입되는 것을 방지할 수 있고 하고, 반대의 경우도 마찬가지이다. 또한, 곡선형 주 채널(112)의 외측 곡선상의 유속(R1)이 곡선형 주 채널(112)의 내측 곡선상의 유속(R2)보다 느리기 때문에, 곡선형 주 채널(112)과 부 채널(114)의 교차점에서 세포가 선별될 때 가장 선별 프로세스는 효율적일 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 구체적인 실시예 및 적용예를 설명하였지만, 이들 실시예 및 적용예는 예시일 뿐이며, 많은 변형예가 가능하다.

Claims (16)

  1. 이미지 조작 전기력으로 바이오 입자를 선별하는 기기로서,
    제1 전도성 전극을 포함하는 제1 기판;
    제2 전도성 전극을 포함하는 제2 기판 - 상기 제2 전도성 전극은 상기 제1 전도성 전극에 대향하여 배치됨 -;
    상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이에 배치된 유체 채널;
    상기 제1 전도성 전극의 표면과 상기 제2 전도성 전극의 표면 중 적어도 하나의 표면 상에 일치하게(conformally) 배치된 하나 이상의 감광층; 및
    상기 제1 전도성 전극 및 상기 제1 기판에 배치된 주입구 구멍(inlet hole) - 상기 주입구 구멍은 상기 유체 채널에 가까운 제1 개구부(opening)와 상기 유체 채널로부터 떨어진 제2 개구부를 포함하고, 상기 제1 개구부의 표면적은 제2 개구부의 표면적보다 큼 -
    을 포함하는 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기기는,
    상기 제1 전도성 전극 및 상기 제1 기판에 배치된 배출구 구멍(outlet hole)을 더 포함하고, 상기 배출구 구멍은 상기 유체 채널에 인접한 제3 개구부와 상기 유체 채널로부터 떨어진 제4 개구부를 포함하고, 상기 제3 개구부의 표면적은 상기 제4 개구부의 표면적보다 큰, 기기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기기는,
    상기 제1 기판에 배치되고 상기 주입구 구멍의 제2 개구부 및 상기 배출구 구멍의 제4 개구부에 각각 연결되는 둘 이상의 원통형 관통 구멍을 더 포함하는 기기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기기는,
    상기 제2 전도성 전극 및 상기 제2 기판에 배치된 배출구 구멍을 더 포함하고, 상기 배출구 구멍은 상기 유체 채널에 인접한 제3 개구부와 상기 유체 채널로부터 떨어진 제4 개구부를 포함하고, 상기 제3 개구부의 표면적은 상기 제4 개구부의 표면적보다 큰, 기기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 주입구 구멍은 상기 제1 개구부에서 상기 제2 개구부를 향해 서서히 감소하는 가변 단면적을 포함하고, 상기 배출구 구멍은 상기 제3 개구부에서 상기 제4 개구부를 향해 서서히 감소하는 가변 단면적을 포함하는, 기기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 각각 내면을 포함하고, 상기 제1 전도성 전극 및 상기 제2 전도성 전극은 상기 내면에 의해 각각 지지되는, 기기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 감광층 중 하나는 상기 제1 전도성 전극의 표면 상에 일치하게 배치되고, 상기 감광층 중 다른 하나는 상기 제2 전도성 전극의 표면 상에 일치하게 배치되는, 기기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체 채널은 주 채널 및 부 채널을 포함하고, 상기 부 채널의 일단부(one end)는 상기 주 채널에 연결되는, 기기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유체 채널은 곡선형(curved) 주 채널, 및 부 채널을 포함하고, 상기 부 채널의 일단부는 상기 곡선형 주 채널의 정점에 연결되는, 기기.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 유체 채널은 상기 부 채널의 타단부(another end)에 연결된 수집 채널을 더 포함하고, 상기 주 채널의 채널 폭 대 상기 부 채널의 채널 폭의 비율은 1:1내지 10:1 사이이고, 상기 부 채널의 채널 폭 대 상기 수집 채널의 채널 폭의 비율은 1:1 내지 1:10 사이인, 기기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유체 채널은 상기 유체 채널 내부의 이온이 상기 유체 채널 밖으로 확산되도록 구성된 반투성 채널(semipermeable channel)인, 기기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기기는 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치된 중간층을 더 포함하고, 상기 유체 채널은 상기 중간층 내에 배치되고, 상기 중간층은 생체 적합성 재료(biocompatible material)로 이루어지는, 기기.
  13. 제1항의 기기를 작동하는 방법으로서,
    상기 유체 채널은 주 채널 및 상기 주 채널에 연결된 부 채널을 포함하고, 상기 방법은,
    (a) 상기 주입구 구멍을 통해 상기 주 채널에 복수의 바이오 입자를 포함하는 액체를 공급하는 단계;
    (b) 상기 바이오 입자가 상기 주 채널의 선별 영역으로 유동한 경우에 상기 바이오 입자를 식별하는 단계;
    (c) 상기 바이오 입자가 식별된 후에 상기 액체의 유동 속도를 감소시키거나 상기 액체의 유동을 정지시키는 단계;
    (d) 단계 (c) 후에 상기 바이오 입자의 위치를 결정하는 단계;
    (e) 상기 선별 영역 상에 광 구역(light zone)을 조명하는 단계;
    (f) 상기 선별 영역 상에 어두운 구역(dark zone)을 갖는 광 패턴을 조명하는 단계 - 상기 광 패턴은 상기 바이오 입자 중 적어도 하나와 중첩되고, 상기 어두운 구역은 상기 어두운 구역에 인접한 영역의 휘도보다 더 어두운 휘도를 가짐 -; 및
    (g) 상기 광 패턴을 이동시켜 상기 광 패턴과 중첩되는 상기 바이오 입자를 이동시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서, 상기 광 구역의 면적은 상기 주 채널의 면적의 절반보다 크며, 상기 방법은,
    (h) 상기 광 구역이 상기 선별 영역 상에 조명될 때 상기 어두운 구역의 면적을 확장시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 방법은,
    (i) 상기 어두운 구역의 외측 에지가 상기 광 구역의 에지에 도달할 때까지 상기 어두운 구역의 면적을 확장시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 채널은 상기 부 채널에 연결된 수집 채널을 더 포함하고, 상기 방법은,
    (j) 상기 광 패턴과 중첩되는 바이오 입자를 상기 수집 채널로 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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