KR102665767B1 - 마이크로구조화 판별 디바이스 - Google Patents

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미카엘 밀보커
루카스 블뤼허
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비브이더블유 홀딩 에이쥐
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Abstract

유체 유동에 미립자 및/또는 유체를 포함하는 소수성-친수성 유체 복합물을 분리하기 위한 마이크로구조화 판별 디바이스(100)가 개시된다. 판별은 텍스처링된 표면을 물리적으로 변화함으로써 그리고/또는 표면 화학적 특성을 변화함으로써 얻어진 표면 에너지 구배의 결과인데, 양자 모두는 공간적으로 구배가 있다. 이러한 표면은 외부 에너지 입력 없이 미립자 및/또는 유체를 판별하고 공간적으로 분리한다. 본 발명의 디바이스는 반경방향으로 배열된 분기 마이크로채널(310)을 갖는 플랫폼(302)을 포함한다. 마이크로채널의 루멘 표면은 치수를 따라 계층적으로 배열된 마이크로구조체의 주기성을 변화시킴으로써 생성된 표면 에너지 구배를 가질 수도 있다.

Description

마이크로구조화 판별 디바이스
본 발명은 일반적으로 공간적으로 변화하는 계층적 마이크로구조체(spatially varying hierarchical microstructures)를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
더 구체적으로, 본 발명은 유체 유동을 갖는 구배가 있는 웬젤(Wenzel) 계면 및 구배가 있는 캐시(Cassie) 계면을 생성하기 위해 공간적으로 변화하는 계층적 마이크로구조체를 포함하는 디바이스에 관한 것이다. 이들 구배가 있는 계면은 표면 에너지 구배에 의해 특징화될 수도 있다. 이들 표면 에너지 구배는 디바이스 내의 유체 유동을 구동할 수 있는 공간적으로 변화하는 화학적으로 유도된 표면 에너지 구배를 생성하기 위해 공간적으로 변화하는 마이크로구조체를 개별적으로 또는 조합하여 포함할 수도 있다.
미크론 이하의 스케일에서의 유체의 거동은 표면 장력, 에너지 소산 및 유체 저항과 같은 인자가 시스템 동역학을 지배하기 시작한다는 점에서 "매크로유체" 거동과는 상이할 수 있다. 작은 스케일(약 100 나노미터 내지 500 마이크로미터의 채널 크기 및 표면 텍스처)에서, 몇몇 흥미롭고 때때로 비직관적인 특성이 나타난다. 특히, 레이놀즈 수(Reynolds number)(유체의 운동량 효과와 점도의 효과를 비교함)는 매우 낮아질 수 있다. 주요 결과는 공동 유동(co-flowing) 유체 상태로의 복합 유체 전이인데, 여기서, 유체 성분은 반드시 전통적인 의미로 혼합되는 것은 아니다. 유동이 난류보다는 층류가 됨에 따라, 공동 유동 유체 사이의 분자 수송은 종종 확산을 통해 이루어져야 한다. 이온 교환 표면은 높은 표면 농도의 반대 이온(counter-ions)을 생성하기 때문에 수중에서 100 MPa 초과의 매우 높은 삼투압을 생성할 수 있다는 것이 또한 주목된다. 높은 표면적을 갖는 폴리 이온 나노입자는 실제 탈염(desalination) 프로세스에 사용될 수 있을 정도로 큰 삼투압을 생성한다. 반대 이온과 용질은 마이크로유체 시스템을 이해하고 개발하려고 시도할 때 어려움을 제시하고, 따라서 반대 이온 또는 용질의 존재 없이 비하전되지만 동일한 특성을 갖는 시스템이 유익할 것이다.
생화학적 독소 및 기타 위험한 병원체에 대한 유체 샘플의 연속 샘플링 및 실시간 시험이 가능한 마이크로유체 기반 디바이스는 생물 위협에 대한 상시 접속(always-on) 조기 경보 시스템으로서 역할을 할 수 있다.
개방형 마이크로유체역학에서, 시스템의 적어도 하나의 경계가 제거되어, 유체를 공기 또는 다른 계면(즉, 액체)에 노출한다. 개방형 마이크로유체 시스템의 장점은 개입을 위한 유동 액체에 대한 접근성, 더 큰 액체-기체 표면적 및 최소화된 기포 형성을 포함한다.
개방형 마이크로유체역학의 다른 장점은 개방형 시스템을 표면 장력 구동 유체 유동 아키텍처와 통합하는 능력이다. 표면 장력 구동 유체 유동은 연동 펌프 또는 주사기 펌프와 같은 외부 펌핑 방법의 필요성을 제거한다.
개방형 마이크로유체 디바이스는 밀링, 열성형 및 핫 엠보싱에 의해 제조가 쉽고 저렴하다. 게다가, 개방형 마이크로유체역학은 모세관 유동에 해로울 수 있는 디바이스용 커버를 접착하거나 접합할 필요성을 제거한다. 개방형 마이크로유체역학의 예는 개방 채널 마이크로유체역학, 레일 기반 마이크로유체역학, 종이 기반 및 스레드 기반 마이크로유체역학을 포함한다. 개방형 시스템의 단점은 증발, 오염 및 제한된 유량에 대한 민감성을 포함한다.
연속 유동 마이크로유체역학에서, 연속 액체 유동의 조작은 미세 가공된 채널을 통해 달성된다. 액체 유동의 작동은 외부 압력 소스, 외부 기계식 펌프, 일체형 기계식 마이크로펌프에 의해, 또는 모세관력과 전기동역학 메커니즘의 조합에 의해 구현된다. 연속 유동 마이크로유체 동작은 구현이 쉽고 단백질 오염 문제에 덜 민감하기 때문에 주류 접근법이다. 연속 유동 디바이스는 다수의 명확하게 정의되고 간단한 생화학적 용례와 화학 분리와 같은 특정 작업에 적절하지만, 높은 정도의 유연성 또는 유체 조작을 요구하는 작업에는 덜 적합하다. 이들 폐쇄 채널 시스템은 유동장을 지배하는 파라미터가 유동 경로를 따라 변화하여 전체 시스템의 특성에 따라 임의의 하나의 장소에서 유체 유동이 이루어지게 하기 때문에 통합 및 스케일링이 본질적으로 어렵다.
액적 기반 마이크로유체역학에서, 이산 체적의 유체의 조작은 낮은 레이놀즈 수와 층류 유동 방안으로 혼합 불가능한 상에서 수행된다. 액적 기반 마이크로유체 시스템의 관심은 지난 수십년 동안 상당히 증가했다. 마이크로액적은 작은 체적(μl 내지 fl)의 유체를 편리하게 핸들링하고, 더 양호한 혼합, 캡슐화, 분류 및 감지를 제공하며, 높은 처리량 실험에 적합하다. 액적 기반 마이크로유체역학의 이익을 효율적으로 활용하는 것은 액적 모션, 액적 분류, 액적 병합 및 액적 분열과 같은 다양한 논리적 동작을 수행하기 위한 액적 생성에 대한 깊은 이해를 필요로 한다. 마이크로구조화 표면은 마이크로유체 설정에서 액적으로 특수화된 계면을 조작하고 형성하는 데 특히 유용하다.
디지털 마이크로유체역학에서, 이산의 독립적으로 제어 가능한 액적은 전기 습윤(electrowetting)을 사용하여 마이크로구조화 기판 상에서 조작된다. 디지털 마이크로 전자공학의 비유에 따라, 이 접근법은 디지털 마이크로유체역학이라 칭한다. 전기모세관력이 디지털 트랙 상에서 액적을 이동하는 데 사용된다. 디지털 마이크로유체역학에서, "유체 트랜지스터"라는 개념이 존재한다. 이산 단위 체적 액적을 사용함으로써, 마이크로유체 기능은 반복되는 반복 동작, 즉, 하나의 거리의 단위에 걸쳐 하나의 유체의 단위 이동하는 것으로 감소될 수 있다. 이 "디지털화" 방법은 마이크로유체 바이오칩 설계를 위한 계층적 표면 구조 접근법의 사용을 용이하게 한다. 디지털 마이크로유체역학은 유연하고 스케일링 가능한 시스템 아키텍처 뿐만 아니라 높은 내결함성 기능을 제공한다. 전기 습윤 메커니즘은 각각의 액적이 독립적으로 제어되게 하고, 전체 시스템을 동적으로 재구성하는 것을 가능하게 하며, 이에 의해 마이크로유체 어레이 내의 계층적 도메인의 그룹은 생물학적 검정의 세트의 동시 실행 중에 그 기능을 변경하도록 재구성될 수 있다. 디지털 마이크로유체역학을 위한 하나의 통상적인 작동 방법 중 하나는 EWOD(electrowetting-on-dielectric)이다. 그러나, 표면 음향파, 광전기 습윤, 기계적 작동 등도 또한 유체 액적을 디지털식으로 조작하는 방법이다.
종이 기반 마이크로유체역학에서, 디바이스는 생물학적 반응이 발생하는 출구로 수용액을 수동적으로 수송하는 친수성 종이 상의 표면 마이크로구조 소수성 배리어를 포함한다. 현재 용례는 고급 의료 진단 도구가 결여되어 있는 영역에 도달하는 희망을 갖고, 휴대용 포도당 검출 및 환경 시험을 포함한다.
마이크로유체역학은 또한 생체내(in vitro) 또는 생체외(in vivo) 환경에서 경관 생태학(landscape ecology)과 조합될 수도 있다. 나노/마이크로 구조화 유체 경관은 박테리아 및/또는 세포 서식지를 생성하도록 의도된 표면 마이크로구조체의 국부 패치를 병치하고 경관을 생성하기 위해 확산 통로(dispersal corridor)를 통해 상이한 마이크로구조체 패치를 연결함으로써 구성될 수 있다. 결과적인 경관은 공간과 시간에 분산된 생물학적 기회의 패치의 공간 모자이크를 생성함으로써, 적응성 경관의 물리적 구현예로서 사용될 수 있다. 이들 유체 경관의 패치 성질은 메타개체군 시스템에서 박테리아 및 신체 세포를 적응시키는 연구를 허용한다. 마이크로구조화 경관은 합성 생태계 환경에서 박테리아 및 세포 시스템의 진화 생태학을 연구하는 데 사용될 수 있다. 이식물 상황에서, 마이크로구조화 경관은 장기의 치유를 향상시키거나 재생을 촉진하기 위해 복잡하고 유기화된 조직 구조체를 지향시킬 수 있다.
예를 들어, 마이크로구조화 경관은 마이크로유체를 사용함으로써 정밀하고 신중하게 제어되는 화학유인물질 구배를 구동할 수 있다. 제어된 화학유인물질 마이크로구조화 경관은 세포 운동성과 화학주성(chemotaxis)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 반대로, 마이크로구조화 경관은 미생물의 작은 개체군에서 짧은 시간 기간에 항생제에 대한 박테리아 내성의 진화를 연구하는 데 사용될 수 있다. 박테리아를 포함하는 이들 미생물과 해양 미생물 루프를 형성하는 광범위한 유기체는 해양 생물지구화학의 대부분을 조절하는 책임이 있다. 마이크로구조화 경관은 또한 경도주성(durotactic)(강성) 구배의 생성을 촉진함으로써 경도주성(durotaxis)의 연구에 크게 도움이 되었다.
따라서, 다양한 유체 성분을 판별할 수 있고 다양한 마이크로유체 시스템에 적용 가능한 마이크로구조화 표면을 갖는 디바이스가 이어서 요구된다.
몇몇 실시예에서, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 지향 채널을 포함할 수도 있는 베이스를 포함할 수도 있는 유체 분리 디바이스가 개시된다. 지향 채널의 제2 단부는 제1 및 제2 분리 채널에 연결될 수도 있고, 제1 및 제2 분리 채널은 지향 채널의 제2 단부로부터 분기된다. 지향 채널은 제1 단부로부터 제2 단부로 유체의 유동을 지향하도록 구성된 제1 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 또한 포함할 수도 있다. 제1 분리 채널은 지향 채널로부터 제1 분리 채널로 유체의 적어도 일부의 유동을 선택적으로 지향하도록 구성된 제2 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 포함할 수도 있다. 제2 분리 채널은 지향 채널로부터 제2 분리 채널로 유체의 적어도 일부의 유동을 선택적으로 지향하도록 구성된 제3 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 유체 분리 디바이스는 베이스 상에 배치된 주입 포트를 더 포함할 수도 있고, 주입 포트는 지향 채널의 제1 단부에 연결될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 유체 분리 디바이스는 구배가 있는 웬젤 상태를 형성하는 제1 분리 채널의 제2 계층적 마이크로구조체 및 구배가 있는 캐시 상태를 형성하는 제2 분리 채널의 제3 계층적 마이크로구조체를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 제2 및 제3 계층적 마이크로구조체는 별개의 표면 에너지 구배를 각각 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 별개의 표면 에너지 구배는 제3 계층적 마이크로구조체와 관련하여 제2 계층적 마이크로구조체의 공간 주기성을 공간적으로 변화시킴으로써 형성될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 유체는 적어도 제1 성분 및 제2 성분을 포함할 수도 있고, 각각의 제2 및 제3 계층적 마이크로구조체의 별개의 표면 에너지 구배는 제1 성분 및 제2 성분을 별개의 유동으로 분리하도록 구성될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 성분의 별개의 유동은 제1 분리 채널로 지향될 수도 있고, 제2 성분의 별개의 유동은 제2 분리 채널로 지향될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 계층적 마이크로구조체의 각각은 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소로 형성될 수도 있고, 공간적으로 변화하는 구성요소는 계층으로 배열될 수도 있고 10 나노미터 내지 1000 미크론의 직경 및 높이의 변동을 포함할 수도 있다. 부가적으로, 제1, 제2 및 제3 계층적 마이크로구조체의 각각은 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소로 형성될 수도 있고, 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소는 10 나노미터 내지 1000 미크론의 피치를 갖고 서로 인접하게 배열될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 성분 유동은 제1 고체를 포함할 수도 있고 제2 성분 유동은 제2 고체를 포함할 수도 있고, 제1 고체는 제2 고체와 상이할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 고체는 적혈구를 포함할 수도 있고 제2 고체는 혈소판을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 성분 유동은 고체를 포함할 수도 있고 제2 성분은 상기 고체의 결여를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 성분은 적혈구 및 혈소판을 포함할 수도 있고 제2 성분은 혈청을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 유체 분리 디바이스는 제1 또는 제2 분리 채널과 연통되는 적어도 하나의 수집 저장조를 더 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 유체 분리 디바이스는 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 지향 채널을 포함할 수도 있는 베이스를 포함할 수도 있다. 제2 단부는 제1 및 제2 분리 채널에 연결될 수도 있다. 제1 및 제2 분리 채널은 지향 채널의 제2 단부로부터 분기될 수도 있다. 지향 채널은 제1 단부로부터 제2 단부로 유체의 유동을 지향하도록 구성된 제1 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 포함할 수도 있다. 제1 분리 채널은 지향 채널로부터 제1 분리 채널로 유체의 적어도 일부의 유동을 선택적으로 지향하도록 구성된 제2 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 포함할 수도 있다. 제2 분리 채널은 지향 채널로부터 제2 분리 채널로 유체의 적어도 일부의 유동을 선택적으로 지향하도록 구성된 제3 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 포함할 수도 있다. 제2 분리 채널은 또한 제1 출력이 복귀 라인과 유체 연통하고 제2 출력이 수집 저장조와 유체 연통하는 상태로 분기할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 유체 분리 디바이스는 유체를 공급하기 위한 입력 저장조를 더 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 유체 분리 디바이스는 입력 저장조로부터 유체를 수용하고 유체를 지향 채널로 지향하도록 구성된 입력 포트를 더 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 복귀 라인은 입력 저장조와 유체 연통할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 유체 분리는 유체 모니터가 유체 전도도를 측정하기 위해 구성될 수도 있도록 수집 저장조의 상류에 배치된 유체 모니터를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 목적, 기술적 내용, 특징 및 성과가 더 용이하게 이해될 수 있게 하기 위해, 본 발명의 실시예가 이하의 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 일반화된 마이크로구조화 유체 판별 디바이스를 개략적으로 도시하고 있는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로구조화 유체 판별 디바이스를 개략적으로 도시하고 있는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로구조화 유체 판별 디바이스를 개략적으로 도시하고 있는 도면이다.
도 4는 성분 유체 분리의 메커니즘을 도시하고 있는 Y-판별기의 도면이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명에 따른 지향 채널에 대한 계층적 마이크로구조화 구배 패턴의 3개의 예의 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 분리 채널에 대한 계층적 마이크로구조화 구배 패턴의 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 전혈로부터 적혈구를 분리하기 위한 마이크로구조체 판별기의 분리 채널 내부 마이크로구조체의 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 디지털 마이크로구조화 유체 판별 디바이스의 분리 채널 내부 마이크로구조체의 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 세포-표면 상호 작용을 연구하기 위한 경관 마이크로구조화 유체 판별 디바이스에서 진화 챔버의 내부 마이크로구조체의 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 전혈로부터 적혈구를 분리하기 위한 팬 판별기의 제1 실시예이다.
이하의 상세한 설명 및 첨부 도면은 본 발명의 다양한 예시적인 실시예를 설명하고 예시한다. 설명 및 도면은 통상의 기술자가 본 발명을 구성하고 사용하는 것을 가능하게 하는 역할을 한다. 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명될 것이지만, 통상의 기술자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 형태 및 상세의 변화가 이루어질 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 이와 같이, 이하의 상세한 설명은 한정적이기보다는 예시적인 것으로서 간주되고 본 발명의 범주를 정의하기 위해 의도된 것은 그 모든 등가물을 포함하는 첨부된 청구범위인 것이 의도된다.
본 출원에서, 용어 "포함한다", "구비한다", "갖는", "갖는다", "함유한다" 및 이들의 변형은 부가의 행위 또는 구조의 가능성을 배제하지 않는 개방형 접속 구문, 용어 또는 단어가 되도록 의도된다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "표면 에너지" 및 "계면 자유 에너지"는 표면이 생성될 때 발생하는 분자간 결합의 파괴로 인한 자유 에너지를 칭한다. 재료의 물리학은 고체 표면이 재료의 벌크보다 본질적으로 에너지적으로 덜 적합한 것(표면 상의 분자가 재료의 벌크 내의 분자와 비교하여 더 많은 에너지를 가짐)을 요구하는데, 그렇지 않으면 표면이 생성되게 하는 것, 및 벌크 재료의 제거를 위한 구동력이 존재할 것이다. 벌크 재료의 제거는 내부로부터 외부로 용해되는 물질 내에서 발생하고, 이들 물질은 음의 표면 에너지를 갖는다. 따라서, 양의 표면 에너지는 벌크에 비교하여 재료의 표면에서의 과잉 에너지로서 정의되고, 또는 이는 특정 표면의 영역을 구축하는 데 요구되는 일이다. 표면 에너지를 보는 다른 방법은 벌크 샘플을 절단하는 데 요구되는 일에 표면 에너지를 관련시켜, 2개의 표면을 생성하는 것이다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "표면 에너지 구배" 및 "계면 자유 에너지 구배"는 표면 에너지가 표면을 따른 거리의 함수로서 변화하는 표면을 칭한다. 구배는 단위 거리에 걸친 표면 에너지의 변화이다. 일반적으로, 단위 거리는 표면 에너지가 선택된 공간 간격에 걸쳐 선형적으로 증가하거나 선형적으로 감소하도록 충분히 작다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "습윤"은 고체 기판 상의 액체의 방울의 상태를 설명하는 계면 용어이다. 계면 에너지가 감소하면, 확산 파라미터(S)가 증가한다. 확산 파라미터가 이를 수학적으로 결정하는 데 사용될 수 있는데: 여기서 S는 확산 파라미터, 기판의 표면 에너지, 액체의 표면 에너지, 기판과 액체 사이의 계면 에너지이다.
S<0이면, 액체가 기판을 부분적으로 습윤한다.
S>0이면, 액체가 기판을 완전히 습윤한다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "소수성" 및 "친수성"은 표면 A와 B 사이의 상대적 관계를 칭한다. SA<SB이면 A는 B에 비해 소수성이고, 여기서 SA는 표면 A의 확산 파라미터이고, SB는 표면 B의 확산 파라미터이며, 사용된 방울은 물이다. 반대로, B는 A에 비해 친수성이다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "소유성" 및 "친유성"은 표면 A와 B 사이의 상대적 관계를 칭한다. SA<SB이면 A는 B에 비해 소유성이고, 여기서 SA는 표면 A의 확산 파라미터이고, SB는 표면 B의 확산 파라미터이며, 사용된 방울은 지질이다. 반대로, B는 A에 비해 친유성이다. 이들 용어는 또한 측정에 사용되는 지질 방울의 종류에 의존할 수도 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "마이크로구조체"는 100 나노미터 내지 10,000 미크론의 공간 치수를 갖는 복수의 표면 요소 또는 특징부로 구성될 수도 있는 임의의 표면 텍스처 또는 표면 처리부를 칭한다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "계층적 마이크로구조체"는 몇몇 범위에서 특징적인 공간 치수에 의해 그룹화될 수 있는 다중 표면 요소 또는 특징부를 포함하는 임의의 표면 텍스처를 칭한다. 이들 그룹화의 각각은 계층적 레벨이라 칭한다. 치수 범위는 중첩될 수도 있지만, 각각의 그룹 내의 평균값은 별개이어야 한다. 따라서, 하나의 치수 범위의 평균이 다른 것의 치수 범위의 평균보다 크면 하나의 계층적 레벨이 다른 계층적 레벨보다 크다고 말할 수 있다. 계층적 마이크로구조체는 적어도 하나의 더 큰 계층적 레벨 위에 적어도 하나의 더 작은 계층적 레벨 위치를 갖는다. 예를 들어, 작은 직경의 실린더가 더 큰 직경의 실린더의 말단 표면 상에 위치된다. 마이크로구조체는 표면 텍스처에 추가하여 표면 처리부를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 작은 직경의 소수성 원형 코팅은 더 큰 직경의 실린더의 말단 표면 상에 위치될 수도 있다. 마이크로구조체는 단지 적층된 표면 처리부로만 구성될 수도 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "표면 처리부"는 그것이 배치되는 기판과는 상이한 표면 에너지를 갖는 코팅 물질을 칭할 수 있다. 대안적으로, 표면 처리부는 기판 또는 특징부의 표면 에너지를 국부적으로 변경하는 임의의 처리일 수도 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "표면 특징부"(또한 "표면 요소"라 칭할 수도 있음)는 기판 표면으로부터 또는 내로 돌출하는 기하학적 물체를 칭할 수 있다. 표면 특징부는 기판 재료의 추가 또는 제거를 포함한다. 기판 재료가 공간적으로 변화할 때, 표면 특징부는 기판 재료의 국부 추가 또는 제거를 포함한다. 공간적으로 변화하는 표면 특징부는 기판의 국부 표면 에너지에 비해 표면 에너지가 상이한 표면 특징부를 포함할 수도 있다. 공간적으로 변화하는 표면 특징부는 표면 특징부가 3차원 형태를 갖는다는 점에서 표면 처리부와는 상이하다. 재료의 첨가는 예를 들어 이들에 한정되는 것은 아니지만, 폴리머, 합금, 금속, 플라스틱, 복합재 등의 첨가와 같은, 기판 재료와는 상이한 재료를 포함할 수도 있다는 것이 또한 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "복잡 유체"(또한 "복합 유체"라고도 칭함)는 2개 이상의 기체, 액체 및/또는 고체 물질로 구성된 유체를 칭한다. 물질은 원자, 분자, 미립자 또는 생명체일 수 있다. 예를 들어, 전혈은 다수의 액체 및/또는 고체 물질을 포함하는 본 개시내용의 목적을 위한 복잡 유체로서 고려될 수도 있다. 유사하게, 오일과 식초의 혼합물은 본 개시내용의 목적을 위한 복잡 유체로 고려될 수도 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "분리 마이크로구조체"는 이들이 물질이 표면과 함께 생성하는 계면 표면 에너지에 의해 물질을 판별하는 임의의 마이크로구조체를 칭한다. 채널과 조합될 때, 분리 마이크로구조체는 몇몇 물질을 끌어당기고 다른 물질을 밀어낼 수도 있다. 분리 마이크로구조체가 디지털이면, 이는 하나의 상태에서 물질을 끌어당기고 다른 상태에서 동일한 물질을 밀어낼 수도 있다. 예는 본 개시내용의 목적을 위한 전기 습윤을 포함할 수도 있다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "지향 마이크로구조체"는 미리 결정된 방향으로 유체 유동을 촉진하는 임의의 마이크로구조체를 칭한다. 지향 마이크로구조체가 디지털이면, 이는 다수의 미리 결정된 방향으로 유체 유동을 촉진할 수도 있다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "전기 습윤"은 인가된 전기장에 의한 표면의 습윤 특성(통상적으로 소수성/친유성)의 개질을 칭한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "웬젤 상태"는 물질의 2개의 상 사이의 계면 상태를 칭하고, 접촉점에서 2개의 상의 표면은 낮은 접촉각을 생성한다. 웬젤 상태는 일반적으로 습윤 상태로 고려된다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "캐시 상태" 및 "캐시-박스터"는 물질의 2개의 상 사이의 계면 상태를 칭하고, 접촉점에서 2개의 상의 표면은 높은 접촉각을 생성한다. 캐시 상태는 일반적으로 비습윤 상태로 고려된다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "웬젤-캐시 상태"는 이종 표면을 갖는 계면 상태를 칭한다. 점 단위로 정의되는 웬젤 및 캐시 상태와 달리, 웬젤-캐시 상태는 물질의 2개의 상 사이의 표면 상의 영역을 칭하고, 접촉점에서 2개의 상의 표면은 몇몇 영역에서 낮은 접촉각을 생성하고 다른 영역에서 높은 접촉각을 생성한다. 일반적으로, 웬젤 및 캐시 영역은 병치되고, 하나의 상이 다른 상에 관하여 핀고정되거나 국부화되도록 배열된다. 국부화는 웬젤-캐시 상태가 웬젤-캐시 상태를 파괴하는 것에 비교하여 더 낮은 에너지 상태라는 사실에 기인한다. 2개의 상 사이의 전환이 발생하게 하기 위해, 에너지가 웬젤-캐시 상태를 파괴하기 위해 공급되어야 한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "구배가 있는 웬젤 상태"는 물질의 2개의 상 사이의 계면 상태를 칭하고, 접촉점에서 2개의 상의 표면은 낮은 접촉각을 생성하고, 그 접촉각은 하나의 상이 다른 상에 관하여 전환됨에 따라 변화한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "구배가 있는 캐시 상태"는 물질의 2개의 상 사이의 계면 상태를 칭하고, 접촉점에서 2개의 상의 표면은 높은 접촉각을 생성하고, 그 접촉각은 하나의 상이 다른 상에 관하여 전환됨에 따라 변화한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "구배가 있는 웬젤-캐시 상태"는 이종 표면을 갖는 계면 상태를 칭한다. 점 단위로 정의되는 웬젤 및 캐시 상태와 달리, 웬젤-캐시 상태는 물질의 2개의 상 사이의 표면 상의 영역을 칭하고, 접촉점에서 2개의 상의 표면은 몇몇 영역에서 낮은 접촉각을 생성하고 다른 영역에서 높은 접촉각을 생성한다. 일반적으로, 웬젤 및 캐시 영역은 병치되고, 하나의 상이 다른 상에 관하여 핀고정되거나 국부화되도록 배열된다. 국부화는 웬젤-캐시 상태가 웬젤-캐시 상태를 파괴하는 것에 비교하여 더 낮은 에너지 상태라는 사실에 기인한다. 2개의 상 사이의 전환이 발생하게 하기 위해, 에너지 배리어를 초과하는 에너지가 웬젤-캐시 상태를 파괴하기 위해 공급되어야 한다. 구배가 있는 웬젤-캐시 상태는 하나의 상이 다른 상에 관하여 전환됨에 따라 에너지 배리어가 변화하는 계면 상태이다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "성분 유동"은 제1 복잡 유체 유동으로부터 유도된 적어도 2개의 유동 중 하나를 칭하고, 여기서, 각각의 유도된 성분 유동은 다른 성분 유동으로부터 공간적으로 분리될 수 있다. 분리될 때, 성분 유동은 조성적으로 별개일 수도 있지만, 2개의 유동은 몇몇 성분을 공유할 수도 있다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "마이크로구조화 물"은 높은 표면 에너지 표면 옆에 있는 계면 물을 칭한다. 계층적 마이크로구조체에 의해 생성된 높은 표면 에너지는 물을 유기화하고 용액의 벌크에 대한 계면에서 용질을 배출한다. 계면 마이크로구조체 물의 영역은 수백 미크론의 폭일 수도 있다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "상"은 표면 에너지에 관한 상대적 지정을 칭한다. 예를 들어, 고체 폴리머, 물 및 공기의 3상 시스템은 상이한 표면 에너지의 3개의 상을 포함한다. 그러나, 3상 시스템은 고체, 액체 및 기체로 구성될 필요는 없다. 예를 들어, 3상 시스템은 고체, 물 및 액체 지질로 구성될 수도 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "캐리어 상"은 3상 시스템에서 상의 배열을 칭한다. 예를 들어, 고체, 물 및 공기를 포함하는 3상 시스템에서, 계면 기하학 형상은 공기에 의해 둘러싸인 폴리머 평면 표면과 접촉하는 물의 구로 설명된다. 주위 상은 캐리어 상이다. 고체-물-지질 시스템의 예에서 고체가 낮은 표면 에너지(소수성)를 가지면, 지질은 폴리머 표면 상에 액적을 형성하고 물은 캐리어가 된다. 반대로, 고체가 높은 표면 에너지를 가지면, 물은 폴리머와 연관하여 방울을 형성하고 지질은 캐리어 상이 된다.
용어 친수성 및 소수성은 시스템 특정적이고, 계면 기하학 형상(웬젤 또는 캐시)은 또한 시스템 특정적이라는 것이 이해되어야 한다. 실제로, 웬젤-캐시 상태는, 시스템이 적어도 3개의 상을 포함하면, 시스템 독립적 상태를 갖는 유일한 계면 상태이다. 명백하게 어느 상이 웬젤 계면을 형성하고 어느 상이 캐시 계면을 형성하는지는 여전히 시스템 특정적이지만, 주어진 3상 시스템에 대해 웬젤-캐시 계면을 형성하는 표면 텍스처의 경우, 일반적으로 임의의 3상 시스템에 대해 웬젤-캐시 계면을 형성할 것이다.
본 개시내용은 물리적 또는 화학적 방법으로부터 제조될 수도 있는 표면 에너지 구배를 생성하는 마이크로구조화 표면 텍스처를 갖는 디바이스를 설명한다. 높은 표면 에너지 표면, 계층적 마이크로구조체에 의해 생성된 높은 표면 에너지 옆에 계면 물을 갖는 디바이스는 물을 유기화하고 용액의 벌크에 대한 계면에서 용질을 배출한다. 이 배출은 수백 미크론 범위의 배제 구역을 생성한다. 이 배제 구역은 저분자량 염료, 단백질 용액 및 미크론-크기의 마이크로구를 포함하는 용액을 사용하여 마이크로구조화 표면의 부근에서 발견될 수도 있다.
배제 구역은 흥미로운 특성을 나타낼 수도 있다. 예를 들어, 물의 파라-오쏘(para-ortho) 모델을 사용하는 계산은 배제 구역이 짧은 UV 광 범위에서 향상된 흡수를 가질 수도 있다는 것을 시사한다. 실제로, UV 광은 배제 구역을 공간적으로 확장할 수도 있고, 물의 엔트로피를 감소시키고 배제 구역에서 물의 구조를 정렬할 수도 있다.
예기치 않게, 마이크로구조화 표면과 상호 작용하는 물의 파라-오쏘 모델에서, 계산은 본 개시내용의 마이크로구조화 표면이 몇몇 경우에, 마이크로구조화 물의 밀도가 마이크로구조화 상태에 있지 않은 물보다 높은 더 낮은 에너지 상태를 물이 찾게 하기 위해 충분한 표면 에너지 구배를 생성할 수 있는 것을 지시할 수도 있다. 물은 마이크로구조화되기 때문에, 그 점도가 더 높을 수도 있다. 이 효과는 실제로 인터로킹하는 마이크로표면-타겟-표면 계면의 웬젤-캐시 구역을 생성할 수도 있다.
따라서, 본 개시내용에 대한 맥락을 제공하기 위해 이들 발견을 요약하는 것이 유용하다. 몇몇 실시예에서, 물이 마이크로구조화 표면에 관하여 용액 내에 존재하는 경우마다, 물은 상호 작용하는 표면이 각각 높은 또는 낮은 표면 에너지를 갖는지 여부에 대응하여 '결합' 또는 '자유'로서 고려될 수도 있다. 생물학적 분야의 통상의 기술자들에게 더 친숙하게 말하면, 표면은 각각 친수성 또는 소수성일 수도 있다. 인접한 결합 상태를 형성함으로써 물의 자유 상태를 구조화함으로써, 복잡(복합) 유체의 성분의 분리에 유용한 가상 크기 배제 필터를 실현할 수 있다.
순수 분자로서 물과 임의의 다른 모이어티(moiety) 사이의 관계는 물과 모이어티의 조합이 순수 분자 물에 비교하여 더 낮은 엔트로피 상태일 때 결합 상태로 고려될 수도 있다. 낮은 엔트로피 물은 마이크로구조화 물의 다른 설명이다.
마이크로구조화 물은 용해하는 '자유' 물의 일부가 아닌 용질로 고려될 수도 있다. 따라서, 마이크로구조화 물의 영역에 의해 병치된 자유 물의 영역을 생성할 때, 훨씬 작고 덜 광대한 클러스터로 이루어진 더 높은 밀도 물에 의해 둘러싸인 대부분 수소 결합 구조의 영역을 생성할 수도 있다.
계층적 마이크로구조화 표면은 강하게 및 약하게 수소 결합된 물 분자의 공간 영역을 유도할 수도 있고, 이는 이어서 그 수분 활성도(water activity) 및 화학 포텐셜에 관하여 차이를 유도할 수도 있다. 일반적으로, 동일한 액체 질량 내에서 상이한 영역 사이의 수분 활성도 및 화학 포텐셜의 임의의 이러한 공간적으로 불연속적인 계면은 이들 상태를 균등화하고 화학 포텐셜 차이를 제거하기 위해 하나의 영역으로부터 다른 영역으로 액체 이동을 신속하게 유발할 수 있다. 그러나, 수용액과 상호 작용하는 계층적 마이크로구조화 표면이 있는 경우, 특정 표면 텍스처와 연관된 더 광대한 수소 결합 클러스터의 농도는 벌크 값과는 상이한 특성을 갖는 물의 층을 형성할 수도 있다. 표면 상호 작용은 벌크와 표면 체적 사이의 잠재적인 균등화를 방지하여, 따라서 에너지의 구배를 생성할 수도 있다. 이러한 것이 발생할 때, 계면 물은 벌크 내의 물과 비교하여 상이한 에너지 상태 및 화학 포텐셜을 가질 수도 있고, 이는 포텐셜 에너지의 차이로 이어질 수 있다.
표면의 친수성의 개념이 인접한 표면에 상대적이라는 것을 인식하면, 표면과 이웃하는 물 분자 사이의 상호 작용은 국부화된 수소 결합을 고정할 수도 있고, 이는 입체 계수와 함께, 클러스터 범위 및 이들 클러스터의 반감기를 증가시킬 수도 있다. 이들 구조체의 더 긴 수명은 더 광대한 수소 결합 클러스터를 유도할 수도 있고, 따라서 에너지 구배가 증가할 수도 있다. 텍스처링된 표면 옆의 이러한 에너지 구배의 증가는 엔트로피 및 에너지 고려 사이의 균형에 도달할 때까지 표면 옆의 영역으로부터 벌크 물을 향해 용질을 변위시킬 수도 있다.
배출된 물질 미립자 또는 상이한 분자인, 이러한 비-물 배출의 효과는 배출된 재료가 벌크 용액 농도와 혼합될 때 용질의 증가된 농도 밴드의 형성일 수도 있다. 2개의 계층적 구조화 표면이 영역의 경계를 한정하면, 배제된 재료는 경계 한정 영역의 중심에 집중되는 경향이 있을 수도 있다. 배제되는 물질의 유형은 마이크로구조화 표면의 구조와 물 성분의 친수성에 의존한다.
예를 들어, 현탁된 친수성 마이크로입자 또는 나노입자의 용액을 고려한다. 이들 입자의 표면은 작은 체적의 액체 내에서 입자의 정렬을 야기할 수도 있는 상호 반발적인 삼투압 효과를 유발할 수도 있다. 따라서, 여기에 설명된 효과는 멤브레인을 요구하지 않을 수도 있는 삼투 잠재성이다. 조건은 가상 필터로서 고려될 수도 있다. 실제로, 임의의 2개의 물질은 이들이 용액을 형성하면 분리될 수도 있고, 2개의 용액은 상이한 친수성, 또는 2개의 상을 갖는다.
이들 마이크로구조체 도메인은 자기 요변성(autothixotropy)으로서 공지된 현상과 유사한 특성을 가질 수도 있다. 따라서, 계층적 마이크로구조화 표면 부근의 유체 역학은 비뉴턴으로 고려될 수도 있다. 특히, 본 명세서에 개시된 바와 같은 마이크로구조화 도메인은 일반적으로 시간의 함수로서 점도가 증가하는 경향이 있다.
수소 결합은 전자의 비국부화에 의해 상당히 영향을 받기 때문에, 자기장, 전기장 또는 정전기 전위의 인가는 물 클러스터링을 확장시킬 것이 예상될 수도 있다.
본 개시내용의 계층적 마이크로구조화 표면의 다른 효과는 전자기 방사선의 내부 반사로 인한 소멸파의 형성이다. 내부 반사에 의해 생성된 정재 전자기파는 물 분자와 상호 작용하여 수소 결합 클러스터의 국부 농도 및 크기를 증가시키고 따라서 상기 삼투 효과를 증가시킬 수 있는 수소 결합 클러스터의 정재파를 안정화시킨다.
여기에 보고된 효과는 물에 한정되지 않고 수소 결합을 형성할 수 있는 다양한 극성 용매에 대해 발생할 수도 있다. 본 개시내용은 물의 특정 총괄성(colligative) 열역학적 특성에 의존하지 않는 메커니즘을 또한 설명할 수도 있다.
유체 물은 실제로 격리된 분자 내에서 상호 전환되지 않을 수도 있는 2개의 별개의 핵-스핀 이성질체, 파라-물과 오쏘-물로 구성된 복잡 또는 복합 유체일 수도 있다는 사실이 종종 간과된다. 물과 오일이 중력 구배의 존재 하에서 이산 친수성 및 소수성 상 도메인을 형성하는 가능성이 있으므로, 표면 에너지 구배가 존재하면, 과도한 파라-물 및 오쏘-물은 이산 도메인을 형성할 수도 있다. 고체 기판 상의 공간적으로 분리된 장소에서 소수성과 친수성의 차이는 이들 표면이 수용액과 접촉할 때 에너지 구배를 생성할 수도 있다.
본 명세서에 개시된 효과를 이해하는 또 다른 방법은 일반적으로 용어 "표면 장력" 하에 있다. 표면 장력은 공간 치수에 선형적으로 관련된 것으로서 이해될 수도 있고, 따라서 시스템이 작을수록, 표면 장력의 영향이 커진다. 본 명세서에서 계층적 마이크로구조화 표면이라 칭하는 마이크로구조화 특징부의 시스템은 표면 장력 효과에 의해 지배될 수 있는 액체와 함께 계면 도메인을 형성할 수도 있다.
표면 장력에 영향을 미치고 마이크로구조화 판별기를 제어할 수 있는 파라미터는 열 에너지(열모세관 효과) 및 전기 에너지(전기 습윤 효과)를 포함할 수도 있다. 본 개시내용의 마이크로구조화 판별기는 유체의 표면 장력을 국부적으로 변화시키고 이어서 유체-마이크로표면 계면 조성 및 기하학 형상을 변화시키도록 열 에너지 및 전기 에너지를 이용할 수도 있다.
본 개시내용은 마이크로표면 기술의 혁신을 설명하지만, 본 명세서에 이루어진 개시내용은 마이크로유체 기술에 즉시 적응된다는 것이 이해되어야 한다. 마이크로유체역학 기술의 진보는 효소 분석(예를 들어, 포도당 및 젖산염 분석), DNA 분석(예를 들어, 폴리메라제 연쇄 반응 및 고처리량 시퀀싱) 및 프로테오믹스(proteomics)를 위한 분자 생물학 절차에 혁명을 일으키고 있다. 마이크로유체 바이오칩의 기본 사상은 하나의 칩 상에서 판별, 뿐만 아니라 샘플 전처리 및 샘플 준비와 같은 분석 동작을 통합하는 것이다.
이제 도 1을 참조하면, 본 개시내용의 마이크로구조화 판별기가 도시되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 마이크로구조화 판별기(100)는 주입 포트(102) 및 주입 포트(102)로부터 외향으로 방사할 수도 있는 다수의 지향 채널(104)을 포함할 수도 있다. 주입 포트(102) 및 지향 채널(104)은 마이크로구조화 판별기(100)의 표면(106) 상에 배치될 수도 있다. 각각의 지향 채널(104)은 유형(108) 및 유형(110)의 2개의 분리 채널과 연관될 수도 있다. 유체(112)는 주입 포트(102)에 공급될 수도 있고 적어도 3개의 유체 유형으로 구성될 수도 있다. 유체 유형 A(114)는 몇몇 실시예에서 통상적으로 물인 중성 캐리어 유체일 수도 있다. 유체 유형 B(116)는 채널 유형(108)에 끌어당겨질 수도 있고 유체 유형 C(118)는 채널 유형(110)에 끌어당겨질 수도 있다. 용어 "유체 유형"은 반드시 유체를 지시하는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 몇몇 실시예에서, 중성 유체 유형(114)은 혈청일 수도 있고, 유체 유형(116)은 적혈구일 수도 있고, 유체 유형(118)은 모든 다른 혈액 성분, 예를 들어 혈소판일 수도 있다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 마이크로구조체 판별기(100)는 전혈로부터 적혈구를 분리하기 위한 디바이스일 수 있다. 지향 채널(104) 및 분리 채널(108, 110)을 포함하는 분기 네트워크는 수집 채널(120, 122) 내에서 종료할 수도 있다. 수집 채널(120)은 유체 유형(116)을 통합할 수도 있고, 수집 채널(122)은 유체 유형(118)을 통합할 수도 있다. 수집 채널은 수집 저장조(124, 126) 내에서 종료할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 마이크로구조화 유체 분리 및 통합 디바이스는 지향 및 분리 채널에 존재하는 표면 에너지 구배를 포함할 수도 있고, 그 소수성/소유성 특성에 기초하여 유체 성분을 지향 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 채널 표면의 마이크로구조체는 상이한 유체 유형을 포함하는 복합 유체가 이동하여 유출물로 분리되게 지향될 수도 있도록 유체 성분과 채널의 표면 사이에 계면 현상을 발현할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 마이크로구조화 유체 판별 및 통합 디바이스는 판별기를 통해 복합 유체를 구동하여, 유체 성분이 분리되고, 연속적으로 농축되고, 이어서 최종적으로 수집 저장조 내에 통합되게 하는 모세관력 구동 수단을 포함할 수도 있다. 정적 표면 에너지 구배는 직경, 피치, 높이, 벌크 재료, 형상, 계층적 레벨의 수 및 계층적 레벨 사이의 관계를 변화시킴으로써 형성될 수 있다. 몇몇 계층적 구조체는 모세관력을 생성하고, 다른 구조체는 웬젤-캐시 도메인을 생성한다. 계층적 마이크로구조체는 상이한 크기 스케일의, 바람직하게는 하나가 다른 하나의 위에 있는 마이크로패턴을 포함할 수 있고, 그 소수성 또는 소유성은 몇몇 경우에 표면 패턴에 의해 결정될 수도 있고 다른 경우에 벌크 재료의 화학적 성질에 의해 결정될 수도 있다.
기본 원리는 복합 유체와 지향 및 분리 채널의 내부벽 사이에 상이한 표면 장력 구배를 생성하기 위해 벌크 화학적 성질 및 표면 마이크로구조체를 사용하는 것이다. 특히, 지향 표면의 마이크로구조체는 외부 수단 없이, 즉 마이크로 펌프를 사용하지 않고 특정 방향으로 복합 유체 유동을 유발할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 복합 유체는 지향 채널과 분리 채널의 접합부에 위치된 분기 영역으로 유동할 수도 있고, 여기서 내부 표면 상의 마이크로구조체는 분리 채널 내의 상이한 표면 장력 구배를 이용함으로써 복합 유체로부터 성분 유체를 자발적으로 분리할 수도 있다. 용어 "밀도-편차"는 직경, 피치, 높이, 벌크 재료, 형상 및 계층적 레벨의 수의 임의의 편차, 및 표면 에너지 구배를 생성하는 계층적 레벨 사이의 관계를 의미하도록 의도된다.
분기 영역은 지향 채널을 분리 채널과 연결할 수도 있다. 분리 채널은 상이한 계면 표면 에너지를 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 복잡 유체는 분기 영역으로 유동할 수 있는데, 여기서 복잡 유체는 각각의 성분 유체에 대한 최소 계면 표면 에너지에 대응하는 별도의 채널로 들어갈 수도 있는 성분 유체로 분리된다. 따라서, 복잡 유체는 에너지 소비 없이 정밀하게 그 성분 유체로 분리되어 별도의 채널로 견인될 수 있다.
분리 특이성은 일련의 분기 채널에 의해 증가될 수 있다. 각각의 지향 채널과 분기 분리 채널의 합은 "Y-판별기"로 고려될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 몇몇 실시예에서, 일련의 Y-판별기가 이용될 수도 있고, 여기서, 제1 Y-판별기는 복잡 유체를 성분 유체 A 및 B로 분리할 수 있다. 성분 유체 B 다음에, 다른 Y-판별기가 도달할 수도 있는데, 이는 유체 B를 2개의 성분 유체 C와 D로 분리할 수도 있는 등이다. 각각의 Y-판별기에서, 분리되는 계면 표면 에너지의 범위는 더 작아질 수도 있다. 충분한 수의 Y-판별기를 제공하면, 복잡 유체는 순수 성분 유체로 감소될 수 있다.
다수의 상이한 실시예가 고려될 수 있고, 그 중 몇몇은 반복된 일련의 Y-판별기를 포함할 수도 있거나, 성분 유체 출력의 개선된 순도를 위해 출력 채널 중 하나를 입력 채널에 다시 연결한다. 그러나, 유동 회로에 대해, 외부 동력이 유동을 유지하기 위해 요구될 수도 있다. 예를 들어, 펄스화 음파 구동기가 복잡 유체를 재순환하는 데 사용될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 도면은 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있고, 여기서, 단일 성분 유체는 복잡 유체로부터 고도로 정제될 수도 있다. 마이크로구조체 판별기(200)는 지향 채널(204) 및 분리 채널(206, 208)이 Y-판별기(210)의 어레이로 배열될 수도 있는 베이스(202)를 포함할 수도 있다. 복잡 유체(212)는 저장조(211)로부터 펌핑될 수도 있고(213) 제1 지향 채널(204)로 들어갈 수도 있다. 이는 이어서 분기부(220)에서 성분 유체(216, 218)로 분할될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 성분 유체(216)는 낭비될 수도 있고, 폐기될 수도 있다. 성분 유체(218)는 Y-판별기(222)로 계속될 수도 있고, 성분 유체(224, 226)로 분할될 수도 있다. 성분 유체(224)는 지향 채널(228)을 통해 입력 저장조(211)로 복귀될 수도 있다. 성분 유체(226)는 이어서 Y-판별기(230)로 계속될 수도 있고 유체 성분(232, 234)으로 분할될 수도 있다. 성분 유체(232)는 지향 채널(236)을 통해 성분 유체(218)로 복귀될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 이 구조체는 라인 237에 의해 지시된 바와 같이 무한정 계속될 수 있다. 최종 Y-판별기(238)는 복잡 유체(240)를 성분 유체(242, 244)로 분할할 수도 있다. 성분 유체(244)는 수집 저장조(246)로 비워질 수도 있다. 유체가 저장조(246) 내에 수집될 때, 희석 유체(물)는 저장조(248)에 의해 공급될 수도 있고 저장조(246)로 손실된 유체를 보상하기 위해 저장조(211)에 추가될 수도 있다. 분리 채널(252) 상의 모니터(250)는 유체 전도도를 모니터링하는 데 사용될 수도 있다. 유체 전도도가 타겟값에 도달할 때, 분리 프로세스가 완료된 것으로 고려될 수도 있다. 모니터는 은폐율 측정기(opacity meter), 농도계(densitometer) 또는 광 산란 측정기(light scattering meter) 등 유체 분리 프로세스와 관련된 임의의 모니터일 수도 있다.
전술된 실시예에 추가하여, 복잡 유체 유동은 원심력에 의해 도움을 받을 수도 있다. 이제 도 3을 참조하면, 몇몇 실시예에서, 마이크로구조화 판별기(300)는 베이스(304)를 포함하는 회전 가능 평면-원형 플랫폼(302)을 포함할 수도 있다. 베이스(304)의 중심(306)에서, 반경방향 지향 채널(310)에 연결될 수 있는 공급 저장조(308)가 위치될 수도 있고; 분리 채널(312)은 지향 채널(310)로부터 반경방향으로 연장한다. 이에 따라, Y-판별기(314)는 반경방향으로 배열된다. 복잡 유체(316)는 공급 저장조(308)로부터 반경방향으로 원심 구동될 수도 있다. 복잡 유체(316)는 성분 유체(318, 320) 및 캐리어 유체로 구성될 수도 있고, 성분 유체(318)는 성분 유체(320)보다 작은 비중을 가질 수도 있다. 베이스(304)는 두께(324)를 가질 수도 있다. 도시되어 있는 바와 같이, Y-판별기(314)는 반경방향(322)으로 배열될 수도 있고, 분리 채널(328)은 분리 채널(326)보다 높을 수도 있다. 지향 채널(310)과 분리 채널(326, 328) 사이의 분기 영역(330)에서, 상부 분리 채널(328)의 계면 표면 에너지는 하부 분리 채널(326)의 계면 에너지보다 클 수도 있다. 성분 유체(318)의 표면 에너지는 성분 유체(320)의 표면 에너지보다 클 수도 있다. 중력의 작용 및 성분 유체(318, 320)의 표면 에너지 하에서, 상부 분리 채널(328)은 성분 유체(318)를 끌어당길 수도 있고 하부 분리 채널(326)은 성분 유체(320)를 끌어당길 수도 있다. 이에 의해, 상이한 표면 에너지의 성분 유체가 분리될 수도 있다.
이들 마이크로구조화 계면 에너지는 3상 환경에서 발현될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 2개 이상의 성분 유체를 포함하는 복잡 유체에서, 이들 성분 유체 중 적어도 하나는 특정 계면 기하학 형상에서 캐리어 상으로서 역할을 할 수도 있다. 어느 성분 유체가 캐리어 상으로서 작용하는지는 표면 에너지에 의존성일 수도 있다. 그러나, 유체 분리 시나리오에서, 복잡 유체가 3개의 성분 유체로 구성되는 것이 유용할 수도 있고, 여기서, 성분 유체 중 하나는 마이크로구조체 판별기의 모든 계면 상태에 대한 캐리어 상으로서 작용한다. 몇몇 실시예에서, 물이 캐리어 상이다.
복잡 유체가 마이크로구조화 표면에 접촉할 때, 비-캐리어 유체 중 하나는 방울을 형성할 수도 있고 캐리어 유체는 방울-표면 계면을 둘러쌀 수도 있다. 성분 유체 A, B 및 캐리어를 포함하는 복잡 유체를 포함하는 Y-판별기에서, 성분 유체 A 및 B는 Y-판별기의 별개의 분리 채널 내에 액적을 형성할 수도 있다. 각각의 분리 채널 내의 액적은 마이크로구조화 표면과 접촉각을 형성할 수도 있다. 마이크로구조화 표면이 계면 에너지 구배를 형성하면, 계면 액적의 양 단부의 곡률 반경은 표면 에너지 구배의 분포로 인해 비대칭일 수도 있다. 이 비대칭성은 캐리어 상에 대한 공간 압력차에 기인할 수도 있다. 압력차는 액적 내부에 순 압력차를 구동하는데, 이는 지향력을 제공할 수도 있다. 각각의 분리 채널은 각각의 성분 유체 A 및 B에 대한 구동력을 최대화하고, 성분 유체 A 및 B는 구동력이 최대인 분리 채널을 선택할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 양 성분 유체가 분리 채널에 양으로 끌어당겨질 필요는 없으며, 하나의 분리 채널이 단순히 배액부로서 역할을 할 수도 있다. 예를 들어, 중력(또는 원심력)이 일반적으로 임의의 유체를 배액 채널로 구동하는 데 사용되면, 분리 채널은 성분 유체 중 하나에 대한 높은 구동력을 갖는 중력장 내에서 중력장을 극복하기 위해 충분히 더 높게 배열될 수도 있는데, 이는 하나의 성분 유체를 다른 성분 유체로부터 분리하는 작용을 할 수 있다.
도 4를 참조하면, Y-판별기(400)의 상세한 메커니즘이 도시되어 있다. Y-판별기(400)는 지향 채널(402) 및 분리 채널(404, 406)을 포함할 수도 있다. 채널(402)의 루멘 표면은 마이크로구조체(408)로 덮여질 수도 있고, 분리 채널(404, 406)의 루멘 표면은 마이크로구조체(410, 412)로 각각 덮여질 수도 있다. 마이크로구조체(408, 410, 412)는 일반적으로 조성 및/또는 패턴이 상이할 수도 있다. 분기 영역(414)은 성분 유체(416)가 성분 유체(418)로부터 분리되는 성분 유체 분리 영역으로서 작용할 수도 있다. 각각의 채널의 마이크로구조체는 분기 영역(414) 내부에서 소정 거리(420)로 연장될 수도 있다. 분기 영역(414)은 지향 채널(402)보다 큰 직경을 가질 수도 있기 때문에, 유체 속도가 감소되게 될 수도 있다. 열 모션은 더 느린 유체 속도를 지배할 수도 있고, 성분 유체(416)는 분리 채널(404)의 영역으로 끌어당겨질 수도 있고, 성분 유체(418)는 분리 채널(406)의 영역으로 끌어당겨질 수도 있다. 분리시, 표면 에너지 구배(422)는 성분 유체(416, 418)를 그 각각의 분리 채널 아래로 구동할 수도 있다.
도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 표면 텍스처(500)는 라플라스 방정식을 사용하여 계산된 바와 같이 지향 채널에 대한 계면 표면 에너지 구배를 생성할 수도 있다. 도 5a를 참조하면, 마이크로구조체는 베이스(502) 상에 배치될 수도 있다. 작은 기둥(504)을 포함하는 계층적 마이크로구조체(503)는 큰 기둥(506) 상에 위치될 수도 있다. 기둥 사이의 간격(508)은 그 직경으로 스케일링될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 간격(508)은 각각의 인접한 마이크로구조체 세트 사이에서 증가할 수도 있다. 예를 들어, 간격(508)은 간격(510)보다 작을 수도 있다. 간격 또는 피치(512)는 스케일링될 수도 있다. 도 5b를 참조하면, 기둥(506)의 높이(514)는 사인곡선으로 변화될 수도 있고, 반면 기둥(504)의 치수는 일정하게 유지될 수도 있다. 간격(508)은 또한 일정하게 유지될 수도 있다. 도 5c를 참조하면, 간격(508) 또는 피치(512)는 공간적으로 감소될 수도 있다. 기둥(504, 506)의 치수는 일정하게 유지될 수도 있다. 예를 들어, 도 5c는 방향(514)으로 유체를 구동할 수도 있는 패턴을 묘사하고 있다.
기둥(506)의 직경은 10 미크론 내지 100 미크론일 수도 있고, 기둥(504)의 직경은 1 내지 10 미크론일 수도 있다. 형상비(높이를 직경으로 나눈 값)는 0.1 내지 10 범위일 수도 있다. 피치는 1 미크론 내지 1000 미크론 이상까지 다양할 수 있다.
도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 표면 텍스처(600)는 라플라스 방정식을 사용하여 계산된 바와 같이 분리 채널에 대한 계면 표면 에너지 구배를 생성할 수도 있다. 표면 텍스처(600)는 베이스(602) 상에 배치될 수도 있다. 베이스 기둥(604)은 제1 계층적 레벨을 포함할 수도 있다. 베이스 기둥(604) 상에는 핀(606)이 배치된다. 인접한 베이스 기둥(604) 바로 사이에 있는 핀(608)은 베이스 평면(602)에 대한 그 높이(610)를 감소시키지 않고 베이스 기둥 사이의 공간을 가교할 수도 있다. 핀(606, 608)은 제2 계층적 레벨을 포함할 수도 있다. 베이스 기둥(604)은 균일하게 이격된 작은 기둥(612)이 배치되어 있는 구(610)로 종료될 수도 있다. 기둥(612)은 제3 계층적 레벨을 포함할 수도 있다. 베이스 기둥(604) 사이의 간격(614)은 감소할 수도 있다. 도 6에는 도시되어 있지 않지만, 베이스 기둥(604)은 도시되어 있는 바와 같이 1차원 어레이로서가 아닌 2차원 직사각형 어레이로 배치될 수도 있다. 핀(606) 사이의 거리(616)는 베이스 기둥(604)과 관련하여 방향(618)에서 감소할 수도 있다. 핀(606)은 일반적으로 핀 축에 직교할 수도 있는 마이크로홈(620)으로 에칭될 수도 있다.
도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 가능한 다수의 성분 유체 중 하나는 핀(606) 상에 방울(622)을 형성할 수도 있다. 방향(618)에서의 좁아지는 거리(616)는 방울(622)을 구(610)로 구동하는 계면 에너지 구배를 생성할 수도 있다. 더 작은 기둥(612)은 이어서 복수의 방울(622)을 통합할 수도 있다. 통합된 방울(624)은 인접한 베이스 기둥(626) 및 그 연관된 구(610)에 의해 생성된 에너지 구배의 방향으로 구 주위로 이주할 수도 있다. 이 에너지 구배는 방울(624)이 베이스 기둥(도시되어 있는 바와 같이) 사이의 거리를 가교하게 할 수도 있다. 기둥(626)은 전이 및 통합 프로세스를 계속하는 방울(628)을 생성하기 위해 방울(624)을 통합할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 2개의 성분 유체의 분리는 도 6의 기본 기하학 형상을 변경하는 것을 필요로 하지 않을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 이전에 개시된 바와 같은 디바이스(600)가 사용될 수도 있지만 디바이스(600)를 포함하는 재료는 변화될 수 있다. 이 방식으로, 광범위한 복잡 유체 조성에 대해 동작하는 마이크로구조화 판별기가 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 전혈로부터 적혈구의 분리와 같은 복잡 유체에 대한 특정 용례가, 조성물 및 마이크로구조체 기하학 형상의 모두를 위한 디바이스를 설계함으로써 최대 성능이 달성되도록 사용될 수도 있다. 이들 계산은 라플라스 방정식, 및 복잡 유체의 조성의 범위를 사용하여 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 더 작은 기둥(612)은 계산된 계면 표면 에너지의 원형 코팅 패치로 대체될 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 전혈로부터 적혈구를 분리하기 위한 마이크로구조체 판별기의 분리 채널(700)의 내부 마이크로구조체가 개시되어 있다. 적혈구는 높은 음의 전하를 운반하고, 따라서 높은 표면 에너지를 갖고, 친수성 마이크로구조체에 끌어당겨질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 마이크로구조체(700)는 에지(702)를 704와 연관시킴으로써 원통형 채널로서 구성될 수도 있다. 원통형 구성에서, 마이크로구조체 에지(706)는 마이크로구조체 에지(708)와 끊김없이 결합할 수도 있다. 원통형 구성에서, 마이크로구조체(710)는 형성된 실린더의 루멘에서 나선을 이루는 연속 리지를 형성할 수도 있다. 길이(712)는 형성된 나선의 하나의 권선을 형성할 수도 있다. 권선 사이의 거리(714)는 방향(716)으로 감소할 수도 있다. 거리(714)는 거리(718)보다 작을 수도 있고, 거리(718)는 거리(720)보다 작을 수도 있다. 나선형 패턴은 제1 계층적 레벨을 형성할 수도 있다. 리지(710)의 상부 표면에는, v-홈(722)이 있을 수도 있다. 내부 각도(724)는 방향(716)으로 감소할 수도 있다. 각도(724)는 각도(726)보다 클 수도 있고, 각도(726)는 각도(728)보다 클 수도 있다. 초기 내부 각도(724)는 대략 180도일 수도 있다. 최종 내부 홈 각도(도시되어 있지 않음)는 최종 내부 홈 각도와 적혈구의 접촉 평형 각도(최소 에너지 상태)가 되도록 구성된다. 홈(724)은 제2 계층적 레벨을 포함할 수도 있다. 나노 돌기(730)는 홈(724)의 표면을 커버할 수도 있다. 돌기(730)는 단백질 침착에 의한 오염을 방지하기 위해 이용될 수도 있다. 돌기(730)는 제3 계층적 레벨을 형성할 수도 있다.
홈(724)과 권취 간격(714)의 모두가 방향(716)으로 계면 에너지 구배를 형성할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 홈간 영역(732)은 홈 영역(724)에 관하여 소수성일 수도 있다. 732와 724의 병치는 웬젤-캐시 상태를 형성할 수도 있는데, 이는 세포가 응괴하여 마이크로구조화 판별기의 분리 채널(700)을 폐색하는 것을 방지할 수도 있다. 동작시, 세포는 방향(716)으로 나선형 경로로 개별적으로 그리고 질서있게 지향될 수도 있다.
전술된 마이크로구조화 판별기의 Y-판별기의 제2 분리 채널 분기는 소수성 표면 텍스처를 갖는 음으로 하전된 절연 튜브일 수도 있다. 전하가 사용될 때, 혈액 칼럼이 전하 소스에 접지되어야 한다. 혈액 칼럼에는 전류가 흐르지 않는다.
도 8을 참조하면, 디지털 마이크로구조체 판별기(800)의 분리 채널의 내부 마이크로구조체가 개시되어 있다. 내부 마이크로구조체(800)는 절연 베이스 폴리머(802), 베이스 층(802) 내에 매립된 전극(804), 전기 도관(806), 접지 전극(808) 및 스위칭 수단(810)을 포함할 수도 있다. 스위칭 수단은 외부 제어기(도시되어 있지 않음)에 의해 폐쇄 회로 또는 개방 회로로 구성될 수도 있다. 베이스 층(802)은 2차원 사인곡선형으로 변화하는 표면(838)으로서 구성될 수도 있고 제1 계층 레벨을 포함할 수도 있다. 실린더(812)는 제2 계층 레벨을 포함할 수도 있다. 더 소형 실린더(814)는 제3 계층 레벨을 포함할 수도 있다. 대형 실린더(812)는 반경방향으로 돌출하고 베이스 층(802) 상에 배치된 리지(818)와 끊김없이 결합하는 핀(816)을 갖고 구성될 수도 있다. 2개의 핀-대-리지-대-핀 구성이 예시되어 있다. 몇몇 실시예에서, 리지(820)는 별도의 대형 실린더(812) 상에 핀(822, 824)을 결합할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 리지(826)는 동일한 대형 실린더(812) 상에 존재하는 핀(828)을 결합할 수도 있다. 양 경우에서, 리지(820, 826)는 제1 계층 사인곡선부(838) 상에서 대략 동심으로 배열될 수도 있다.
분리기 표면(800)은 모든 스위치(810)가 개방 상태에 있을 수도 있는 전원 오프 상태에서 친수성 성분 유체를 제3 계층 레벨(814)로 먼저 끌어당김으로써 동작할 수도 있다. 이러한 제1 계면 상태에서, 위치(830)에서의 성분 유체는 위치(832)에서의 캐리어 성분 유체에 비해 친수성일 수도 있다. 이들 인접한 친수성-소수성 계면은 웬젤-캐시 상태를 형성할 수도 있다. 무전원 상태에서, 표면(814)은 실린더내 표면(836)에 비해 친수성일 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
전원 상태에서, 전하 소스(839)로부터의 전하는 하나 이상의 전극(804)으로 전달될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 모든 전극은 한 번에 턴온될 수 있고, 또는 순차적으로 턴온될 수도 있는데, 이는 위치(830)에서의 성분 유체가 방향(842)으로 이동하게 할 수도 있다. 위치(830)에서의 성분 유체를 참조하면, 스위치(840)가 폐쇄될(턴온) 때, 베이스 층(802)은 국부적으로 하전되게 될 수도 있다. 이 전하의 결과로서, 실린더내 표면(836)은 814에 비해 더 친수성이 될 수도 있다.
이 현상은 전기 습윤으로서 공지되어 있다. 전극(804)에 전달되는 전하의 부호는 분리될 복잡 유체의 조성에 의존할 수도 있다. 전기 습윤은 위치(830)에 존재하는 친수성 성분 유체가 위치(832)에 존재하는 캐리어 성분 유체를 변위시키게 할 수도 있어, 친수성 성분이 이제 위치(832)에 존재할 수도 있게 되고 캐리어 성분 유체가 이제 위치(830)에 존재할 수도 있게 된다. 전기 습윤의 작용은 친수성 성분 유체를 방향(842)으로 전진시키는 것이다. 그 후, 스위치(840)는 개방(턴오프)될 수도 있고, 장소(834)는 위치(832)보다 더 친수성이 될 수도 있으며, 친수성 성분 유체는 위치(834)로 전진할 수도 있다. 표면(814)이 친수성 성분 유체가 로딩될 때, 모든 전극을 동시에 턴온하는 것은 웬젤-캐시 격리 친수성 성분 유체가 방향(842)으로 전진하게 할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 에너지 구배는 재료의 선택, 마이크로구조체의 간격, 또는 각각의 전극(804)에 전달되는 전하의 구배화에 의해 얻어질 수 있어, 방향(842)에서 가장 멀리 있는 이들 전극(804)이 가장 많이 하전될 수도 있고, 방향(842)에서 근접한 이들 전극(805)이 가장 적게 하전될 수도 있게 된다. 이 상황은 각각의 전극 장소에서 커패시턴스(844)를 변화함으로써 달성될 수도 있다. 유동은 전하 구배를 역전시킴으로써 역전될 수도 있다. 따라서, 분리 표면(800)의 동작은 친수성 성분(830)의 이산 체적이 분리되고 이산적으로 전달될 수도 있다는 개념에서 디지털일 수도 있다. 스위칭 수단(810)과 커패시턴스 수단(844)의 모두가 개별적으로 제어 가능하면, 광범위한 수송 시퀀스가 고려될 수 있다. 예를 들어, 양 단부로부터의 유체는 분리 채널의 중심에 축적될 수도 있다. 전술된 디지털 양태는 채널을 지향하고 분리하는 것 모두가 가능할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 9를 참조하면, 세포-표면 상호 작용을 연구하기 위한 경관 마이크로구조화 유체 판별 디바이스(900)의 진화 챔버 아키텍처의 도면이 개시되어 있다. 경관 마이크로구조화 유체 판별 디바이스(900)는 입력 지향 채널(902) 및 분리 채널(904, 906)을 포함할 수도 있다. 분리 채널의 목적은 도입된 유기체에 이주할 텍스처의 선택을 제공하기 위한 것일 수도 있다. 선택은 분기 영역(908)에서 발생할 수도 있다. 분리 채널(904, 906)은 각각 상이한 텍스처링된 환경(910, 912)으로 각각 이어질 수도 있다. 각각의 텍스처링된 환경(910, 912)은 평활한 이주 경로(914)에 의해 둘러싸일 수도 있는데, 이는 세포가 텍스처링된 환경에서 전파하는 것과 다음 텍스처링된 환경으로 계속 진행하는 것 사이에서 선택하는 신경 경로로서 작용할 수도 있다. 지향 채널(916, 918)은 부가의 경관 텍스처(922, 924, 926, 928)가 제시될 수도 있는 분기 영역(920)으로 이어질 수도 있다. 선택은 이전의 경관 챔버 내에 제시된 디자인에 대한 개선일 수 있다. 예를 들어, 경관(930, 932)은 910에서 제시된 테마의 변형예일 수 있고, 경관(934, 936)은 912에서 제시된 테마의 변형예일 수 있다. 모든 조합 가능성을 커버하기 위해 다양한 아암에서 경관이 반복될 수 있다. 다수의 유기체가 경관 마이크로구조화 유체 판별 디바이스(900) 내에 도입될 수도 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 전혈로부터 적혈구를 분리하기 위한 팬 판별기의 제1 실시예가 개시되어 있다. 팬 판별기(1000)는 피치(1004) 및 진폭(1006)을 갖는 방사상 리지(1002)를 포함할 수도 있다. 피치(1004)는 반경방향(1008)으로 증가할 수도 있다. 리지(1002)는 피치(1010)로 반경방향(1008)으로 파동될 수도 있다. 피치(1010)는 반경방향(1008)으로 감소할 수도 있다. 리지(1002)는 실린더(1014) 상에 배치된 실린더(1012)를 포함할 수도 있는 마이크로구조체(1016)로 파퓰레이팅될(populated) 수도 있다. 연속적인 파형 리지(1002)는 리지(1002) 상의 이산 위치에 따라 높이가 변화하는 원통형 기둥으로 연속 구조체를 대체함으로써 이산화될 수도 있다. 실린더 구조체(1016) 상의 실린더는 이산화된 기둥의 측면 상의 핀으로 대체될 수도 있다.
혈액 세포(1018)는 리지(1002)를 따라 들어가는 경로(1022)를 포함하는 포트(1020)로 들어갈 수도 있다. 구조체(1016)는 적혈구(1018)와 같은 입자를 배제하지만 혈청(1026)은 통과하게 할 수도 있는 구조화 물 구역(1024)을 생성할 수도 있다. 가변 피치(1010)는 유동(1028)을 생성하는 표면 에너지 구배를 생성할 수도 있다. 유동(1028)은 포트 유동(1030)을 생성할 수도 있다. 유동(1030)은 적혈구(1018)가 경로(1022)를 따라 빠져나가게 할 수도 있다.
차동 표면 에너지 구조체는 피치(1000으로 주어진 바와 같이), 진폭의 변화에 의해 그리고 표면을 화학적으로 변경함으로써 생성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
유체 유동에 미립자 및/또는 유체를 포함하는 소수성-친수성 유체 복합물을 분리하기 위한 마이크로구조화 판별 디바이스(100)가 개시된다. 판별은 텍스처링된 표면을 물리적으로 변화함으로써 그리고/또는 표면 화학적 특성을 변화함으로써 얻어진 표면 에너지 구배의 결과인데, 양자 모두는 공간적으로 구배가 있다. 이러한 표면은 외부 에너지 입력 없이 미립자 및/또는 유체를 판별하고 공간적으로 분리한다. 본 발명의 디바이스는 반경방향으로 배열된 분기 마이크로채널을 갖는 플랫폼을 포함한다. 마이크로채널의 루멘 표면은 치수를 따라 계층적으로 배열된 마이크로구조체의 주기성을 변화시킴으로써 생성된 표면 에너지 구배를 가질 수도 있다. 표면 에너지 구배는 2개의 영역에서 변화한다. 하나의 분기 전 영역에서, 표면 에너지 구배는 유체 유동을 생성한다. 다른 분기 후 영역에서, 상이한 유동 분획이 분기 후 채널의 각각 내의 상이한 표면 에너지 구배에 응답하여 별도의 채널로 분할되도록 분기부에 근접한 표면 에너지의 차이가 존재한다. 이에 따라, 상이한 소수성의 유체 및/또는 상이한 소수성의 미립자가 유체 시스템 에너지의 전반적인 최소화에 의해 별도의 채널 내로 구동된다.
전술된 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 이해, 구성 및 사용하는 것을 가능하게 하도록 본 발명을 명시하기 위해 제공된다. 그러나, 이는 본 발명의 범주를 한정하도록 의도된 것은 아니고, 본 발명의 사상에 따른 임의의 등가의 수정 및 변형이 또한 본 발명의 범주 내에 포함되어야 한다.
따라서, 신규하고 유용한 마이크로구조화 판별 디바이스의 본 발명의 특정 실시예가 설명되었지만, 이러한 참조는 이하의 청구범위에 설명된 것을 제외하고는 본 발명의 범주에 대한 제한으로서 해석되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (28)

  1. 유체 분리 디바이스이며,
    제1 단부 및 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 지향 채널로서, 제2 단부는 복수의 분리 채널과 유체 연통하는, 적어도 하나의 지향 채널, 및
    유체의 유동을 선택적으로 지향시키도록 구성된 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 포함하는 복수의 분리 채널 중 적어도 하나를 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 지향 채널의 제1 단부와 유체 연통하는 주입 포트를 더 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 복수의 분리 채널 중 적어도 하나의 계층적 마이크로구조체는 구배가 있는 웬젤 상태를 제공하는, 유체 분리 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 계층적 마이크로구조체는 구배가 있는 캐시 상태를 제공하는, 유체 분리 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 지향 채널은 제1 단부로부터 제2 단부로 유체의 유동을 지향하도록 구성된 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 분리 채널은 적어도 제1 및 제2 분리 채널을 더 포함하고;
    제1 및 제2 분리 채널은 유체의 유동을 선택적으로 지향시키도록 구성된 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 각각 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 제1 분리 채널의 계층적 마이크로구조체 및 제2 분리 채널의 계층적 마이크로구조체는 별개의 표면 에너지 구배를 각각 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 제1 분리 채널의 계층적 마이크로구조체 및 제2 분리 채널의 계층적 마이크로구조체는 상이한 공간 주기성을 각각 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  9. 제7항에 있어서, 제1 분리 채널의 계층적 마이크로구조체의 별개의 표면 에너지 구배는 유체의 성분을 별개의 유동으로 분리하도록 구성되는, 유체 분리 디바이스.
  10. 제7항에 있어서, 제2 분리 채널의 계층적 마이크로구조체의 별개의 표면 에너지 구배는 유체의 성분을 별개의 유동으로 분리하도록 구성되는, 유체 분리 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 계층적 마이크로구조체는 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소를 더 포함하고, 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소는 계층으로 배열되고 높이가 10 나노미터 내지 1000 미크론으로 변화하는, 유체 분리 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 계층적 마이크로구조체는 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소를 더 포함하고, 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소는 계층으로 배열되고 직경이 10 나노미터 내지 1000 미크론으로 변화하는, 유체 분리 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 계층적 마이크로구조체는 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소를 더 포함하고, 공간적으로 변화하는 마이크로구조체 구성요소는 10 나노미터 내지 1000 미크론의 피치를 갖는, 유체 분리 디바이스.
  14. 제7항에 있어서, 제1 분리 채널은 제1 분리 채널을 따라 유체의 제1 고체 성분을 지향하도록 구성되고, 제2 분리 채널은 제2 분리 채널을 따라 유체의 제2 고체 성분을 지향하도록 구성되고, 제1 고체 성분은 제2 고체 성분과는 상이한, 유체 분리 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 제1 고체 성분은 적혈구를 포함하고 제2 고체 성분은 혈소판을 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  16. 제1항에 있어서, 복수의 분리 채널 중 적어도 하나와 유체 연통하는 적어도 하나의 수집 저장조를 더 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  17. 유체 분리 디바이스이며,
    제1 단부 및 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 지향 채널로서, 제2 단부는 복수의 분리 채널과 유체 연통하는, 적어도 하나의 지향 채널;
    유체의 유동을 선택적으로 지향시키도록 구성된 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 포함하는 복수의 분리 채널 중 적어도 하나; 및
    제1 출력이 복귀 라인과 유체 연통하고 제2 출력이 수집 저장조와 유체 연통하는 상태로 분기하는 복수의 분리 채널 중 적어도 하나를 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 유체를 공급하기 위한 입력 저장조를 더 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 입력 저장조로부터 유체를 수용하고 유체를 지향 채널로 지향하도록 구성된 입력 포트를 더 포함하는, 유체 분리 디바이스.
  20. 제17항에 있어서, 복귀 라인은 입력 저장조와 유체 연통하는, 유체 분리 디바이스.
  21. 제17항에 있어서, 수집 저장조의 상류에 배치된 유체 모니터를 더 포함하고, 유체 모니터는 유체 전도도를 측정하도록 구성되는, 유체 분리 디바이스.
  22. 유체를 분리하는 방법이며,
    a) 유체 샘플을 지향 채널에 제공하는 단계;
    b) 지향 채널을 따라 유체의 유동을 지향하는 단계;
    c) 복수의 분리 채널 사이에서 유체를 분리하는 단계로서, 복수의 분리 채널 중 적어도 하나는 유체를 유체의 성분의 적어도 일부로 분리하도록 구성된 계층적 마이크로구조체를 포함하는, 단계; 및
    d) 저장조 내에 유체의 적어도 일부를 수집하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 단계 c)는 적어도 제1 및 제2 분리 채널을 더 포함하고, 제1 및 제2 분리 채널은 유체의 성분의 적어도 일부를 선택적으로 지향하도록 구성된 계층적 마이크로구조체를 포함하는 표면을 각각 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 유체의 성분의 적어도 일부를 선택적으로 지향하기 위해 별개의 표면 에너지 구배를 포함하도록 제1 및 제2 분리 채널의 계층적 마이크로구조체의 각각을 구성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제22항에 있어서, 지향 채널은 유체의 유동을 지향하도록 구성된 계층적 마이크로구조체를 포함하는, 방법.
  26. 제24항에 있어서, 유체는 전혈을 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서, 단계 c)는 전혈을 복수의 분리 채널 중 적어도 하나 내에 적혈구를 포함하는 적어도 일부 및 복수의 분리 채널 중 적어도 제2 채널 내에 혈소판을 포함하는 적어도 일부로 분리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  28. 제26항에 있어서, 단계 c)는 전혈을 복수의 분리 채널 중 적어도 하나 내에 적혈구 및 혈소판을 포함하는 적어도 일부 및 복수의 분리 채널 중 적어도 제2 채널 내에 혈청을 포함하는 적어도 일부로 분리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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