KR102438219B1 - 지능형 미세 유체 혼합 기기 및 카트리지 - Google Patents

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샤오 팡 섀넌 창
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Abstract

혼합을 위한 "지능형" 기기(10), 미세 유체 칩(50), 및 그것들이 제제를 제조하는데 사용되는 시스템이 제공된다. 미세 유체 칩은 마이크로 채널 및 프로그램 가능한 데이터 구성요소를 포함한다. 이 시스템은 초보 사용자들조차도 RNA, 안티센스, 펩티드 및 저분자에 대한 최적의 제제를 달성하게 한다.

Description

지능형 미세 유체 혼합 기기 및 카트리지
본 발명의 분야는 연구 물질 및 약제를 위한 소용량 혼합 기기이다.
미세 유체 혼합은 정교하고 값 비싼 물질의 손실을 최소화하면서, 핵산, 저분자(small molecules), 단백질 및/또는 펩티드를 효율적으로 캡슐화할 수 있는 나노 입자의 자기 조립(self-assembly)을 촉진하기 위하여, 작은 채널내로 흐르는 유체의 물리학을 포함한다. 결과적인 제형(formulation)은 학술 연구 및 의학적 치료에 유용하다.
Cullis 등의 미국 공개 번호 제20120276209호 및 제20140328759호는 소용량 혼합 기술 및 이를 통해 유도된 새로운 제형을 사용하는 방법을 기술하고 있다. Ramsay 등의 미국 공개 번호 제20160022580호는 소용량 혼합 기술 및 제품을 사용하는 보다 최신의 기술을 기술한다.
최근에는 생물학적 미세 유체 혼합 기기가 설계되어져 왔다. 캐나다, 밴쿠버에 있는 프로시젼 나노시스템스 인코퍼레이티드(Precision NanoSystems Inc.)는 NanoAssemblr™ 브랜드로 그러한 기기를 제조 및 유통한다. 일회용 카트리지 또는 미세 유체 칩(이하 "m-칩")은 이러한 기기 내에서 작동하는 소형화 된 실험실-준비 혼합 플랫폼이다.
현재, m-칩상의 혼합 공정의 제어는 기계 제어 또는 수동 작동 메커니즘을 통해 조작자에 의해 수행된다. 조작 기술자 또는 "사용자"의 지시에 따라 최적의 혼합을 달성하기 위해 최적의 속도로 M-칩의 입구에 시약을 분배한다.
연구자들에 의해 혼합된 유체 성분은 점점 더 복잡하고 가치가 있으며, 핵산, 펩티드 및 저분자 약물을 포함한다. 실험실에서 그리고 개인 맞춤 약물의 경우, 각 약물 및 조직 표적에 대해 어느 지질/계면 활성제/약물 비율 및 입자 크기가 최적인지에 대한 더 많은 이해를 위해서는, 많은 수의 제형을 준비하고 적절한지 확인해야 하며, 그러한 특정 조건하에서 신중하게 추적해야 한다. 또한, M-칩은 너무 작아서 사용자가 깨끗한지 또는 더럽혀졌는지, 자유롭게 흐르는지 또는 막혔는지 여부를 쉽게 판단할 수 없다.
값 비싼 물질의 손실을 절대 최소로 줄이며 사용자의 경험에 관계없이 일관되게 고품질 제형을 가능하게 하는 반자동, 품질-제어 미세 유체 혼합 기기를 필요로 하게 되었다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 혼합을 위한 혼합 기기로서, 상기 혼합 기기는 모터, 펌프, 데이터 송신기/수신기를 포함하는 미세 유체 칩 결합 트레이, 마이크로 컨트롤러, 및 사용자 인터페이스를 구비하는 혼합 기기가 제공된다. 일 실시 예에서, 상기 데이터 송신기/수신기는 RFID 판독기를 포함한다. 다른 실시 예에서, 상기 송신기/수신기는 상기 결합 트레이 상에서의 미세 유체 칩의 정확한 위치를 검출한다.
다른 실시 예에서, 상기 기기는 데이터 구성요소를 포함하는 미세 유체 칩과 관련하여 사용하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서, 상기 혼합 기기 및 미세 유체 칩은 상기 미세 유체 칩이 상기 기기에 결합되고 상기 혼합 기기가 켜질 때 서로 통신한다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 입구, 마이크로 채널, 출구 및 데이터 성분을 포함하는 프로그램 가능한 미세 유체 칩이 제공된다.
청구항 제1항의 미세 유체 칩에 관한 본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 데이터 구성요소는 무선 주파수 식별 태그("RFID")이다. 다른 실시 예에서, 상기 RFID는 정의된 판독 가능 범위를 갖는다. 일부 실시 예에서, 상기 범위는 0 내지 50mm이다. 다른 실시 예에서, 상기 범위는 0 내지 20mm이다. 다른 실시 예에서, 상기 범위는 0 내지 5mm이다. 본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 미세 유체 칩은 제거 가능하게 장착된 매니 폴드 및 커버를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 데이터 구성요소는 상기 혼합 기기의 동작을 지시하며, 상기 혼합 기기에 의해 판독 가능한 저장된 데이터를 포함한다. 다른 실시 예에서, 상기 저장된 데이터는 상기 미세 유체 칩의 히스토리 데이터를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 저장된 데이터는 상기 미세 유체 칩의 타입 또는 목적을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 데이터 구성요소는 혼합 기기에 의해 판독되고, 상기 기기 내에서 마이크로 컨트롤러에 의해 처리되고, 대응하는 메시지는 기기상의 사용자 인터페이스를 통해 사용자에게 전달된다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 데이터 구성요소로부터 판독된 데이터는 상기 혼합 기기가 사용자 인터페이스에 무슨 정보를 전송하는지를 나타낸다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 미세 유체 칩의 데이터 구성요소로부터 판독된 데이터는 상기 사용자 인터페이스로 전송되며 사용자에게 일련의 지시들로 보이는 정보를 포함한다. 다른 실시 예에서, 상기 정보는 사용자에게 일련의 옵션들로 보인다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 데이터 구성요소는 데이터를 수신, 저장 및 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 연구용 치료제를 조제하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 펌프, 데이터 송신기/수신기를 포함하는 미세 유체 칩 결합 트레이, 마이크로 컨트롤러, 메모리 저장 기기 및 그래픽 디스플레이, 상호 교체 가능한 미세 유체 칩을 포함하고, 상기 치료제는 핵산, 펩티드, 단백질 또는 소수성 저분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 양태 및 특징은 첨부 된 도면과 함께 본 발명의 특정 실시 예에 대한 다음의 설명을 검토하면 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 실시 예들을 도시하는 도면들에서,
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 유체 혼합 기기의 사시도이다.
도 2a는 Spark™ 미세 유체 혼합 기기에 사용되는 미세 유체 칩의 일 실시 예를 도시한 사시도이다.
도 2b는 Spark™ 미세 유체 혼합 기기에 사용된 미세 유체 칩의 다른 실시 예를 도시한 사시도이다.
도 2c는 벤치탑(benchtop) 혼합 기기에 사용되는 미세 유체 칩의 일 실시 예의 도면이다.
도 3은 데이터 전송(emitting) 센서 태그 및 데이터 판독기로 들어가고 그것들로부터 나오는 정보의 방향 및 혼합 기기에 의해 취해진 결과적인 동작을 나타내는 흐름도이다. 굵은 선은 프로세스 흐름을 나타내고 가는 선은 데이터 흐름을 나타낸다(화살표는 방향을 나타냄).
도 4a는 M-칩 상의 RFID 태그의 크기 비율(ratio) 및 판독기와 관련된 각각의 데이터 신호 범위를 도시한다. 신호 높이의 판독 가능한 높이 및 범위는 점선으로 표시되며, 기본(underlying) 판독기의 판독 가능한 범위는 긴 직사각형으로 표시된다;
도 4b는 판독기 및 데이터 신호와 관련된 RFID 태그 배치의 다른 실시 예를 도시한 도면이다. 신호 높이의 판독 가능한 높이 및 범위는 점선으로 표시된다.
도 4c는 판독기 및 데이터 신호와 관련된 RFID 태그의 다른 실시 예를 도시한 도면이다. 신호 높이의 판독 가능한 높이와 범위는 점선으로 표시되지만, 실제로는 직사각형이 아니라 타원형이다.
도 5a는 기기의 정면도로서, 미세 유체 혼합 기기의 일 실시 예에 따른 윤곽 내에서 메인 PCB, 마이크로 컨트롤러, 데이터 전송 센서 판독기 및 커넥터의 위치를 도시한다.
도 5b는 도 5a에 도시된 것과 동일한 구성요소의 도면이지만, 기기의 우측면도이다.
도 6은 미세 유체 혼합 기기 내부의 기능 유닛들을 도시한 전기 블록도이다. 구성요소들은 실선으로 표시되고, 기기가 차지하는 공간은 점선으로 표시된다.
도 7은 Spark ™ 미세 유체 혼합 기기에 디스플레이된 그래픽 사용자 인터페이스의 일련의 사진으로서, 이는 인사말 화면, 사용자 제어 모드 1 화면, 미리 정의된 유속 비율 키트(flow rate ratio kits)의 모드 2 화면 및 제형(formulation)이 완료되었음을 나타내는 "완료" 화면을 표시한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 미세 유체 혼합 기기가 제공된다. 미세 유체 혼합 기기는 전면(95)을 갖는 하드 쉘 케이스(85), 스크린 또는 터치 스크린과 같은 그래픽 사용자 인터페이스(90), 시작 버튼(87), M-칩 입구(82) 및 압력 센서를 갖는 플랫폼(115)을 포함한다.
기계적 및 전기적 성분들 및 그 관계를 보여주는 블럭도인 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 기기(100)는 클램프 모터(60), 케이블(70)을 통해 메인 인쇄 회로 기판(메인 "PCB")에 연결된 펌프 모터(62)를 수용한다. 메인 PCB(340)는 펌프(들) 뒤의 기기(100)의 후방 근처의 하드 쉘 케이스(85) 내부의 공간을 차지한다. 또한, 전원 스위치 및 잭(64) 및 전원(65)이 케이블(70)을 통해 PCB(340)에 연결된다. 하나 이상의 독립적인 입구 펌프(도시되지 않음) 및 m-칩 결합 클램프 및 결합 씰(seal, 도시되지 않았지만, 시작 시에 그 하부가 m-칩 상에 결합됨)이 모터(62, 60)에 기계적으로 연결된다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시 예에서 메인 PCB(340), 마이크로 컨트롤러(300) 및 커넥터(112)의 위치를 도시하는 기기(100)의 정면도 및 측 단면도이다. 도 5b에는 판독기(110) 및 커넥터(112)의 위치가 도시되어 있다.
커넥터(112)는 m-칩 입구(82)와 관련된 LED를 작동시킨다. 커넥터(112)에는 또한 카트리지 스위치(67) 및 시작 스위치(66)가 연결된다. 카트리지 스위치(67)는 판독기(110)에 결합된다. 시작 스위치(66)는 시작 버튼(87)에 결합된다.
커넥터(112)는 제2의 PCB기판일 수 있다.
커넥터(112)는 통상적으로 플랫폼(115) 아래 기기(100)의 베이스 내에 위치한다. 이제, 도 5a를 참조하면, 구성요소의 일반적인 위치가 기기(100)의 윤곽 측면에서 정면으로부터 도시된다. 판독기(110)는 m-칩 입구(82) 아래에 도시되어있다.
온/오프 전원 스위치는 양호한 실시 예에서 기기(100)의 후방에 위치한다.
데이터 전송 센서(20)는 프로세스를 수행하기 위하여 기기(100) 판독기(110)와 상호 작용하여, 사용 여부와 상관없이 카트리지를 체크하고, 카트리지가 기기(100)와 호환 가능한지 아닌지를 사용자에게 알리고, 레시피를 로딩하고, 사용자에게 확인을 촉구하고, 사용자가 예라고 하면 프로세스를 실행하고, 성공 또는 에러 결과를 나타내고, 태그에 대한 사용 데이터를 기록한다.
마이크로 컨트롤러(300)(예를 들어, http://www.canadarobotix.com, www.BC-Robotics.com, https://www.buyapi.ca 등을 포함하는 임의의 로봇 벤더로부터 입수할 수 있는 AtmelTM ATmega2560TM 마이크로 컨트롤러와 같은 마이크로 컨트롤러)는 다른 구성요소로의 그리고 다른 구성요소로부터의 명령 및 피드백을 조정 및 제어한다. 실시 예에서, 마이크로 컨트롤러(300)는 실제 객체를 감지하고 제어할 수 있는 디지털 디바이스 및 대화형 객체를 구축하는데 사용되는 단일 보드 마이크로 컨트롤러이다. 메인 PCB(340)는 다른 구성요소로 그리고 다른 구성요소로부터 명령 및 피드백을 전달 및 수신한다. 마이크로 컨트롤러(300)는 일반적으로 PCB(340)의 전방에 그리고 기기 전면(95) 뒤에 배치된다.
바람직한 실시 예에서는 하나 또는 두 개의 모터가 구비된다. 이들은 단지 도 6의 블럭도에 도시된다. 클램프 모터(60)는 독립적인 입구 펌프를 입구(55) 또는 m-칩(50)의 결합된 덮개 위로 하강시키도록 작용한다. 펌프 모터(62)는 펌프 플런저 또는 피스톤을 규정된 속도로 움직인다. 바람직한 실시 예에서, 펌프 메커니즘(들)은 후술하는 바와 같이 정확하게 안착된 m-칩(50)을 통해 제어된 압력 하에서 임펠 유체를 펌핑하는 직접적인 펌프이다. 스텝 당 선형 이동은 모터의 가장 중요한 사양이다. 클램프 모터(60)는 0.0003125"/스텝(0.0079mm/스텝)의 값을 가지며, 펌프 모터(62)는 0.00125"/스텝(0.0317mm/스텝)이다.
데이터 구성요소
본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 도시된 실시 예에 의해 예시 된 바와 같이, 본 발명에 따른 m-칩(50)이 제공된다.
m-칩(50)은 강성 또는 반-강성 플라스틱, 금속 또는 유리와 같은 고체 재료이며, 입구(55), 마이크로 혼합 기하 구조를 갖는 마이크로 채널, 출구(45) 및 데이터 구성요소(20)을 갖도록 제조된다. m-칩(50)은 클램프가 클램프를 제 위치에 고정시키고 클램프가 입구 펌프(도시되지 않음)를 입구(55)에 밀봉할 수 있도록 하기 위한 강도 및 표면을 가지며, 일부 실시 예에서는 시약이 입구(55)에 첨가된 후 m-칩(50) 상에 놓여지는 맞춤 결합된 뚜껑 형태이다. 일부 실시 예에서, m-칩은 안정성 및 사용자 조작을 위해 측면 플랜지(52)를 갖는다. 이들은 m-칩의 동작에 필수적인 것은 아니지만, 사용자 편의를 위해 추가된다. 기기(100)내에 정확하게 위치될 때, m-칩(50) 마이크로 채널은 양의 변위를 통해, 또는 m-칩(50) 내에 통합된 입구(55)[도 2a에 예시적으로 도시됨]의 제어된 가압에 의해 입구(55)로부터 마이크로 채널로의 시약의 흐름을 유도하는 기구 펌프(들)에 수압식으로 연결된다.
상기 언급된 바와 같이, 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 m-칩(50)은 바람직한 실시 예에서, 유체 성분들을 분액하기 위한 2개의 웰(well)을 갖는 입구(55)와, 적어도 하나의 출구(45)를 포함한다. 혼합을 위한 유체 성분들은 지질, 계면 활성제, 제형을 위한 수용성 및 불용성 물질, 완충제 및 부형제를 포함한다. 조작자 또는 기기는 출구(45)로부터 결과적인 혼합물을 적절한 모든 용기내로 끌어 당겨 넣는다.
유압식 기계
주사기 펌프가 일 실시 예에서 입구당 하나씩 사용된다. 일부 실시 예에서, 2개의 입구(55)가 존재하며, 각각의 입구(55)로부터의 시약이 개별적으로 (예를 들어, 상이한 속도로) 구동되도록 별도의 펌프에 의해 결합된다.
마이크로 채널은 1mm 미만의 수력학적 직경을 가진 채널로 정의된다. "혼합 기화학적 구조"는 당 업계에 공지되어 있으며, 헤링 본(herringbone) 및 마이크로 채널의 다른 패턴을 포함하며, 그 예는 미국 특허 공보 제US20120276209A1호, 제US20160214103A1호, 제US20160235688A1호 및 PCT 공개 공보 제WO2016138175A1호에 개시되어있다. 일부 실시 예에서, 데이터 구성요소(20)는 m-칩(50) 내의 태그 요홈(tag recess, 25)에 놓여져서 탬 퍼링 또는 파손의 위험을 감소시킨다. "혼합"은 둘 이상의 재료들이 혼합되는 모든 작용을 포함하는 의미이다.
데이터 전송 센서
데이터 전송 센서(20)는 m-칩(50)에 내장되거나 부착되고, 민감한 범위(80)를 가지며, 데이터 수신기(110)와 상호 작용한다. 데이터 전송 센서를 위한 소소들은 온라인 상의 모든 전자 장치 벤더들이다. 데이터 전송 센서(20)는 간단한 컴퓨터 언어를 사용하여 프로그래밍되고, 일부 실시 예에서는 손으로 m-칩(50)에 설치된다. 다른 실시 예에서, 데이터 전송 센서(20)는 m-칩내에 제조되고, 제조 후에 프로그래밍 된다. 다른 실시 예에서, 데이터 전송 센서(20)는 미리 프로그램되고, 그 후에 m-칩 내로 제조된다.
바람직한 실시 예에서, 데이터 전송 센서(20)는 RFID 태그이다.
일반적으로, RFID 태그 또는 무선 주파수 식별 태그는 송신기 및 수신기와 함께 내장된다. 데이터 전송 센서(20)의 실시 예에 따른 RFID 구성요소는 정보를 저장하고 처리하는 칩 및 신호를 수신하고 전송하는 안테나를 갖는다. 이 태그는 특정 m-칩(50)에 대한 고유 일련 번호를 인코딩하며, 특정 특성이 프로그램 될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예에서 사용되는 데이터 전송 센서(20)는 판독기의 전파 에너지를 사용하여 저장된 데이터를 판독기(110)로 다시 릴레이한다는 점에서 수동형이다. 다른 실시 예에서, 전력 공급형 RFID 태그는 정보의 릴레이에 전력 공급하는 소형 배터리를 내장한다.
조작기기(100) 내에 통합된 판독기(110)의 윤곽과 관련하여, 데이터 전송 센서(20)와 미세 유체 혼합 기기와의 상호 작용은 도 4a, 4b 및 4c에 일반적으로 도시된 바와 같다. 각 데이터 전송 센서(20)의 범위(80)는 기기(100)의 모델에 맞추어져 있다. 성공적으로 판독될 수 있도록 데이터 전송 센서 태그가 위치되어야 하는 영역은 점선(80) 또는 신호 범위로 표시된다. 판독기와 데이터 전송 센서 사이의 4.5mm의 수직 간격은 도 4a로부터 명백하지 않지만, 이 거리는 도시된 7.5mm 크기의 태그와 함께 작용하고, 신호 범위(80)에 영향을 미친다. 이 실시 예는 가장 작은 기기(100)에 유용하다.
도 4b는 대응하는 7.5mm RFID 태그(라벨링됨)와 함께 작동 기기 내에 집적 될 수 있는 RFID 판독기(110)를 도시한다. 이 경우, 판독기와 태스크(task) 간의 수직 간격을 6.7 mm로 증가시킴으로써 판독 가능 영역이 6.7 mm로 감소된다.
도 4c는 Spark™ 소용량 혼합기용으로 설계된 도 4a 및 도 4b에 도시된 m-칩보다 큰 대용량 기기(NanoAssemblr™ 벤치탑)에서 사용되는 m-칩(50)의 실시 예를 도시한다. 주요 기능은 도시된 3개의 실시 예 4a, 4b 및 4c에서 동일하다. 벤치탑 내의 판독기(110)가 다른 수용 영역을 가지므로, 데이터 전송 센서(20)는 도 2c에 도시되며, 도 4c에도 반영된 실시 예에서 더욱 더 크다.
데이터 전송 센서(20)와 판독기(110) 사이의 상호 작용은 일부 실시 예에서는 단방향이지만, 바람직한 실시 예에서는 양방향이다. 도 3은 m-칩(50) 상의 데이터 전송 센서(20)와 판독기(110) 사이에서 진행되는 질의(query) 및 통신, 그리고 무슨 정보가 그래픽 유저 인터페이스(90)로 전달되는지를 도시하는 흐름도이다. 이 흐름도의 가장 오른쪽 세로 열(column)은 데이터 전송 센서(20)의 특성이다. 도 3의 동작의 중앙 열에서의 제어 및 조정은 메인 PCB(340)를 명령하는 마이크로 컨트롤러(300)에 기인한다. 마이크로 컨트롤러(300)는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(90)와 통신 및 조정하며, GUI 및 플랫폼(115) 상의 압력 센서, 시작 버튼(87) 및 모터(60 및 62)로부터 피드백을 얻는다.
일 실시 예에서, 데이터 전송 센서(20)는 정수 카운트, 이진 플래그, 정의된 문자, 스트링 또는 등가물 형태의 데이터를 포함하여, 그것이 이전에 사용되었는지를 표시할 수 있으며, 만약 그렇다면 얼마나 많은 횟수 사용되었는지 또는 얼마나 많은 사용이 남아 있는지를 지시한다. 이러한 응용 프로그램은 m-칩(50)의 단일 사용을 포함한 사용 횟수가 규제 또는 라이센스 상의 이유로 인해 강제되는 경우에 유용하다. 특히 미세 유체에서, 쉽게 시각화될 수 없는 작은 채널의 존재는 m-칩(50)이 조작자에게 "클린(clean)" 상태로 사용 가능하게 보이는 조건을 초래할 수 있지만, 사실 작업들(runs)간에 교차-오염을 나타내는 (핵산, 염, 단백질 또는 기타 분자와 같은) 소량의 물질이 존재할 수 있다. 또한, m-칩(50)의 사용은 조작자에게 명백하지 않지만, 상기 m-칩(50)에서 수행되는 장래의 실험을 위태롭게 할 수 있는 미세한 손상을 야기시킬 수 있다.
일 실시 예에서, m-칩(50)은 삽입된 m-칩(50) 상에서 수행하기 위한 일련의 기기용 명령을 저장하는 수단을 포함할 수 있다. 이것은 온도, 지연 시간, 압력 값 또는 전자기계적 기구에 가능하게 통합될 수 있는 다른 매개 변수와 같은 기기 세팅을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, m-칩(50)이 기기에 삽입된 후, 레시피가 판독되어 실행된다(사용자 프롬프트 또는 경고의 유무에 관계없이). 이러한 구성은 많은 시나리오에서 매력적이다. 한 가지 상황에서 제조업체는 동일한 칩을 사용하여 서로 다른 작업을 수행할 수 있는 더 큰 키트의 일부로 m-칩(50)을 제공할 수 있다. 이러한 상황에서, 저장된 레시피는 제조사가 단지 한 종류의 m-칩(50)만을 생산할 수 있게 하지만, 함께 번들로 될 키트에 따라 다른 레시피를 로딩한다. 이러한 접근법은 조작자가 기기에서 레시피를 입력하거나 선택해야하는 것과 대비하여 에러의 가능성을 감소시킨다. 또한, 이러한 접근법을 사용하면 제조업체가 현장에서 전개된(deployed) 기기에 대한 업데이트를 수행하지 않고도 레시피를 업데이트하거나 새로운 레시피를 릴리스 할 수 있다. 추가 실시 예에서, m-칩(50)은 기기에 의해 인식되는 대응 서명을 각각 갖는 다수의 레시피를 포함할 수 있으며, 따라서 m-칩(50s)이 상이한 소프트웨어 또는 하드웨어 버전을 포함하는 기기와 역방향 및 교차-호환될 수 있게 한다.
따라서, 실시 예에서, 기록 사용 데이터는 m-칩(50)이 사용되었음을 나타내기 위해 기기(100)가 스위치 온 할 수 있는 플래그를 갖는 메모리의 정의된 섹션을 포함하는 기록 가능한 RFID 태그(20)로 달성될 수 있다. 특정 라이센스 또는 규제 조건 하에서 특정 횟수 동안 재사용이 허용되는 경우, m-칩(50)이 얼마나 더 많은 횟수로 사용될 수 있는지 또는 얼마나 많은 사용이 남아 있는지를 저장하기 위해 메모리 블록이 사용된다.
본 발명의 실시 예에서, 데이터 전송 센서(20)는 삽입된 m-칩(50) 상에서 수행하기 위한 일련의 기기용 명령을 저장하기 위한 메모리를 포함한다. 이것은 온도, 지연 시간, 압력 값, 유속, 액추에이터의 속도 또는 이동 거리, 또는 전자기계적 기구에 가능하게 통합될 수 있는 다른 매개 변수와 같은 기기 세팅을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, m-칩(50)이 미세 유체 혼합 기기에 삽입된 후에, 상기 레시피는 추가적인 사용자 동작 유무에 상관없이 판독되고 실행될 것이다. 이러한 실시 예에서, 카트리지에는 하나 이상의 내장된 또는 사전-로딩된 시약이 제공될 수 있고, 시약을 위한 대응 레시피가 에러를 회피하고 조작자의 작업 흐름을 단순화하기 위해 카트리지 상에 프로그래밍 될 수 있다.
이러한 접근법은 사용자 에러의 가능성을 감소시킨다. 또한, 본 발명의 시스템은 제조사가 현장에 전개된 기기에 대한 업데이트를 수행하지 않고도 레시피를 업데이트하거나 새로운 레시피를 릴리스할 수 있게 해 준다. 추가 실시 예에서, m-칩(50)은 기기에 의해 인식되는 대응 서명을 각각 갖는 다수의 레시피를 포함할 수 있으며, 따라서 m-칩(50s)이 상이한 소프트웨어 또는 하드웨어 버전을 포함하는 기기와 역방향 및 교차-호환될 수 있게 한다.
특정 실시 예에서, 기기(100)는 m-칩(50) 상에 데이터를 기록할 수 있다. 일 실시 예에서, 동작 중에 결함(fault)이 발생하면, 기기는 에러 코드, 기기 세팅, 센서 판독 등과 같은 항목을 m-칩 상에 기록한다. 이러한 방식으로, m-칩(50)이 제조자 또는 그들의 대리인에게 제출되면, 그러한 정보는 결함을 진단하기 위해 판독된다.
일 실시 예에서, 특별히 프로그램된 m-칩(50)은 기기의 세팅, 파라미터 또는 다른 정보를 업데이트 하기 위한 데이터를 포함한다. 이러한 실시 예에서, 일단 m-칩(50)이 판독되면, 기기상의 데이터는 표준 미세 유체 카트리지를 가지고 미래에 사용하기 위해 새로운 값으로 업데이트 될 것이다.
일 실시 예에서, 기기는 m-칩(50)으로부터 판독된 정보에 기초하여 그 동작을 적응시킬 수 있다. m-칩(50) 상에 존재하는 상이한 레시피 또는 세팅은 상이한 인터페이스, 옵션, 파라미터, 표시기 등이 조작자에게 제시되는 것을 필요로 할 수 있다. 다른 실시 예에서, 칩은 조작자가 따르도록 하는 단계들(예컨대, 칩에 로딩할 어떤 용량)을 생성하기 위해 사용되는 테이터를 포함하여, 조작자가 기기 상의 칩을 탭(tap)하고, 기기가 레시피의 단계들을 통해 조작자를 가이드하게 한다.
일부 실시 예들에서, 판독기(110)는 양방향 무선 송수신기이며, 그 기기 내의 위치는 도 1에서 110으로 표시된다. 그 기능은 정확성을 위한 m-칩(50) 위치설정, m-칩 사용 상태, 및 마지막으로 m-칩 프로그래밍을 평가하기 위해 데이터 전송 센서(20)인 태그와 상호 작용하는 것이다. 판독기(110)는 데이터 전송 센서(20)에 기록할 수 있을 뿐만 아니라, 그로부터 판독할 수 있다.
예를 들어, 기기가 스위치 온 (기계의 후방에 있는 전원 스위치)되고, m-칩(50)이 플랫폼(115)을 따라 칩 입구(82)에 삽입될 때, 플랫폼(115)상의 압력 센서는 카트리지 스위치(67)에 신호를 제공하고, 이는 판독기(110)에 신호를 보내어 내장형 안테나를 사용하여 데이터 전송 센서(20)에 신호를 전송하게 한다.
m-칩(50)의 정확한 배치 및 배향은 주로 압력 센서에 의해 가이드 된 후, 도 4a 내지 도 4c에서 점선으로 둘러싸인 영역으로 도시된 바와 같이, 데이터 신호 범위(80)의 특정 범위에 의존하는 미세 조정을 위해 판독기(110)와 상호 작용하는 데이터 전송 센서(20)에 의해 가이드된다. 신호 범위(80)는 m-칩의 윤곽 및 프로파일에 특정되도록 선택되며, m-칩이 위치되며 식별되는 기기와 어떻게 상호 작용하는지가 나타난다. 혼합 기기(100)의 크기에 따라, 판독 가능한 범위(80)는 0 내지 50 mm, 또는 0 내지 20 mm, 또는 0 내지 5 mm이다.
데이터 전송 센서(20)는 데이터 전송 센서(20) 메모리에 기록된 정보로 판독기(110)에 응답한다.
본 발명의 m-칩 및 기기에 구현된 논리 패턴 및 그 상호 작용은 도 3에 흐름도 형식으로 도시된다. 판독기(110)는 판독 결과를 기기(100) 내의 마이크로 컨트롤러(300)에 전송한다. 마이크로 컨트롤러(300)는 응답으로 GUI(90)가 다음의 예와 같은 미리 기록된 이미지를 전송하게 하도록, 리본 케이블 케넥터(68)를 통해 메인 PCB(340)와 통신한다:
"카트리지가 감지되었습니다! Neuro9™ siRNA
총 부피 248uL
제형을 시작하려면 아래 버튼을 누르십시오."
만약, m-칩이 플랫폼(115)에서 감지되지 않으면:
"새 카트리지를 아래에 넣으십시오"
또는, 만약 m-칩이 플랫폼 (115)에서 검출되었지만, 적절히 위치하지 않으면:
"카트리지가 감지되지 않았습니다! 아래에 카트리지를 넣으십시오"
메뉴 화면은 사용자가 모드를 선택할 수 있게 해 준다.
"모드: 자동 키트 제형 퍼지"
만약, m-칩이 GUI(90) 상에서 사용자에 의해 선택된 모드에 대해 올바른 유형이 아닌 경우,
"잘못된 카트리지입니다! 이 카트리지는 키트 모드 용입니다."
또는
"잘못된 카트리지입니다! 이 카트리지는 제형 모드 용입니다."
만약, m-칩이 이미 사용된 경우:
"카트리지가 이미 사용되었습니다!"
정확한 문구는 각 칩 제조사에서 업데이트 될 수 있다. 이것은 칩의 성공 또는 실패 및 그 제형에 대한 어떠한 정보도 사용자에게 제공되지 않는 종래 기술의 기기 및 미세 유체 칩 사용에 비하여 크게 진보된 것임을 주목해야한다.
도 7은 그래픽 사용자 인터페이스(90)로부터의 4개의 상이한 스크린 샷을 도시하는데, 이는 어떤 정보가 m-칩(50)으로부터 판독되는지를 나타낸다. 이 예에서, 프로토타입 NanoAssemblrTM Spark™ 소용량 혼합 기기(Precision NanoSystems Inc., Vancouver, BC)는 메뉴 화면을 표시 한 다음, 어떤 모드의 m-칩이 삽입되어 있는지에 따라 두 개의 다른 화면 중 하나를 표시한다. 왼쪽의 제형 모드(Formulation Mode)에서는, 사용자에게 제형 용량을 입력하라는 메시지가 표시된다. 모드 2에서, 어떠한 파라미터도 가변적이지 않고, 조작자에게는 단지 미리 정의된 레시피 시퀀스를 시작하라는 프롬프트만 표시되기 때문에, 오른쪽 GUI는 간단히 m-칩이 검출되었음을 나타내며, 사용자가 준비가 되면 시작 버튼(87)을 누르도록 한다(전체 보기는 도 1 참조). 하단의 화면에는 "완료(Complete)"가 표시되며, 사용자가 m-칩을 제거하고 제형을 사용하게 한다.
기기(100)는 데이터 전송 센서(20) 데이터에 기초하여 GUI(90) 상에 디스플레이하기에 적절한 정보를 선택한다.
따라서, 본 개시내용은 데이터를 저장하기 위해, m-칩(50) 및 데이터 전송 센서(20)와 같은 내장 데이터 전송 구성요소를 포함하는 일회용 카트리지에 관한 것이다. 시스템으로 함게 언급된 과학 기기와 이 카트리지를 함께 사용함으로써, 정보는 양 방향으로 전송될 수 있고(m-칩(50)으로부터 기기로 판독되거나 기기에 의해 태그(20)에서 m-칩(50)으로 기록됨), 그 결과 다른 작업 중에서도 용이한 사용, 소프트웨어 업데이트, 문제 해결 및 최종 사용자 라이센싱을 용이하게 한다. 다양한 실시 예들은 단독으로 또는 조합되어 사용되어 추가적인 다른 실시 예를 형성할 수 있는데, 이는 후술된다.
실시 예 1: M-칩 제조
데이터 전송 센서(20)로서 RFID는 m-칩(50) 상에서 데이터를 저장 및 판독하기 위한 수단으로 사용된다. 그러한 경우, RFID 판독기(110)는 NanoAssemblrTM SparkTM 실험실 연구 기기(100)의 내부에 내장되었다. 이러한 특정 경우에, DLP-RFID2(DLP design, Allen, TX) 판독기(#+1)는 기기의 미세 유체 카트리지 수용 트레이의 하부에 부착되었다. 이 판독기는 Spark™ m-칩(50)의 아래쪽 전방에 설치되는 7.5 mm RFID 태그(ISO/IEC 15693 사양을 충족함)(Verigenics, Southampton, PA)가 SparkTM 내에 적절하게 삽입되고 위치될 때, 성공적으로 판독되었다. RFID 판독기(110)는 산업 표준 프로토콜을 사용하여 통신할 수 있도록, 기기의 내부 마이크로 컨트롤러(#+2)에 직접적으로 연결되었다.
m-칩(50) 제조 중에, RFID 태그는 양면 접착 필름을 사용하여 m-칩(50)의 아래쪽 전방에 있는 요홈(25)에 부착되었다. RFID는 그러한 태그를 프로그래밍하기 위한 표준 기술을 사용하여 프로그래밍 되었다(방법은 다양할 수 있지만, 벤더는 표준 지침 또는 소프트웨어를 제공한다). 간단하여 손에 쥘 수 있는 프로그래밍 장치가 이 실 시예에서 태그를 프로그래밍하기 위해 사용된다.
실시 예 2: 데이터 전송 센서 메모리 블록에 대한 특정 정보
m-칩(50)은 체외에서 뉴런에 전달하기 위해 2 nmol의 siRNA를 지질 나노 입자로 제형하기 위해 요구되는 특정 세트의 파라미터를 실행하도록 프로그램되었다.
RFID 태그에 저장될 데이터는 .csv 파일 형식으로 호스트 컴퓨터에 로드되었다. 호스트 컴퓨터는 이 데이터를 8-바이트 블록으로 분리하여, 한 번에 하나씩 RFID 태그에 기록되게 하였다. 호스트 컴퓨터는 RS-232 직렬 연결을 통해 하나의 데이터 블록과 함께 쓰기 블록 명령을 RFID 읽기/쓰기 모듈로 전송했다. RFID 읽기/쓰기 모듈은 ISO-15693 표준에 따라 RFID 태그에 전원을 공급하고 RFID 태그와 통신하기 위해 전자기장을 생성하였다.
모듈은 쓰기 블록 명령을 전송하였다. 만약 RFID 태그가 모듈의 안테나 범위 내에 있다면, 태그는 비-휘발성 내부 메모리에 데이터 블록을 저장하고, 성공(Success) 코드로 RFID 모듈에 응답한다. RFID 모듈은 태그 응답을 기다린 다음, 쓰기가 성공했는지에 대해 호스트 컴퓨터에 다시 보고하였다.
모든 데이터가 RFID 태그로 전송되어 저장될 때까지 단계 4-7가 반복되었다.
칩에 프로그래밍 된 합격-불합격(pass-fail) 시나리오는 단순히 다음과 같은 에러 코드를 제공했다.
ST01: 칩이 삽입되지 않음.
ST02: 사용된 칩이 삽입됨
ST03: 현재 모드에 대해 잘못된 칩임, 제형 모드에서의 키트 칩임.
ST04: 현재 모드에 대해 잘못된 칩임, 키트 모드에서의 제형 칩임.
ST05: 퍼지 중에 칩이 삽입됨.
ST06: 칩을 판독할 수 없음, RFID 헤더가 없음.
ST07: 칩을 판독할 수 없음, 불량 체크섬임.
실시 예 3 : 핵산의 제형
Spark™ 혼합 기기를 사용하여 제형하기 위해, 조작자는 도 2a에 도시된 m-칩을 사용했다. 제형 완충액이 출구 웰에 분배되었고, 수용액(Neuro9 Spark Kit™, Precision NanoSystems Inc., Vancouver, BC)내의 siRNA(Integrated DNA Technologies, Coralville, Iowa)가 m-칩 입구의 제1 웰내로 분배되었고, 에탄올내의 지질 나노 입자 용액(Ramsay et al, supra 참조)이 제2 웰내로 분배되었다. 매니 폴드 및 덮개가 m-칩 위에 놓여졌고, 그 다음 덮여진 m-칩이 Spark™ 마이크로 혼합 기기에 삽입되었다. 삽입 하자 마자, 기기는 RFID 태그 상의 정보를 판독하고, 그것이 호환 가능하고 사용되지 않았음을 확인하고, 조작자에게 m-칩이 프로그래밍 된 제형의 유형을 확인하는 설명을 기기의 스크린을 통해 제시하고, 계속 진행할 준비가 되면 "시작"을 누르도록 지시한다.
그 다음, 기기는 RFID 태그에 저장된 매개 변수에 따라 제형을 실행했다. 제형 프로세스가 성공적으로 완료된 후, m-칩이 사용되었음을 나타내기 위해 태그 상의 데이터가 Spark™의 판독기에 의해 업데이트되었다.
제형 후, 조작자는 기기로부터 m-칩을 제거하고, 캡 및 매니 폴드를 제거하고, 출구 웰로부터 결과적으로 생성된 제제를 피펫으로 꺼내었다. 그 다음, (대응 태그를 구비한) m-칩(50)은 지역 규정에 따라 처분되었다.
실시 예 4: 고급 지능형 M-칩 프로그래밍
m-칩은 실시 예 1 및 2와 같이 준비되지만 에러 코드는 다음을 포함한다:
ST08: 유속 에러
ST09: 압력 에러
만약, 제형 동안에, 압력 손실과 에러가 발생하면, 해당 에러 코드 또는 메시지가 조작자자에게 표시되고, RFID 태그에 기록된다.
기기로부터 태그로, 그리고 그 역으로의 향상된 피드백은 압력, 예기치 않은 저항 또는 예기치 않은 저항 부족을 포함한다. 이러한 향상된 데이터는 사용자에게 추가적인 예외 사항을 알리기 위하여 GUI 판독 값에 포함된다. 이러한 예외 사항은 기기와 관련된 기계적 문제점을 진단하는데 도움이 되며, 이는 기기의 수리를 도울 것이다.
본 발명의 특정 실시 예가 설명되고 도시되었지만, 그러한 실시 예는 단지 본 발명의 예시로서 간주되어야 하고, 첨부된 청구 범위에 따라 해석되는 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.

Claims (21)

  1. 나노 입자 용액의 제형(formualtion) 목적을 위한 혼합 기기로서, 상기 혼합 기기는 펌프에 연결된 모터, 마이크로컨트롤러와 통신하며 마이크로컨트롤러에 의하여 처리되는 데이터 송신기/수신기를 포함하는 미세 유체 칩 결합 트레이를 포함하며, 마이크로컨트롤러는 또한 유저 인터페이스와 통신하고,
    상기 데이터 송신기/수신기는 RFID 판독기를 포함하며,
    상기 혼합 기기는, 사용 중 다음 중 적어도 하나의 정보를 미세 유체 칩의 데이터 구성요소에 기록하도록 구성된 혼합기기:
    (a) 상기 미세 유체 칩이 사용되었다는 표시,
    (b) 상기 미세 유체 칩이 몇 번 더 사용될 수 있는 지의 표시,
    (c) 에러를 진단하기 위한 정보로서, 혼합 기기가 혼합 중 에러가 발생하면 미세 유체 칩의 데이터 구성요소에 기록되는 정보.
  2. 제1항에 있어서, 상기 데이터 송신기/수신기는 결합 트레이의 미세 유체 칩의 위치를 검출하며, 상기 미세 유체 칩의 위치는 데이터 송신기/수신기와 미세 유체 칩의 데이터 구성요소와의 상호 작용에 의해 검지되는 것을 특징으로 하는 혼합 기기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 에러를 검출하기 위한 정보는 에러 코드, 기기 설정(setting) 및 센서 판독(reading) 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 기기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기록 가능한 데이터 구성요소를 포함하는 미세 유체 칩과 관련하여 사용하기 위한 것을 특징으로 하는 혼합 기기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼합 기기 및 미세 유체 칩은 상기 미세 유체 칩이 상기 기기에 결합되고 상기 혼합 기기가 켜질 때, 서로 통신하는 것을 특징으로 혼합 기기.
  6. 연구용 치료제를 제형하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 제1항 또는 제2항의 혼합 기기와, 데이터 구성요소를 포함하며 미세 유체 칩 결합 트레이에 위치할 수 있으며 데이터 송신기/수신기와 양방향 통신 가능한, 교체 가능한 미세 유체 칩을 포함하는 처분 가능한 카트리지를 포함하며,
    상기 치료제는 핵산, 펩티드, 단백질 또는 소수성 저분자로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 미세 유체 칩은 RFID를 포함하는 데이터 구성요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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