KR102374148B1 - Aspiration mediated microliquid patterning method within a microfluidic device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세유체 디바이스에 주입과 흡인을 반복하면서 신속하고 정밀하게 미세유체 패터닝할 수 있는 개방형 미세유체 디바이스 내에서 유체를 패터닝하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법은 서로 다른 높이를 갖고 유체 주입부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조, 레일 구조와 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양액의 주입이 가능한 배양액 저장부를 갖는 챔버부를 포함하여 개방형 구조로 형성되는 미세유체 디바이스를 준비하는 미세유체 디바이스 준비단계, 레일 구조의 유체 주입라인을 통해 유체를 주입하여 레일 구조의 하부에서 배양액 저장부와의 연통라인을 격리하는 레일 구조 유체 충진단계, 그리고 레일 구조에 주입된 유체를 레일 구조의 유체 흡인부를 통해 흡인하며 레일 구조 일부의 하부에 미세유체 패터닝 격벽으로 둘러싸인 빈 공간을 형성하는 미세유체 패터닝 격벽 형성단계를 포함한다.An object of the present invention is to provide a microfluidic patterning method based on suction in a microfluidic device for patterning a fluid in an open microfluidic device capable of rapidly and precisely microfluidic patterning while repeating injection and aspiration into the microfluidic device. . The suction-based microfluidic patterning method in a microfluidic device according to an embodiment of the present invention has a different height and is connected to a rail structure including a fluid injection unit and a fluid suction unit, a rail structure and a lower communication line, and a culture medium for cell culture. A microfluidic device preparation step of preparing a microfluidic device formed in an open structure, including a chamber portion having a culture medium storage unit capable of injection, by injecting a fluid through a fluid injection line of a rail structure with the culture medium storage unit at the lower part of the rail structure A rail structure fluid filling step that isolates the communication line, and the formation of a microfluidic patterning barrier rib that sucks the fluid injected into the rail structure through the fluid suction part of the rail structure and forms an empty space surrounded by the microfluidic patterning barrier at the lower part of the rail structure includes steps.

Description

미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법{ASPIRATION MEDIATED MICROLIQUID PATTERNING METHOD WITHIN A MICROFLUIDIC DEVICE}Aspiration-based microfluidic patterning method in microfluidic devices

본 발명은 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a suction-based microfluidic patterning method in a microfluidic device.

미세유체 디바이스(microfluidic device)는 3차원 세포 공배양을 통한 장기모사칩(organ-on-a-chip) 개발을 포함한 생물, 화학 등 다양한 연구분야에 활용되고 있다. 장기모사칩은 인체의 장기를 구성하는 특징적인 세포들을 배양하여 해당 장기의 및 역학, 생리적 기능을 모방하는 기술이다. 이러한 칩을 이용하여 물리, 화학적 자극에 대한 세포반응 메커니즘을 연구할 수 있고, 신약 개발 중 전임상 단계에서 약물의 성능 및 독성을 평가할 수 있는 모델로 활용될 가능성을 갖고 있다. Microfluidic devices are being used in various research fields such as biology and chemistry, including the development of organ-on-a-chip through three-dimensional cell co-culture. The organ imitation chip is a technology that imitates the organ's, dynamics, and physiological functions by culturing the characteristic cells that make up the organs of the human body. Using such a chip, it is possible to study the mechanism of cellular response to physical and chemical stimuli, and it has the potential to be used as a model to evaluate the performance and toxicity of drugs in the preclinical stage of new drug development.

장기모사칩에서 인체와 유사한 환경을 모사는 데에는 장기를 구성하는 여러 세포의 공배양이 핵심적인 역할을 하는데 미세유체 디바이스 내 구조가 장기와 유사한 세포의 배치를 돕는 역할을 한다. 미세유체 디바이스를 이용한 세포 공배양과 관련하여, 한국특허출원 제10-2012-0040613호는 생체 외 혈관 생성장치를 제공한다. 상기 ‘613 특허는 미세유체 패터닝을 위한 복수개의 미세유체 채널이 특정 간격으로 반복되는 미세 기둥에 의해 분리되며, 상기 미세 기둥 사이의 좁은 틈으로 유체가 쉽게 이동하지 않는 성질을 이용하여 복수개의 미세유체 채널에 각각 다른 세포를 포함한 하이드로젤을 패터닝할 수 있다. 이러한 미세 기둥의 좁은 틈에서의 터짐 압력(bursting pressure)을 이용한 패터닝 방법은 주입 압력이 터짐 압력보다 작아야 하기 때문에 실험자의 숙련도에 따라 패터닝 성공률이 상이하다. 또한 표면이 소수성 성질을 가져야 하기 때문에 일반적으로 PDMS(polydimethylsiloxane)으로 제작되는데 PDMS는 대량생산에 적합하지 않다는 단점이 있다. 이와 같이, 종래 기술에 따른 미세유체 디바이스는 대량생산에 부적합하거나 실험자간 오차가 커 다수의 실험 결과물을 확보하는데 수율 및 효율에 제한이 있다.Co-culture of various cells constituting an organ plays a key role in mimicking an environment similar to the human body in the organ-simulating chip, and the structure within the microfluidic device helps to arrange cells similar to the organ. With respect to cell co-culture using a microfluidic device, Korean Patent Application No. 10-2012-0040613 provides an ex vivo blood vessel generating apparatus. The '613 patent discloses that a plurality of microfluidic channels for microfluid patterning are separated by micropillars that are repeated at specific intervals, and a plurality of microfluidic channels are used by using the property that the fluid does not easily move through the narrow gaps between the micropillars. A hydrogel containing different cells can be patterned in each channel. In the patterning method using the bursting pressure in the narrow gap of these micro-pillars, the patterning success rate is different depending on the skill of the experimenter because the injection pressure must be smaller than the bursting pressure. In addition, since the surface must have hydrophobic properties, it is generally made of polydimethylsiloxane (PDMS), but PDMS has a disadvantage in that it is not suitable for mass production. As such, the microfluidic device according to the prior art is not suitable for mass production or has a large error between experimenters, so that there is a limitation in yield and efficiency in securing a large number of experimental results.

한국특허출원 제10-2012-0040613호Korean Patent Application No. 10-2012-0040613

본 발명은 미세유체 디바이스에 주입과 흡인을 반복하면서 신속하고 정밀하게 미세유체 패터닝할 수 있는 개방형 미세유체 디바이스 내에서 유체를 패터닝하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a microfluidic patterning method based on suction in a microfluidic device for patterning a fluid in an open microfluidic device capable of rapidly and precisely microfluidic patterning while repeating injection and aspiration into the microfluidic device. .

또한, 본 발명의 패터닝 방법을 이용하여 이종 세포의 공동 배양하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a method for co-culturing heterogeneous cells using the patterning method of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법은 서로 다른 높이를 갖고 유체 주입부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조, 레일 구조와 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양액의 주입이 가능한 배양액 저장부를 포함하여 개방형 구조로 형성되는 미세유체 디바이스를 준비하는 미세유체 디바이스 준비단계, 레일 구조의 유체 주입부를 통해 유체를 주입하여 레일 구조의 하부에서 배양액 저장부와 연통라인을 격리하는 유체 충진단계, 그리고 레일 구조 하부에 주입된 유체를 레일 구조의 유체 흡인부를 통해 흡인하여 레일 구조 일부의 하부에 미세유체 패터닝 격벽으로 둘러 싸인 빈 공간을 형성하는 미세유체 패터닝 격벽 형성단계를 포함한다.The suction-based microfluidic patterning method in a microfluidic device according to an embodiment of the present invention has a different height and is connected to a rail structure including a fluid injection unit and a fluid suction unit, a rail structure and a lower communication line, and a culture medium for cell culture. A microfluidic device preparation step of preparing a microfluidic device formed in an open structure including an injectable culture medium storage unit, injecting fluid through the fluid injection unit of the rail structure to isolate the culture medium storage unit and the communication line from the lower part of the rail structure A fluid filling step, and a microfluidic patterning barrier rib forming step of sucking the fluid injected into the lower part of the rail structure through the fluid suction part of the rail structure to form an empty space surrounded by the microfluidic patterning barrier rib in the lower part of the rail structure.

여기서, 레일 구조는 챔버부의 밑면을 기준으로 제1 높이를 갖는 제1 레일, 그리고 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖고 제1 레일의 폭방향 양측에서 제1 채널의 길이방향을 따라 구비되는 제2 레일을 포함할 수 있다. 제1 레일은 길이방향을 따라 양측에 개구부를 갖고 유체 주입부 또는 유체 흡인부로 선택적으로 사용될 수 있다.Here, the rail structure includes a first rail having a first height with respect to the bottom surface of the chamber unit, and a first rail having a second height lower than the first height and provided along the longitudinal direction of the first channel from both sides of the first rail in the width direction. 2 rails may be included. The first rail has openings on both sides along the longitudinal direction and can be selectively used as a fluid injection part or a fluid suction part.

미세유체 패터닝 격벽 형성단계에서 제1 레일 하부에 위치한 유체는 유체 흡인부를 통해 흡인되고 제2 레일에 위치한 유체는 잔류하여 미세유체 패터닝 격벽을 형성하여 결과적으로 제1 레일 하부에 제1 레일과 패터닝 격벽, 바닥 면으로 둘러싸진 채널을 형성할 수 있다. 여기서, 제2 레일 하부의 액체가 흡인되지 않고 제1 레일 하부의 액체만 흡인되도록 하는 조건은 레일 구조 하부에 충진된 액체가 갖는 공기-액체 계면들의 임계 모세관 압력간의 비교를 통해 결정된다.In the microfluidic patterning barrier rib forming step, the fluid located under the first rail is sucked through the fluid suction unit, and the fluid located at the second rail remains to form the microfluidic patterning barrier rib, and as a result, the first rail and the patterning barrier rib under the first rail , it is possible to form a channel surrounded by the bottom surface. Here, the condition for allowing only the liquid under the first rail to be sucked without the liquid under the second rail being sucked is determined through comparison between the critical capillary pressures of the air-liquid interfaces of the liquid filled under the rail structure.

미세유체 디바이스는 적어도 유체와 접하는 면이 친수성 소재로 형성될 수 있다.At least a surface of the microfluidic device in contact with the fluid may be formed of a hydrophilic material.

본 발명의 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 이용하면 레일 구조를 포함한 개방형 미세유체 디바이스에서 레일 구조의 아래에 충분히 주입된 유체가 흡인될 시 모세관력이 강하게 작용하는 부분에만 유체를 패터닝 할 수 있다.If the suction-based microfluidic patterning method in the microfluidic device of the present invention is used in an open microfluidic device including a rail structure, when the sufficiently injected fluid under the rail structure is sucked, the fluid can be patterned only in the portion where the capillary force is strongly applied. can

본 발명의 실시예에 따르면 레일 구조는 챔버부의 하부에 구비된 바닥부로부터 높이 방향을 따라 이격된 길이가 짧은 제2 레일이 상대적으로 바닥부로부터 이격된 길이가 긴 제1 레일을 둘러싸고 있는 형태로 형성되므로, 제1 레일에 위치한 개구부를 통해 유체가 주입되었다 흡인될 시 제2 레일의 아래에만 유체를 패터닝 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the rail structure is in a form in which a second rail with a short length spaced apart from the bottom part provided in the lower part of the chamber in the height direction surrounds the first rail with a relatively long length spaced apart from the bottom part. Therefore, when the fluid is injected and sucked through the opening located on the first rail, the fluid can be patterned only under the second rail.

본 발명의 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 이용하면 파이펫으로 과량의 유체를 흡인한 뒤 여러 개의 미세유체 디바이스에 주입과 흡인을 반복하면서 신속하고 정밀하게 미세유체를 패터닝 할 수 있다. Using the suction-based microfluidic patterning method in a microfluidic device of the present invention, it is possible to rapidly and precisely pattern microfluids while suctioning excess fluid with a pipette and then repeating injection and suction into several microfluidic devices.

또한, 제2 레일이 복수개의 제1 레일을 둘러 싸고 있을 시 개구부의 크기 조절을 통하여 한 번의 하이드로젤 용액의 흡인으로 복수개의 미세유체 채널을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법은 미세유체 디바이스를 이용한 실험의 효율성을 극대화 시킬 수 있으며, 특히 다종 세포의 공배양에 효과적으로 이용될 수 있다.In addition, when the second rail surrounds the plurality of first rails, it is possible to form a plurality of microfluidic channels by one suction of the hydrogel solution by adjusting the size of the opening. Therefore, the suction-based microfluidic patterning method in a microfluidic device of the present invention can maximize the efficiency of an experiment using a microfluidic device, and in particular, can be effectively used for co-culture of multiple cells.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 패터닝을 위한 미세유체 디바이스의 기본 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 미세유체 패터닝에 영향을 미치는 레일 구조의 변수들을 도시한 도면이다.
도 4는 각 계면의 임계 모세관 압력의 상대적인 크기에 따른 패터닝 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 기본 레일 구조에서 앞서 구한 각 계면의 임계 모세관 압력으로 패터닝에 성공하는 이론적 치수 조건(연두색 영역)과 실패하는 이론적 치수 조건(분홍색 영역)을 도시한 도면이다. 초록색 점과 빨간색 표시는 각각 실험적인 성공 및 실패 조건을 나타낸다.
도 6은 한 번의 하이드로젤 용액의 흡인으로 복수개의 미세유체 채널을 형성할 수 있는 개방형 미세유체 디바이스를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 미세유체 디바이스에서 한번의 흡인을 통해 복수개의 미세유체 채널을 형성하는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 혈관 생성 능력 비교를 위한 개방형 미세유체 디바이스를 도시한 도면이다.
도 9는 혈관 생성 능력 비교의 실시 예를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 관심 관찰 영역(region of interest, ROI)의 세포 별 혈관 생성 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 도 10의 이미지 분석을 통한 세포 별 혈관 생성 능력을 정량적으로 도시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating a basic structure of a microfluidic device for microfluidic patterning according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a microfluidic patterning process based on suction in a microfluidic device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating variables of a rail structure affecting microfluidic patterning.
4 is a view showing the patterning result according to the relative magnitude of the critical capillary pressure of each interface.
5 is a diagram illustrating a theoretical dimensional condition (yellow green region) that succeeds in patterning with the critical capillary pressure of each interface obtained earlier in the basic rail structure and a theoretical dimensional condition (pink region) that fails. Green dots and red marks indicate experimental success and failure conditions, respectively.
6 is a diagram illustrating an open microfluidic device capable of forming a plurality of microfluidic channels by one suction of a hydrogel solution.
7 is a diagram illustrating a process of forming a plurality of microfluidic channels through a single suction in the microfluidic device of FIG. 6 .
8 is a diagram illustrating an open microfluidic device for comparison of angiogenesis capability.
9 is a diagram illustrating an embodiment of comparison of blood vessel generating ability.
FIG. 10 is a diagram illustrating a blood vessel generation result for each cell in a region of interest (ROI) of FIG. 9 .
FIG. 11 is a diagram quantitatively illustrating the ability of each cell to generate blood vessels through the image analysis of FIG. 10 .

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, operation, element, component, and/or group. It does not exclude the existence or addition of

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 패터닝 방법을 수행할 수 있는 기본적인 형태의 미세유체 디바이스(100)를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스(100)는 서로 다른 높이를 갖고 유체 주입부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조(120), 레일 구조(120)와 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양액의 주입이 가능한 배양액 저장부(130)를 갖는 챔버부(110)를 포함하여 개방형 구조로 형성될 수 있다. 레일 구조(120)는 챔버부(110)의 외벽을 형성하는 웰 벽과 연결될 수 있다. 웰 벽은 바닥부(112)와 부착되어 레일 구조(120)을 지지하는 기능 및 세포 배양시 배양액을 채울 수 있는 배양액 저장부(130)를 제공할 수 있다. 챔버부(110)와 바닥부(112)는 필요에 따라 일체로 형성될 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스(100)는 적어도 유체와 접하는 면이 친수성 표면을 갖도록 친수성 소재로 형성될 수 있다. 여기서, 유체는 하이드로젤 용액을 포함할 수 있다. 레일 구조(120)는 챔버부(110)의 밑면을 기준으로 제1 높이를 갖는 제1 레일(122), 그리고 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖고 제1 레일(122)의 폭방향 양측에서 제1 레일(122)의 길이 방향을 따라 구비되는 제2 레일(124)을 포함할 수 있다. 레일 구조(120)는 바닥부(112)로부터 이격된 길이가 짧은 제2 레일(124)이 상대적으로 바닥부(112)로부터 이격된 길이가 긴 제1 레일(122)을 둘러싸고 있는 형태로 형성될 수 있다. 레일 구조(120)는 제1 레일(122)을 둘러싼 제2 레일(124)을 포함할 수 있다. 제1 레일(122)은 길이방향을 따라 양측에 개구부(126)를 갖고 유체 주입부 또는 유체 흡인부로 선택적으로 활용될 수 있다. 여기서, 개구부(126)는 제1 개구(126a)와 제2 개구(126b)를 포함할 수 있다. 다만, 제1 개구(126a)와 제2 개구(126b)는 위치상 구분한 것이며, 필요에 따라 제1 개구(126a)와 제2 개구(126b)의 기능은 상호 치환될 수도 있다. 예를 들어, 유체가 유입되거나 흡인되는 개구부(126)를 제1 개구(126a), 공기가 흡인되는 개구부(126)를 제2 개구(126b)로 구분할 수 있다. 따라서, 별도의 한정이 없는 한 어느 하나의 개구부(126)를 통해 유체가 유입될 수 있다. 그리고 어느 하나의 개구부(126)를 통해 유체가 흡인되는 경우, 반대편의 다른 하나의 개구부(126)를 통해 공기가 유입되는 것으로 설명될 수 있다. 이러한 측면에서 제1 레일(122)에 위치한 제1 개구(126a)를 통해 유체가 주입되었다 흡인될 시 제2 레일(124)의 아래에만 유체를 패터닝 할 수 있다. 한편, 제2 레일(124)이 복수개의 제1 레일(122)을 둘러 싸고 있을 시 개구부(126)의 크기 조절을 통하여 한 번의 하이드로젤 용액의 흡인으로 복수개의 빈 공간을 형성할 수 있다. 하이드로젤 용액으로 패터닝 할 경우 복수개의 빈 공간은 하이드로젤 격벽과 제1 레일(122), 바닥부(112)로 둘러 싸인 미세유체 채널을 형성한다. 따라서, 미세유체 디바이스(100)를 이용한 실험의 효율성을 극대화 시킬 수 있다. 특히 다종 세포의 공배양에 효과적으로 이용될 수 있다.1 illustrates a microfluidic device 100 in a basic form capable of performing a microfluidic patterning method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the microfluidic device 100 according to an embodiment of the present invention includes a rail structure 120 having a different height and including a fluid injection unit and a fluid suction unit, and a rail structure 120 and a lower communication line. It may be formed in an open structure including a chamber unit 110 having a culture medium storage unit 130 that is connected and capable of injecting a culture medium for cell culture. The rail structure 120 may be connected to a well wall forming an outer wall of the chamber unit 110 . The well wall is attached to the bottom part 112 to provide a function of supporting the rail structure 120 and a culture solution storage unit 130 capable of filling the culture solution during cell culture. The chamber part 110 and the bottom part 112 may be integrally formed as needed. The microfluidic device 100 according to the embodiment of the present invention may be formed of a hydrophilic material so that at least a surface in contact with the fluid has a hydrophilic surface. Here, the fluid may include a hydrogel solution. The rail structure 120 has a first rail 122 having a first height with respect to the bottom surface of the chamber unit 110 , and a second height lower than the first height from both sides in the width direction of the first rail 122 . A second rail 124 provided along the length direction of the first rail 122 may be included. The rail structure 120 may be formed in such a way that a short second rail 124 spaced apart from the bottom part 112 surrounds the first rail 122 with a relatively long length spaced apart from the bottom part 112 . can The rail structure 120 may include a second rail 124 surrounding the first rail 122 . The first rail 122 has openings 126 on both sides along the longitudinal direction and may be selectively used as a fluid injection unit or a fluid suction unit. Here, the opening 126 may include a first opening 126a and a second opening 126b. However, the first opening 126a and the second opening 126b are separated in terms of location, and the functions of the first opening 126a and the second opening 126b may be substituted if necessary. For example, the opening 126 through which the fluid is introduced or sucked may be divided into the first opening 126a and the opening 126 through which the air is sucked may be divided into the second opening 126b. Accordingly, unless otherwise limited, the fluid may be introduced through any one of the openings 126 . And when the fluid is sucked through one of the openings 126 , it may be described that air is introduced through the other opening 126 on the opposite side. In this aspect, when the fluid is injected and sucked through the first opening 126a located in the first rail 122 , the fluid may be patterned only under the second rail 124 . On the other hand, when the second rail 124 surrounds the plurality of first rails 122 , a plurality of empty spaces may be formed by one suction of the hydrogel solution through size adjustment of the opening 126 . When patterning with a hydrogel solution, a plurality of empty spaces form a microfluidic channel surrounded by the hydrogel partition wall, the first rail 122 , and the bottom part 112 . Therefore, the efficiency of the experiment using the microfluidic device 100 can be maximized. In particular, it can be effectively used for co-culture of multiple cells.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 패터닝 방법의 과정을 순차적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법은 미세유체 디바이스 준비단계(S210), 레일 구조 하부 유체 충진단계(S220), 유체 흡인단계(S230), 그리고 미세유체 패터닝 격벽 형성단계(S240)를 포함한다.2 is a diagram sequentially illustrating a process of a microfluidic patterning method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the microfluidic patterning method based on suction in a microfluidic device according to an embodiment of the present invention includes a microfluidic device preparation step (S210), a rail structure lower fluid filling step (S220), a fluid suction step (S230), And it includes a microfluidic patterning barrier rib forming step (S240).

미세유체 디바이스 준비단계(S210)는 서로 다른 높이를 갖고 유체부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조(120), 레일 구조(120)과 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양액의 주입이 가능한 배양액 저장부(130)를 갖는 챔버부(110)를 포함하여 개방형 구조로 형성되는 미세유체 디바이스(100)를 준비하는 단계이다.In the microfluidic device preparation step (S210), the rail structure 120 having a different height and including a fluid part and a fluid suction part, the rail structure 120 and the lower communication line are connected, and the culture solution for cell culture can be injected. This is a step of preparing the microfluidic device 100 formed in an open structure including the chamber part 110 having the storage part 130 .

레일 구조 유체 충진단계(S220)는 레일 구조(120)의 유체 주입부를 통해 유체를 주입하여 레일 구조(120)의 하부에서 배양액 저장부(130)와의 연통라인을 격리하는 단계이다. The rail structure fluid filling step (S220) is a step of isolating a communication line with the culture solution storage unit 130 from the lower portion of the rail structure 120 by injecting a fluid through the fluid injection unit of the rail structure 120 .

유체 흡인 단계(S230)는 레일 구조(120)에 주입된 유체를 레일 구조(120)의 유체 흡인부를 통해 흡인하는 단계이다. 유체 흡인 단계는 미세유체 패터닝 격벽 형성단계와 하나의 단계로 연속하여 구현될 수 있다. The fluid suction step S230 is a step of sucking the fluid injected into the rail structure 120 through the fluid suction part of the rail structure 120 . The fluid suction step may be continuously implemented in one step with the microfluidic patterning barrier rib forming step.

미세유체 패터닝 격벽 형성단계(S240)는 제1 레일 하부는 비워지고 제 2레일의 하부에 액체가 남아 제1 레일의 하부가 새로운 유로가 될 수 있도록 격벽(140)을 형성하는 단계이다. 미세유체 패터닝 격벽 형성단계(S240)에서 제1 레일(122)에 주입된 유체는 유체 흡인부를 통해 흡인되고 제2 레일(124)에 주입된 유체는 기설정 형상으로 잔류하여 미세유체 패터닝 격벽(140)을 형성할 수 있다. 상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 이용하면 레일 구조(120)를 포함한 개방형 미세유체 디바이스(100)에서 레일 구조(120)의 아래에 충분히 주입된 유체가 흡인될 시 모세관력이 강하게 작용하는 부분에만 유체를 패터닝 할 수 있다. 미세유체 디바이스(100)가 여러 개가 준비된 상태이면 파이펫으로 과량의 유체를 흡인한 뒤 여러 개의 미세유체 디바이스(100)에 유체의 주입과 흡인을 반복하면서 신속하고 정밀하게 미세유체 패터닝을 형성할 수 있다.The microfluidic patterning barrier rib forming step S240 is a step of forming the barrier rib 140 so that the lower portion of the first rail is emptied and the liquid remains under the second rail so that the lower portion of the first rail becomes a new flow path. In the microfluidic patterning barrier rib forming step (S240), the fluid injected into the first rail 122 is sucked through the fluid suction part, and the fluid injected into the second rail 124 remains in a preset shape, so that the microfluidic patterning barrier rib 140 ) can be formed. As described above, using the suction-based microfluidic patterning method in the microfluidic device according to the embodiment of the present invention, in the open microfluidic device 100 including the rail structure 120 , it is sufficiently injected under the rail structure 120 . When the fluid is sucked, the fluid can be patterned only on the part where the capillary force is strongly applied. If several microfluidic devices 100 are in a ready state, after sucking the excess fluid with a pipette, repeat injection and suction of the fluid into several microfluidic devices 100 to form microfluidic patterning quickly and precisely. there is.

제1 레일(122)에 있는 제1 개구(126a)를 통해 유체를 주입하여 레일 구조(120) 아래에 유체를 채운 뒤 흡인하면 빨아들이는 반대편 개구부(126)인 제2 개구(126b)로 공기가 들어오면서 제1 레일(122)의 아래 공간이 비워진다. 좀 더 구체적으로 제2 레일(124) 아래에만 유체가 패터닝 되는 이유를 설명한다. 레일 구조(120)의 아래에 유체를 충분히 채우면 유체-기체 계면은 제2 레일(124) 아래의 측면과 주입하는 제1 개구(126a)의 반대편 제2 개구(126b)에 생성된다. 이후 유체를 흡인하면 유체의 부피가 감소하면서 계면들은 모양을 바꾸다가 각 계면이 가질 수 있는 임계의 모세관 압력을 넘어서면 계면이 이동한다. 모세관 압력은 표면장력계수(γ)와 곡률(κ)의 곱으로 표현되는 영-라플라스 식(Δp=γκ=γ(1/R1+1/R2))으로 계산할 수 있다. 그리고 한 계면이 가질 수 있는 최대의 모세관 압력은 표면에 친수 처리를 했기 때문에 계면이 오목한 모양으로 반원 형태일 때(곡률반경(R)이 가장 작은 때)로 가정할 수 있다. 제2 레일(124) 아래의 측면에서 생기는 계면의 임계 모세관 압력(

Figure 112020015483311-pat00001
)은 수학식 1로 표현할 수 있다.When the fluid is filled under the rail structure 120 by injecting the fluid through the first opening 126a of the first rail 122 and sucked, air is introduced into the second opening 126b, which is the opposite opening 126, which is sucked in. The space below the first rail 122 is emptied as it enters. In more detail, the reason why the fluid is patterned only under the second rail 124 will be described. By sufficiently filling the underside of the rail structure 120 with fluid, a fluid-gas interface is created in the side under the second rail 124 and in the second opening 126b opposite the first opening 126a for injection. Then, when the fluid is sucked, the interfaces change shape as the volume of the fluid decreases, and when the critical capillary pressure that each interface can have is exceeded, the interface moves. Capillary pressure can be calculated by the Young-Laplace equation (Δp=γκ=γ(1/R 1 +1/R 2 )) expressed as the product of surface tension coefficient (γ) and curvature (κ). And the maximum capillary pressure that an interface can have can be assumed when the interface is concave and semicircular (when the radius of curvature (R) is the smallest) because the surface is hydrophilic. Critical capillary pressure at the interface from the side under the second rail 124 (
Figure 112020015483311-pat00001
) can be expressed by Equation 1.

[수학식 1][Equation 1]

Δp=γ(2cos

Figure 112020015483311-pat00002
/h+1/η)Δp = γ(2cos
Figure 112020015483311-pat00002
/h+1/η)

여기서,

Figure 112020015483311-pat00003
는 접촉각, h는 제2 레일(124)의 높이, η는 레일 길이방향의 곡률반경을 나타낸다.here,
Figure 112020015483311-pat00003
is a contact angle, h is a height of the second rail 124, η is a radius of curvature in the longitudinal direction of the rail.

h<<η 이고 친수 표면이기 때문에

Figure 112020015483311-pat00004
~0°이므로 제2 레일(124) 아래의 임계 모세관 압력(
Figure 112020015483311-pat00005
)은 수학식 2로 간략히 표현할 수 있다.Since h<<η and it is a hydrophilic surface,
Figure 112020015483311-pat00004
~0°, so the critical capillary pressure below the second rail 124 (
Figure 112020015483311-pat00005
) can be expressed briefly in Equation (2).

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020015483311-pat00006
Figure 112020015483311-pat00006

같은 논리로 빨아들이는 반대편 개구부(126)에 생기는 계면의 임계 모세관 압력(

Figure 112020015483311-pat00007
)은
Figure 112020015483311-pat00008
으로 표현된다. 이 두 임계 압력의 상대적인 크기에 의해 이동하는 계면이 결정된다.
Figure 112020015483311-pat00009
일 경우 개구부(126)쪽 계면이 이동하면서 제1 레일(122)의 아래쪽에 새로운 계면이 형성된다. By the same logic, the critical capillary pressure at the interface at the opposite opening 126 sucking in
Figure 112020015483311-pat00007
)silver
Figure 112020015483311-pat00008
is expressed as The moving interface is determined by the relative magnitude of these two critical pressures.
Figure 112020015483311-pat00009
In this case, as the interface toward the opening 126 moves, a new interface is formed under the first rail 122 .

제1 레일(122) 아래쪽의 새로운 계면 역시 영-라플라스 식으로 계산될 수 있으며, 제1 레일(122) 아래의 임계 모세관 압력(

Figure 112020015483311-pat00010
)은 수학식 3으로 표현된다.The new interface under the first rail 122 can also be calculated by the Young-Laplace equation, and the critical capillary pressure below the first rail 122 (
Figure 112020015483311-pat00010
) is expressed by Equation (3).

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020015483311-pat00011
)
Figure 112020015483311-pat00011
)

여기서,

Figure 112020015483311-pat00012
은 제1 레일(122)의 폭,
Figure 112020015483311-pat00013
는 제1 레일(122)의 높이를 나타낸다.here,
Figure 112020015483311-pat00012
is the width of the first rail 122,
Figure 112020015483311-pat00013
represents the height of the first rail 122 .

제1 레일(122) 아래의 계면과 제2 레일(124) 아래 측면 계면의 임계 모세관 압력의 상대적 크기에 의해 이동하는 계면이 결정된다.

Figure 112020015483311-pat00014
일때, 제1 레일(122) 아래의 계면이 빨아들이는 개구부(126)까지 이동하여 공기가 빨리기 시작하면 유체의 부피 감소는 종료되고 결국 제2 레일(124)의 아래에만 유체가 남는다.The moving interface is determined by the relative magnitude of the critical capillary pressure of the interface under the first rail 122 and the side interface under the second rail 124 .
Figure 112020015483311-pat00014
At one time, when the interface under the first rail 122 moves to the suction opening 126 and the air starts to speed up, the volume reduction of the fluid ends and the fluid remains only under the second rail 124 .

도 3은 미세유체 패터닝에 영향을 미치는 레일 구조의 변수들을 나타내며 도 4는 각 계면의 임계 모세관 압력의 상대적인 크기에 따른 패터닝 결과를 보여준다. 도 4를 참조하면, 왼쪽 열은 제2 레일(124) 아래의 임계 모세관 압력(

Figure 112020015483311-pat00015
)이 가장 큰 경우로, 제2 레일(124)의 아래쪽에 유체가 계속 남아있는다. 이와는 달리, 가운데 열은 빨아들이는 반대편 개구부(126)에서 기체가 들어오지 못하고 제2 레일(124) 아래의 계면이 이동하면서 패터닝에 실패하는 경우를 나타낸다. 그리고 오른쪽 열은 반대편 개구부(126)에서 기체가 들어오기는 했지만 제1 레일(122) 아래 계면의 임계 모세관 압력이 더 커서 제2 레일(124) 아래의 계면이 이동하여 패터닝에 실패한 경우를 보여준다. 3 shows the parameters of the rail structure affecting microfluidic patterning, and FIG. 4 shows the patterning results according to the relative magnitude of the critical capillary pressure at each interface. Referring to FIG. 4 , the left column shows the critical capillary pressure below the second rail 124 (
Figure 112020015483311-pat00015
) is the largest, and the fluid continues to remain under the second rail 124 . Contrary to this, the middle row indicates a case in which the gas does not enter through the suction opposite opening 126 and patterning fails as the interface under the second rail 124 moves. And, the right column shows a case where gas entered from the opposite opening 126 but the critical capillary pressure at the interface under the first rail 122 was greater, so that the interface under the second rail 124 moved and patterning failed.

도 5는 길이가 5 mm, 폭이 1 mm 인 기본 레일 구조에서 앞서 구한 각 계면의 임계 모세관 압력으로 패터닝에 성공하는 치수 조건과 실패하는 치수 조건을 보여준다. 위 그래프는 제2 레일 아래 측면에 있는 계면과 빨아들이는 반대편 개구부에 있는 계면에서의 패터닝을 위한 치수 조건을 나타낸다.

Figure 112020015483311-pat00016
일 때, 즉,
Figure 112020015483311-pat00017
을 기준으로 이론적 경계가 나누어지고 실제 실험에서는 대체로 만족하는 것을 확인하였다. 아래 그래프는 제2 레일 아래 측면에 있는 계면과 제1 레일 아래에 있는 계면에서의 패터닝을 위한 치수 조건을 나타낸다.
Figure 112020015483311-pat00018
일 때, 즉
Figure 112020015483311-pat00019
)을 기준으로 이론적 경계가 나누어지고 실제 실험에서도 일치하는 경향을 확인하였다.FIG. 5 shows dimensional conditions for successful patterning and failure for patterning with the critical capillary pressure of each interface obtained earlier in the basic rail structure having a length of 5 mm and a width of 1 mm. The graph above shows the dimensional conditions for patterning at the interface at the side under the second rail and at the interface at the opening opposite to the sucking.
Figure 112020015483311-pat00016
When , that is,
Figure 112020015483311-pat00017
It was confirmed that the theoretical boundary is divided based on , and that it is generally satisfactory in the actual experiment. The graph below shows the dimensional conditions for patterning at the interface under the second rail and at the interface under the first rail.
Figure 112020015483311-pat00018
when i.e.
Figure 112020015483311-pat00019
), the theoretical boundaries are divided and the tendency to agree in actual experiments was confirmed.

이러한 디자인 법칙을 활용하면 도 6과 같이 레일 구조에서 한 번의 흡인으로 여러 개의 끊어진 유체 채널을 형성할 수 있다. 도 6은 ‘S’, ‘N’, ‘U’ 모양의 3개의 제1 레일이 직사각형 모양의 제2 레일에 둘러싸여 있는 개방형 미세유체 디바이스이며 빨아들이는 개구부를 제외하고 나머지 개구부의 크기가 S1부터 U1까지 갈수록 작아지는 형태이다. 이러한 구조에서 유체를 레일의 아래에 충분히 채웠다가 빨아들이면 도 7과 같이 개구부가 큰 개구부에서부터 기체가 유입되면서 순차적으로 채널을 형성한다.By utilizing this design rule, as shown in FIG. 6 , several broken fluid channels can be formed by one suction in the rail structure. 6 is an open microfluidic device in which three first rails of 'S', 'N', and 'U' are surrounded by a second rail of rectangular shape. It becomes smaller as it goes up to U1. In this structure, when the fluid is sufficiently filled under the rail and sucked in, a channel is sequentially formed as gas flows in from an opening having a large opening as shown in FIG. 7 .

상기한 바와 같이 미세유체 디바이스 내 흡인 기반의 하이드로젤 패터닝 방법은 임계 모세관 압력의 크기가 작은 계면부터 이동하는 현상을 이용하여 제2 레일의 아래에만 유체를 패터닝할 수 있다. 그리고 하이드로젤 솔루션을 패터닝할 경우 새로운 채널이 형성되어 다른 유체를 주입할 수 있다. 또한 한 번의 흡인으로 여러 개의 채널을 형성할 수 있다.As described above, the suction-based hydrogel patterning method in the microfluidic device can pattern the fluid only under the second rail by using the phenomenon of movement from the interface where the magnitude of the critical capillary pressure is small. And when the hydrogel solution is patterned, a new channel is formed and another fluid can be injected. In addition, multiple channels can be formed with one suction.

이와 같은 패터닝 방법을 이용하여 다종세포의 공배양 실험에 활용한 미세유체 디바이스의 구조도는 도 8과 같다. 도 8을 참조하면, 5 mm x 5 mm 의 바닥부로부터 75 μm 떨어져 있는 제2 레일(low rail)에 바닥부로부터 250 μm 떨어져 있는 4 개의 제1 레일(high rail)이 둘러싸여 있는 형태로, 외곽에 위치한 개구부를 통해 하이드로젤 용액을 주입했다가 흡인하면 4개의 미세유체 채널을 형성할 수 있다. 8 is a structural diagram of a microfluidic device used in a multi-cell co-culture experiment using such a patterning method. Referring to FIG. 8, in a form in which four first rails 250 μm away from the bottom are surrounded by a second rail 75 μm away from the bottom of 5 mm x 5 mm, Four microfluidic channels can be formed by injecting and then aspiration of the hydrogel solution through the opening located in the

도 9는 다종세포 공배양을 통해 여러 세포의 혈관 생성 능력을 비교한 실시 예를 보여준다. 제2 레일의 아래에 혈관 세포를 하이드로젤에 섞어 패터닝하고 패터닝된 하이드로젤 격벽에 의해 생성된 4개의 채널에 혈관 생성 능력을 비교하고자 하는 각각 다른 세포를 하이드로젤에 섞어 주입하여 5일간 배양한 뒤 혈관 세포를 염색하여 이미징하였다. 좌측 상단의 채널에는 폐 섬유아세포(lung fibroblast, LF)를, 우측 상단 채널에는 교모세포종 세포주인 U87MG를, 좌측 하단 채널에는 폐암 세포주인 H1299, 우측 하단 채널에는 세포가 없는 하이드로젤을 주입하였다. 혈관 생성 능력을 비교하고자 하는 세포들이 주입된 채널 주변에 관심 영역(region of interest)을 설정하였다. 9 shows an example in which the angiogenesis ability of various cells is compared through multicellular co-culture. After mixing and patterning the vascular cells with the hydrogel under the second rail, different cells for comparison in the angiogenesis ability are mixed in the hydrogel and cultured for 5 days in the four channels created by the patterned hydrogel barrier. Vascular cells were stained and imaged. Lung fibroblasts (LF) were injected into the upper left channel, the glioblastoma cell line U87MG into the upper right channel, lung cancer cell line H1299 into the lower left channel, and cell-free hydrogel into the lower right channel. A region of interest was set around the channel into which cells to compare the angiogenesis ability were injected.

도 10은 도 9의 관심 관찰 영역(region of interest, ROI)의 세포 별 혈관 생성 결과를 도시한 도면이며, 도 11은 도 10의 이미지 분석을 통한 세포 별 혈관 생성 능력을 정량적으로 도시한 도면이다. 도 10은 여러 세포 별 관심 영역 내의 혈관 생성 결과를 나타낸다. 관심 영역 내의 혈관의 면적을 정량화하여 도 11과 같이 세포 별로 혈관 생성 능력을 비교할 수 있다. FIG. 10 is a diagram illustrating an angiogenesis result for each cell in a region of interest (ROI) of FIG. 9 , and FIG. 11 is a diagram quantitatively illustrating an angiogenesis ability for each cell through the image analysis of FIG. 10 . . 10 shows the results of angiogenesis in a region of interest for each cell. By quantifying the area of blood vessels in the region of interest, as shown in FIG. 11 , the ability to generate blood vessels for each cell can be compared.

본 발명의 실시예에서 제시한 미세유체 패터닝 방법은 레일 구조(120) 아래에 유체를 주입했다 흡인하는 방법을 사용하여 유체가 주입되었다 흡인될 시 제2 레일의 아래에만 유체를 패터닝 할 수 있다. 이러한 미세유체 패터닝 방법은 레일 구조(120)의 아래를 채웠을 때 생성되는 유체-공기 계면들의 상대적인 최대 모세관 압력의 크기에 따라 패터닝 결과가 결정될 수 있다. 유체-공기 계면에서 일반 실험실용 마이크로 파이펫을 사용할 경우 그 파이펫이 가할 수 있는 압력 범위 안에서는 파이펫에 의한 흡인 압력의 영향이 미미하여 최초 주입된 양과 관계 없이 최종적으로는 계면의 역학관계에 의해 일정한 볼륨이 남는다. 반면에 마이크로웰과 결합된 미세유체 채널에 유체를 패터닝 하기 위해 마이크로웰의 내측 모서리에 유체를 주입하여 패터닝했던 방법은 파이펫이 주입하는 유체의 부피가 일정하지 않을 경우 레일 구조에 패터닝 되는 유체의 양도 일정하지 않게 된다. 따라서, 정량의 부피를 주입하여야 하기 때문에 파이펫의 정확도가 떨어질 경우 부피 차이에 따라 하이드로젤 계면의 모양이 달라져 공배양 시 상이한 결과를 얻을 수 있다. 일반 파이펫 사용시 다수의 디바이스에 주입하기 위해서는 정량의 유체를 흡인했다가 주입하는 것을 반복해야 한다. 하지만 본 발명의 실시예에서 사용한 방법은 유체를 과주입하였다가 흡인하여 일정한 양만 남도록 하기 때문에 사용하는 파이펫의 정확도와 관계 없이 일정한 부피의 유체를 패터닝할 수 있다. 이러한 장점 덕분에 다수의 미세유체 디바이스를 채울 수 있는 만큼의 하이드로젤을 흡인한 뒤 각 미세유체 디바이스의 모든 레일 구조(120)에 주입했다 흡인을 반복하여 빠르게 패터닝할 수 있다. 하이드로젤의 특성상 시간이 지남에 따라 점차 경화하고, 이에 따라 성질이 민감하게 달라지기 때문에 신속하게 모든 미세유체 디바이스를 채움으로써 한 동일 실험 내 패터닝된 하이드로젤 간의 물리적 성질의 편차를 최소화할 수 있다.The microfluidic patterning method proposed in the embodiment of the present invention uses a method of injecting and sucking a fluid under the rail structure 120. When the fluid is injected and sucked, the fluid can be patterned only under the second rail. In this microfluidic patterning method, the patterning result may be determined according to the magnitude of the relative maximum capillary pressure of the fluid-air interfaces generated when the rail structure 120 is filled below. In the case of using a general laboratory micropipette at the fluid-air interface, the effect of suction pressure by the pipette is insignificant within the pressure range that the pipette can apply. volume remains. On the other hand, in the method of patterning by injecting a fluid into the inner edge of the microwell to pattern the fluid in the microfluidic channel coupled with the microwell, when the volume of the fluid injected by the pipette is not constant, the volume of the fluid patterned on the rail structure The quantity will not be constant. Therefore, when the accuracy of the pipette is lowered because a quantitative volume must be injected, the shape of the hydrogel interface changes depending on the volume difference, so that different results can be obtained during co-culture. In order to inject a large number of devices when using a general pipette, it is necessary to repeat the suction and injection of a fixed amount of fluid. However, the method used in the embodiment of the present invention can pattern a constant volume of fluid regardless of the accuracy of a used pipette because a certain amount is left by over-injecting and then sucking the fluid. Thanks to these advantages, it is possible to rapidly pattern by suctioning enough hydrogel to fill a number of microfluidic devices, then injecting it into all the rail structures 120 of each microfluidic device and repeating the suction. Due to the nature of the hydrogel, it gradually hardens over time and the properties change sensitively accordingly, so by quickly filling all microfluidic devices, the deviation of physical properties between patterned hydrogels in the same experiment can be minimized.

또한 모서리에 주입하는 방법은 파이펫의 말단을 고정할 수 없기 때문에 일정하지 않은 패터닝 위치, 유체 주입 중 흔들림 등 패터닝의 정확도를 떨어뜨리는 요소들을 갖고 있다. 본 발명의 실시예는 개구부가 정해져 있기 때문에 사용자로 하여금 정확한 패터닝 위치와 유체 주입 및 흡인시 안정성을 제공할 수 있다.In addition, since the injection method at the corner cannot fix the tip of the pipette, it has factors that reduce the accuracy of patterning, such as irregular patterning positions and shaking during fluid injection. In the embodiment of the present invention, since the opening is defined, it is possible to provide a user with an accurate patterning position and stability during fluid injection and suction.

종래 친수성 표면을 활용한 미세유체 패터닝 방법은 마이크로웰의 모서리를 통해 유체를 흘려 보내 결과적으로 레일의 아래쪽에 유체를 패터닝하는 방법이었다. 따라서 미세유체 패터닝을 위해서는 마이크로웰의 내측 모서리 경로가 하나 이상의 폐곡선을 형성하여야 한다. 하지만 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 패터닝 방법은 레일 구조(120)가 마이크로웰의 모서리 경로와 무관하게 위치할 수 있기 때문에 미세유체 디바이스 설계시 구조의 자유도가 더 높다는 장점이 있다.The conventional microfluid patterning method using a hydrophilic surface is a method of patterning the fluid at the bottom of the rail by flowing a fluid through the edge of the microwell. Therefore, for microfluidic patterning, the inner edge path of the microwell must form one or more closed curves. However, the microfluidic patterning method according to the embodiment of the present invention has an advantage in that the degree of freedom of the structure is higher when designing the microfluidic device because the rail structure 120 can be positioned regardless of the edge path of the microwell.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings, and this is also It goes without saying that they fall within the scope of the present invention.

100 ; 미세유체 디바이스 110 ; 챔버부
112 ; 바닥부 120 ; 레일 구조
122 ; 제1 레일 124 ; 제2 레일
126 ; 개구부 126a ; 제1 개구
126b ; 제2 개구 130 ; 배양액 저장부
140 ; 미세유체 패터닝 격벽
100 ; microfluidic device 110 ; chamber part
112 ; bottom 120 ; rail structure
122; first rail 124 ; 2nd rail
126 ; opening 126a; first opening
126b; second opening 130 ; culture medium storage
140 ; microfluidic patterned barrier ribs

Claims (10)

서로 다른 높이를 갖고 유체 주입부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조, 상기 레일 구조와 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양물질의 주입이 가능한 배양액 저장부를 갖는 챔버부를 포함하여 개방형 구조로 형성되는 미세유체 디바이스를 준비하는 미세유체 디바이스 준비단계,
상기 레일 구조의 유체 주입부를 통해 유체를 주입하여 상기 레일 구조의 하부에 액체를 채우는 레일 구조 유체 충진단계, 그리고
상기 레일 구조에 주입된 유체를 상기 레일 구조의 유체 흡인부를 통해 흡인하여 레일 구조 일부의 하부에 패터닝 된 액체 격벽으로 둘러싸인 빈 공간을 형성하는 미세유체 패터닝 격벽 형성단계
를 포함하며,
상기 미세유체 패터닝 격벽을 형성하는 조건은 상기 레일 구조 하부에 주입된 액체의 기체-액체 계면의 상대적인 임계 모세관 압력(Δp)의 크기에 의해 결정되는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
It is formed in an open structure including a rail structure having different heights and including a fluid injection unit and a fluid suction unit, and a chamber unit connected to the rail structure and a lower communication line and having a culture medium storage unit capable of injecting a culture material for cell culture. A microfluidic device preparation step of preparing a microfluidic device,
A rail structure fluid filling step of injecting a fluid through the fluid injection part of the rail structure to fill the lower portion of the rail structure with liquid, and
A microfluidic patterning barrier rib forming step of forming an empty space surrounded by the patterned liquid barrier rib under a part of the rail structure by sucking the fluid injected into the rail structure through the fluid suction part of the rail structure
includes,
The condition for forming the microfluidic patterning barrier rib is a suction-based microfluidic patterning method in a microfluidic device that is determined by the magnitude of the relative critical capillary pressure (Δp) of the gas-liquid interface of the liquid injected under the rail structure.
제1항에서,
상기 레일 구조는
상기 챔버부의 밑면을 기준으로 제1 높이를 갖는 제1 레일, 그리고
상기 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖고 상기 제1 레일의 폭방향 양측에서 상기 제1 레일의 길이방향을 따라 구비되는 제2 레일을 포함하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
In claim 1,
The rail structure is
A first rail having a first height with respect to the bottom surface of the chamber part, and
A suction-based microfluidic patterning method in a microfluidic device comprising a second rail having a second height lower than the first height and provided along a longitudinal direction of the first rail on both sides of the width direction of the first rail.
제2항에서,
상기 제1 레일은
길이방향을 따라 양측에 개구부를 갖고 상기 유체 주입부 또는 상기 유체 흡인부로 선택적으로 활용되는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
In claim 2,
The first rail
A suction-based microfluidic patterning method in a microfluidic device having openings on both sides along the longitudinal direction and selectively used as the fluid injection unit or the fluid suction unit.
제3항에서,
상기 미세유체 패터닝 격벽 형성단계에서 상기 유체 흡인부를 통해 흡인할 시 상기 제1 레일 하부에 위치한 유체는 흡인되고 상기 제2 레일 하부에 위치한 유체는 잔류하여 미세유체 패터닝 격벽을 형성하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
In claim 3,
In the microfluidic patterning barrier rib forming step, when suction is performed through the fluid suction unit, the fluid located under the first rail is sucked and the fluid located under the second rail remains, forming the microfluidic patterning barrier. Suction in the microfluidic device based microfluidic patterning method.
제4항에서,
상기 임계 모세관 압력(Δp)은 수학식 (1)로 표현하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
수학식(1)
Δp=γκ
여기서, γ는 표면장력, κ는 기체-액체 계면의 곡률
In claim 4,
The critical capillary pressure (Δp) is a microfluidic patterning method based on suction in a microfluidic device expressed by Equation (1).
Equation (1)
Δp=γκ
where γ is the surface tension and κ is the curvature of the gas-liquid interface
제5항에서,
상기 제2 레일 아래의 임계 모세관 압력(
Figure 112021112195815-pat00044
)은 수학식 (2)로 표현하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
수학식(2)
Figure 112021112195815-pat00021

여기서
Figure 112021112195815-pat00022
는 접촉각, h는 제2 채널의 높이, η는 채널 길이방향의 곡률반경
In claim 5,
Critical capillary pressure below the second rail (
Figure 112021112195815-pat00044
) is a microfluidic patterning method based on suction in a microfluidic device expressed by Equation (2).
Equation (2)
Figure 112021112195815-pat00021

here
Figure 112021112195815-pat00022
is the contact angle, h is the height of the second channel, η is the radius of curvature in the longitudinal direction of the channel
제5항에서,
상기 개구부의 임계 모세관 압력(
Figure 112021112195815-pat00045
)은 수학식 (4)로 표현하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
수학식(4)
Figure 112021112195815-pat00024

여기서, D는 개구부의 지름
In claim 5,
the critical capillary pressure of the opening (
Figure 112021112195815-pat00045
) is a microfluidic patterning method based on suction in a microfluidic device expressed by Equation (4).
Equation (4)
Figure 112021112195815-pat00024

where D is the diameter of the opening
제5항에서,
상기 제1 레일 아래의 임계 모세관 압력(
Figure 112021112195815-pat00046
)은 수학식 (3)로 표현하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
수학식(3)
Figure 112021112195815-pat00047

여기서, WHR 은 제1 레일의 폭, H 는 제1 레일의 높이
In claim 5,
Critical capillary pressure below the first rail (
Figure 112021112195815-pat00046
) is a microfluidic patterning method based on suction in a microfluidic device expressed by Equation (3).
Equation (3)
Figure 112021112195815-pat00047

Here, W HR is the width of the first rail, H is the height of the first rail
제5항에서,
상기 미세유체 패터닝 격벽을 형성하는 조건은 상기 제2 레일 아래 계면의 임계 모세관 압력(
Figure 112021112195815-pat00030
)이 개구부 계면의 임계 모세관 압력(
Figure 112021112195815-pat00031
)과 상기 제1 레일 아래 계면의 임계 모세관 압력
Figure 112021112195815-pat00032
보다 큰 경우인 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
In claim 5,
The condition for forming the microfluidic patterning barrier rib is the critical capillary pressure (
Figure 112021112195815-pat00030
) is the critical capillary pressure at the interface of the opening (
Figure 112021112195815-pat00031
) and the critical capillary pressure at the interface below the first rail
Figure 112021112195815-pat00032
A larger case, aspiration-based microfluidic patterning method in microfluidic devices.
제1항에서,
상기 미세유체 디바이스는 적어도 상기 유체와 접하는 면이 친수성 소재로 형성되는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.

In claim 1,
In the microfluidic device, at least a surface in contact with the fluid is formed of a hydrophilic material.

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