KR20080051011A - Micro filtration device for the separation of blood plasma - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로 필터 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부구동없이 모세관력을 이용하여 자체적으로 전혈로부터 혈장을 분리할 수 있는 마이크로 필터 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a micro filter element, and more particularly, to a micro filter element capable of separating plasma from whole blood by itself using capillary force without external driving.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2006-S-007-01, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈/시스템]The present invention is derived from the research conducted as part of the IT new growth engine core technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task Management No .: 2006-S-007-01, Title: Ubiquitous Health Management Module] /system]
일반적으로 사람의 혈액인 전혈은 사람의 모든 조직 내부를 끊임없이 순환하면서 많은 정보를 수집하여 내포하고 있으므로 건강을 진단하는 최고의 지표이다.In general, whole blood, human blood, is the best indicator for diagnosing health because it collects and contains a lot of information while constantly circulating inside all human tissues.
특히, 바이오칩의 일종인 단백질칩은 전혈시료에서 주로 혈장에 녹아 있는 특정 단백질을 분리 또는 농축하여 정량적으로 검출함으로써, 특정암을 진단할 수 있다. 이때, 사용되는 사람의 전혈에는 적혈구, 백혈구 및 혈소판과 같은 혈구성분 과 물, 단백질, 지방, 당질 및 기타 무기질이온과 같은 혈장성분이 포함되어 있다. 따라서, 사람의 혈액중 혈구성분과 기타 불필요한 성분을 효과적으로 제거하여 필요한 특정 단백질만을 분리 또는 농축하여 고감도로 검출할 수 있는 바이오칩을 제작하는 것이 매우 중요하다.In particular, a protein chip, which is a kind of biochip, can diagnose specific cancer by quantitatively detecting or concentrating specific proteins dissolved in plasma from whole blood samples. At this time, the whole blood of a person used includes blood cell components such as red blood cells, white blood cells and platelets, and plasma components such as water, proteins, fats, sugars and other mineral ions. Therefore, it is very important to manufacture a biochip that can be detected with high sensitivity by effectively removing blood cells and other unnecessary components in human blood to isolate or concentrate only a specific protein.
이에 따라, 전혈로부터 혈장을 분리하기 위하여 다양한 방법들이 제안되었다. 예컨대, 혈구보다 작은 크기의 미세구조체을 유로에 배치하고 혈액을 외부에 설치되어 있는 시린지 펌프(syringe pump)로 펌핑(pumping)시킴으로써 혈구는 미세구조체에 의해 걸러져 혈장만 추출되도록 하는 방법, 혈구가 통과하지 못하는 낮은 높이의 격막을 설치하여 모세관력에 의해 혈장 성분만 격막을 통과하여 빠져나오도록 하는 방법, 다공성 매질 혹은 멤브레인(membrane)을 혈액 유동의 측면 혹은 정면에 배치하여 혈구를 분리시키는 방법, 지구의 중력으로 인한 혈구의 침강효과를 이용하여 혈구와 혈장이 층을 이루도록 한 후 혈장만을 뽑아내는 방법, 전기적 신호를 가함으로써 혈구의 흐름을 편향시키는 방법등이 제안되었다.Accordingly, various methods have been proposed for separating plasma from whole blood. For example, by placing microstructures smaller than blood cells in the flow path and pumping blood with a syringe pump installed outside, blood cells are filtered by the microstructures so that only plasma is extracted. A low-level diaphragm that prevents the release of plasma components only through the diaphragm by capillary forces; a porous medium or membrane is placed on the side or front of the blood flow to separate blood cells; By using the sedimentation effect of the blood cells caused by the formation of the blood cells and plasma layered method to extract only the plasma, the method of deflecting the flow of blood cells by applying an electrical signal has been proposed.
이하, 전혈로부터 혈장을 분리하기 위하여 제안된 종래의 기술분야를 살펴보면 다음과 같다. Hereinafter, looking at the conventional technical field proposed to separate plasma from whole blood.
"무동력 미세 혈액 분리기"를 발명의 명칭으로 2006년 4월 28일자로 등록된 대한민국등록특허 제 10-0577367호는 모세관력을 이용하여 무동력으로 혈장을 분리하기 위한 장치를 제시하였다. 혈구 성분이 통과하지 못하고 혈장만 통과하도록 혈액 추출부를 설치하고 모세관력에 의해 이동되는 것을 특징으로 한다. Korean Patent No. 10-0577367, registered on April 28, 2006, entitled "Powerless Micro Blood Separator", suggests an apparatus for separating plasma by forceless capillary force. It is characterized in that the blood cell is installed by the blood extraction unit so as not to pass through only the plasma passes through the capillary force.
"blood analyzer and method of separating plasma"의 명칭으로 2004년 4월 1일자로 국제 공개된 국제공개특허 WO 04/027391호는 혈액 채취 수단, 혈장 분리수단, 분석 수단을 순차적으로 구비하고 원심 조작에 의해 유로 내에서 혈장 분리를 실시하는 자동 분석장치를 제시하였으며, 일부 유로의 크기를 조작하여 혈구 성분이 저장되고 혈장 성분이 원활히 진행하도록 하는 것이 특징이다. International Publication No. WO 04/027391, published on April 1, 2004 under the name of "blood analyzer and method of separating plasma," is provided with blood collection means, plasma separation means, and analysis means sequentially, An automatic analyzer for separating plasma in a flow path has been proposed, and the size of some flow paths is manipulated so that blood cell components can be stored and plasma components proceed smoothly.
"On chip sample preparation for whole blood analysis"의 명칭으로 2005년 3월 31일자로 등록된 미국 특허 제 US 2005/0069459 A1호는 생체 입자를 분리하기 위하여 바이오칩 상에 채널을 형성하고 입구에서 크고 짧은 구간의 압력 펄스를 주기적으로 가하여 입자 이동 힘에 변화를 주어서 분리하는 기술과 장치를 제시하였다. 마이크로채널에 필터 구조 없이 분리 가능한 것을 특징으로 한다. United States Patent No. US 2005/0069459 A1, registered March 31, 2005, entitled “On chip sample preparation for whole blood analysis,” forms a channel on a biochip to separate biological particles and a large and short section at the inlet. We propose a technique and a device for separating by changing the particle transfer force by applying a pressure pulse of. It can be separated without a filter structure in the microchannel.
"filter device and method for processing blood"를 명칭으로 1999년 5월 13일자로 국제 공개된 국제공개특허 WO99/058172호는 혈액 처리 필터층과 혈액이 좀 더 쉽게 흐르는 시트상의 공간층이 적층된 상태로 감겨 있고, 시트상의 공간층의 단부를 필터재의 외주면 또는 외주면에 노출시킨 혈액 처리 필터 장치에 관한 것이다. 적층 구조가 나선형으로 감기고 필터재를 부직포, 직물, 다공질체 시트 등을 이용하는 것을 특징으로 한다. International Publication No. WO99 / 058172, published May 13, 1999 under the name of "filter device and method for processing blood," is wound in a state in which a blood processing filter layer and a space on a sheet in which blood flows more easily are stacked. It is related with the blood process filter apparatus which exposed the edge part of the sheet-shaped space layer to the outer peripheral surface or outer peripheral surface of a filter material. The laminated structure is spirally wound, and the filter material is characterized by using a nonwoven fabric, a woven fabric, a porous sheet, or the like.
하지만, 종래기술에서는 전혈로부터 혈장을 분리하기 위하여 형성된 미세구조체, 격막, 멤브레인, 다공성 매질 등에 혈구가 적층되어 유로를 폐쇄시켜면서 혈장의 분리 효율이 감소되거나, 혈장을 분리하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 시료를 이동시키기 위하여 외부장치 예컨대, 시린지 펌프를 사용하는 경우 구동방식이 복잡해서 연속적이고 효율적인 혈장의 분리 또는 농축이 어렵다는 문제점이 있다. However, in the related art, blood cells are stacked on a microstructure, a diaphragm, a membrane, a porous medium formed to separate plasma from whole blood, and the separation efficiency of plasma is reduced while closing the flow path, or it takes a long time to separate plasma. There is this. In addition, when an external device, such as a syringe pump, is used to move the sample, there is a problem in that it is difficult to separate or concentrate plasma continuously and efficiently due to a complicated driving method.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 시린지 펌프와 같은 외부장치의 도움없이 자체적으로 전혈로부터 혈장을 분리할 수 있는 마이크로 필터 소자를 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object thereof is to provide a micro filter element capable of separating plasma from whole blood by itself without the help of an external device such as a syringe pump.
또한, 본 발명은 혈구에 의한 유로 폐쇄로 인하여 혈장분리효율이 감소하는것을 방지할 수 있는 마이크로 필터 소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a micro filter device which can prevent the plasma separation efficiency from being reduced due to the closing of the flow path by blood cells.
또한, 본 발명은 혈장을 분리하는데 소요되는 시간을 단축할 수 있는 마이크로 필터 소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a micro filter element capable of shortening the time taken to separate plasma.
또한, 분리된 혈장으로부터 특정 바이오 물질을 검출, 분리 또는 농축할 수 있는 마이크로 필터 소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.It is also another object to provide a micro filter element capable of detecting, separating or concentrating a particular biomaterial from separated plasma.
또한, 본 발명은 일회용 바이오칩으로 사용이 가능하도록 저렴한 가격으로 제작할 수 있는 마이크로 필터 소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a micro filter device that can be manufactured at a low price to be used as a disposable biochip.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명의 전혈로부터 혈장을 분리하기 위한 마이크로 필터 소자는 전혈이 유입되는 전혈유입구; 유입된 전혈로부터 분리된 혈장이 외부로 방출되는 혈장방출구; 상기 전혈유입구 및 상기 혈장방출 구와 연결되고, 상기 분리된 혈장을 저장하기 위한 혈장저장챔버; 상기 전혈유입구와 혈장저장챔버 사이에 형성되고, 유입된 전혈로부터 혈장을 분리하기 위한 종이필터 및 외부구동없이 자체적으로 생성된 모세관력에 의해서 상기 혈장방출구 방향으로 유입된 전혈을 이동시키기 위해 상기 혈장저장챔버 내에 형성된 미세구조체를 포함한다. 또한, 상기 혈장저장챔버에 저장된 혈장을 외부로 방출시키기 위한 공기압을 제공하는 혈장펌핑구 및 상기 혈장펌핑구와 혈장저장챔버를 연결하는 채널을 더 포함할 수 있다. Micro-filter element for separating the plasma from the whole blood of the present invention according to an aspect for achieving the above object is a whole blood inlet for introducing whole blood; A plasma outlet through which plasma separated from the introduced whole blood is released to the outside; A plasma storage chamber connected to the whole blood inlet and the plasma discharge port and configured to store the separated plasma; The plasma is formed between the whole blood inlet and the plasma storage chamber, the paper filter for separating the plasma from the introduced whole blood, and the plasma to move the whole blood flowing in the direction of the plasma discharge by the capillary force generated by itself without external driving. It comprises a microstructure formed in the storage chamber. The apparatus may further include a plasma pumping port for providing air pressure for releasing plasma stored in the plasma storage chamber to the outside and a channel connecting the plasma pumping port and the plasma storage chamber.
여기서, 상기 혈장유입구, 상기 혈장방출구 및 상기 혈장펌핑구는 상부기판에 형성할 수 있고, 상기 혈장저장챔버, 상기 미세구조체 및 상기 채널은 하부기판에 형성할 수 있으며, 상기 상부기판과 하부기판 사이에 상기 종이필터를 형성할 수 있다. 이때, 상기 종이필터의 공극은 1um보다 작을 수 있다.Here, the plasma inlet, the plasma discharge port and the plasma pumping port may be formed in the upper substrate, the plasma storage chamber, the microstructure and the channel may be formed in the lower substrate, between the upper substrate and the lower substrate The paper filter can be formed in the. At this time, the air gap of the paper filter may be smaller than 1um.
상기 상부기판 및 상기 하부기판은 플라스틱, 실리콘, 고무 및 유리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성할 수 있으며, 폴리디메틸실로세인(poly-dimethyl siloxane, PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이 드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP) 및 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성할 수도 있다.The upper substrate and the lower substrate may be formed of any one selected from the group consisting of plastic, silicon, rubber, and glass, polydimethyl siloxane (PDMS), polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate, PMMA) , Polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (CCO), polyamide (PA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyphenylene ether , PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride (polyvinylchloride, PVC ), Polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutylene terephthalate (PBT), fluorinated ethylene propylene (fl uorinated ethylenepropylene (FEP) and perfluoroalkoxyalkane (PFA).
상기 미세구조물 및 상기 혈장저장챔버는 친수성 표면을 가지는 것이 바람직하며, 산소 플라즈마 처리(O2 plasma treatment) 또는 계면활성제를 사용하여 친수성 표면을 갖도록 형성할 수 있다. The microstructure and the plasma storage chamber preferably have a hydrophilic surface, and may be formed to have a hydrophilic surface by using an O 2 plasma treatment or a surfactant.
상기 혈장저장챔버는 모세관력을 증가시키기 위하여 상기 혈장방출구 방향으로 폭이 증가하도록 형성할 수 있으며, 상기 미세구조체는 1um ~ 500um 범위의 크기를 갖는 원기둥, 정육면체, 직육면체 및 다면체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성할 수 있다.The plasma storage chamber may be formed to increase the width in the direction of the plasma discharge port to increase the capillary force, the microstructure is selected from the group consisting of cylinders, cubes, cubes and polyhedra having a size in the range of 1um ~ 500um It may be formed of any one or a combination thereof.
또한, 특정 바이오 물질을 검출, 분리 또는 농축하기 위하여 상기 미세구조체 표면에 형성된 상보적 포획 탐침 리간드(ligand)를 더 포함할 수 있다. In addition, it may further comprise a complementary capture probe ligand (ligand) formed on the surface of the microstructure in order to detect, isolate or concentrate a specific biomaterial.
또한, 상기 혈장저장챔버 및 상기 미세구조체는 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding), NC(Numerical Control)머시닝, 레이저어블레이션(Laser Ablation), 전기방전, 캐스팅(Casting), 광조형(Stereolithography), 쾌속조형(Rapid Prototyping) 및 사진식각법(photolithography)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용하여 형성할 수 있다. In addition, the plasma storage chamber and the microstructure are hot embossing, injection molding, NC (numeric control) machining, laser ablation, electrical discharge, casting, light shaping It may be formed using any one method selected from the group consisting of Stereolithography, Rapid Prototyping and photolithography.
상기 상부기판, 상기 하부기판 및 상기 종이필터는 열간접착법, 에폭시접착법, 화학적접착법, 초음파접착법 및 플라즈마접착법으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용하여 형성할 수 있다. The upper substrate, the lower substrate and the paper filter may be formed using any one method selected from the group consisting of hot bonding, epoxy bonding, chemical bonding, ultrasonic bonding and plasma bonding.
본 발명은 혈장분리를 위한 미세구조체에 비하여 단위면적당 구조물의 수가 더 많은 종이필터를 사용함으로써, 혈장분리효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 단시간에 전혈로부터 혈장을 분리할 수 있는 효과가 있다. 또한, 단시간에 전혈로부터 혈장을 분리함으로써, 혈구의 유로폐쇄로 인하여 혈장분리효율이 감소하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. The present invention can improve the plasma separation efficiency by using a paper filter with a larger number of structures per unit area than the microstructure for plasma separation, thereby having the effect of separating plasma from whole blood in a short time. In addition, by separating the plasma from the whole blood in a short time, there is an effect that can be prevented from reducing the plasma separation efficiency due to the blockage of the blood flow path.
본 발명은 마이크로 필터 소자 내부에 외부구동없이 자체적으로 생성된 모세관력에 의하여 혈장을 이동시킴으로써, 외부구동을 통하여 혈장을 분리하는 마이크로 필터 소자에 비하여 구동방식을 단순화시킬 수 있으며, 이를 통하여 연속적·효율적으로 혈장을 분리할 수 있는 효과가 있다. The present invention can simplify the driving method as compared to the micro filter element that separates the plasma through the external drive by moving the plasma by the capillary force generated by itself without the external drive inside the micro filter element, through which the continuous and efficient It is effective to separate the plasma.
또한, 본 발명의 마이크로 필터 소자는 상보적 포획 탐침 리간드가 부착된 미세구조체를 형성함으로써, 분리된 혈장으로부터 원하는 특정 바이오물질을 검출, 분리 또는 농축할 수 있는 효과가 있다.In addition, the micro-filter element of the present invention has an effect of detecting, separating or concentrating a desired specific biomaterial from the separated plasma by forming a microstructure to which the complementary capture probe ligand is attached.
또한, 본 발명의 마이크로 필터 소자를 가격이 저렴한 플라스틱으로 제작함으로써, 혈액을 이용하여 특정 질병을 검출하는 일회용 바이오칩에 적용할 수 있는 효과가 있다.In addition, by manufacturing the micro-filter element of the present invention made of a low-cost plastic, there is an effect that can be applied to a disposable biochip for detecting a specific disease using blood.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혈장 분리용 마이크로 필터 소자를 분리하여 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 혈장 분리용 마이크로 필터 소자를 도 1에 도시된 X-X` 절취선을 따라 도시한 단면도이다. 1 is a perspective view of the plasma separation micro-filter element according to an embodiment of the present invention separated, Figure 2 is a plasma separation micro-filter element according to an embodiment of the present invention shown in Figure XX` It is a cross-sectional view shown.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 혈장 분리용 마이크로 필터 소자는 전혈이 유입되는 전혈유입구(120), 유입된 전혈로부터 분리된 혈장이 외부로 방출되는 혈장방출구(130), 전혈유입구(120) 및 혈장방출구(130)와 연결되고, 분리된 혈장을 저장하기 위한 혈장저장챔버(150), 전혈유입구(120)와 혈장저장챔버(150) 사이에 형성되고, 유입된 전혈로부터 혈장을 분리하기 위한 종이필터(200) 및 외부구동없이 자체적으로 생성된 모세관력에 의해서 혈장방출구(130) 방향으로 유입된 전혈을 이동시키기 위해 상기 혈장저장챔버(150) 내에 형성된 미세구조체(190)를 포함한다. As shown in Figure 1 and 2, the micro-filter element for plasma separation of the present invention is the
또한, 혈장저장챔버(150)에 저장된 혈장을 외부로 방출시키기 위한 공기압을 제공하는 혈장펌핑구(160) 및 혈장펌핑구(160)와 혈장저장챔버(150)를 연결하는 채널(180)을 더 포함할 수 있다. In addition, the
또한, 특정 바이오 물질을 검출, 분리 또는 농축하기 위하여 미세구조체(190) 표면에 형성된 상보적 포획 탐침 리간드(ligand)를 더 포함할 수 있다. 또 한, 혈장저장챔버(150) 내부에 저장된 혈장으로부터 생물화학반응 및 특정 바이오 물질 검출을 목적으로 하는 분석장치를 추가적으로 형성할 수 있다. 특히, 혈액중의 단백질 성분의 검출을 위한 단백질 검출 바이오센서와 본 발명의 마이크로 필터 소자가 결합되는 것이 바람직하다.In addition, it may further include a complementary capture probe ligand (ligand) formed on the surface of the
이때, 혈장유입구(120), 혈장방출구(130) 및 혈장펌핑구(160)는 상부기판(110)에 형성되고, 혈장저장챔버(150), 미세구조체(190) 및 채널(180)은 하부기판(100)에 형성되며, 상부기판(110)과 하부기판(100) 사이에 종이필터(200)를 형성한다. 또한, 상부기판(100)에 형성된 혈장펌핑구(160)에 대응되는 혈장펌핑구 대응부(170)를 하부기판(100)에 형성할 수 있다. At this time, the
종이필터(200)는 전혈유입구(120) 하단에 형성할 수 있으며, 상부기판(110)과 하부기판(100)의 결합에 의해서 마이크로 필터 소자에 고정시킬 수 있다. 이때, 유입되는 전혈이 종이필터(200)에 흡수되면서 발생하는 시료의 손실을 최소화하기 위하여 종이필터(200)는 얇은 소재로 형성되는 것이 바람직하며, 혈구를 적절히 걸러내기 위하여 공극(air gap)이 수 마이크로미터 이하인 것, 바람직하게는 1um보다 작은 것이 좋다. 또한, 혈구에 의해 막힘이 적도록 하기 위하여 공극률이 크고, 혈액 체적에 맞게 충분한 표면적을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 공극률이 크다는 것은 단위부피당 표면적이 크다는 것을 의미한다.The
또한, 종이필터(200)는 상부기판(110) 및 하부기판(100)의 결합을 통하여 고정되기 때문에 상부기판(110), 하부기판(100) 및 종이필터(200)의 적층결합은 유입된 전혈이 상부기판(110)과 하부기판(100)의 결합면으로 새지 않도록 강하게 밀착 되어야 한다. 이를 위하여 열간접착법, 에폭시접착법, 화학적접착법, 초음파접착법 및 플라즈마접착법으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용하여 상부기판(110), 하부기판(100) 및 종이필터(200)를 결합시킬 수 있다. In addition, since the
혈장저장챔버(150) 및 미세구조체(190)는 강한 모세관 압력 및 유동을 발생시키기 위하여 친수성이 강한 물질로 형성하거나, 미세구조체(190) 및 혈장저장챔버(150)의 표면을 산소 플라즈마 처리(O2 plasma treatment) 또는 계면활성제(surfactant)를 사용하여 친수성 표면을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. The
여기서, 미세구조체(190)는 크기가 작을수록 강한 모세관 압력을 발생시킬 수 있으나, 공정상의 한계, 혈장저장챔버(150)의 체적 및 유동저항의 증가를 고려하여 미세구조체(190)의 크기를 조절할 필요성이 있으며, 바람직하게는 1um ~ 500um 범위의 크기를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.Here, the
혈장저장챔버(150)는 미세구조체(190)에 의한 모세관력을 보다 증가시키기 위하여 혈장방출구(130) 방향으로 즉, 혈장의 진행방향으로 폭이 증가하도록 형성할 수 있다.The
상술한 전혈유입구(120), 혈장방출구(130), 혈장펌핑구(160), 혈장저장챔버(150), 미세구조체(190) 및 채널(180)은 상부기판(110) 및 하부기판(100)을 가공하여 형성할 수 있으며 예컨대, 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding), NC(Numerical Control)머시닝, 레이저어블레이션(Laser Ablation), 전기방전, 캐스팅(Casting), 광조형(Stereolithography), 쾌속조형(Rapid Prototyping) 및 사진식각법(photolithography)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용하여 형성할 수 있다. The
여기서, 가격이 저렴한 일회용 바이오칩에 적용하기 위하여 상부기판(110) 및 하부기판(100)을 플라스틱으로 형성할 경우, 핫엠보싱 또는 사출성형법을 사용하여 형성하는 것이 적합하다. Here, when the
상부기판(110) 및 하부기판(100)은 플라스틱, 실리콘, 고무 및 유리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으며, 바람직하게는 일회용 바이오칩에 활용할 수 있도록 가격이 저렴한 플라스틱으로 형성하는 것이 좋다. 플라스틱으로는 예컨대, 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리디메틸 실로세인(poly-dimethyl siloxane, PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP) 및 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.The
이와 같이, 본 발명은 전혈로부터 혈장을 분리하기 위하여 미세구조체를 사용하는 마이크로 필터 소자에 비하여 단위면적당 구조물의 수가 더 많은 종이필터(200)를 사용하여 혈장을 분리함으로써, 혈장분리효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 전혈로부터 혈장을 분리하는데 소요되는 시간을 단축할 수 있다. As such, the present invention can improve plasma separation efficiency by separating the plasma using the
또한, 단시간에 전혈로부터 혈장을 분리함으로써, 혈구의 유로폐쇄에 의하여 혈장분리효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다. In addition, by separating the plasma from the whole blood in a short time, it is possible to prevent the plasma separation efficiency from being reduced by the blockage of the blood cells.
또한, 본 발명은 외부구동없이 자체적으로 생성된 모세관력에 의하여 혈장을 이동시킴으로써, 외부구동을 통하여 혈장을 분리하는 마이크로 필터 소자에 비하여 구동방식을 단순화시킬 수 있으며, 이를 통하여 연속적·효율적으로 혈장을 분리할 수 있다. In addition, the present invention can simplify the driving method as compared to the micro filter element that separates the plasma through the external drive by moving the plasma by the capillary force generated by itself without external drive, through which the plasma can be continuously and efficiently Can be separated.
또한, 본 발명은 상보적 포획 탐침 리간드가 부착된 미세구조체(190)를 형성함으로써, 분리된 혈장으로부터 원하는 특정 바이오물질을 검출, 분리 또는 농축할 수 있으며, 마이크로 필터 소자내에 추가적인 반응부 및 검출부를 집적시키기 용이하다.In addition, the present invention by forming a
또한, 본 발명의 마이크로 필터 소자를 가격이 저렴한 플라스틱으로 제작함으로써, 혈액을 이용하여 특정 질병을 검출하는 일회용 바이오칩에 적용할 수 있다.In addition, by manufacturing the micro-filter element of the present invention made of a low-cost plastic, it can be applied to disposable biochips that detect specific diseases using blood.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하며 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 필터 소자의 동작원리에 대해서 설명한다.1 and 2, the operation principle of the micro filter element according to the embodiment of the present invention will be described.
먼저 전혈을 전혈유입구(120)를 통하여 마이크로 필터 소자에 주입하면, 먼 저 종이필터(200)가 전혈에 의해 적셔진 후, 종이필터(200) 하부의 혈장저장챔버(150)에 형성된 미세구조체(190)와 전혈이 접촉하게 된다. 그 다음, 혈장저장챔버(150)에 형성된 미세구조체(190)로 인하여 혈장방출구(130) 방향으로 강한 모세관 유동이 발생하게 된다. 이 과정에서 전혈을 구성하는 성분 중에서 혈구는 종이필터(200)에 의해 걸러지고 혈장 성분만 혈장저장챔버(150)에 저장된다. First, when whole blood is injected into the micro filter element through the
혈장저장챔버(150)에 저장된 혈장을 외부로 방출하고자 할 경우, 채널(180)을 통하여 혈장저장챔버(150)와 연결되어 있는 혈장펌핑구(160)에 공기를 유입시켜 공기압으로 혈장저장챔버(150)에 저장된 혈장을 혈장방출구(130)를 통하여 외부로 방출시킬 수 있다. When the plasma stored in the
여기서, 강한 모세관 압력을 발생시킬 수 있도록 미세구조체(190)의 표면은 친수성을 갖는 것이 바람직하며, 미세구조체(190)의 크기는 매우 작은 것이 바람직하다. 이를 도 3을 참조하여 살펴본다.Here, the surface of the
도 3은 마이크로채널에서의 모세관력을 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating capillary force in a microchannel.
도 3의 (a)를 참조하면, 높이가 H인 2차원 슬릿으로 구성된 마이크로채널(300)에서 접촉각 θ, 표면장력 σ 의 모세관 유동에서의 압력은 다음과 같다.Referring to FIG. 3A, the pressure in the capillary flow of the contact angle θ and the surface tension σ in the
도 3의 (b)를 참조하면, 높이가 H, 폭이 W인 직육면체 형상의 마이크로채널(300)에서 접촉각 θ, 표면장력 σ 의 모세관 유동에서의 압력은 다음과 같다.Referring to FIG. 3B, the pressure in the capillary flow of the contact angle θ and the surface tension σ in the
상술한 수학식 1 및 수학식 2에서와 같이 모세관 압력은 마이크로채널(300)의 크기에 반비례하고, 접촉각이 작을수록 즉, 친수성이 클수록 커진다. 따라서, 강한 모세관 압력을 발생시키기 위해서는 채널의 표면이 친수성이 되고, 크기가 작은 채널 즉, 미세구조체의 크기가 작고, 인접한 미세구조체간의 간격이 작도록 형성한는 것이 강한 모세관력을 유도하는데 바람직하다. As in Equation 1 and Equation 2, the capillary pressure is inversely proportional to the size of the
또한, 미세구조물의 형상 및 배치에 따라서도 발생되는 모세관력에 차이가 발생할 수 있는 바 도4 및 도 5를 참조하여 살펴본다.In addition, it will be described with reference to FIGS. 4 and 5 where a difference in capillary force may occur depending on the shape and arrangement of the microstructure.
도 4는 도 1에 도시된 혈장저장챔버 내에 형성되는 미세구조체의 배치에 따른 모세관력을 설명하기 위한 예시도이고, 도 5는 도 1에 도시된 혈장저장챔버 내에 형성되는 미세구조체 형상의 다양성을 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 4 is an exemplary diagram for describing capillary forces according to the arrangement of the microstructures formed in the plasma storage chamber shown in FIG. 1, and FIG. 5 illustrates the diversity of the microstructure shapes formed in the plasma storage chamber shown in FIG. 1. It is an illustrative diagram for explanation.
도 4를 참조하면, 수학식 1에서 나타낸 것처럼 미세구조체(190)간의 간격 d1(폭방향의 간격), d2(길이방향의 간격)를 조절함으로써 모세관 압력을 조절할 수 있다. 즉, 미세구조체(190)의 배치에 따라서 모세관력의 크기를 조절할 수 있으며, 바람직하게는 모세관력을 최대화시키면서 유도저항을 최소화시킬 수 있는 크기와 배치를 가질 수 있도록 형성되어야 한다. Referring to FIG. 4, the capillary pressure may be adjusted by adjusting a distance d1 (width direction) and d2 (length direction length) between the
도 5를 참조하면, 미세구조체의 형상은 원기둥, 정육면체, 직육면체 및 다면체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들이 조합하여 형성할 수 있 다. 이때, 미세구조체의 단면 형상은 원형, 삼각형, 사각형, 마름모꼴, 타원형 및 다면체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들이 조합된 형상일 수 있다. Referring to Figure 5, the shape of the microstructure may be formed of any one selected from the group consisting of a cylinder, a cube, a cube and a polyhedron or a combination thereof. In this case, the cross-sectional shape of the microstructure may be any one selected from the group consisting of a circle, a triangle, a square, a rhombus, an ellipse, and a polyhedron or a combination thereof.
이와 같이, 본 발명은 미세구조체의 크기, 형상 및 배치를 조절함으로써, 모세관력의 크기를 조절할 수 있으며, 미세구조테의 크기, 형상 및 배치를 조절하여 유도된 강한 모세관력은 혈장저장챔버 내에서의 혈장의 이동속도를 증가시키고 이는 혈장의 분리가 빠르게 진행될 수 있음을 의미한다. As such, the present invention can control the size of the capillary force by adjusting the size, shape and arrangement of the microstructure, the strong capillary force induced by controlling the size, shape and arrangement of the microstructure frame in the plasma storage chamber Increases the plasma's rate of movement, which means that plasma separation can proceed rapidly.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will appreciate that various embodiments within the scope of the technical idea of the present invention are possible.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혈장 분리용 마이크로 필터 소자를 분리하여 도시한 사시도.1 is a perspective view showing the separation of the micro-filter element for plasma separation according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 혈장 분리용 마이크로 필터 소자를 도 1에 도시된 X-X` 절취선을 따라 도시한 단면도.FIG. 2 is a cross-sectional view of the microfilter device for plasma separation according to the embodiment of the present invention taken along the line X-X ′ of FIG. 1;
도 3은 마이크로채널에서의 모세관력을 설명하기 위한 개념도.3 is a conceptual diagram illustrating capillary force in a microchannel.
도 4는 도 1에 도시된 미세구조체의 배치에 따른 모세관력을 설명하기 위한 예시도.4 is an exemplary view for explaining the capillary force according to the arrangement of the microstructure shown in FIG.
도 5는 도 1에 도시된 미세구조체 형상의 다양성을 설명하기 위한 예시도.5 is an exemplary view for explaining the variety of microstructure shapes shown in FIG.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *** *** Explanation of symbols on the main parts of the drawing ***
100 : 하부기판 110 : 상부기판100: lower substrate 110: upper substrate
120 : 전혈유입구 130 : 혈장방출구120: whole blood inlet 130: plasma outlet
140 : 혈장방출구 대응부 150 : 혈장저장챔버140: plasma outlet counter 150: plasma storage chamber
160 : 혈장펌핑구 170 : 혈장펌핑구 대응부160: plasma pumping port 170: plasma pumping port counterpart
180 : 채널 190 : 미세구조체180: channel 190: microstructure
200 : 종이필터 300 : 마이크로채널200: paper filter 300: microchannel
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