KR102433675B1 - 입자 여과 장치 및 입자 여과 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 입자 여과 장치는, 회전식 원형 또는 다각형의 랩온어디스크 형상의 입자 여과 장치로서, 시료를 여과하여 입자를 분리하는 여과막, 상기 여과막의 입측면에 연결되고, 상기 여과막의 입측면으로 시료를 공급하는 메인 챔버, 상기 여과막의 출측면에 연결되고, 상기 여과막을 거쳐 입자가 분리된 여과액이 수용되는 출측 챔버, 및 상기 출측 챔버와 연결되고, 상기 여과액이 저장되는 폐액 챔버를 포함하고, 상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하는 제1 유로, 및 상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하되 상기 제1 유로에 비해 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀리 위치하는 제2 유로를 포함한다.

Description

입자 여과 장치 및 입자 여과 방법 {PA RTICLE FILTRATION DEVICE AND METHOD OF PARTICLE FILTRATION}
본 발명은 입자 여과 장치 및 입자 여과 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 시료로부터 입자의 분리 시간을 기존대비 단축할 수 있고, 입자 분리 효율을 높일 수 있도록 자동으로 마중물을 채울 수 있는 입자 여과 장치 및 입자 여과 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 입자를 분리하는 것은 액체 등의 시료에 포함되어 있는 특정한 크기의 고체를 분리하는 것으로서 다양한 산업에 응용되고 있는 기술이다. 이중에서 특히 여과는 여과 매체의 양면에 압력차를 가하여 여과 유체를 통과시키고 여과 매체의 기공보다 큰 입자를 매체 표면에 퇴적시키는 기술이다. 여과는 쉽게 적용이 가능하며 에너지 소비가 적고, 작은 공간을 활용하여 적용 가능하기 때문에 의료, 화학, 환경 및 식품 공업 등 전반적인 분야에서 활용되고 있다.
예를 들어, 상기한 여과 기술을 활용하여 생체 시료를 분리해내고 이를 활용하여 각종 생화학 검사를 수행하는 연구 사례들이 보고되고 있다.
질병을 가지고 있는 환자의 생체유체 내에는 기본적인 혈액 세포들뿐만이 아니라 각종 질병의 지표가 될 수 있는 생체 입자들이 존재한다. 이와 같은 생체 분자들을 선택적으로 분리하고 검출하여 환자의 상태를 진단하고 개인 맞춤형 치료에 활용할 수 있다.
그 중, 대표적인 예로는 혈중 종양 세포(Circulating tumor cell, 이하 CTC라 한다)의 선택적인 분리를 활용한 암 진단이다. CTC는 전이성 암환자의 혈액 내에 분포하는 암세포로, 원발암 조직에서 떨어져 나와 혈류를 따라 이동하다가 다른 조직으로 침투함으로써 암 전이를 유발하는 데 핵심적인 역할을 하는 세포이다. 환자의 혈액 내에 존재하는 CTC의 개수는 암의 진행 정도와 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 이를 포획하여 숫자를 세거나, 포획된 세포들에서 추출한 핵산(DNA, RNA)으로 바이오 마커를 분석하여 분자진단을 하는 것은 암의 진행 상태를 모니터링하고 최선의 치료책을 안전하게 선정할 수 있는 중요한 생체 지표가 될 수 있다.
하지만, CTC는 혈액에 존재하는 다른 혈구 세포와 비교하였을 때 통상 적혈구를 포함한 혈액 세포 1억 개 당 한 개의 비율로 그 수가 매우 희박하다. 따라서 CTC를 중요한 생체 지표로 활용하기 위해서는 매우 정밀하고 정확한 세포 분리 기술이 요구된다.
현재까지 알려져 있는 CTC 분리 방법은 대부분 CTC 표면에 발현되어 있는 생체 분자들과 특이적으로 결합하는 항체를 활용하는 방법이다. 이 항체들을 자성 비드나 특정 표면에 코팅하고 여기에 혈액을 흘려주어 자성 비드 표면이나 측정 표면에 CTC들이 결합하게 하는 방식이다. 그러나, 상기한 종래의 구조들은 CTC의 표면에 발현되는 생체 분자의 종류가 여러 가지이며 그 양도 불균일하여 한계가 있다는 사례가 최근 보고되고 있다.
상기 언급한 한계점을 극복하기 위하여, 마이크로 칩 상에 세포의 물리적 특징에 따른 분리 방법을 접목한 사례도 다수 소개되고 있다. 예를 들어, 암세포와 혈구 세포의 크기 차이로 세포를 포획 및 검출하는 기술이 알려져 있으며, 구체적으로는 표적 생체 입자 또는 세포의 분리를 위한 여과 모듈을 포함한 여과 시스템과 이를 이용한 세포의 여과 방법에 관한 기술이 개시되어 있다.
이러한 여과 과정에서, 분리 효율을 높이기 위하여 필터 출측에 마중물을 적용한 기술 역시 알려져 있다. 그러나, 이 때 마중물을 채우기 위해서는 숙련된 작업자의 숙달된 기술이 필요하기 때문에, 마중물을 채우는데 많은 시간이 소요되고 또한 오류가 발생하는 경우도 종종 일어난다.
본 발명의 배경 기술은 대한민국 특허공개 제10-2016-0060529호(2016.05.30 공개, 발명의 명칭: 입자 여과 장치 및 입자 여과 방법, 마중물을 이용하여 분리 효율을 향상시킨 기술)에 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 보다 효율적으로 입자의 분리를 행할 수 있는 입자 여과 장치 및 입자 여과 방법을 제공하는 것으로서, 구체적으로는 마중물 주입 단계에서의 효율을 향상시키고, 오류를 제거할 수 있는 입자 여과 장치 및 입자 여과 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자 여과 장치는, 회전식 원형 또는 다각형의 랩온어디스크 형상의 입자 여과 장치로서, 시료를 여과하여 입자를 분리하는 여과막, 상기 여과막의 입측면에 연결되고, 상기 여과막의 입측면으로 시료를 공급하는 메인 챔버, 상기 여과막의 출측면에 연결되고, 상기 여과막을 거쳐 입자가 분리된 여과액이 수용되는 출측 챔버, 및 상기 출측 챔버와 연결되고, 상기 여과액이 저장되는 폐액 챔버를 포함하고, 상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하는 제1 유로, 및 상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하되 상기 제1 유로에 비해 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀리 위치하는 제2 유로를 포함한다.
상기 제1 유로 상에서 상기 제1 유로를 개폐하는 제1 밸브를 더욱 포함할 수 있다.
상기 제2 유로 상에서 상기 제2 유로를 개폐하는 제2 밸브를 더욱 포함할 수 있다.
상기 출측 챔버는 상기 제1 유로와 연결되는 제1 벤트 홀 및 상기 제2 유로와 연결되는 제2 벤트 홀을 포함할 수 있다.
상기 메인 챔버와 상기 출측 챔버는, 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀어지는 방향에 수직인 방향에서 상기 여과막을 사이에 두고 각각 상기 여과막의 상부 및 하부에 위치할 수 있다.
상기 폐액 챔버는 상기 여과막에 비해 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀리 위치할 수 있다.
상기 제1 유로는, 상기 출측 챔버에 마중물을 채우기 위한 경로일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자 여과 방법은, 회전식 원형 또는 다각형의 랩온어디스크 형상의 입자 여과 장치를 이용한 입자 여과 방법으로서, 상기 입자 여과 장치는 시료를 여과하여 입자를 분리하는 여과막, 상기 여과막의 입측면에 연결되고, 상기 여과막의 입측면으로 시료를 공급하는 메인 챔버, 상기 여과막의 출측면에 연결되고, 상기 여과막을 거쳐 입자가 분리된 여과액이 수용되는 출측 챔버, 및 상기 출측 챔버와 연결되고, 상기 여과액이 저장되는 폐액 챔버를 포함하고, 상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하는 제1 유로, 및 상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하되 상기 제1 유로에 비해 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀리 위치하는 제2 유로를 포함하며, 상기 메인 챔버에 시료를 주입하여 상기 시료를 여과시키는 단계 이전에, 상기 출측 챔버에 마중물을 채우는 단계를 포함한다.
상기 출측 챔버에 상기 마중물을 채우는 단계는, 상기 메인 챔버에 마중물을 주입하는 단계, 및 상기 제1 유로는 개방하고, 상기 제2 유로는 폐쇄한 상태에서 상기 입자 여과 장치를 회전하여 상기 출측 챔버에 상기 마중물을 채우는 단계를 포함할 수 있다.
상기 시료를 여과시키는 단계는, 상기 메인 챔버에 상기 시료를 주입한 후, 상기 제1 밸브는 폐쇄하고, 상기 제2 밸브는 개방한 상태에서 상기 입자 여과 장치를 회전하여 시료를 여과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 시료를 여과시킨 후, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 모두 개방한 상태에서 상기 입자 여과 장치를 회전하여 상기 출측 챔버로부터 상기 마중물을 제거하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
상기 마중물을 채우는 단계에서의 상기 입자 여과 장치의 회전 속도는, 상기 시료를 여과시키는 단계에서의 입자 여과 장치의 회전 속도보다 더 느릴 수 있다.
상기 마중물을 채우는 단계에 의해, 상기 출측 챔버에서 상기 마중물이 상기 여과막과 접촉하도록 채워질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 입자 여과 장치에서 입자 분리 시, 출측 챔버에 마중물을 채우는 공정을 자동으로 수행함으로써, 숙련된 기술자가 아니더라도 정확하고 효율적으로 마중물을 채울 수 있게 된다. 다시 말해서, 사용자의 숙련도와 무관하게 간단하고 편리하게 마중물을 채운 후, 입자 여과 장치를 동작시킴으로써 기존에 비하여 효율적으로 입자 여과를 행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 여과 장치의 일부를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 입자 여과 장치를 모식화하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 마중물의 작용효과를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입자 여과 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입자 여과 방법에서 마중물이 채워지는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하, 본 실시예는 입자 분리를 위한 시료로써 희소 세포 입자가 포함된 전혈(whole blood)을 생체 시료로 하여, 생체 시료에 포함된 희소 세포 입자인 혈중 종양 세포(CTC)를 여과 분리하는 경우를 예로서 설명한다. 본 발명은 이하 실시예에 한정된 것은 아니며 다양한 시료에서 입자를 여과 방식으로 분리하는 모든 기술에 적용가능하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 여과 장치의 일부를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 입자 여과 장치를 모식화하여 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 입자 여과 장치(100)는 생체 시료를 여과할 수 있는 여과막(40)과, 여과막(40)의 입측면에 연결되고, 여과막(40)의 입측면으로 시료를 공급하는 메인 챔버(10), 여과막(40)의 출측면에 연결되고, 여과막(40)을 거쳐 입자가 분리된 여과액이 수용되는 출측 챔버(30) 및 출측 챔버(30)와 연결되고, 여과액이 저장되는 폐액(waste) 챔버(20)를 포함한다.
메인 챔버(10)는 랩온어디스크 형상의 입자 여과 장치(100)의 중심(C)에 인접하여 배치되고, 여과막(40)의 입측면, 즉 입자 여과 장치(100)의 디스크 형상의 두께 방향에서, 여과막(40)의 상부까지 연장되어 있다. 메인 챔버(10)는 여과막(40)의 입측면에 연결되어 여과막(40)의 입측면으로 생체 시료를 공급한다. 또한, 상기 출측 챔버(30)는 여과막(40)의 출측면에 연결되어 여과막(40)을 거쳐 입자가 분리된 여과물을 수용한다.
여기서, 여과막(40)의 입측면이라 함은 여과막(40)의 양면 중 여과막(40)에 형성된 기공의 입구가 위치한 면으로 생체 시료가 접하는 면을 의미하며, 여과막(40)의 출측면이라 함은 입측면의 반대쪽 면으로 여과막(40)에 형성된 기공의 출구가 위치한 면을 의미한다. 본 실시예의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 입자 여과 장치(100)의 디스크 형상의 두께 방향을 따라 여과막(40)의 상면이 입측면을 이루어 메인 챔버(10)가 여과막(40)의 상부까지 연장되고, 반대쪽인 하면이 출측면을 이루어 출측 챔버(30)가 여과막 하부에 배치된다. 또한, 생체 시료 또는 시료는 입자를 포함하고 있는 상태를 의미하며, 생체 시료 또는 시료가 여과막(40)을 거치면서 입자가 분리된 상태의 용액을 여과물이라 한다.
상기 여과막(40)은 입자 분리를 위해 수많은 기공이 형성되며, 다양한 크기의 입자 분리를 위해 3nm ~ 30mm의 다양한 크기의 기공이 형성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 여과막(40)은 전혈 시료 내에 존재하는 혈중 종양 세포를 포획할 수 있도록 기공의 직경이 5㎛ 내지 10㎛로 형성될 수 있다. 다만, 이는 여과막(40)을 부착할 때 발생할 수 있는 오차를 포함한 것으로서 미세 기공의 직경이 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 분리하고자 하는 입자의 크기에 따라 직경이 다양하게 형성될 수 있다.
여과막(40)은 생체 세포나 무기재료 입자 또는 유기재료 입자 등을 여과할 수 있도록 다양한 소재로 형성될 수 잇다. 예를 들어, 본 실시예의 여과막(40)은 생체 시료에 적용할 수 있도록 생물학적으로 비활성인 소재로 형성될 수 있다. 여과막은 동시에 광학적 투과성을 구비한 소재로 형성될 수 있다. 이를 통해, 상기 여과막(40)을 분리하지 않고도 광학 검출기를 이용하여 희소 세포를 검출할 수 있다.
여과막(40)은 입자 여과 장치(100)에 접착이 용이하도록, 입자 여과 장치(100)의 본체와 동일한 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 입자 여과 장치(100)의 본체 및 여과막(40)이 모두 폴리카보네이트 소재로 형성된 경우, 여과막(40)이 결합될 부위에 소량의 아세톤을 투여하여 접착 부위를 화학적으로 용해함으로써 여과막(40)을 입자 여과 장치(100)의 본체에 접착시킬 수 있다. 이에 따라, 입자 여과 장치(100)의 본체에 여과막(40) 설치 시 발생할 수 있는 구김 현상이나 불완전한 설치로 인한 희소 세포의 누설을 방지할 수 있는 효과가 있다.
다만, 여과막(40)의 접착 방법이 반드시 화학적 접착 방법으로 한정되는 것은 아니며, 열 접착(thermal bonding), 자외선 수지 접착(UV resin bonding), 초음파 접착(ultrasonic bonding) 등의 다양한 접착 방식을 통해 여과막(40)이 비가역적으로 접착될 수 있다.
입자 여과 장치(100)는 중심(C)을 기준으로 회전 가능하도록 디스크 형상의 구조체로 형성될 수 있다. 여과막(40)은 중심(C)으로부터 랩온어디스크로부터 멀어지는 방향으로 이격되어 위치할 수 있다. 또한, 본 실시예의 입자 여과 장치(100)에는 중심부에 회전축이 설치될 수 있도록 입자 여과 장치(100)의 중심을 관통하는 중공이 형성될 수 있다.
입자 여과 장치(100)의 본체는 표면이 생물학적으로 비활성인 동시에 광학적 투과성을 구비한 소재, 예를 들면 폴리스타이렌(polysrene, PS), 폴리 디메틸실록산(poly dimethyl siloxane, PDMS), 폴리 메틸메타크릴레이트(poly methlmethacrylate, PMMA), 폴리아크릴레이트 (polyacrylate), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리싸이클릭 올레핀 (polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimide), 폴리우레탄(polyurethanes) 등의 소재일 수 있다. 이를 통해, 입자 여과 장치(100)의 내부로 생체 시료가 주입될 경우 상기 생체 시료가 입자 여과 장치(100)의 본체와 반응하지 않아 생물학적 안정성을 확보할 수 있는 동시에, 분리된 희소 세포를 입자 여과 장치(100) 외부로 배출시키지 않고도 광학 검출기를 통해 입자 여과 장치(100)의 본체를 투과하여 검출 가능한 장점이 있다.
메인 챔버(10)로 주입된 시료는, 랩온어디스크 형상의 입자 여과 장치(100)를 회전하는 것에 의해, 원심력 방향을 따라 이동하여, 중심(C)으로부터 이격되어 있는 여과막(40)의 입측면 상부로 수용된다. 여과막(40)의 입측면 상부로 이동한 시료는, 입측면 전면에 접촉한다. 시료는 여과막(40)을 통해, 여과막(40)의 하부로 여과된다.
여과막(40)을 거친 여과물은 여과막(40)의 출측면에 마련된 출측 챔버(30)로 이동된다. 이 때, 여과가 이루어지기 이전에 출측 챔버(30)에는, 여과물과 동일한 액체인 마중물이 미리 채워져 있게 된다. 즉, 마중물은 시료에서 입자가 분리된 상태와 동일한 용액, 즉 여과막을 통해 여과되고 나온 여과물과 동일한 용액일 수 있다. 또는 마중물은 분리 대상 입자가 없고 시료나 여과물에 영향을 주지 않는 용액으로, 여과막의 출측면에서 여과막 기공의 모세관 압력을 줄일 수 있는 용액이면 모두 적용 가능하다.
여과막(40)의 출측면에 면하는 출측 챔버(30)에 미리 입자를 포함하지 않는 마중물을 채워주게 되면, 마중물에 의해 여과막(40) 전체 면적이 바로 여과에 활용될 수 있어서 여과 효율을 향상시킬 수 있다.
이에 대해 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 3은 본 실시예에서마중물의 작용효과를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 여과막(40)의 출측면에 면하는 출측 챔버(30)에 입자를 포함하지 않는 마중물(도 3의 음영 부분)을 실시예와 같이 여과가 시작되기 전에 미리 채워두는 것에 의해 여과막(40) 전체에서 고르게 여과가 이루어지게 된다.
즉, 여과막(40)을 이용한 입자 분리는 기본적으로 여과막(40)양면 사이의 압력차를 이용하여 이루어진다. 여과 시에 시료의 액체 성분은 여과막(40)의 기공을 통과하며, 기공보다 큰 입자들은 여과막(40)의 기공을 통과하지 못하고 여과막의 입측면 표면에 퇴적된다. 그런데 이 때, 시료의 용액이 여과막(40)의 기공을 통과하기 위해서는 기공 출구에서 표면장력과 관련된 모세관 압력을 극복해야 한다. 이와 같은 모세관 압력은 표면장력에 비례하고 기공의 크기에 반비례한다. 따라서, 기공이 매우 작은 여과막(40)을 이용한 여과 공정일수록 시료의 액체성분이 기공을 통과하기 위해서는 매우 큰 압력이 필요하게 된다.
도 3에서 비교예는 마중물을 이용하지 않은 것으로, 여과막(40)의 출측면에 위치한 출측 챔버(30)에 마중물이 없이 시료를 여과시킨 상태를 도시하고 있다. 비교예와 같이 마중물이 없는 상태에서는 여과막(40)의 입측면으로 유입된 시료는 여과막(40)의 기공(P)에 걸린 모세관 압력에 의해 시료의 액체 성분이 기공을 통과하지 못하며, 특정 부분(R)의 기공 사이로 액체 성분이 모세관의 힘을 극복하여 흐르게 되면, 이 특정 부분(R)으로만 액체 성분이 여과된다. 이에, 액체 성분이 흐르는 특정 부분에서 유체 흐름 저항이 크게 감소하여, 시료는 계속 특정 부분으로만 흐르게 되고 이 부분에서만 여과가 이루어지게 된다. 따라서 액체 성분이 흐르는 특정 부분에서만 입자 분리가 이루어지게 된다. 결과적으로, 비교예의 경우 여과막(40) 전면에서 여과가 이루어지지 못하고, 특정 부분(R)의 면적만이 입자 분리에 활용될 수 있는 것이다. 이와 같이, 여과막(40)전체 면적이 여과에 활용되지 못함에 따라 여과에 소요되는 시간이 많이 걸리고 여과 효율이 떨어지게 된다.
도 3에서 실시예는 마중물을 이용한 것으로, 여과막(40) 출측면의 출측 챔버(30)에 미리 마중물을 채워 시료를 여과시킨 상태를 도시하고 있다. 실시예와 같이 여과막(40)의 출측 챔버(30)에 마중물이 채워지면 여과막(40)의 출측면은 마중물에 접촉된 상태가 된다. 이 상태에서 여과막(40)의 입측면으로 유입된 시료의 액체 성분은 여과막 기공(P)의 출구에 접촉하고 있는 마중물의 응집력에 의해 모세관의 힘 극복없이 바로 기공을 통과하여 원활하게 흐르게 된다. 상기 마중물은 여과막(40)의 출측면 전면에 접촉하고 있어서, 시료의 액체 성분은 여과막(40)의 입측면 전면에서 기공을 통과하여 흐르게 된다. 이에, 여과막(40)의 전면에서 보다 작은 흐름 저항으로 시료의 액체 성분이 기공을 통과하면서 여과가 이루어지게 된다. 따라서, 여과막 전면에서 여과가 이루어짐으로써 여과막 전체가 여과에 활용되어 여과 시간 및 여과 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 여과막의 기공이 작은 경우에도 보다 작은 압력으로 여과가 이루어질 수 있게 된다.
이와 같이 여과 효율을 높이기 위해서는, 출측 챔버(30)에 미리 마중물을 수용하도록 하는 것이 중요하다. 그런데, 종래에는 이와 같은 마중물의 주입이, 미리 마련된 주입구 등을 통해 사용자가 직접 주입해야만 했다. 그러나 이 경우, 마중물이 폐액 챔버(20)나 입자 여과 장치(100) 내의 다른 부분으로 넘치지 않고 정확하게 주입되도록 하기 위해서는 숙달된 기술이 필요하며, 숙련도가 있는 사용자라 하더라도 작은 실수에 의해 오류가 발생할 가능성이 높다는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에서는, 마중물의 주입을 위해 출측 챔버(30)에 추가로 연결된 마련된 제1 경로(51)에 의해 이러한 오류 발생의 가능성을 줄이고, 마중물을 자동으로 정확하게 채울 수 있다.
이를 위한 본 실시예의 입자 여과 장치(100)는, 출측 챔버(30)와 폐액 챔버(20) 챔버 사이를 연결하는 제1 유로(51) 및 제2 유로(52)를 포함한다. 이 때, 제1 유로(51)는 마중물 주입을 위한 유로로서, 제2 유로(52)에 비해 중심(C)에 더 가깝게 위치한다. 또한, 제1 유로(51) 상에는, 제1 유로(51)를 개폐하는 제1 밸브(61)를 포함하고, 제2 유로(52)상에는 제2 유로(52)를 개폐하는 제2 밸브(62)를 포함한다.
출측 챔버(30)에는, 제1 유로(51)와 연결되는 제1 벤트 홀(vent hole) (31) 및 제2 유로(52)와 연결되는 제2 벤트 홀(32)을 포함한다. 제1 벤트 홀(31)은, 출측 챔버(30)에서, 제2 벤트 홀(32)에 비해, 입자 여과 장치(100)의 중심(C)에 가깝게 위치한다.
마중물은, 메인 챔버(10)에 마중물이 될 액체를 채우고, 제1 유로(51)는 열고, 제2 유로(52)는 제2 밸브(62)에 의해 닫힌 상태에서, 입자 여과 장치(100)를 회전시키는 것에 의해 출측 챔버(30)에 채워질 수 있다. 즉, 메인 챔버(10)에 마중물이 될 액체를 채우고, 제1 유로(51)는 열고, 제2 유로(52)는 제2 밸브(62)에 의해 닫힌 상태에서, 입자 여과 장치(100)를 회전시키면, 원심력에 의해 출측 챔버(30) 내의 공기가 먼저 제1 벤트 홀(31)을 통해 제1 유로(51)를 따라 배기된다. 배기 후 계속해서 원심력이 작용하면, 메인 챔버(10)의 액체는 여과막(40)을 통과한 후 출측 챔버(30)를 채운 다음, 남은 액체는 제1 유로(51)를 통해 폐액 챔버(20)로 빠져나가게 된다. 출측 챔버(30)를 채운 액체, 즉 마중물은 여과막(40)의 출측면에 접하도록 채워진다.
이 때, 제2 유로(52)는 제2 밸브(62)에 의해 닫혀 있기 때문에, 마중물을 채우는 과정에서 제2 유로(52)를 통해 폐액 챔버(20)로 마중물이 넘어가는 일 없이, 제1 유로(51)와 출측 챔버(30)만을 모니터링 하면서 회전을 제어하거나, 사전에 정밀하게 측정된 유속과 경과 시간을 조절하는 것에 의해 용이하게 출측 챔버(30)에 마중물을 채울 수 있다. 즉, 종래에는 손으로 직접 마중물을 채우기 때문에, 이 과정에서 마중물이 출측 챔버(30) 뿐만 아니라 폐액 챔버(20) 등 입자 분리 장치(100)의 다른 부분으로 넘어가서, 마중물이 부족하거나 여과막(40)의 출측면에 접하지 못하게 되는 경우가 종종 발생하였으나, 본 실시예에서는, 회전에 의해 자동으로 마중물이 채워지고 이 때 마중물이 이동하는 하나의 경로만을 열어두기 때문에, 이러한 오류 발생 없이 용이하게 마중물을 채울 수 있다.
이와 같이, 출측 챔버(30)와 폐액 챔버(20)에 연결된 제1 유로(51)와 제2 유로(52)중, 입자 여과 장치(100)의 중심(C)에 보다 가깝게 위치하는 제1 유로(51)는 열고, 멀게 위치하는 제2 유로(52)는 닫은 상태에서 메인 챔버(10)에 마중물을 넣고 회전시키는 것에 의해, 자동으로 출측 챔버(30)를 마중물로 채울 수 있는바, 오류 없이 마중물 채움 공정을 용이하게 행할 수 있다. 따라서 마중물을 이용하는 것에 의해 여과 효율을 향상시킨다는 장점을, 용이하게 누릴 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 여과 장치(100)의 구성에 대하여 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 여과 장치(100)를 이용한 입자 여과 방법을 설명한다.
도 4는 본 실시예에 따른 입자 여과 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5는 본 실시예에 따른 입자 여과 방법에서 마중물이 채워지는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 입자 여과 장치(100)를 이용한 입자 여과 방법은 입자 여과 장치(100)의 메인 챔버(10)에 마중물을 주입하는 단계(S10), 마중물을 출측 챔버(30)에 채우는 단계(S20), 메인 챔버(10)에 시료를 주입하고 회전하여 시료를 여과 시키는 단계(S30) 및 여과 완료 후 출측 챔버(30)에 남아 있는 마중물을 제거하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
입자 여과 장치(100)의 메인 챔버(10)에 마중물을 주입하는 단계(S10)에서는, 메인 챔버(10)에 구비된 주입구를 통하여 마중물이 되는 액체를 주입한다. 액체의 주입량은, 출측 챔버(30)를 채울 수 있는 양과 같거나 그보다 클 수 있다. 마중물이 되는 액체는, 여과하고자 하는 시료에서 입자가 제거된 상태의 액체일 수 있다. 예를 들면, 시료로서, 혈중 종양 세포가 포함된 전혈 시료를 사용하는 경우, 마중물이 되는 액체는 전혈 시료에서 혈중 종양 세포가 제거된 상태의 액체 성분일 수 있다.
마중물을 출측 챔버(30)에 채우는 단계(S20)에서는, 제1 밸브(61)는 열고, 제2 밸브(62)는 닫은 상태에서 입자 여과 장치(100)를 회전시켜서 마중물이 출측 챔버(30)에 채워지도록 한다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 밸브(61)는 열고, 제2 밸브(62)는 닫은 상태에서 입자 여과 장치(100)를 회전시키면, Fc 방향으로 원심력이 작용하게 되고, 메인 챔버(10)에 주입된 마중물이 여과막(40)의 입측면에 도달하게 된다. 계속해서 작용하는 원심력의 압력에 의해, 출측 챔버(30) 내의 공기는 제1 벤트 홀(31)을 통해 배기되고, 배기에 의해 발생한 압력차에 의해 마중물이 출측 챔버(30)를 채우기 시작한다. 마중물이 출측 챔버(30)를 완전히 채우면 회전을 멈추고 이에 의해 마중물이 출측 챔버(30)에서, 여과막(40)의 출측면과 접하도록 채워지게 된다. 이 과정에서, 도 5에 도시된 바와 같이 출측 챔버(30)에서 제1 벤트 홀(31)과 연결된 제1 유로(51)만이 열려 있기 때문에, 다른 부분으로 마중물이 넘치는 일 없이 용이하게 회전에 의해 마중물이 채워질 수 있다.
메인 챔버(10)에 시료를 주입하고 회전하여 시료를 여과시키는 단계(S30)에서는, 메인 챔버(10)에 입자를 포함하는 시료를 주입한 후 회전을 통해 시료를 여과하여 입자를 분리시킨다. 이 단계에서는, 마중물을 주입하기 위해 열어 두었던 제1 밸브(61)는 닫고, 제2 밸브(62)를 연 상태에서 입자 분리 장치(100)를 회전시킨다.
이에 의해, 시료는 여과막(40)의 입측면으로 이동한 뒤, 여과막(40)에 의해 입자와 여과물로 분리되고, 여과막(40)을 통과하나 여과물은 마중물과 섞이며, 제2 경로(52)를 통해 폐액 챔버(20)로 이동한다. 즉, 시료는 여과막(40)의 입측면과 출측면 사이의 압력차에 의해 여과막(40)을 거치며 여과가 이루어진다. 이 때, 분자 크기가 큰 입자는 여과막(40) 기공을 통과하지 못하고 여과막(40) 입측면에 잔류하게 되고, 나머지는 여과막(40)의 기공을 통과하여 여과막(40) 출측면에 마련된 출측 챔버(30)로 이동한다. 이 과정에서, 출측 챔버(30)에 미리 채워져 있는 마중물이 여과막(40)의 기공 출구에서 시료에 대해 응집력을 가하여, 시료에 포함된 여과물이 모세관의 힘 극복 없이도 용이하게 여과막(40)의 기공을 통과할 수 있게 된다.
이 때, 시료를 여과시키는 단계(S30)에서의 입자 분리 장치(100)의 회전 속도는, 마중물을 출측 챔버(30)에 채우는 단계(S20)의 회전 속도보다 빠를 수 있다. 즉, 마중물을 출측 챔버(30)에 채우는 단계(S20)에서는, 입자의 분리가 이루어지는 것이 아니라 단지 마중물을 출측 챔버(30)에 채우기 위한 것이므로, 출측 챔버(30) 내에서의 배기가 일어나면서도, 적절한 시기에 회전을 중지할 수 있을 정도의 속도라면 충분하다. 반면 시료를 여과시키는 단계(S30)에서는 시료의 이동이 원활하게 이루어지고 여과된 입자 및 여과물이 효율적으로 분리될 수 있도록 보다 빠른 회전 속도를 적용할 수 있다.
여과 완료 후 출측 챔버(30)에 남아 있는 마중물을 제거하는 단계(S40)에서는, 제1 및 제2 밸브(61, 62)를 모두 열고 회전시켜서, 출측 챔버(30)에 남아 있는 마중물을 모두 폐액 챔버(20)로 이동시킨다. 이 때, 제1 및 제2 밸브(61, 62)가 모두 열린 상태로 회전시키기는 하나 원심력 방향으로 더 멀리 위치하는 제2 경로(52)를 통해 남아 있는 마중물이 대부분 이동하게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 숙련자가 아니더라도 출측 챔버(30)에 마중물을 자동으로 용이하게 채울 수 있고, 따라서 마중물에 의해 여과 효율을 높이는 동시에 그 과정에서 공정의 정밀도 및 용이성을 향상시킬 수 있다. 또한, 출측 챔버(30)에 연결된 제1 및 제2 경로(51,52)의 제1 밸브(61)와 제2 밸브(62)의 개폐 여부를 적절하게 조합하여 회전시키는 것에 의해 마중물과 시료의 제어를 다양하게 행할 수 있게 된다. 즉, 단지 제1 밸브(61)와 제2 밸브(62)의 개폐 여부를 달리하는 것 만으로, 마중물 및 시료의 이동 방향을 용이하게 제어할 수 있는바, 간단한 조작으로도 공정을 보다 효율적으로 진행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 입자 여과 장치
10: 메인 챔버
20: 폐액 챔버
30: 출측 챔버
40: 여과막
51: 제1 경로
61: 제1 밸브
52: 제2 경로
62: 제2 밸브

Claims (13)

  1. 회전식 원형 또는 다각형의 랩온어디스크 형상의 입자 여과 장치로서,
    시료를 여과하여 입자를 분리하는 여과막,
    상기 여과막의 입측면에 연결되고, 상기 여과막의 입측면으로 시료를 공급하는 메인 챔버,
    상기 여과막의 출측면에 연결되고, 상기 여과막을 거쳐 입자가 분리된 여과액이 수용되는 출측 챔버, 및
    상기 출측 챔버와 연결되고, 상기 여과액이 저장되는 폐액 챔버를 포함하고,
    상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하는 제1 유로, 및 상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하되 상기 제1 유로에 비해 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀리 위치하는 제2 유로,
    상기 제1 유로 상에서 상기 제1 유로를 개폐하는 제1 밸브, 및
    상기 제2 유로 상에서 상기 제2 유로를 개폐하는 제2 밸브를 포함하는 입자 여과 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 출측 챔버는 상기 제1 유로와 연결되는 제1 벤트 홀 및 상기 제2 유로와 연결되는 제2 벤트 홀을 포함하는 입자 여과 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 메인 챔버와 상기 출측 챔버는, 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀어지는 방향에 수직인 방향에서 상기 여과막을 사이에 두고 각각 상기 여과막의 상부 및 하부에 위치하는 입자 여과 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 폐액 챔버는 상기 여과막에 비해 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀리 위치하는 입자 여과 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 유로는, 상기 출측 챔버에 마중물을 채우기 위한 경로인 입자 여과 장치.
  8. 회전식 원형 또는 다각형의 랩온어디스크 형상의 입자 여과 장치를 이용한 입자 여과 방법으로서,
    상기 입자 여과 장치는 시료를 여과하여 입자를 분리하는 여과막,
    상기 여과막의 입측면에 연결되고, 상기 여과막의 입측면으로 시료를 공급하는 메인 챔버,
    상기 여과막의 출측면에 연결되고, 상기 여과막을 거쳐 입자가 분리된 여과액이 수용되는 출측 챔버, 및
    상기 출측 챔버와 연결되고, 상기 여과액이 저장되는 폐액 챔버를 포함하고,
    상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하는 제1 유로, 및 상기 출측 챔버와 상기 폐액 챔버 사이를 연결하되 상기 제1 유로에 비해 상기 랩온어디스크의 중심으로부터 멀리 위치하는 제2 유로를 포함하며,
    상기 메인 챔버에 시료를 주입하여 상기 시료를 여과시키는 단계 이전에,
    상기 출측 챔버에 마중물을 채우는 단계를 포함하고,
    상기 출측 챔버에 상기 마중물을 채우는 단계는,
    상기 메인 챔버에 마중물을 주입하는 단계;
    상기 제1 유로는 개방하고, 상기 제2 유로는 폐쇄한 상태에서 상기 입자 여과 장치를 회전하여 상기 출측 챔버에 상기 마중물을 채우는 단계를 포함하는 입자 여과 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에서,
    상기 시료를 여과시키는 단계는
    상기 메인 챔버에 상기 시료를 주입한 후, 상기 제1 유로를 개폐하는 제1 밸브는 폐쇄하고, 상기 제2 유로를 개폐하는 제2 밸브는 개방한 상태에서 상기 입자 여과 장치를 회전하여 시료를 여과시키는 단계를 포함하는 입자 여과 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 시료를 여과시킨 후,
    상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 모두 개방한 상태에서 상기 입자 여과 장치를 회전하여 상기 출측 챔버로부터 상기 마중물을 제거하는 단계를 더욱 포함하는 입자 여과 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 마중물을 채우는 단계에서의 상기 입자 여과 장치의 회전 속도는, 상기 시료를 여과시키는 단계에서의 입자 여과 장치의 회전 속도보다 더 느린 입자 여과 방법.
  13. 제8항에서,
    상기 마중물을 채우는 단계에 의해, 상기 출측 챔버에서 상기 마중물이 상기 여과막과 접촉하도록 채워지는 입자 여과 방법.
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