KR102369140B1 - An microfluidic device for separating bacteria in blood - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세 유체 구조가 반복되어 상기 혈액 내 혈구 세포 및 상기 혈액 내 박테리아를 분리하는 미세 유체 채널, 상기 미세 유체 채널의 전단에서 상기 혈액을 공급하는 유입구. 상기 미세 유체 채널의 후단에서 상기 분리된 혈구 세포를 유출하는 제1 유출구 및 상기 미세 유체 채널의 후단에서 상기 분리된 박테리아를 유출하는 제2 유출구를 포함하는 미세 유체 소자를 제공한다.The present invention provides a microfluidic channel in which the microfluidic structure is repeated to separate blood cells and bacteria in the blood, and an inlet for supplying the blood from the front end of the microfluidic channel. There is provided a microfluidic device including a first outlet through which the separated blood cells are discharged from the rear end of the microfluidic channel and a second outlet through which the separated bacteria are discharged from the rear end of the microfluidic channel.

Description

혈액 내 박테리아 분리를 위한 미세 유체 소자 {AN MICROFLUIDIC DEVICE FOR SEPARATING BACTERIA IN BLOOD}AN MICROFLUIDIC DEVICE FOR SEPARATING BACTERIA IN BLOOD}

본 개시는 혈액 내 박테리아 분리를 위한 미세 유체 소자에 관한 것이다. 구체적으로 미세 유체 채널을 통해 유체력(유체역학적 힘, hydrodynamic force)를 발생시켜 혈액에서 혈구 세포와 박테리아를 분리하여 추출하는 미세 유체 소자에 관한 것이다.The present disclosure relates to a microfluidic device for the isolation of bacteria in blood. Specifically, it relates to a microfluidic device that separates and extracts blood cells and bacteria from blood by generating a hydrodynamic force (hydrodynamic force) through a microfluidic channel.

패혈증은 혈액 감염으로 장기 기능 장애를 일으키는 질병이다. 패혈증은 혈액이 인체에 침입한 세균에 감염됨으로써 나타나게 되는 전신성 염증반응 증후군이다. Sepsis is a blood infection that causes organ dysfunction. Sepsis is a systemic inflammatory reaction syndrome that occurs when blood is infected with bacteria that invade the body.

패혈증은 혈액 내에 존재하는 병원성 박테리아를 식별(identification)함으로써 진단될 수 있다. Sepsis can be diagnosed by identifying the pathogenic bacteria present in the blood.

병원성 박테리아를 식별(identification)하는 것은 항생제 처방에 있어서 필수적이고, 병원성 박테리아를 식별하기 위해서는 충분한 양의 박테리아가 필요하다. Identification of pathogenic bacteria is essential in prescribing antibiotics, and a sufficient amount of bacteria is required to identify pathogenic bacteria.

임상적으로 박테리아를 식별하기 위해 혈액 배양법을 사용하고 있으며, 충분한 양의 박테리아를 획득하는데 최소 3일 내지 5일이 걸린다. 그러나, 패혈증 환자의 사망률은 시간당 9%씩 증가한다. 패혈증은 빠른 시간 내에 치료하지 않으면 사망가능성이 매우 높다.Blood culture is used clinically to identify bacteria, and it takes at least 3 to 5 days to obtain a sufficient amount of bacteria. However, mortality in sepsis patients increases by 9% per hour. If sepsis is not treated promptly, the risk of death is very high.

따라서, 패혈증에 대한 빠른 진단과 처방이 필요하다. 또한, 최소한의 혈액 배양을 하거나 혈액 배양 없이 빠른 시간 내에 충분한 양의 박테리아를 얻는 방법이 필요하다. Therefore, there is a need for rapid diagnosis and treatment for sepsis. In addition, there is a need for a method for obtaining a sufficient amount of bacteria in a short time with minimal or no blood culture.

출원공개공보: 공개특허 제10-2016-0053741호
공개일자: 2016년 05월 13일Application Publication: Patent Publication No. 10-2016-0053741
Release Date: May 13, 2016

본 개시는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present disclosure aims to solve the above and other problems.

본 개시는 빠른 시간 내에 충분한 양의 박테리아를 획득할 수 있는 미세 유체 소자 및 그 방법의 제공을 목적으로 한다. An object of the present disclosure is to provide a microfluidic device capable of acquiring a sufficient amount of bacteria within a short time and a method thereof.

본 개시는 자력(magnetic force) 또는 음향력(acoustic force)과 같은 외력을 사용하지 않고 혈액 내 박테리아를 분리할 수 있는 미세 유체 소자 및 그 방법의 제공을 목적으로 한다. An object of the present disclosure is to provide a microfluidic device capable of separating bacteria from blood without using an external force such as magnetic force or acoustic force, and a method therefor.

본 개시는 박테리아 검출용 표지(예를 들어, magnetic bead)를 사용하지 않고 혈액 내 박테리아를 분리할 수 있는 미세 유체 소자 및 그 방법의 제공을 목적으로 한다. An object of the present disclosure is to provide a microfluidic device capable of isolating bacteria from blood without using a label (eg, magnetic bead) for detecting bacteria, and a method therefor.

본 개시는 시간당 박테리아를 분리하는 혈액의 양을 증가시켜 패혈증의 진단 시간을 최소하는 미세 유체 소자 및 그 방법의 제공을 목적으로 한다.An object of the present disclosure is to provide a microfluidic device and method therefor that minimize the diagnosis time of sepsis by increasing the amount of blood that separates bacteria per hour.

본 개시의 일 실시 예는 미세 유체 구조가 반복되어 상기 혈액 내 혈구 세포 및 상기 혈액 내 박테리아를 분리하는 미세 유체 채널, 상기 미세 유체 채널의 전단에서 상기 혈액을 공급하는 유입구. 상기 미세 유체 채널의 후단에서 상기 분리된 혈구 세포를 유출하는 제1 유출구 및 상기 미세 유체 채널의 후단에서 상기 분리된 박테리아를 유출하는 제2 유출구를 포함하는 미세 유체 소자를 제공한다.An embodiment of the present disclosure provides a microfluidic channel in which a microfluidic structure is repeated to separate blood cells and bacteria in the blood, and an inlet for supplying the blood from the front end of the microfluidic channel. There is provided a microfluidic device including a first outlet through which the separated blood cells are discharged from the rear end of the microfluidic channel and a second outlet through which the separated bacteria are discharged from the rear end of the microfluidic channel.

본 개시의 실시 예에 따르면, 혈액으로부터 빠른 시간 내에 충분한 양의 박테리아를 획득할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, it is possible to obtain a sufficient amount of bacteria from blood within a short time.

또한, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 자력(magnetic force) 또는 음향력(acoustic force)과 같은 외력을 사용하지 않고 혈액 내 박테리아를 분리함으로써, 고가의 의료 장치를 갖추지 않아도 빠르게 패혈증을 진단할 수 있다.In addition, according to various embodiments of the present disclosure, sepsis can be quickly diagnosed without an expensive medical device by separating bacteria from the blood without using an external force such as magnetic force or acoustic force. there is.

또한, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 박테리아 검출용 표지를 사용하지 않고도 혈액 내 박테리아를 분리함으로써, 전처리 과정이 없어 빠르게 패혈증을 진단할 수 있다. In addition, according to various embodiments of the present disclosure, sepsis can be quickly diagnosed without a pretreatment process by isolating bacteria from the blood without using a marker for detecting bacteria.

또한, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 시간당 박테리아를 분리하는 혈액의 양을 증가시켜 패혈증의 진단 시간을 최소할 수 있다.In addition, according to various embodiments of the present disclosure, it is possible to minimize the diagnosis time of sepsis by increasing the amount of blood that separates bacteria per hour.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 혈액 내 박테리아 분리를 위한 시스템을 나타낸다.
도 2은 본 개시의 일 실시 예에 따른 미세 유체 채널 내의 유체 흐름을 나타낸다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 미세 유체 채널을 나타내는 도면이다.
도 4은 본 개시의 일 실시 예에 따른 미세 유체 채널의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5은 본 개시의 일 실시 예에 따른 미세 유체 채널을 나타내는 도면이다.
도 6는 본 개시의 일 실시 예에 따른 혈액 내 혈구 세포의 흐름을 나타낸다.
도 7는 본 개시의 일 실시 예에 따른 혈액 내 박테리아의 흐름을 나타낸다. 1 shows a system for isolating bacteria from blood according to an embodiment of the present disclosure.
2 illustrates a fluid flow in a microfluidic channel according to an embodiment of the present disclosure.
3 is a diagram illustrating a microfluidic channel according to an embodiment of the present disclosure.
4 is a diagram illustrating a cross-section of a microfluidic channel according to an embodiment of the present disclosure.
5 is a diagram illustrating a microfluidic channel according to an embodiment of the present disclosure.
6 illustrates the flow of blood cells in blood according to an embodiment of the present disclosure.
7 illustrates the flow of bacteria in blood according to an embodiment of the present disclosure.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "part" for components used in the following description are given or mixed in consideration of only the ease of writing the specification, and do not have distinct meanings or roles by themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical spirit disclosed in the present specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present disclosure , should be understood to include equivalents or substitutes.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including an ordinal number such as 1st, 2nd, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 혈액 내 박테리아 분리를 위한 시스템(1)을 나타낸다. 1 shows a system 1 for isolating bacteria in blood according to an embodiment of the present disclosure.

미세 유체 소자(200)는 유체 공급부(100)를 포함할 수 있다.The microfluidic device 200 may include a fluid supply unit 100 .

유체 공급부(100)는 미세 유체 소자(200)의 유입구(201)에 연결되어 미세 유체 채널(203)로 혈액을 공급할 수 있다. 혈액은 패혈증 검사 대상이 되는 환자의 혈액일 수 있다. 혈액은 헤마토크릿(hematocrit, Hct)를 낮추기 위한 솔루션(예를 들어, ALserver'solution)에 20배 희석된 혈액일 수 있다.The fluid supply unit 100 may be connected to the inlet 201 of the microfluidic device 200 to supply blood to the microfluidic channel 203 . The blood may be blood of a patient to be tested for sepsis. The blood may be blood diluted 20-fold in a solution for lowering hematocrit (Hct) (eg, ALserver'solution).

유체 공급부(100)는 유체 공급을 위하여 시린지 펌프(Syringe pump)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니다. 유체 공급부(100)는 정량 펌프를 사용할 수 있으며, 정량 펌프로는 피스톤 펌프, 연동 펌프, 시린지 펌프 등을 사용할 수 있다. The fluid supply unit 100 may use a syringe pump to supply the fluid, but is not limited thereto. The fluid supply unit 100 may use a metering pump, and as the metering pump, a piston pump, a peristaltic pump, a syringe pump, or the like may be used.

또한, 유체 공급부(100)는 소정의 시간당 유체 공급량으로 혈액을 유입구(201)로 주입할 수 있다. 예를 들어, 유체 공급부(100)는 혈액을 100ml/h 내지 120ml/h로 유입구(201)에 주입할 수 있다. Also, the fluid supply unit 100 may inject blood into the inlet 201 at a fluid supply amount per predetermined time. For example, the fluid supply unit 100 may inject blood into the inlet 201 at a rate of 100 ml/h to 120 ml/h.

한편, 유입구(201)는 미세 유체 채널(203)의 전단에서 혈액을 공급할 수 있다. 유입구(201)로부터 주입된 혈액은 미세 유체 채널(203)을 통과할 수 있다.Meanwhile, the inlet 201 may supply blood from the front end of the microfluidic channel 203 . Blood injected from the inlet 201 may pass through the microfluidic channel 203 .

한편, 미세 유채 소자(200)는 유입구(201)부터 유입된 혈액에 존재하는 불순물들을 걸러내기 위한 하나 이상의 필터(202)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 필터(202)는 원통형의 형상으로 미세 유체 소자(200)의 유입구(201)에 배치될 수도 있다. Meanwhile, the micro oilseed device 200 may include one or more filters 202 for filtering out impurities present in the blood flowing in from the inlet 201 . One or more filters 202 may be disposed at the inlet 201 of the microfluidic device 200 in a cylindrical shape.

한편, 미세 유체 채널(203)은 소정의 미세 유체 구조(204, 205)가 반복되어 형성될 수 있다. 미세 유체 채널(203)은 소정의 채널 공간을 포함할 수 있다. 미세 유체 구조가 반복되어 형성된 채널 공간에 혈액이 통과하는 과정에서 혈액 내 혈구 세포 및 혈액 내 박테리아가 분리될 수 있다. Meanwhile, the microfluidic channel 203 may be formed by repeating predetermined microfluidic structures 204 and 205 . The microfluidic channel 203 may include a predetermined channel space. In the process of blood passing through the channel space formed by repeating the microfluidic structure, blood cells and bacteria in the blood may be separated.

도 2은 본 개시의 일 실시 예에 따른 미세 유체 채널을 나타낸다. 2 illustrates a microfluidic channel according to an embodiment of the present disclosure.

미세 유체 채널(203)은 복수의 미세 유체 구조(204, 205) 각각이 반복되어 형성될 수 있다.The microfluidic channel 203 may be formed by repeating each of the plurality of microfluidic structures 204 and 205 .

미세 유체 채널(203)은 혈액의 유동 방향(Y 방향)을 따라 주기적인 간격을 두고 반복되는 복수의 미세 유체 구조(204, 205)를 포함할 수 있다. The microfluidic channel 203 may include a plurality of microfluidic structures 204 and 205 that are repeated at periodic intervals along the blood flow direction (Y direction).

미세 유체 구조(204, 205)는 사다리꼴 형상으로 소정의 채널 공간(208, 209)을 포함할 수 있다.The microfluidic structures 204 and 205 may include predetermined channel spaces 208 and 209 in a trapezoidal shape.

한편, 미세 유체 채널(203)은 소정의 높이의 제1 채널 공간(208)을 포함하는 제1 미세 유체 구조(204)와 제1 미세 유체 구조(204)의 제1 채널 공간의 높이보다 더 큰 높이의 제2 채널 공간(209)을 포함하는 제2 미세 유체 구조(205)가 반복될 수 있다. On the other hand, the microfluidic channel 203 is larger than the height of the first microfluidic structure 204 including the first channel space 208 of a predetermined height and the first channel space of the first microfluidic structure 204 . A second microfluidic structure 205 comprising a second channel space 209 of height may be repeated.

도 3은 도 2의 미세 유체 채널(203)의 기준선(210)을 기준으로 도시된 미세 유체 채널(203)의 단면을 도시한 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a cross-section of the microfluidic channel 203 taken with respect to the reference line 210 of the microfluidic channel 203 of FIG. 2 .

제1 미세 유체 구조(204)에는 약 13 마이크로미터(μm) 높이의 제1 채널 공간(208)이 형성될 수 있다. 또한, 제2 미세 유체 구조(205)에는 제1 채널 공간(208)의 높이보다 약 20 마이크로미터(μm) 더 큰 높이의 제2 채널 공간(209)이 형성될 수 있다. A first channel space 208 having a height of about 13 micrometers (μm) may be formed in the first microfluidic structure 204 . Also, a second channel space 209 having a height greater than that of the first channel space 208 by about 20 micrometers (μm) may be formed in the second microfluidic structure 205 .

한편, 미세 유체 채널(203)은 미세 유체 채널(203)을 통과하는 혈액 내 혈구 세포를 측벽(X 방향)으로 이동시키는 유체력을 발생하도록 반복되는 미세 유체 구조(204, 205)를 포함할 수 있다. 유체력은 항력(drag force), 압력 경도력(pressure gradient force), 양력(lift force) 등을 포함할 수 있다. Meanwhile, the microfluidic channel 203 may include repeated microfluidic structures 204 and 205 to generate a fluid force that moves blood cells in the blood passing through the microfluidic channel 203 to the side wall (X direction). there is. The fluid force may include a drag force, a pressure gradient force, a lift force, and the like.

도 4를 참고하면, 채널 공간의 높이 차가 있는 미세 유체 구조(204, 205)가 반복됨에 따라, 미세 유체 채널(203) 내 유체의 X 축 또는 Z 축의 속도가 변경된다. 이 경우, 미세 유체 채널(203)의 한쪽 벽면으로 미는 힘이 유체에 가해질 수 있다. 따라서, 유체 내 미세 입자들에 한쪽 벽면(X축)으로 미는 힘(유체력)를 가해질 수 있다. Referring to FIG. 4 , as the microfluidic structures 204 and 205 having a height difference in the channel space are repeated, the speed of the X-axis or Z-axis of the fluid in the microfluidic channel 203 is changed. In this case, a pushing force toward one wall surface of the microfluidic channel 203 may be applied to the fluid. Accordingly, a pushing force (fluid force) may be applied to the fine particles in the fluid toward one wall surface (X-axis).

한편, 입자의 사이즈가 커질수록 입자에 대한 유체력이 증가할 수 있다. 유체에 미세 입자가 포함되어 있을 때, 유체 흐름에 의해서 유체가 입자에 가하는 힘의 크기는 미세 입자의 직경 혹은 미세 입자가 받는 면적에 비례한다. Meanwhile, as the size of the particles increases, the fluid force on the particles may increase. When the fluid contains fine particles, the magnitude of the force that the fluid exerts on the particles due to the flow of the fluid is proportional to the diameter of the fine particles or the area that the fine particles receive.

관련하여, 수학식 1은 압력 경도력(pressure gradient force)에 관한 수학식이다. In this regard, Equation 1 is an equation relating to a pressure gradient force.

Figure 112020022642316-pat00001
Figure 112020022642316-pat00001

수학식 1에서

Figure 112020022642316-pat00002
는 압력 경도력(pressure gradient force),
Figure 112020022642316-pat00003
는 유체의 밀도,
Figure 112020022642316-pat00004
는 유체 내 입자의 직경,
Figure 112020022642316-pat00005
는 시간(
Figure 112020022642316-pat00006
)에 따른 유체의 속도(
Figure 112020022642316-pat00007
)의 변화이다. in Equation 1
Figure 112020022642316-pat00002
is the pressure gradient force,
Figure 112020022642316-pat00003
is the density of the fluid,
Figure 112020022642316-pat00004
is the diameter of the particle in the fluid,
Figure 112020022642316-pat00005
is the time (
Figure 112020022642316-pat00006
) according to the velocity of the fluid (
Figure 112020022642316-pat00007
) is a change in

Figure 112020022642316-pat00008
Figure 112020022642316-pat00008

수학식 2에서

Figure 112020022642316-pat00009
는 항력(drag force),
Figure 112020022642316-pat00010
는 유체의 밀도,
Figure 112020022642316-pat00011
는 유체에 대한 입자의 속도,
Figure 112020022642316-pat00012
는 입자의 단면적(cross sectional area),
Figure 112020022642316-pat00013
는 항력 계수(drag coefficient)이다. in Equation 2
Figure 112020022642316-pat00009
is the drag force,
Figure 112020022642316-pat00010
is the density of the fluid,
Figure 112020022642316-pat00011
is the velocity of the particle with respect to the fluid,
Figure 112020022642316-pat00012
is the cross sectional area of the particle,
Figure 112020022642316-pat00013
is the drag coefficient.

따라서, 입자의 직경(

Figure 112020022642316-pat00014
) 또는 입자의 단면적(
Figure 112020022642316-pat00015
)이 커질수록 입자에 대한 유체력이 커진다.Therefore, the particle diameter (
Figure 112020022642316-pat00014
) or the cross-sectional area of the particle (
Figure 112020022642316-pat00015
), the greater the fluid force on the particle.

한편, 혈구 세포의 크기는 박테리아의 크기보다 크다. 예를 들어, 적혈구의 크기는 약 3 내지 7 마이크로미터(μm)이고, 백혈구의 크기는 약 10 내지 12 마이크로미터(μm)이고, 박테리아의 크기는 약 1 내지 2 마이크로미터(μm)이다. 따라서, 혈구 세포가 박테리아보다 더 큰 유체력을 받게 된다. On the other hand, the size of blood cells is larger than that of bacteria. For example, the size of red blood cells is about 3 to 7 micrometers (μm), the size of white blood cells is about 10 to 12 micrometers (μm), and the size of bacteria is about 1 to 2 micrometers (μm). Thus, blood cells are subjected to greater fluid forces than bacteria.

따라서, 미세 유체 채널(203)를 통과하는 혈액에 일정 방향으로 유체력이 작용하면 박테리아보다 크기가 큰 혈구 세포는 유체력의 영향을 받아 해당 방향으로 움직일 수 있다. Accordingly, when a fluid force acts on blood passing through the microfluidic channel 203 in a certain direction, blood cells having a size larger than that of bacteria may move in the corresponding direction under the influence of the fluid force.

도 5를 참고하면, 미세 유체 채널(203)은 미세 유체 구조(204, 205)가 반복되어 혈액의 이동 방향에 X 축 또는 Z 축의 유체력이 가해지도록 하여, 혈액 내 혈구 세포(210) 및 혈액 내 박테리아(211)를 분리할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the microfluidic channel 203 repeats the microfluidic structures 204 and 205 so that the X-axis or Z-axis fluid force is applied to the movement direction of the blood, so that the blood cells 210 and the blood My bacteria 211 can be isolated.

미세 유체 채널(203)은 미세 유체 채널(203)을 통과하는 혈액 내 혈구 세포(210)를 X 축 방향의 측벽(212)으로 이동시키는 유체력을 발생하도록 반복되는 미세 유체 구조(204, 205)를 포함할 수 있다. The microfluidic channel 203 repeats the microfluidic structures 204 and 205 to generate a fluid force that moves the blood cells 210 in the blood passing through the microfluidic channel 203 to the sidewall 212 in the X-axis direction. may include

미세 유체 채널(203)에 채널 공간의 높이가 서로 다른 복수의 미세 유체 구조(204, 205) 각각이 반복되어 형성됨에 따라, 미세 유체 채널(203) 내 혈액의 X 축 또는 Z 축의 유동이 변경된다.As each of the plurality of microfluidic structures 204 and 205 having different heights of channel spaces is repeatedly formed in the microfluidic channel 203 , the X-axis or Z-axis flow of blood in the microfluidic channel 203 is changed .

또한, 미세 유체 채널(203)은 혈액의 유동 방향을 따라 주기적인 간격을 두고 교차하여 복수의 미세 유체 구조(204, 205)가 반복될 수 있다. 미세 유체 구조(204, 205)는 사다리꼴 형상으로 소정의 채널 공간을 포함할 수 있으며, 각각의 채널 공간을 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 이로 인하여, 채널 공간이 높은 쪽의 벽으로 유체력이 작용하며, 혈구 세포(210)의 크기가 박테리아(211)의 크기보다 크기 때문에 혈구 세포가 받는 유체력이 커지면서, 혈구 세포(210)가 미세 유체 채널(203)의 한쪽 벽면으로 이동하여 정렬될 수 있다. In addition, the microfluidic channel 203 may be crossed at periodic intervals along the blood flow direction to repeat the plurality of microfluidic structures 204 and 205 . The microfluidic structures 204 and 205 may include predetermined channel spaces in a trapezoidal shape, and the respective channel spaces may have different heights. Due to this, the fluid force acts on the wall on the higher side of the channel space, and since the size of the blood cells 210 is larger than the size of the bacteria 211, the fluid force received by the blood cells increases, and the blood cells 210 become fine. It can be aligned by moving to one wall of the fluid channel 203 .

한편, 미세 유체 소자(200)는 미세 유체 채널(202)의 후단에서 분리된 혈구 세포를 유출하는 제1 유출구(203)를 포함할 수 있다. Meanwhile, the microfluidic device 200 may include a first outlet 203 for discharging blood cells separated from the rear end of the microfluidic channel 202 .

예를 들어, 유체력에 의해 혈구 세포가 이동한 방향으로 제1 유출구(203)가 형성되는 경우, 제1 유출구(203)로 유출되는 혈액은 제2 유출구(204)로 유출되는 혈액보다 혈구 세포를 다량으로 포함하는 혈액일 수 있다. 따라서, 박테리아와 분리된 혈구세포는 제1 유출구(203)로 유출될 수 있다.For example, when the first outlet 203 is formed in the direction in which the blood cells move by the fluid force, the blood flowing out through the first outlet 203 is more blood cell than the blood flowing out through the second outlet 204 . It may be blood containing a large amount of Accordingly, the blood cells separated from the bacteria may flow out through the first outlet 203 .

또한, 미세 유체 소자(200)는 미세 유체 채널(202)의 후단에서 분리된 박테리아를 유출하는 제2 유출구(204)를 포함할 수 있다. In addition, the microfluidic device 200 may include a second outlet 204 for discharging the separated bacteria from the rear end of the microfluidic channel 202 .

예를 들어, 유체력에 의해 혈구 세포가 이동한 방향에 반대되는 방향에 제2유출구(204)가 형성되는 경우, 제2 유출구(204)로 유출되는 혈액은 제1 유출구(203)로 유출되는 혈액보다 박테리아를 다량으로 포함하는 혈액일 수 있다. For example, when the second outlet 204 is formed in a direction opposite to the direction in which the blood cells are moved by fluid force, the blood flowing out through the second outlet 204 flows out to the first outlet 203 . It may be blood that contains more bacteria than blood.

예를 들어, 박테리아의 크기는 적혈구 세포의 크기보다 작아, 박테리아에 가해지는 항력이 작기 때문에 박테리아는 미세 유체 채널의 한쪽 벽면으로 이동되는 비율이 적다. 따라서, 박테리아를 포함하는 혈액은 비교적 고르게 제1 유출구(203)와 제2 유출구(204)로 흐르게 된다. 따라서, 혈구 세포와 분리된 박테리아는 제2 유출구(204)로 유출될 수 있다.For example, because the size of the bacteria is smaller than the size of the red blood cells, the drag force applied to the bacteria is small, so the rate of movement of the bacteria to one wall of the microfluidic channel is small. Accordingly, the blood containing bacteria flows into the first outlet 203 and the second outlet 204 relatively evenly. Accordingly, the bacteria separated from the blood cells may flow out through the second outlet 204 .

도 6 및 도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 미세 유체 소자를 이용하여 혈액 내 혈구 세포 및 박테리아를 분리한 실험 결과를 나타내는 도면이다.6 and 7 are diagrams illustrating experimental results of isolating blood cells and bacteria in blood using a microfluidic device according to an embodiment of the present disclosure.

실험은 임상 설정을 모방하기 위해, 다양한 유속 하에서 미세 입자 움직임을 연구하는데 대장균이 첨가된 전혈을 사용하였고, 미세 구조를 갖는 미세 유체 채널을 통해 전혈로부터의 대장균 회수 효율을 조사하였다The experiment used E. coli-added whole blood to study microparticle movement under various flow rates to mimic the clinical setting, and the efficiency of E. coli recovery from whole blood was investigated through microfluidic channels with microstructures.

실험에 사용된 혈액 샘플은 헤마토크릿(hematocrit, Hct)를 낮추기 위한 솔루션(예를 들어, Alserver'solution)에 20배 희석된 혈액이다.The blood sample used in the experiment is blood diluted 20-fold in a solution for lowering hematocrit (Hct) (eg, Alserver'solution).

박테리아는 대장균(E.coli)을 이용하였다. 약 12시간 배양하였으며, 형광 염료 염색(fluorescent dyeing)을 한 후에 혈액 샘플과 혼합하였다.As the bacteria, E. coli was used. It was cultured for about 12 hours, and after fluorescent dyeing, it was mixed with a blood sample.

도 6을 참고하면, 혈액 샘플이 유입구(Inlet)으로 유입된 후 미세 유체 채널을 통과하며 유체력을 받는다. 적혈구 세포의 크기는 박테리아의 크기보다 크기 때문에 적혈구 세포에 가해지는 유체력이 박테리아에 가해지는 유체력보다 크다. 따라서, 적혈구 세포는 미세 유체 채널의 벽면으로 이동한다. 적혈구 세포는 한쪽 벽면으로 정렬되고 제1 유출구(Outlet 1)로 흐르게 된다. Referring to FIG. 6 , after the blood sample is introduced into the inlet, it passes through the microfluidic channel and receives a fluid force. Because the size of red blood cells is larger than that of bacteria, the fluid force applied to the red blood cells is greater than the fluid force applied to the bacteria. Thus, red blood cells migrate to the wall surface of the microfluidic channel. Red blood cells are aligned with one wall and flow to the first outlet (Outlet 1).

유체 공급부에 의해 100ml/h의 유속으로 공급되는 혈액 샘플에서 적혈구 세포 제거 효율은 99%가 된다.In a blood sample fed at a flow rate of 100 ml/h by the fluid supply, the red blood cell removal efficiency is 99%.

Figure 112020022642316-pat00016
Figure 112020022642316-pat00016

한편, 도 7을 참고하면, 혈액 샘플이 주입구(Inlet)으로 주입된 후 미세 유체 채널을 통과하며 유체력을 받는다. 적혈구 세포의 크기는 박테리아의 크기보다 크기 때문에 적혈구 세포에 가해지는 유체력이 박테리아에 가해지는 항력보다 크다. 또한, 박테리아의 크기는 적혈구 세포의 크기보다 작아, 박테리아에 가해지는 항력이 작기 때문에 박테리아는 비교적 고르게 제1 유출구(Outlet 1)와 제2 유출구(Outlet 2)로 흐르게 된다. Meanwhile, referring to FIG. 7 , after the blood sample is injected through the inlet, it passes through the microfluidic channel and receives a fluid force. Because the size of red blood cells is larger than that of bacteria, the fluid force on the red blood cells is greater than the drag force on the bacteria. In addition, the size of the bacteria is smaller than the size of the red blood cells, and since the drag force applied to the bacteria is small, the bacteria flow into the first outlet (Outlet 1) and the second outlet (Outlet 2) relatively evenly.

유체 공급부에 의해 100ml/h의 유속으로 공급되는 혈액 샘플에서 박테리아의 회수율(bacteria recovery efficiency)은 65%가 된다.In a blood sample fed by the fluid supply at a flow rate of 100 ml/h, the bacterial recovery efficiency is 65%.

Figure 112020022642316-pat00017
Figure 112020022642316-pat00017

이러한 실험 결과로, 본 개시의 일 실시예로서 미세 유체 소자(200)는 100ml/h의 유속을 갖는 20배 희석된 혈액 샘플로부터의 적혈구 제거 효율은 99%가 되고, 박테리아 회수 효율은 65%가 된다. As a result of these experiments, in the microfluidic device 200 as an embodiment of the present disclosure, the red blood cell removal efficiency from a 20-fold diluted blood sample having a flow rate of 100 ml/h is 99%, and the bacterial recovery efficiency is 65% do.

따라서, 병원체 식별 및 패혈증 진단에 걸리는 시간이 단축될 수 있다. 또한, 패혈증 환자의 생존율을 높이는 데 기여할 수 있다.Accordingly, the time taken for pathogen identification and sepsis diagnosis can be shortened. In addition, it may contribute to increasing the survival rate of sepsis patients.

Claims (6)

혈액 내 박테리아 분리를 위한 미세 유체 소자에 있어서,
미세 유체 구조가 반복되어 상기 혈액 내 혈구 세포 및 상기 혈액 내 박테리아를 분리하는 미세 유체 채널;
상기 미세 유체 채널의 전단에서 상기 혈액을 공급하는 유입구;
상기 미세 유체 채널의 후단에서 상기 분리된 혈구 세포를 유출하는 제1 유출구; 및
상기 미세 유체 채널의 후단에서 상기 분리된 박테리아를 유출하는 제2 유출구를 포함하고,
상기 미세 유체 채널은,
상기 미세 유체 채널을 통과하는 혈액 내 혈구 세포를 상기 미세 유체 채널의 일 측벽으로 이동시키는 유체력을 발생하도록 반복되는 미세 유체 구조를 포함하는,
상기 미세 유체 채널은,
소정의 높이의 제1 채널 공간을 포함하는 제1 미세 유체 구조와 상기 제1 미세 유체 구조의 제1 채널 공간의 높이 보다 더 큰 높이의 제2 채널 공간을 포함하는 제2 미세 유체구조가 반복되는,
상기 제1 미세 유체 구조 및 상기 제2 미세 유체 구조는,
사다리꼴 형상으로 소정의 채널 공간을 포함하는,
미세 유체 소자.In the microfluidic device for the separation of bacteria in blood,
a microfluidic channel in which the microfluidic structure is repeated to separate blood cells in the blood and bacteria in the blood;
an inlet for supplying the blood from the front end of the microfluidic channel;
a first outlet through which the separated blood cells are discharged from the rear end of the microfluidic channel; and
and a second outlet for discharging the separated bacteria from the rear end of the microfluidic channel,
The microfluidic channel is
including a microfluidic structure that is repeated to generate a fluid force that moves blood cells in blood passing through the microfluidic channel to one sidewall of the microfluidic channel,
The microfluidic channel is
A first microfluidic structure including a first channel space having a predetermined height and a second microfluidic structure including a second channel space having a height greater than the height of the first channel space of the first microfluidic structure are repeated ,
The first microfluidic structure and the second microfluidic structure are
Containing a predetermined channel space in a trapezoidal shape,
microfluidic devices. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 미세 유체 채널은,
상기 혈액의 유동 방향을 따라 주기적인 간격을 두고 복수의 미세 유체 구조가 반복되는,
미세 유체 소자.According to claim 1,
The microfluidic channel is
A plurality of microfluidic structures are repeated at periodic intervals along the flow direction of the blood,
microfluidic devices. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 유입구에 연결되어 상기 혈액을 공급하는 하나 이상의 유체 공급부를 더 포함하는,
미세 유체 소자.According to claim 1,
Further comprising one or more fluid supply parts connected to the inlet to supply the blood,
microfluidic devices.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102626812B1 (en) * 2023-05-19 2024-01-18 주식회사 큐리오시스 System and method for automatically separating target object designed not to be exposed to the outside

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101377565B1 (en) 2012-03-27 2014-03-24 한국과학기술원 Apparatus for controlling psoitions of target particles and method thereof

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160053741A (en) 2014-10-29 2016-05-13 광운대학교 산학협력단 Blood separating filter

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101377565B1 (en) 2012-03-27 2014-03-24 한국과학기술원 Apparatus for controlling psoitions of target particles and method thereof

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Rafeie, M., Multiplexing slanted spiral microchannels for ultra-fast blood plasma separation, Lab on a Chip, 2016년, 16권 15호, 페이지 2791-2802*
Wu, Z. 등, Soft inertial microfluidics for high throughput separation of bacteria from human blood cells, Lab on a Chip, 2009년, 9권, 9호, 페이지 1193-1199*
Yuan, D. 등, Sheathless Dean-flow-coupled elasto-inertial particle focusing and separation in viscoelastic fluid, RSC advances, 2017년, 7권, 6호, 페이지 3461-3469*

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102626812B1 (en) * 2023-05-19 2024-01-18 주식회사 큐리오시스 System and method for automatically separating target object designed not to be exposed to the outside

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