KR102569747B1 - 유동채널 및 체액 내 입자 분리 장치 - Google Patents

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Abstract

체액 내 입자 분리 장치를 개시한다. 일 실시 예에 따른 유동채널은 내부영역에서 체액이 주입되며 입자의 전부 또는 일부를 분리시키되, 내부영역이 제1 및 제2내부영역을 포함하며, 제1내부영역의 단면의 면적이 제2내부영역의 단면의 면적보다 작도록 형성될 수 있다. 또한 일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 유동채널 및 음향파 발생부를 포함하며, 유동채널은 입자가 포함된 체액이 유동하는 공간을 제공하고, 음향파 발생부는 입자 또는 체액 중 적어도 하나를 제어하도록 유동채널을 관통하는 음향파를 발생시키고, 유동채널은 체액이 주입되며 입자의 전부 또는 일부를 분리시키기 위한 내부영역을 제공하는 주유동채널을 포함하며, 내부영역은 제1 및 제2내부영역을 포함하고, 제1내부영역의 단면의 면적은 제2내부영역의 단면의 면적보다 작도록 형성될 수 있다.

Description

유동채널 및 체액 내 입자 분리 장치{FLOW CHANNEL AND DEVICE FOR SEPARATION OF PARTICLES IN BODYFLUID}
아래의 설명은 음향파를 이용하여 체액 내에서 입자를 분리하기 위한 장치에 관한 것이다.
체액은 혈액, 림프액 또는 조직액 등 체내의 액체로서, 체내를 이동하여 조직세포에 영양분이나 산소를 운반하고 노폐물을 운반 또는 제거하며, 병원체의 박멸과 체온조절 등의 기능을 수행한다. 특히, 혈액은 적혈구, 백혈구 및 혈소판이 혈장에 부유되어 있으며, 혈장은 혈액의 약 55%의 부피를 차지한다. 혈장 내에는 다양한 혈장 단백질, 혈액 응고 인자, 포도당, 호르몬 등이 부유되어 있다. 혈장 내 이러한 바이오마커를 분석 및 평가하는 것은 질병 진단 및 생리학적/병리학적 분석 연구에 중요한 역할을 한다. 그러나 혈액 내에 높은 농도로 포함된 적혈구, 백혈구 및 혈소판은 정확한 진단 분석을 방해한다. 따라서 고순도의 혈장을 추출하는 전처리 과정이 필수적으로 요구된다.
한편, 체액으로부터 특정 입자를 분리하기 위하여 기존 표준 방식으로서 원심분리를 이용하였다. 그러나 원심분리 방식은 비싸고 큰 장비의 사용, 많은 양의 샘플, 긴 처리 시간이 필요한 한계점이 존재한다. 이를 해결하기 위하여 최근 미세유체역학 기술의 개발에 따라 적은 샘플 요구량, 빠른 처리 시간을 장점으로 미세유체소자 기반의 체액 내 입자 분리 연구가 활발히 이루어져 왔다.
이어서, 입자 분리 연구는 외부의 힘 이용 유무에 따라 능동적 방식과 수동적 방식으로 나눌 수 있다. 이들 중, 수동적 방식은 외부의 힘을 이용하지 않는 방식으로 유동채널의 구조 및 유동 특성을 이용하여 체액 내의 특정 입자들을 분리하고자 하는 방식이다. 하지만 이를 위해서는 정교한 유동채널의 설계 및 복잡한 제작과정이 필요하다는 문제점이 있다. 한편, 외부에서 미세유체소자 내에 힘을 가하는 능동적인 방식으로서, 전기, 자성, 광학 또는 압력 등을 이용하는 방식이 개발되었다. 이러한 능동적인 방식은 외부에서 힘을 가해주기 때문에 유체/입자 제어 시간을 크게 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.
그 중, 최근 음향파(acoustic wave)기반의 미세유체소자 기술은 비침습적이며 사용의 간편함으로 크게 주목을 받고 있다. 구체적으로, 압전기판과 초음파 트랜스듀서를 이용하여 음향파를 발생시키고, 이를 통해 유체 내로 전달되는 탄성파력을 이용하여 입자/세포를 제어함으로써 혈액 내의 부유된 혈구 세포를 제거하여 혈장을 추출할 수 있다. 한편, 기존 진행된 연구로서 압전소자 기반의 bulk 탄성파를 이용한 혈장 분리 기술이 개발된 바 있으나, 해당 기술은 혈장 분리효율은 높으나, 수율이 매우 낮고 전혈 사용이 불가능하여, 매우 낮은 농도로 희석해서 사용해야 한다는 문제점이 있다. 또한 확장관 형태의 유동채널을 이용하여 표면탄성파 기반 혈장 분리를 수행한 연구가 존재하였으나, 마찬가지로 수율이 낮고, 희박한 농도로 혈액을 희석해서 사용해야 한다는 문제점이 있다.
따라서, 높은 농도에서 분리가 가능하면서 분리효율이 높은 입자 분리장치가 필요한 실정이다.
이와 관련하여, 공개특허공보 제10-2017-0060262호는 3단 혈장분리 혈액필터 및 그 제조방법에 대한 발명을 개시한다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예에 따른 목적은 유동채널의 내부 공간에서 국부적인 영역의 입자의 농도가 급격하게 증가하는 것을 방지하기 위한 체액 내 입자 분리 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 체액 내의 바이오마커의 평가 및 분석을 용이하게 하기 위한 체액 내 입자 분리 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 질병의 진단 및 생리학적, 병리학적 분석 및 연구를 효율적으로 하기 위한 체액 내 입자 분리 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 제2내부영역에서의 해마토크릿이 급격하게 증가하는 것을 방지하기 위한 체액 내 입자 분리 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 고순도의 혈장 추출이 가능한 체액 내 입자 분리 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 제조과정이 단순하고 저렴하며 부피가 작은 체액 내 입자 분리 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 많은 양의 체액에서 입자를 짧은 시간 안에 분리하기 위한 체액 내 입자 분리 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 유동채널은 내부영역으로 체액이 주입되며 입자의 전부 또는 일부를 분리시키되, 내부영역은 제1 및 제2내부영역을 포함하며, 제1내부영역의 단면의 면적이 제2내부영역의 단면의 면적보다 작도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 유동채널은 주유동채널로부터 연장형성된 제1추출부채널을 구비하고, 제1추출부채널이 제공하는 제1추출영역은 제1내부영역과 연통되며 분리된 입자가 제외된 체액이 유동할 수 있다.
일 실시 예에 따른 유동채널은 제2추출부채널을 더 포함하되, 제2추출부채널이 제공하는 제2추출영역은 제2내부영역과 연통되고, 제2추출영역에서 분리된 입자가 포함된 체액이 유동하며, 제2추출부채널 및 제1추출부채널은 주유동채널로부터 분기되도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 유동채널은 제1 또는 제2내부영역 중 적어도 하나는 복수개로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 유동채널은 제1내부영역의 양측에 제2내부영역이 형성되며, 최종적으로 내부영역의 단면이 "U" 형태로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 유동채널 및 음향파 발생부를 포함하며, 유동채널은 입자가 포함된 체액이 유동하는 공간을 제공하고, 음향파 발생부는 입자 또는 체액 중 적어도 하나를 제어하도록 유동채널을 관통하는 음향파를 발생시키고, 유동채널은 체액이 주입되며 입자의 전부 또는 일부를 분리시키기 위한 내부영역을 제공하는 주유동채널을 포함하며, 내부영역은 제1 및 제2내부영역을 포함하고, 제1내부영역의 단면의 면적은 제2내부영역의 단면의 면적보다 작도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 유동채널은 제1추출부채널이 주유동채널로부터 연장형성되며, 제1추출부채널은 제1내부영역과 연통되고 분리된 입자가 제외된 체액이 유동하는 제1추출영역을 구비할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 유동채널이 제2추출부채널을 더 포함하고, 제2추출부채널은 제2내부영역과 연통되고 분리된 입자가 포함된 체액이 유동하는 유동공간을 제공하며, 제2추출부채널 및 제1추출부채널은 주유동채널로부터 분기되도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 제1 또는 제2내부영역 중 적어도 하나는 복수개로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 제1내부영역의 양측에 제2내부영역이 형성되며, 내부영역의 단면이 "U" 형태로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 음향파 발생부가 제1 및 제2발생파트를 포함하고, 제1 및 제2발생파트는 서로 대향되도록 배치되어 각각 음향파를 발생시키고, 제1 및 제2발생파트에 의해 발생된 음향파는 주유동채널 내의 내부영역에서 서로 중첩 및 상쇄작용을 일으켜 압력점 및 반압력점을 형성하고, 상기 음향파 발생부는 상기 압력점 및 반압력점 사이 발생하는 힘에 의해 입자 또는 체액 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 제1 및 제2발생파트가 음향파의 진행방향이 주유동채널의 길이방향과 수직이 되도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 음향파 발생부에서 발생된 음향파가 표면탄성파 일 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 내부영역에서의 유속 조절이 가능할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 음향파 발생부에 인가되는 인가전력의 조절이 가능할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 제2내부영역에서 입자의 농도가 증가하여 점도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 체액 내에 있는 바이오마커를 더 용이하게 평가 및 분석할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 질병의 진단을 용이하게 하고 생리학적, 병리학적 분석 및 연구를 효율적으로 하도록 할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 혈액이 유동하는 경우 제2내부영역에서의 해마토크릿이 급격하게 증가하는 것을 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 혈액이 유동하는 경우 고순도의 혈장 추출을 가능하게 할 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 제조과정이 단순하고 저렴하며 부피가 작도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치는 짧은 시간에 많은 양의 입자를 분리하도록 할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치의 모식도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 유동채널의 모식도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 내부영역의 단면이 높이 50μm의 직사각형으로 형성될 때, 입자 분리 장치의 혈액 내 혈장 추출율을 도시하는 그래프이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 해마토크릿에 대한 혈액 내 혈장추출율 및 내부영역의 단면의 높이에 따른 혈액 내 혈장추출율을 도시하는 그래프이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 유동채널의 모식도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 내부영역의 단면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 내부영역의 단면의 형상에 대응되는 해마토크릿 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 내부영역의 단면의 형태가 L형태이고, 음향파가 주유동채널의 길이방향에 비스듬하게 형성될 때, 체액 내에서 입자가 분리될 수 있음을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 인가전압 또는 유속의 조절을 통해 체액 내에서 특정 크기 이상의 입자를 제거해 원하는 크기의 입자를 고순도로 추출할 수 있음을 도식화한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시 예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시 예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치(1)의 모식도이며, 도 2는 일 실시 예에 따른 유동채널(20)의 모식도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치(1)는 음향파를 이용하여 체액 내에 있는 입자를 분리할 수 있다. 일 실시 예에 따른 체액 내 입자 분리 장치(1)는 음향파 발생부(10), 유동채널(20) 및 분류부(30)를 포함할 수 있다.
음향파 발생부(10)는 입자 또는 체액 중 적어도 어느 하나를 제어하도록 후술할 유동채널(20)을 관통하는 음향파를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 음향파는 표면탄성파일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시 예에서, 음향파 발생부(10)는 압전물질 및 미세전극을 포함할 수 있다. 그 중, 압전물질은 전기적 에너지와 기계적 에너지를 상호 변환할 수 있다. 일 실시 예에서, 미세전극은 손가락이 엇갈려 있는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 미세전극은 반도체 식각공정을 통하여 압전물질 표면에 패터닝 될 수 있다. 이 때, 미세전극의 간격에 상응하는 작동주파수를 갖는 AC 전압을 미세전극에 가하면, 압전물질의 기계적 수축 또는 팽창을 통해 음향파를 발생시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 음향파 발생부(10)는 제1 및 제2발생파트(101,102)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 및 제2발생파트(101,102)는 주유동채널(201)의 길이방향을 중심으로 서로 대향되도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 및 제2발생파트(101,102)는, 제1 및 제2발생파트(101,102)에 의해 발생한 음향파가 내부영역(S1)에서 서로 교차하여 진행되도록 배치될 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 및 제2발생파트(101,102)는 음향파의 진행방향이 주유동채널(201)의 길이방향과 수직이 되도록 배치될 수 있다. 또한, 주유동채널(201) 내 내부영역(S1)에서, 두 파의 중첩 및 상쇄에 의해 정상파가 형성될 수 있다. 이 때, 두 파의 중첩으로 인하여 진동에너지가 최대가 되는 지점을 반압력점(anti-pressure node)라고 지칭하며, 두 파의 상쇄에 의해 진동에너지가 최소가 되는 지점을 압력점(pressure-node)라고 지칭한다. 일 실시 예에서, 마주보는 전극 사이의 영역에 위치한 후술할 내부영역(S1) 내 입자는 음향파에 의해 힘을 받아 압력점 또는 반압력점으로 이동될 수 있으며, 이를 통해 유동중인 유체 및 유체 내에 부유된 입자를 제어할 수 있다. 여기서 내부영역(S1) 내 입자가 받는 힘은 하기의 식(1)에 의해 결정된다.
: 식(1)
참고적으로, 이며, p0, λ, Vc는 각각 탄성압, 파장, 대상 입자의 부피를 의미하고, ρc, ρw, βc, βw는 각각 입자의 밀도, 매질의 밀도, 입자의 압축성, 매질의 압축성을 의미한다. 또한 P, Z, A는 각각 입력전력, 전극의 임피던스, 음향파가 미치는 영역의 면적을 의미한다. Φ는 입자가 압력점 혹은 반압력점 중 어느 쪽으로 이동할지를 결정하는 값으로써 Φ > 0인 경우 입자는 압력점으로 이동하고, Φ < 0인 경우 입자는 반압력점으로 이동하게 된다.
유동채널(20)은, 체액이 유동하고 체액 내 입자가 분리되는 공간을 제공할 수 있다. 일 실시 예에서는 유동채널(20)은 주유동채널(201), 제1추출부채널(202) 및 제2추출부채널(203)을 포함할 수 있다. 한편, 체액이 주입되며 체액 내 입자의 전부 또는 일부를 분리시키기 위하여 주유동채널(201)이 제공하는 공간을 내부영역(S1), 분리된 입자가 제외된 체액이 유동하도록 제1추출부채널(202)이 제공하는 공간을 제1추출영역(S2), 그리고 분리된 입자가 포함된 체액이 유동하도록 제2추출부채널(203)이 제공하는 공간을 제2추출영역(S3)이라고 지칭하도록 한다. 일 실시 예에서, 내부영역(S1)으로부터 제1추출영역(S2) 및 제2추출영역(S3)이 연통되도록 제2추출부채널(203)과 제1추출부채널(202)은 주유동채널(201)로부터 분기될 수 있다. 따라서, 체액은, 내부영역(S1)으로 유입되어 주유동채널(201)의 길이방향을 따라 유동하다가, 제1추출영역(S2) 또는 제2추출영역(S3)을 거쳐 최종적으로 후술할 분류부(30)가 제공하는 공간으로 유동할 수 있다. 즉, 제1내부영역(S11)과 연통되고 분리된 입자가 제외된 체액이 유동하는 제1추출영역(S2)을 구비한 제1추출부채널(202)이 주유동채널(201)로부터 연장형성될 수 있다. 이하에서는, 제1추출부채널(202) 및 제2추출부채널(203)이 주유동채널(201)로부터 분기되는 부분을 출구 분지로 지칭한다. 또한, 내부영역(S1) 중에서, 제1추출영역(S2)과 연통되며 주유동채널(201)의 길이방향을 따라 형성되는 공간을 제1내부영역(S11)이라 지칭하고, 제2추출영역(S3)과 연통되며 주유동채널(201)의 길이방향을 따라 형성되는 공간을 제2내부영역(S12)이라 지칭하도록 한다. 그리고 제1내부영역(S11)의 단면의 중심을 기준으로, 제1내부영역(S11)의 단면방향을 따라 제2내부영역(S12)을 향하도록 형성되는 방향을 분리방향(D)이라 지칭한다. 다만, 도 1에서 유동채널(20)의 단면은 직사각형이나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 유동채널(20)의 단면이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시 예에서, 식(1)에 따른 유동채널(20) 내 입자가 받는 힘은 제1내부영역(S11)에서 제2내부영역(S12) 방향, 즉, 분리방향(D)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유동채널(20) 내 입자는, 체액이 내부영역(S1)을 유동하는 과정에서, 제1내부영역(S11)에서 제2내부영역(S12)으로 이동할 수 있다. 일 실시 예에서, 체액이 주유동채널(201)의 길이방향을 따라 유동하는 과정에서, 즉, 출구분지가 형성되기 전까지의 유동에서, 내부영역(S1)에서의 입자의 분리가 완료될 수 있다. 따라서, 제2추출영역(S3)에서는 분리된 입자가 포함된 체액이 유동하며, 제1추출영역(S2)에서는 분리된 입자가 제외된 나머지 입자를 포함하는 체액이 유동할 수 있다.
분류부(30)는 체액 내 입자의 분리가 완료된 후, 분류된 체액을 보관할 수 있다. 일 실시 예에서, 분류부(30)는 제1 및 제2분류부(301, 302)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 분류부(30)는 제1추출부채널(202)과 연결되어, 제1추출영역(S2)을 통해 유동하는 체액을 보관할 수 있다. 또한, 제2분류부(302)는 제2추출부채널(203)과 연결되어, 제2추출영역(S3)을 통해 유동하는 체액을 보관할 수 있다. 다만, 분류부(30)는 원기둥 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 분류된 체액을 보관하기 용이한 형태라면 무방하다.
도 3은, 일 실시 예에 따른 내부영역의 단면이 높이 50μm의 직사각형으로 형성될 때, 입자 분리 장치의 혈액 내 혈장 추출율을 도시하는 그래프이다. 여기서, 혈액 내 혈장 추출율은 출구 분지 이전의 내부영역 전체 영역에서의 해마토크릿(Hematocrit: Hct)을 기준으로, 제2추출영역을 통하여 제2분류부로 적혈구를 분리시킨 후, 제1분류부에서의 해마토크릿을 비율로 평가한 것이다. 도 3을 설명함에 있어서, 앞서 설명한 기재와 중복되는 기재는 동일한 구성을 지칭하는 것으로 이해할 수 있다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 해마토크릿에 따른 혈액 내 혈장 추출율을 알 수 있다. 구체적으로, 해마토크릿이 높을수록 음향파의 영향으로, 제2내부영역으로 이동한 적혈구에 의해 제2내부영역에서의 국부적인 해마토크릿이 증가하여, 음향파의 영향을 저하시키기 때문에, 혈장 추출율이 낮아짐을 알 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 혈액의 유속이 25μm/min로 고정됐을 때, 음향파 발생부에 인가되는 인가전력에 따른 혈장 추출율을 알 수 있다. 구체적으로, 인가전력이 높을수록 식(1)에 따른 내부영역에서 입자가 받는 힘이 커지기 때문에, 혈장 추출율이 높아짐을 알 수 있다.
다만, 도 3의 (a) 및 (c)를 참조하면, 인가전력이 270Mw 이상일 때, 높은 전력으로 인해 음향파 발생부에서 열이 발생하고, 이로 인해 내부영역에서 유동하는 적혈구가 용혈(hemolysis) 또는 동결(gelation)되어 채널이 막히는 것을 알 수 있다. 따라서, 인가전력이 270Mw 이상일 때, 인가전력의 증가에도 불구하고 혈장 추출율이 낮아지거나 비슷해지는 것을 알 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 인가전력이 237Mw일 때, 혈액의 유속에 따른 혈장 추출율을 알 수 있다. 구체적으로, 혈액의 유속이 빨라질수록 내부영역에서 입자에 작용하는 식(1)에 따른 힘을 받는 시간이 짧아져, 혈액 내 혈장 추출율이 낮아짐을 알 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 해마토크릿에 대한 혈액 내 혈장추출율 및 내부영역의 단면의 높이에 따른 혈액 내 혈장추출율을 도시하는 그래프이다. 도 4를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 기재와 중복되는 기재는 동일한 구성을 지칭하는 것으로 이해할 수 있다.
도 4의 (a) 및 (b)의 x축은, 입자가 식(1)에 따른 힘을 받는 시간을 나타내는 작동시간이다. 즉, x축은, 혈액이 내부영역에서 주유동채널의 길이방향을 따라 유동하는 과정에서, 적혈구가 제1내부영역에서 제2내부영역까지 이동하는데 소요되는 시간을 의미한다. 여기서, 작동시간은 식(2)에 의해 결정된다.
: 식(2)
참고적으로, λ, η, rc, p0, Vc, β, ρ는 파장, 혈액의 점도, 적혈구의 반지름, 탄성파의 압력, 적혈구의 부피, 압축성, 밀도를 의미하며, 아래첨자 l은 혈액을 의미한다.
식(2)에 의하면, 단일 적혈구가 제1내부영역으로부터 제2내부영역까지 이동하는데 걸리는 작동시간은 0.58초로 계산된다. 이는 5% 해마토크릿의 샘플 내에서 혈장 추출율이 100%에 도달하는 작동시간과 거의 일치함을 알 수 있다. 반면, 10% 해마토크릿의 경우, 높이 50μm채널에서는 1.5초, 높이 20μm채널에서는 1.2초까지 작동시간이 길어져야 혈액 내 혈장추출율이 100%에 도달하게 된다. 이론적으로 계산된 0.67초보다 길게 나타나며, 이는 높아진 해마토크릿에 의해 내부영역에서 국부적인 영역, 즉, 제2내부영역에서의 점도가 증가하여 음향파의 영향이 저하되었기 때문이다.
도 4의 (a)는 내부영역의 단면의 높이가 50μm일 때, 혈액 내 혈장추출율을 도시한 그래프이며, (b)는 내부영역의 단면의 높이가 20μm일 때, 혈액 내 혈장추출율을 도시한 그래프이다. 두 그래프를 참조하면, 동일 조건에서 내부영역의 단면의 높이가 낮을수록 혈액 내 혈장 추출율이 높아지는 것을 볼 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 유동채널(20)의 모식도이고, 도 6은 일 실시 예에 따른 내부영역(S1)의 단면도이며, 도 7은 일 실시 예에 따른 내부영역(S1)의 단면의 형상에 대응되는 해마토크릿 분포를 설명하기 위한 도면이다. 도 5 내지 도 7을 설명함에 있어서, 앞서 설명한 기재와 중복되는 기재는 동일한 구성을 지칭하는 것으로 이해할 수 있다.
도 5를 참조하면, 일 실시 예에서, 제1내부영역(S11)의 단면의 면적이 제2내부영역(S12)의 단면의 면적보다 작도록 형성될 수 있다. 또한, 일 실시 예에서, 제1 또는 제2내부영역(S11,S12) 중 적어도 하나는 복수개일 수 있다. 예를 들어, 유동채널(20)은, 제1 및 제2내부영역(S11,S12)의 단면이 직사각형 형태이고, 제1내부영역(S11) 좌우에 제2내부영역(S12)이 각각 연통되며, 내부영역(S1)의 단면이 "U"형태를 가지도록 형성될 수 있다.
도 6를 참조하면, 제1내부영역(S11)의 단면의 면적이 제2내부영역(S12)의 단면의 면적보다 작도록 형성되는 경우, 내부영역(S1)으로 체액이 유동할 때, 상대적으로 제2내부영역(S12) 내 입자의 농도가 낮아짐을 알 수 있다. 일 실시 예에서, 체액 내 입자 분리 장치는, 식(1)에 따른 힘에 의해, 입자를 제1내부영역(S11)에서 제2내부영역(S12)으로 이동시킬 수 있다. 다만, 입자가 제1내부영역(S11)에서 제2내부영역(S12)으로 이동되는 과정에서, 제2내부영역(S12)에서의 입자의 농도가 증가하게 되고, 이로 인해 제2내부영역(S12)에서 체액의 점도가 증가하여, 입자 분리의 어려움이 발생할 수 있다.
예를 들어, 유동채널에 주입되는 혈액의 해마토크릿이 25%이고 H1 및 H2가 각각 20μm 및 50μm 일 때, 음향파 발생부의 작동 전 혈액의 해마토크릿은 (a) 및 (b) 모두 25%이다. 다만, 음향파 발생부의 작동 후 제1추출영역의 해마토크릿이 0%가 될 때, (a)에서는 제2추출영역의 해마토크릿이 37.5%가 되는 반면, (b)에서는 제2추출영역의 해마토크릿이 30%가 된다. 즉, (a)보다 (b)에서, 해마토크릿이 더 낮게 되며, 따라서 제2추출영역에서의 혈액의 점도가 더 낮게 되므로, 적혈구의 분리가 더 수월함을 알 수 있다. 다시 말하면, 내부영역(S1)의 단면이 직사각형 형태인 경우 보다 "U"형태일 경우, 적혈구 분리가 더 수월함을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 주유동채널(201)의 길이방향으로의 혈액의 유동이 없는 상태에서 해마토크릿 분포를 알 수 있다. 도 7에서 일 실시 예에 따른 실험자료를 참조하면, 실험 조건은 내부영역(S1)의 단면의 형태가 다른 세 가지의 유동채널에 음향파 발생부를 약 2초간 작동시키는 것으로 설정하였다. 실험 결과 동일 전압 조건에서 (a)와 (b)를 비교하면, 내부영역(S1)의 단면의 높이가 낮은 (b)에서 적혈구가 더 잘 분리되었다. 채널이 낮을수록 음향파의 영향이 채널 전반에 효과적으로 전달되기 때문이다. 또한, 동일 전압 조건에서 (b)와 (c)를 비교하면, 제2내부영역(S12)의 단면의 면적이 제1내부영역(S11)의 단면의 면적보다 넓은 (c)에서 적혈구가 잘 분리되었다. (a)보다 (c)에서 제2내부영역(S12) 내 해마토크릿이 더 낮기 때문이다. 특히, (c)에서는 음향파 발생부에 18V를 인가했을 때 제1추출영역에서의 대부분의 적혈구가 제거되었고, 20V를 인가했을 때 제1추출영역에서의 적혈구가 모두 제거되었다.
다만, 도 5 내지 7은 설명의 편의를 위하여 내부영역(S1)의 단면의 형태가 "U"형태로 형성되는 경우를 예시로 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1내부영역(S12)의 단면의 면적이 제2내부영역(S12)의 단면의 면적보다 작도록 형성되는 경우라면 내부영역(S1)의 단면의 형태가 될 수 있다. 또한, 분리되는 입자가 적혈구로 한정되는 것은 아니며, 주유동채널(201)로 주입되는 체액 역시 혈액으로 한정되는 것도 아니다. 예를 들어, 백혈구 또는 혈소판 등이 제2추출부채널로 이동하여 분리될 수 있으며, 복수의 입자가 분리될 수도 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 내부영역(S1)의 단면의 형태가 L형태이고, 음향파가 주유동채널(201)의 길이방향에 비스듬하게 형성될 때, 체액 내에서 입자가 분리될 수 있음을 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 설명함에 있어서, 앞서 설명한 기재와 중복되는 기재는 동일한 구성을 지칭하는 것으로 이해할 수 있다.
도 8을 참조하면, 일 실시 예에서, 음향파는 주유동채널(201)의 길이방향에 비스듬하게 형성될 수 있다. 즉, 음향파 발생부는, 음향파의 진행방향이 주유동채널(201)의 길이방향과 비스듬한 방향으로 형성되도록 배치될 수 있다. 일 실시 예에서, 도 8의 (a)에서 원형으로 표시된 입자는, 음향파가 형성되는 점선방향을 따라, 단면의 높이가H1인 제1내부영역(S11)에서 단면의 높이가H2인 제2내부영역(S12)으로 이동할 수 있다. 일 실시 예에서, H1은 H2보다 작을 수 있다. 도 8의 (b) 내지 (e)는 일 실시 예에 대한 실험자료이다. 실험조건은, (a)를 참조하여, 내부영역(S1)의 단면은 H1이 20μm이고 H2가 60μm이며 W는 600μm를 갖도록 설계하였고, 22.5%의 해마토크릿을 갖는 혈액을 유동시켰으며, 음향파 발생부에 7.57MHz 조건으로 인가전압20V를 인가하였다. 실험 결과, (b) 내지 (d)에서 볼 수 있듯이, 혈액의 유속이 20μl/min이상 100μl/min 이하일 때, 적어도 출구 분지 전까지, 적혈구가 제1내부영역(S11)에서 제2내부영역(S12)으로 모두 이동한 것을 알 수 있다. 또한, (e)에서 볼 수 있듯이, 200μl/min의 유동조건에서는, 혈액 내 적혈구가 빠른 유속으로 인해 음향파에 의해 작용하는 힘을 충분한 시간동안 받지 못하여, 일부 적혈구가 분리되지 못하고, 여전히 제1추출영역에서 유동함을 확인할 수 있다.
도 8은 설명의 편의를 위하여 내부영역(S1)의 단면의 형상, 제1 및 제2내부영역(S11,S12)의 단면의 높이, 음향파의 각도 등 여러 조건을 도시한 것일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 효율적인 입자의 추출을 위하여 각 조건은 최적화 과정을 거칠 수 있다.
도 9는 인가전압 또는 유속의 조절을 통해 체액 내에서 특정 크기 이상의 입자를 제거해 원하는 크기의 입자를 고순도로 추출할 수 있음을 도식화한 도면이다.
이하에서는, 도 9를 참조하여 특정 크기의 입자를 추출하는 과정을 설명하도록 한다. 도 9를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 기재와 중복되는 기재는 동일한 구성을 지칭하는 것으로 이해할 수 있다.
체액 내 입자가 식(1)에 따른 힘을 받을 때, 항력을 동시에 받는다. 여기서 항력은 식(3)에 의해 결정된다.
: 식(3)
참고적으로, η, r 및 v는 각각 체액의 점도, 입자의 반지름 및 입자의 상대적 속도를 의미한다. 도 9의 (a)는 인가전력이 0일 때, 입자의 이동이 없음을 나타내며, (b)내지 (d)는 인가전력의 크기 또는 유속에 따른 입자의 이동을 나타낸다. 도 9의 (b)에서 인가전력을 Pb, 유속을 Qb라 지칭하고, (c)에서 인가전력을 Pc, 유속을 Qc라 지칭하며, (d)에서 인가전력을 Pd, 유속을 Qd라 지칭하도록 한다.
도 9를 참조하면, 일 실시 예에서, 체액 내 입자 분리 장치는, 인가전력이 고정되며 유속은 조절될 수 있다. 즉, Pb=Pc=Pd이며, Qb>Qc>Qd일 수 있다. 구체적으로, 유속이 느려지면, 체액이 내부영역(S1)을 통과하는 시간이 길어져, 식(1)에 의해 힘을 받는 시간이 길어진다. 따라서 식(1)에 의한 힘을 상대적으로 적게 받는 작은 입자까지 최종적으로 제2내부영역(S12)으로 이동하게 된다. 그 결과, 유속이 가장 느린 도 8의 (d)에서 작은 입자까지 제2내부영역(S12)으로 이동함을 알 수 있다. 또한, 일 실시 예에서, 체액 내 입자 분리 장치는, 체액의 유속이 고정되며 인가전력이 조절될 수 있다. 즉, Qb=Qc=Qd이며, Pb<Pc<Pd일 수 있다. 인가전력이 커지면, 식(1)에 의한 힘이 커진다. 따라서 식(1)에 의한 힘을 상대적으로 적게 받는 작은 입자까지 최종적으로 제2내부영역(S12)으로 이동하게 된다. 따라서 인가전력이 가장 큰 도 8의 (d)에서 작은 입자까지 제2내부영역(S12)으로 이동함을 알 수 있다. 일 실시 예에서, 음향파 발생부에 인가되는 인가전압 또는 유동채널 내의 유속의 조절을 가능하게 하여, 체액 내 다양한 크기의 입자 중 원하는 크기의 입자를 고순도로 추출할 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 되 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
1: 체액 내 입자 분리 장치
10: 음향파 발생부
101: 제1발생파트
102: 제2발생파트
20: 유동채널
201: 주유동채널
202: 제1추출부채널
203: 제2추출부채널
30: 분류부
301: 제1분류부
302: 제2분류부
S1: 내부영역
S11: 제1내부영역
S12: 제2내부영역
S2: 제1추출영역
S3: 제2추출영역
D: 분리방향
D1: 제1분리방향
D2: 제2분리방향

Claims (15)

  1. 체액이 주입되며 입자의 전부 또는 일부를 분리시키기 위한 내부영역을 제공하고,
    상기 내부영역은 제1 및 제2내부영역을 포함하며,
    상기 제1내부영역은 주유동채널의 길이방향을 따라 형성되고,
    상기 제2내부영역은 상기 제1내부영역의 일측 또는 양측에 접하고, 분리방향을 따라 형성되며,
    상기 제1내부영역의 단면의 면적은 상기 제2내부영역의 단면의 면적보다 작도록 형성되고,
    상기 주유동채널의 길이방향은 체액이 유동하는 방향인 것을 특징으로 하는, 주유동채널을 포함하고,
    상기 내부영역의 단면은 "U"형태이되, 상기 제1내부영역의 양측에 상기 제2내부영역이 형성된 것을 특징으로 하는, 유동채널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동채널은 상기 제1내부영역과 연통되고 분리된 입자가 제외된 체액이 유동하는 제1추출영역을 구비한 제1추출부채널이 주유동채널로부터 연장형성된 것을 특징으로 하는 유동채널.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2내부영역과 연통되고 상기 분리된 입자가 포함된 체액이 유동하는 제2추출영역을 제공하는 제2추출부채널을 더 포함하고,
    상기 제2추출부채널 및 제1추출부채널은 상기 주유동채널로부터 분기되도록 형성된 것을 특징으로 하는 유동채널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2내부영역 중 적어도 하나는 복수개로 형성되는 유동채널.
  5. 삭제
  6. 입자가 포함된 체액이 유동하는 공간을 제공하는 유동채널; 및
    상기 입자 또는 체액 중 적어도 하나를 제어하도록 상기 유동채널을 관통하는 음향파를 발생시키기 위한 음향파 발생부를 포함하고,
    상기 유동채널은 상기 체액이 주입되며, 상기 입자의 전부 또는 일부를 분리시키기 위한 내부영역을 제공하는 주유동채널을 포함하며,
    상기 내부영역은 제1 및 제2내부영역을 포함하고,
    상기 제1내부영역은 주유동채널의 길이방향을 따라 형성되고,
    상기 제2내부영역은 상기 제1내부영역의 일측 또는 양측에 접하고, 분리방향을 따라 형성되며,
    상기 제1내부영역의 단면의 면적은 상기 제2내부영역의 단면의 면적보다 작도록 형성되고,
    상기 주유동채널의 길이방향은 체액이 유동하는 방향인 것을 특징으로 하는 것이고,
    상기 내부영역의 단면은 "U"형태이되, 상기 제1내부영역의 양측에 상기 제2내부영역이 형성된 것을 특징으로 하는 것인, 체액 내 입자 분리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유동채널은 상기 제1내부영역과 연통되고 분리된 입자가 제외된 체액이 유동하는 제1추출영역을 구비한 제1추출부채널이 주유동채널로부터 연장형성된 것을 특징으로 하는 체액 내 입자 분리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유동채널은 상기 제2내부영역과 연통되고 상기 분리된 입자가 포함된 체액이 유동하는 제2추출영역을 제공하는 제2추출부채널을 더 포함하고,
    상기 제2추출부채널 및 제1추출부채널은 상기 주유동채널로부터 분기되도록 형성된 것을 특징으로 하는 체액 내 입자 분리 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2내부영역 중 적어도 하나는 복수개로 형성되는 체액 내 입자 분리 장치.
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서,
    상기 음향파 발생부는 제1 및 제2발생파트를 포함하고,
    상기 제1 및 제2발생파트는 상기 주유동채널의 길이방향을 중심으로 서로 대향되도록 배치되며, 각각 음향파를 발생시키고,
    상기 제1 및 제2발생파트에 의해 발생된 음향파는 상기 주유동채널 내의 내부영역에서 서로 중첩 및 상쇄작용을 일으켜 압력점 및 반압력점을 형성하고,
    상기 음향파 발생부는 상기 압력점 및 반압력점 사이 발생하는 힘에 의해 상기 입자 또는 체액 중 적어도 하나를 제어하는 체액 내 입자 분리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2발생파트는 상기 음향파의 진행방향이 상기 주유동채널의 길이방향과 수직이 되도록 배치되는 체액 내 입자 분리 장치.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 음향파 발생부에서 발생된 음향파는 표면탄성파인 체액 내 입자 분리 장치.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 내부영역에서의 유속 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 체액 내 입자 분리 장치.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 음향파 발생부에 인가되는 인가전력의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 체액 내 입자 분리 장치.
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