KR102483442B1 - A method and platform for intracellular delivery using droplet microfluidics - Google Patents

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KR102483442B1 KR1020190140657A KR20190140657A KR102483442B1 KR 102483442 B1 KR102483442 B1 KR 102483442B1 KR 1020190140657 A KR1020190140657 A KR 1020190140657A KR 20190140657 A KR20190140657 A KR 20190140657A KR 102483442 B1 KR102483442 B1 KR 102483442B1
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Abstract

본 발명은 세포 내 물질 전달 방법으로, 전달하고자 하는 물질과 세포로 이루어진 액적을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 액적에 변형을 가함으로써 상기전달하고자 하는 물질을 상기 세포 내로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징을 하는 세포 내 물질 전달 방법이 제공된다. The present invention is an intracellular substance transfer method, comprising the steps of forming a droplet composed of a substance to be delivered and a cell; and delivering the substance to be delivered into the cell by applying strain to the formed droplet.

Description

액적 기반 미세유체 세포내 물질전달 방법 및 플랫폼{A method and platform for intracellular delivery using droplet microfluidics}A method and platform for intracellular delivery using droplet microfluidics}

본 발명은 액적 기반 미세유체 세포내 물질전달 방법 및 플랫폼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액적(droplet)을 이용하여 다양한 물질을 균일하고 고효율로, 그리고 극소량의 전달물질만을 사용하여 다양한 세포 속으로 전달할 수 있는 액적 기반 미세유체 세포내 물질전달 방법 및 플랫폼에 관한 것이다. The present invention relates to a droplet-based microfluidic intracellular mass transfer method and platform, and more particularly, to deliver various substances into various cells uniformly and with high efficiency using droplets and using only a very small amount of a delivery substance. It relates to a droplet-based microfluidic intracellular mass transfer method and platform.

세포 내 물질 전달은 세포공학의 가장 기본이 되는 실험 중 하나로 보통 캐리어를 이용하거나 세포막/핵막에 나노구멍(nanopore)을 만들어 물질을 전달한다.Intracellular mass transfer is one of the most basic experiments in cell engineering, and materials are usually delivered using carriers or by creating nanopores in cell membranes/nuclear membranes.

바이러스 또는 Lipofectamine 중심의 캐리어 기법들은 최적화 시 고효율 물질 전달이 가능하나 안전성, 느린 전달 속도, 노동/비용 집약적인 캐리어 준비 과정, 낮은 재현성 등의 문제점들이 존재한다.Virus- or Lipofectamine-based carrier techniques can deliver materials with high efficiency when optimized, but have problems such as safety, slow delivery speed, labor/cost-intensive carrier preparation process, and low reproducibility.

이에 반하여 세포막에 에너지를 가하여 나노구멍을 만드는 방법들(예: Electroporation 또는 microneedle)은 상대적으로 여러 물질을 다양한 세포주로 전달이 가능한 장점이 있다.On the other hand, methods of making nanopores by applying energy to cell membranes (e.g., electroporation or microneedle) have the advantage of being able to deliver relatively various materials to various cell lines.

그러나 방법의 침습성으로 인한 낮은 세포 생존율, 전달 물질의 변성 그리고 낮은 처리량은 큰 한계로 지적되고 있다.However, low cell viability due to the invasiveness of the method, denaturation of the delivery material, and low throughput have been pointed out as major limitations.

이러한 문제점들을 해결하고자 대량의 세포처리가 가능한 미세유체기기들의 사용이 두드러진다. 대표적으로 미세관에 병목 구간을 만들고 세포들이 병목 구간을 지날 때 세포의 물리적 변형을 통해 세포막에 나노구멍을 만드는 플랫폼이 존재한다.To solve these problems, the use of microfluidic devices that can process a large amount of cells is remarkable. Representatively, there is a platform that creates a bottleneck section in microtubules and creates nanopores in cell membranes through physical deformation of cells when cells pass through the bottleneck section.

그러나, 이 접근법은 실험 진행 시 병목 구간 자체가 막히고, 일정하지 못한 물질 전달 효율 등의 큰 단점들을 가진다.However, this approach has major disadvantages such as clogging of the bottleneck itself during the experiment and inconsistent mass transfer efficiency.

따라서 상기 미체유체 기기의 높은 처리 기능을 살리면서 주요 세포 내에 다양한 물질을 균일하게 고효율로 전달할 수 있는 혁신적인 “차세대 세포 내 물질 전달 플랫폼” 개발이 시급하다.Therefore, it is urgent to develop an innovative “next-generation intracellular substance delivery platform” that can deliver various substances uniformly and with high efficiency while maintaining the high processing capabilities of the microfluidic device.

US 2014/0287509 A1 (2014.09.25.)US 2014/0287509 A1 (2014.09.25.)

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 세포 내 물질 전달의 효율을 높이면서도 동시에 전달하여야 하는 물질의 사용량을 최소화하는 새로운 액적 기반 미세유체 세포내 물질전달 방법 및 플랫폼 을 제공하고자 한다. The present invention has been devised to solve various conventional problems as described above, and a new droplet-based microfluidic intracellular mass transfer method and platform that minimizes the amount of materials to be delivered simultaneously while increasing the efficiency of intracellular mass transfer. want to provide

본 발명은 세포 내 물질 전달 방법으로, 전달하고자 하는 물질과 세포로 이루어진 액적을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 액적에 변형을 가함으로써 상기전달하고자 하는 물질을 상기 세포 내로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention is an intracellular substance transfer method, comprising the steps of forming a droplet composed of a substance to be delivered and a cell; and delivering the substance to be delivered into the cell by applying deformation to the formed droplet.

상기 액적은 상기 세포 및 물질을 포함하는 제 1 상의 유체를, 상기 제 1 상의 유체와 비혼성의 제 2 상 유체에 흘림으로써 형성될 수 있다.The droplet may be formed by flowing a first-phase fluid containing the cells and substances onto a second-phase fluid that is immiscible with the first-phase fluid.

보다 구체적으로, 상기 액적에 변형을 가하는 방법은, 직경이 유동하는 채널의 직격 크기를 좁힘으로써 상기 액적에 변형을 가할 수 있다.More specifically, in the method of applying deformation to the droplet, the deformation may be applied to the droplet by narrowing the direct size of the channel through which the diameter flows.

다른 양태로서, 상기 액적에 변형을 가하는 방법은, 상기 액젝이 흐르는 유체에 와류를 형성시킬 수 있다.As another aspect, in the method of applying deformation to the droplet, a vortex may be formed in the fluid through which the droplet flows.

아울러, 본 발명은 세포 내 물질 전달 플랫폼으로, 전달하고자 하는 물질과 세포를 포함하는 액적을 유동시키는 채널; 및 상기 채널에 유동하는 액적에 물리적 변형을 가하여 상기 전달하고자 하는 물질을 상기 세포 내로 전달하는 변형수단을 포함할 수 있다.In addition, the present invention is an intracellular substance delivery platform, comprising: a channel for flowing a droplet containing a substance to be delivered and a cell; and a transforming means for delivering the material to be delivered into the cells by applying physical strain to the liquid droplets flowing in the channel.

구체적으로, 상기 변형수단은 상기 채널보다 좁은 직경의 미세채널인 것을 특징으로 하며, 상기 변형 수단은 폭이 좁아지는 형태의 미세채널일 수 있다.Specifically, the deformation means is a microchannel having a smaller diameter than the channel, and the deformation means may be a narrower microchannel.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 형성 방법과 병목 채널을 이용하여 액적 변화 과정을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 'T'자형의 세포 전달 플랫폼을 이용하여 액적 변화 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 '+'자형의 세포 전달 플랫폼을 이용하여 액적 변화 과정을 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating a droplet changing process using a method for forming a droplet and a bottleneck channel according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a droplet change process using a 'T' shaped cell delivery platform according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a droplet changing process using a '+' shaped cell delivery platform according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 관성을 기반으로 한 세포 내 전달 미세 유체 플랫폼의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the inertial-based intracellular delivery microfluidic platform according to the present invention will be described in detail based on the accompanying drawings. For reference, the terms and words used in this specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors use the concept of terms appropriately to describe their invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined. In addition, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical ideas of the present invention. It should be understood that there may be equivalents and variations.

본 발명은 셀과 전달하고자 하는 물질에서 매우 좁은 채널(병목 채널)로 압박하는 셀 스퀴징(cell-squeezing) 방법과는 다르게 액적을 이용하며, 액적에 변형을 가함으로써 액적 내의 세포에 미세구멍을 발생시켜 물질을 전달한다. Unlike the cell-squeezing method in which cells and substances to be delivered are compressed into a very narrow channel (bottleneck channel), the present invention uses droplets and applies deformation to the droplets to form micropores in the cells in the droplets. generate and transmit material.

본 발명에서 액적은 세포 및 전달물질을 포함하는 유체(제 1상)과 서로 섞이지 않는 전달유체(제 2상)을 T자 형 같인 채널에 흘림으로써 형성시키며, 이 경우, 미세한 액적 내에 전달물질과 세포가 포획되어 전달물질의 사용량을 최소화시키면서 전달효율을 극대화시킬 수 있다. In the present invention, droplets are formed by flowing a fluid (first phase) containing cells and a delivery material and a delivery fluid (second phase) that do not mix with each other through a T-shaped channel. Cells are captured to maximize delivery efficiency while minimizing the amount of delivery material used.

본 발명에서 액적을 사용하는 이유로는 첫째, 매우 적은 액상의 액적 부피(~100 pL/세포)를 이용할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에서는 유상의 부피를 제외한 액적 부피에 대한 전달물질의 양이 결정되므로 극소량의 전달물질만을 이용할 수 있다는 장점이 있다. The reason for using droplets in the present invention is, first, that a very small liquid droplet volume (~100 pL/cell) can be used. It has the advantage of being able to use only a very small amount of the transmitter because it is determined.

또한 매우 적은 액적 부피로 인하여, 포획된 세포는 고농도 전달물질 환경에 놓여지게 되고, 병목이나 미세채널 등과 같이 액적에 변형을 가하는 구간을 지날 때 액적 내 발생된 이차유동으로 인하여 고농도의 전달물질이 세포내로 효과적으로 전달되고 이는 높은 전달 효율로 이루어질 수 있게 된다. 이는 종래 기술에서는 가능하지 않았던 대분자(macromolecule)(예: larger nanoparticle, plasmid DNA)의 전달을 가능하게 한다. In addition, due to the very small droplet volume, the captured cells are placed in a high-concentration transport material environment, and the high-concentration transport material is transferred to the cells due to the secondary flow generated in the droplet when passing through a section where deformation is applied to the droplet, such as a bottleneck or a microchannel. is effectively delivered to the inside, which can be achieved with high delivery efficiency. This enables the delivery of macromolecules (eg, larger nanoparticles, plasmid DNA), which was not possible in the prior art.

더 나아가, 종래 기술인 셀-스퀴징(cell-squeezing)은 병목에서의 큰 관 막힘 현상이 보이고 이를 해결하기 위해 높은 유속을 이용함. 이 경우 낮은 세포 생존율로 이어지고 높은 유속에 따른 적정량 이상의 전달 물질 사용으로 귀결된다. 그러나 액적을 이용할 경우, 미세관을 막히게 하는 여러 잔해들을 액적 속에 포획시킴으로 미세관 막힘 현상을 최소화할 수 있고 액적과 미세관 벽의 친수성/소수성 차이로 역시 막힘 현상을 최소화할 수 있다.Furthermore, cell-squeezing, which is a prior art, shows a large pipe blockage at the bottleneck and uses a high flow rate to solve it. In this case, it leads to low cell viability and results in the use of more than the appropriate amount of delivery material due to high flow rate. However, when droplets are used, the clogging of microtubules can be minimized by trapping various debris that clog the microtubules in the droplets, and clogging can also be minimized by the difference in hydrophilicity/hydrophobicity between the droplets and the walls of the microtubules.

이하 본 발명의 일 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through an embodiment of the present invention. However, the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에서는 추후 암 면역치료의 가능성의 이용을 위해 K562 세포주(cell line)를 대상으로 실험을 진행하였다. 전달물질은 큰 단백질을 모사한 2,000 kDa FITC-dextran을 이용하였으며, 미세 유체칩은 일반적인 포토리소그래피와 소프트리소그래피 방법을 이용해 만들었다.In one embodiment of the present invention, experiments were conducted on the K562 cell line to use the possibility of cancer immunotherapy in the future. 2,000 kDa FITC-dextran, which mimics a large protein, was used as the transport material, and the microfluidic chip was made using general photolithography and soft lithography methods.

본 발명의 일 실시예에 따른 액적 기반 미세유체 세포내 물질전달 플랫폼은 3가지 단계를 통하여 세포내 물질을 전달하는데, 이는 1) 액적 형성(세포 포획) 단계 2) 액적 변형 인가(세포 내 물질 전달) 3) 세포 회복이다. 이 중 핵심은 1)과 2)의 액적 형성과 액적 변형이며, 본 발명의 핵심은 이에 있다. The droplet-based microfluidic intracellular mass transfer platform according to an embodiment of the present invention delivers intracellular materials through three steps: 1) droplet formation (cell entrapment) step 2) droplet deformation application (intracellular mass transfer) ) 3) cell recovery. The core of these is droplet formation and droplet deformation of 1) and 2), and the core of the present invention lies therein.

자세하게는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적을 기반으로 하여 미세유체를 세포 내에 전달하는 방법은, 전달하고자 하는 물질과 세포로 이루어진 액적을 형성하는 단계; 상기 형성된 액적에 물리적 변형을 가함으로써 상기 세포의 적어도 일부가 변형되어 상기 세포의 세포막에 나노포어가 발생하고, 상기 나노포어를 통하여 상기 전달하고자 하는 물질을 상기 세포 내로 전달하는 단계;및 상기 세포의 세포막에 발생한 나노포어의 적어도 일부가 닫히는 단계;를 포함하고, 상기 액적은 상기 전달하고자 하는 물질 및 세포를 포함하는 제 1 상의 유체를 포함하고, 상기 제 1 상의 유체는 유상과 비혼성인 수상을 포함하는 것을 특징을 하는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 액적을 기반으로 한 세포 내 물질 전달 플랫폼은, 전달하고자 하는 물질 및 세포가 제 1 상 유체와 유동하는 메인 채널; 상기 메인 채널의 말단에서 브랜치되어(branched) 연결되어 상기 메인 채널의 말단에 제 2 상 유체를 전달하는 하나 이상의 서브 채널; 상기 메인 채널의 말단 및 상기 서브 채널의 말단이 교차하고, 액적이 형성되는 액적 형성부; 상기 액적 형성부에서 연결되어 상기 교차부에서 형성된 액적이 상기 제 2 상 유체와 유동하는 제 1 채널; 및 상기 제 1 채널 내에 유동하는 액적에 물리적 변형을 가하여 상기 전달하고자 하는 물질을 상기 세포 내로 전달하는 변형수단을 포함하고, 상기 액적은 상기 전달하고자 하는 물질 및 세포를 포함하는 제 1 상의 유체를, 상기 제 1 상의 유체와 비혼성의 제 2 상 유체에 흘림으로써 형성되고, 상기 제1 상의 유체는 유상과 비혼성인 수상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
In detail, a method for delivering microfluids into cells based on droplets according to an embodiment of the present invention includes forming droplets composed of a material to be delivered and cells; At least a part of the cell is deformed by applying a physical strain to the formed droplet to generate a nanopore in the cell membrane of the cell, and delivering the substance to be delivered into the cell through the nanopore; and Closing at least a portion of the nanopores generated in the cell membrane; wherein the droplet includes a first phase fluid containing the substance to be delivered and cells, and the first phase fluid comprises an aqueous phase that is non-mixed with the oil phase. It may be characterized by including.
In addition, the droplet-based intracellular mass delivery platform according to an embodiment of the present invention includes a main channel through which a substance to be delivered and cells flow with a first phase fluid; one or more sub-channels branched from and connected to an end of the main channel to transfer the second-phase fluid to the end of the main channel; a droplet forming unit in which an end of the main channel and an end of the sub-channel cross each other and droplets are formed; a first channel connected to the droplet forming unit and through which the droplet formed at the crossing unit flows with the second-phase fluid; and a transforming means for transferring the material to be delivered into the cells by applying physical deformation to the liquid droplets flowing in the first channel, wherein the liquid droplets contain the material to be delivered and the fluid in the first phase containing the cells, It may be formed by flowing the first phase fluid and the immiscible second phase fluid, wherein the first phase fluid includes an oil phase and an immiscible aqueous phase.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 형성 방법과 병목 채널을 이용하여 액적 변화 과정을 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a droplet changing process using a method for forming a droplet and a bottleneck channel according to an embodiment of the present invention.

도 1a를 참조하면, 세포 및 전달물질을 포함하는 제 1상의 유체와 상기 제 1상과 비혼성인 제 2 상의 또 다른 유체를 하나의 채널 지점에 흘림으로써 세포와 전달물질의 제 1 유체를 제 2 유체 내에서 액적화한다. 이것은 통상 흐름 집중(flow-focusing) 방식이며, 그 외에도 다양한 방식의 액적형성 방법이 사용될 수 있으며, 본 발명의 범위는 이에 속한다.
상기 전달 물질 및 세포를 포함하는 제 1 상 유체는 친수성 액체이고 예를 들어 수상일 수 있다. 또한 상기 제 1 상 유체와 비혼성인 제 2 상 유체는 소수성 액체이고 예를 들어 유상일 수 있다. 따라서 상기 수상인 제 1 상 유체에 포함되어 있는 전달하고자 하는 물질 및 세포가 상기 유상인 제 2 상 유체와 만나 액적을 형성할 수 있고, 상기 제 1 상 유체를 포함하는 상기 액적은 상기 제 2 상 유체 내에서 액적의 형상유지 할 수 있다.
상기 전달 물질 및 세포를 포함하는 제 1 상 유체는 메인 채널에서 유동하여 상기 메인 채널의 말단에 연결된 서브 채널에 유동하는 제 2 상 유체와 만나 액적 형성부에서 액적을 형성할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 만들어진 액적 속에 전달 물질과 세포가 균일하게 잘 포획됨을 볼 수 있다
Referring to FIG. 1A, a first fluid of cells and a transmitter is produced by flowing a fluid of a first phase including cells and a transmitter and another fluid of a second phase that is not mixed with the first phase at one channel point. 2 Droplets in the fluid. This is usually a flow-focusing method, and other various methods of forming droplets may be used, and the scope of the present invention belongs thereto.
The first phase fluid containing the delivery material and cells is a hydrophilic liquid and may be, for example, an aqueous phase. In addition, the second phase fluid that is not mixed with the first phase fluid is a hydrophobic liquid and may be, for example, an oil phase. Therefore, a substance to be delivered and cells contained in the first-phase fluid, which is the aqueous phase, may meet the second-phase fluid, which is the oil phase, to form droplets, and the droplets containing the first-phase fluid may form droplets in the second phase fluid. It is possible to maintain the shape of a droplet in a fluid.
The first phase fluid including the delivery material and the cells may flow in the main channel and meet the second phase fluid flowing in the sub channel connected to the end of the main channel to form droplets in the droplet forming unit.
Referring to Figure 1b, it can be seen that the delivery material and the cells are uniformly well trapped in the droplet.

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도 1c는 유동하는 채널보다 좁은 미세채널의 통과함으로써 액적 변형 발생을 설명하는 사진이다.Figure 1c is a photograph explaining the occurrence of droplet deformation by passing through a microchannel narrower than the flowing channel.

도 1c를 참조하면, 세포가 유동하는 채널보다 급격히 좁은 직경의 미세 채널을 통과함에 따라 액적 변형이 발생한 후 다시 반대쪽으로 흐르는 것을 알 수 있다. 이때 세포가 병목구간이나 도 1b에서 도시된 좁아지는 직경의 채널을 지날 때 세포 변형에 따라 세포막에 나노포어들이 생성되고 액적 내 강한 이차유동과 세포막 내외의 유체교환(solution exchange)을 통해 세포속으로 타겟 물질이 들어가게 된다.Referring to FIG. 1C , it can be seen that the droplets are deformed as the cells pass through the microchannel with a diameter that is rapidly narrower than the channel through which the cells flow, and then flow in the opposite direction. At this time, when the cell passes through the bottleneck section or the channel of narrowing diameter shown in FIG. 1B, nanopores are created in the cell membrane according to the cell deformation and enter the cell through strong secondary flow in the droplet and solution exchange inside and outside the cell membrane. The target material enters.

이후 도 1d를 참조하면, 세포막에 생성된 나노포어들은 약 1분 내로 모두 닫히게 되며 이를 통해 전체 세포내 물질전달 과정이 완성된다. 이 후, 액적 ㅍ파파괴 과정을 통해 세포들이 회수되며, 유세포분석기를 이용하여 정량적으로 전달 효율을 측정하였다. Afterwards, referring to FIG. 1D , the nanopores generated in the cell membrane are all closed within about 1 minute, and through this, the entire intracellular mass transfer process is completed. Thereafter, the cells were recovered through the droplet disruption process, and the delivery efficiency was quantitatively measured using a flow cytometer.

도 1e 내지 1g는 각각 유세포분석기를 이용한 정량분석 결과, 전달효율 및 세포생존율의 비교 실험 결과이다. 1E to 1G are quantitative analysis results using a flow cytometer, and comparative experimental results of delivery efficiency and cell viability, respectively.

도 1e 내지 1g를 참조하면, 극소량의 2,000 kDa FITC-dextran만을 사용하면서도, 분당 수만개를 처리하여 성공적으로 최대 95%의 전달 효율로 세포내 물질 전달이 가능함을 보였다. 추후 연구로 줄기세포나 면역세포를 이용하고, 미세관 내의 병목 간격 크기, 유속, 더불어 병목 구간의 길이 및 개수 등의 조정과 최적화를 통해 대량으로 동시에 고효율의 물질전달을 구현할 수 있다. Referring to FIGS. 1E to 1G , it was shown that intracellular substance delivery was successfully possible with a delivery efficiency of up to 95% by processing tens of thousands of FITC-dextran per minute, even though only a very small amount of 2,000 kDa FITC-dextran was used. In future research, stem cells or immune cells can be used, and high-efficiency mass transfer can be realized simultaneously by adjusting and optimizing the size and flow rate of the bottleneck gap in the microtubule, as well as the length and number of bottleneck sections.

본 발명의 플랫폼을 이용하여 세포가 좁은 틈(gap)을 지날 때, 생성된 나노 구멍들을 통해 다양한 물질을 전달할 수 있다. 이때 다양한 물질이라고 함은 유전자 가위 물질, 플라스미드, 나노입자, 단백질, 핵산 등에 한정하지 않으며, 세포와 관련된 생물학에서 세포 속에 넣을 수 있는 모든 나노바이오물질을 포함한다. 따라서 본 발명의 미세유체기기는 바이러스와 같은 벡터의 사용하지 않음에도 불구하고 대량으로(분당 수만 개 이상) 세포 속으로 전달하는 것을 의미한다. When a cell passes through a narrow gap using the platform of the present invention, various materials can be delivered through the nanopores created. In this case, the various materials are not limited to gene editing materials, plasmids, nanoparticles, proteins, nucleic acids, etc., and include all nanobiomaterials that can be put into cells in biology related to cells. Therefore, the microfluidic device of the present invention means that a large amount (tens of thousands or more per minute) is delivered into cells despite not using a vector such as a virus.

상술한 실시예에서 상기 액적 변형 수단은 채널 구조(미세 채널, 병목 채널, 좁아지는 직경 채널)이었으나, 그 외에도 상기 액적 변형 수단은 와류(vortex)와 같은 관성 효과일 수도 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의하여 상기 관성 효과를 일으키는 변형수단은, 상기 제 1 채널의 말단에 양 옆으로 연결된 제 2 채널; 및 상기 제 1 채널과 마주보게 형성되어 상기 액적이 충돌하는 격벽을 포함하고, 상기 액적은 상기 격벽에 충돌하여 변형이 일어나는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 격벽은 돌출홈을 더 포함할 수 있고, 상기 액적이 상기 돌출홈에 충돌하여 변형을 일으킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하여 상기 관성 효과를 일으키는 변형 수단은, 상기제 1 채널의 말단에 양 옆으로 연결된 제 2 채널; 및 상기 제 1 채널과 마주보게 형성되고, 상기 제 2 상 유체가 유동하는 제 3 체널을 포함하고, 상기 제 3 채널에서 상기 제 2 상 유체는 상기 제 1 채널에서 유체의 유동방향과 반대 방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
In the above-described embodiment, the droplet deformation means has a channel structure (fine channel, bottleneck channel, narrowing diameter channel), but other than that, the droplet deformation means may be an inertial effect such as a vortex.
Specifically, according to an embodiment of the present invention, the transforming means for causing the inertial effect may include second channels connected to both sides of the ends of the first channel; and a barrier rib formed to face the first channel and colliding with the liquid droplet, wherein the droplet collides with the barrier rib and causes deformation.
The barrier rib may further include a protruding groove, and the liquid drop may collide with the protruding groove to cause deformation.
In addition, according to another embodiment of the present invention, the transforming means for causing the inertial effect may include second channels connected to both sides of the ends of the first channel; and a third channel formed to face the first channel and through which the second-phase fluid flows, wherein the second-phase fluid flows in a direction opposite to the flow direction of the fluid in the first channel. It may be characterized by fluidity.

즉, 이 경우 격벽(예를 들어 채널벽 또는 유체벽)에 충돌한 액적은 관성유도효과에 따라 변형을 일으키게 되며, 이후 와류 붕괴에서도 다시 액적 변형이 일어나게 된다. 이를 통하여 액적 내 물질이 세포 내로 전달된다. That is, in this case, the droplet colliding with the barrier rib (for example, the channel wall or the fluid wall) causes deformation according to the inertial induction effect, and then the droplet deformation occurs again even in the collapse of the vortex. Through this, the substance in the droplet is delivered into the cell.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 'T'자형의 세포 전달 플랫폼을 이용하여 액적 변화 과정을 나타내는 도면이다.2 is a diagram illustrating a droplet change process using a 'T' shaped cell delivery platform according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 세포 전달 플랫폼은 액적을 포함하는 유체가 이동하는 경로를 형성하는 제 1 채널(100); 상기 제 1 채널(100)의 단부에 상기 제 1 채널(100)의 양 측면으로 수직 연장된 제 2 채널(200); 및 상기 제 1 채널(100)에 구비되어 상기 제 1 채널(100)에서의 유체 속도를 제어하는 세포가속수단(300)을 포함한다. Referring to FIG. 2 , the cell delivery platform includes a first channel 100 forming a path through which fluid including droplets moves; a second channel 200 vertically extending from the end of the first channel 100 to both sides of the first channel 100; and a cell accelerating unit 300 provided in the first channel 100 to control the velocity of the fluid in the first channel 100 .

본 발명은 상기 세포가속수단(300)을 통하여 상기 제 1 채널(100)을 지나는 유체의 유속 및 관성을 제어하여 격벽 충돌 및 와류 형성을 유도하여 고효율의 세포 전달을 유도할 수 있다.
상기 세포 전달 플랫폼은 돌출홈(400)을 더 포함할 수 있다. 상기 돌출홈(400)은 상기 제 1 채널(100)과 마주보게 형성되고 상기 제 1 채널(100)을 따라 이동하는 유체의 진행 방향과 같은 방향으로 외측으로 돌출된 형상일 수 있다.
상기 돌출홈(400)은 상기 제 1 채널(100)과 마주보게 형성되기 때문에 상기 제 1 채널(100)을 따라 이동하는 유체에 포함된 액적의 적어도 일부가 상기 돌출홈(400)에 충돌할 수 있다. 상기 돌출홈(400)에 충돌된 액적은 변형을 일으킬 수 있고, 상기 돌출홈(400)을 벗어난 이 후 와류 붕괴에서도 다시 액적이 변형될 수 있다. 이와 같은 액적 변형을 통하여 액적 내에 있는 물질이 세포 내로 전달될 수 있다.
보다 구체적으로, 액적 주입- 액적 정렬- 충돌- 세포 변형- 물질 전달을 관성과 관성 유동현상만을 이용하여 유도하며, 이로써 별도의 능동 세포 전달 수단을 사용하지 않고서도, 나노구멍들을 통해 다양한 물질(예:유전자 가위 물질, 플라스미드 등)을 바이러스와 같은 벡터의 사용하지 않음에도 불구하고 대량으로(분당 수백만 개 이상) 세포 속으로 전달할 수 있다.
According to the present invention, the flow rate and inertia of the fluid passing through the first channel 100 are controlled through the cell accelerating means 300 to induce barrier collision and vortex formation, thereby inducing highly efficient cell delivery.
The cell delivery platform may further include protruding grooves 400 . The protrusion groove 400 may be formed to face the first channel 100 and protrude outward in the same direction as the flow direction of the fluid moving along the first channel 100 .
Since the protruding groove 400 is formed to face the first channel 100, at least a portion of liquid droplets included in the fluid moving along the first channel 100 may collide with the protruding groove 400. there is. A droplet colliding with the protruding groove 400 may be deformed, and after leaving the protruding groove 400, the droplet may be deformed again even when the vortex collapses. Through such droplet deformation, substances in the droplets can be delivered into cells.
More specifically, droplet injection-droplet alignment-collision-cell deformation-mass transfer is induced using only inertia and inertial flow, so that various materials (e.g., : Gene editing materials, plasmids, etc.) can be delivered into cells in large quantities (millions or more per minute) without the use of vectors such as viruses.

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도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 '+'자형의 세포 전달 플랫폼을 이용하여 액적 변화 과정을 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a droplet changing process using a '+' shaped cell delivery platform according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, '+'자형의 세포 전달 플랫폼은 액적을 포함하는 유체가 유동하는 제 1 채널(100); 상기 제 1 채널(100)과 수직 교차하는 제 2 채널(200); 및 상기 제 1 채널(100)에 일측에 구비되어 상기 제 1 채널(100)에서의 유체 속도를 제 1 방향으로 제어하는 제1세포가속수단(300)을 포함한다.Referring to FIG. 3 , the '+' shaped cell delivery platform includes a first channel 100 through which a fluid containing droplets flows; a second channel 200 vertically crossing the first channel 100; and a first cell accelerating unit 300 provided on one side of the first channel 100 to control the velocity of the fluid in the first channel 100 in a first direction.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 채널(100)에서의 유체는 상기 제 2 채널(200)과 수직 교차하는 지점으로 대향하여 유동하며, 상기 제 1 세포가속수단(300)은 상기 재 1 채널(100)과 제 2 채널(200)이 수직 교차하는 지점에 형성된 와류에 의하여 상기 세포에 나노구멍이 형성되는 수준의 세포벽 변형을 가하는 운동에너지를 상기 제 1 채널(100) 상의 세포에 인가하는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, the fluid in the first channel 100 flows oppositely to the point where it vertically intersects the second channel 200, and the first cell acceleration means 300 is Applying kinetic energy to the cell on the first channel 100 to deform the cell wall to the level of forming nanopores in the cell by the vortex formed at the point where the first channel 100 and the second channel 200 vertically intersect. It is characterized by doing.

이에 더하여, 상기 제 1 채널(100)의 타측에는 제 1 채널(100) 에서의 유체 속도를 제 2 방향으로 제어하는 제 2 세포가속수단(300')을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 세포가속수단(300')에 의하여 유체의 방향 및 속도가 제어되는 유체는 제 3 채널을 따라 이동할 수 있다. 상기 제 3 채널을 따라 이동하는 유체는 제 2 방향으로 이동할 수 있고, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향과 반대되는 방향일 수 있다.In addition, a second cell accelerating unit 300' for controlling the fluid speed in the first channel 100 in a second direction may be further included on the other side of the first channel 100. The fluid whose direction and speed are controlled by the second cell acceleration unit 300' may move along the third channel. The fluid moving along the third channel may move in a second direction, and the second direction may be opposite to the first direction.

특히, 제 1 채널(100) 에서 서로 반대방향에서 제어되는 제 1, 2 세포가속수단(300, 300') 제 1 채널(100)과 제 2 채널(200)이 서로 수직 교차하는 지점에서 와류가 형성될 수 있고, 이에 따라 발생되는 관성력과 관성 유동 현상에 의해서 세포에 물리적인 변형이 가해져 세포막이 변형될 수 있다.In particular, the first and second cell accelerating means (300, 300') controlled in opposite directions in the first channel (100) form a vortex at the point where the first channel (100) and the second channel (200) cross each other perpendicularly. It can be formed, and the cell membrane can be deformed by applying a physical strain to the cell by the inertial force and inertial flow phenomenon generated accordingly.

'+'자형의 세포 전달 플랫폼은 상술한 'T'자 형과 마찬가지로, 액적 주입- 액적 정렬- 충돌- 세포 변형- 물질 전달을 관성과 관성 유동현상만을 이용하여 유도하며, 이로써 별도의 능동 세포 전달 수단을 사용하지 않고서도, 나노구멍들을 통해 다양한 물질(예:유전자 가위 물질, 플라스미드 등)을 바이러스와 같은 벡터의 사용하지 않음에도 불구하고 대량으로(분당 수백만 개 이상) 세포 속으로 전달한다. Like the above-mentioned 'T' shape, the '+' shaped cell delivery platform induces droplet injection - droplet alignment - collision - cell deformation - mass transfer using only inertia and inertial flow, thereby separate active cell delivery Without the use of any means, various substances (eg, gene-cleaving materials, plasmids, etc.) are delivered into cells in large quantities (more than millions per minute) through nanopores without the use of vectors such as viruses.

상술한 바와 같이, 채널벽 또는 유체벽에 충돌한 액적은 관성유도효과에 따라 변형을 일으키게 되며, 이후 와류 붕괴에서도 다시 액적 변형이 일어나게 된다. 이를 통하여 액적 내 물질이 세포 내로 전달될 수 있다.As described above, the droplet colliding with the channel wall or the fluid wall causes deformation according to the inertial induction effect, and then the droplet deformation occurs again even in the collapse of the vortex. Through this, the substance in the droplet can be delivered into the cell.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be clear to those skilled in the art.

Claims (12)

세포 내 물질 전달 방법으로,
전달하고자 하는 물질과 세포로 이루어진 액적을 형성하는 단계;
상기 형성된 액적에 물리적 변형을 가함으로써 상기 세포의 적어도 일부가 변형되어 상기 세포의 세포막에 나노포어가 발생하고, 상기 나노포어를 통하여 상기 전달하고자 하는 물질을 상기 세포 내로 전달하는 단계;및
상기 세포의 세포막에 발생한 나노포어의 적어도 일부가 닫히는 단계;를 포함하고,
상기 액적은 상기 전달하고자 하는 물질 및 세포를 포함하는 제 1 상의 유체를 포함하고, 상기 제 1 상의 유체는 유상과 비혼성인 수상을 포함하는 것을 특징을 하는 세포 내 물질 전달 방법.
As a method of intracellular substance transfer,
Forming a droplet composed of a material to be delivered and a cell;
By applying a physical strain to the formed droplet, at least a part of the cell is deformed to generate a nanopore in the cell membrane of the cell, and delivering the substance to be delivered into the cell through the nanopore; And
Including; closing at least a portion of the nanopores generated in the cell membrane of the cell,
The intracellular mass transfer method, characterized in that the droplet includes a first phase fluid containing the substance to be delivered and cells, and the first phase fluid includes an aqueous phase that is not mixed with the oil phase.
제 1항에 있어서,
상기 액적은 상기 제 1 상의 유체를, 상기 제 1 상의 유체와 비혼성의 제 2 상 유체에 흘림으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 방법.
According to claim 1,
The intracellular mass transfer method according to claim 1 , wherein the droplets are formed by flowing the first-phase fluid into a second-phase fluid unmixed with the first-phase fluid.
제 1항에 있어서,
상기 액적에 변형을 가하는 방법은, 직경이 유동하는 채널의 직격 크기를 좁힘으로써 상기 액적에 변형을 가하는 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 방법.
According to claim 1,
The method of applying deformation to the droplet is an intracellular mass transfer method, characterized in that the deformation is applied to the droplet by narrowing the direct size of the channel through which the diameter flows.
제 1항에 있어서,
상기 액적에 변형을 가하는 방법은, 상기 액적이 흐르는 유체에 와류를 형성시키는 방식으로 상기 액적에 변형을 가하는 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 방법.
According to claim 1,
The method of applying deformation to the droplet is an intracellular mass transfer method, characterized in that the deformation is applied to the droplet in such a manner as to form a vortex in the fluid in which the droplet flows.
세포 내 물질 전달 플랫폼으로,
전달하고자 하는 물질 및 세포가 제 1 상 유체와 유동하는 메인 채널;
상기 메인 채널의 말단에서 브랜치되어(branched) 연결되어 상기 메인 채널의 말단에 제 2 상 유체를 전달하는 하나 이상의 서브 채널;
상기 메인 채널의 말단 및 상기 서브 채널의 말단이 교차하고, 액적이 형성되는 액적 형성부;
상기 액적 형성부에서 연결되어 상기 액적 형성부에서 형성된 액적이 상기 제 2 상 유체와 유동하는 제 1 채널; 및
상기 제 1 채널 내에 유동하는 액적에 물리적 변형을 가하여 상기 전달하고자 하는 물질을 상기 세포 내로 전달하는 변형수단을 포함하고,
상기 액적은 상기 전달하고자 하는 물질 및 세포를 포함하는 제 1 상의 유체를, 상기 제 1 상의 유체와 비혼성의 제 2 상 유체에 흘림으로써 형성되고,
상기 제 1 상 유체는 유상과 비혼성인 수상을 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 플랫폼.
As an intracellular substance delivery platform,
a main channel through which substances and cells to be delivered flow with the first phase fluid;
one or more sub-channels branched from and connected to an end of the main channel to transfer the second-phase fluid to the end of the main channel;
a droplet forming unit in which an end of the main channel and an end of the sub-channel cross each other and droplets are formed;
a first channel connected to the droplet forming unit so that droplets formed in the droplet forming unit flow with the second phase fluid; and
A deformation means for transferring the substance to be delivered into the cells by applying physical deformation to the liquid droplets flowing in the first channel;
The droplet is formed by flowing a first-phase fluid containing the substance to be delivered and cells into a second-phase fluid that is unmixed with the first-phase fluid,
The intracellular mass transfer platform, characterized in that the first phase fluid comprises an aqueous phase that is not mixed with the oil phase.
제 5항에 있어서,
상가 변형수단은 상기 채널보다 좁은 직경의 미세채널인 것을 특징으로 하는 는 세포 내 물질 전달 플랫폼.
According to claim 5,
The additive transformation means is an intracellular substance delivery platform, characterized in that the microchannel having a narrower diameter than the channel.
제 5항에 있어서,
상기 변형 수단은 폭이 좁아지는 형태의 미세채널인 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 플랫폼.
According to claim 5,
The transforming means is an intracellular substance delivery platform, characterized in that the width is narrowed microchannel.
제 5항에 있어서,
상기 변형수단은,
상기 제 1 채널의 말단에 양 옆으로 연결된 제 2 채널; 및
상기 제 1 채널과 마주보게 형성되어 상기 액적이 충돌하는 격벽을 포함하고,
상기 액적은 상기 격벽에 충돌하여 변형이 일어나는 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 플랫폼.
According to claim 5,
The transformation means,
a second channel connected to both ends of the first channel; and
A partition wall formed to face the first channel and colliding with the droplet,
The intracellular mass transfer platform, characterized in that the droplet collides with the partition wall and deformation occurs.
제 8항에 있어서,
상기 격벽에는 돌출홈을 더 포함하고,
상기 액적이 상기 돌출홈에 충돌하여 변형이 일어나는 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 플랫폼.
According to claim 8,
The partition wall further includes a protruding groove,
Intracellular mass transfer platform, characterized in that the droplet collides with the protruding groove and deformation occurs.
제 8항에 있어서,
상기 변형수단은 T자형 구조인 것은 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 플랫폼.
According to claim 8,
Intracellular substance delivery platform, characterized in that the transforming means is a T-shaped structure.
제 5항에 있어서,
상기 변형수단은,
상기 제 1 채널의 말단에 양 옆으로 연결된 제 2 채널; 및
상기 제 1 채널과 마주보게 형성되고, 상기 제 2 상 유체가 유동하는 제 3 채널을 포함하고,
상기 제 3 채널에서 상기 제 2 상 유체는 상기 제 1 채널의 유체의 유동방향과 반대 방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 플랫폼.
According to claim 5,
The transformation means,
a second channel connected to both ends of the first channel; and
A third channel formed to face the first channel and through which the second phase fluid flows,
The intracellular mass transfer platform, characterized in that the second phase fluid in the third channel flows in a direction opposite to the flow direction of the fluid in the first channel.
제 11항에 있어서,
상기 변형수단은 +형 구조인 것을 특징으로 하는 세포 내 물질 전달 플랫폼.
According to claim 11,
The transforming means is an intracellular substance delivery platform, characterized in that the + type structure.
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