KR20080075520A

KR20080075520A - 거친 채널 미세유체 장치

Info

Publication number: KR20080075520A
Application number: KR1020087014194A
Authority: KR
Inventors: 데이빗 에스. 코헨; 숀 알. 피스터
Original assignee: 킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-08-18
Also published as: EP1960106A1; WO2007075287A1; CA2628791A1; US20070140913A1; CN101326009A; JP2009520183A

Abstract

예를 들어, 측류 분석 장치에 사용하기 위한 거친 미세유체 채널이 제공된다. 거친 미세유체 채널은, 동일한 조건 하의 흐름에 대한 레이놀드 수에 의해 측정시, 매끄러운 유사 채널에 대한 레이놀드 수보다 50% 이상 더 큰, 매끄러운 유사 채널보다 큰 거친 정도를 갖는다. 대안적으로, 거친 정도는 충전 시간에 의해 측정시, 매끄러운 채널보다 거친 채널에 대해 25% 이상 더 낮아 매끄러운 유사한 채널보다 클 수 있다.

측류 분석 장치, 미세유체, 레이놀드 수

Description

거친 채널 미세유체 장치 {ROUGH CHANNEL MICROFLUIDIC DEVICES}

미세유체 장치는 분자 확산 계수, 유체 점도, pH, 화학 결합 계수 및 효소 반응 속도를 비롯한 다양한 흥미있는 측정값을 수득하기 위해 사용될 수 있다. 미세유체 장치의 다른 용도로는 모세관 전기 영동, 등전성 집속 면역분석법, 유동세포 계측법, 질량 분광법을 통한 분석을 위한 단백질의 샘플 주입, PCR 증폭, DNA 분석, 세포 조작, 세포 분리, 세포 패턴화 및 화학적 구배 형성이 포함된다. 이들 중 많은 용도는 임상 진단을 위한 유용성을 갖는다.

미세유체 장치는 특성상 적어도 하나의 치수가 1㎜ 미만인 채널 하나 이상을 갖는다. 미세유체 장치에 사용되는 통상적인 유체는 전혈 샘플, 세균성 세포 현탁액, 단백질 또는 항체 용액 및 다양한 완충액을 포함한다. 생물 의학적 연구를 행하고, 임상적으로 유용한 기술을 생성하기 위한 미세유체 장치의 사용은 다수의 중요한 장점을 갖는다. 우선, 이들 채널 내의 유체의 부피가 매우 작기 때문에 (통상적으로 수 나노리터), 사용된 시약 및 분석물의 양 또한 매우 작다. 이는 특히 고가의 시약의 경우 중요하다. 미세유체 장치 구성에 사용되는 제작 기술은 비교적 저가이며, 매우 정교하고 복잡한 장치 또는 대량생산 모두에 대해 매우 다루기 쉽다. 마이크로전자 공학에서와 유사한 방법으로, 미세유체 기술을 통해 동일한 기판 칩 상에 상이한 몇가지 작용을 행하기 위한 매우 집적된 장치의 제작이 가능 하다. 미세유체학 분야의 장기적인 목적의 하나는 가정용을 위한 집약적이며 휴대가능한 임상적 진단 장치를 제작하여, 시간 소모적인 실험실 분석을 생략하는 것이다.

최신 미세유체 시스템에서, 모세관에 의해 유도되는 서지 흐름은 장치를 이루는 물질의 표면 에너지에 의해 주로 영향받는다. 미세유체 채널(들)의 내부 벽에서 임의의 표면 에너지 변동은, 예측불가능하며 바람직하지 못한 유체 흐름 거동을 초래할 수 있다. 이 문제로 인해 미세유체장치 제조 내역이 종종 비합리적이 된다.

미세유체 채널의 벽에서 표면 에너지 변동으로 인한 유체 흐름 거동의 변동이 덜한 미세유체 장치를 제조하는 것이 본 발명의 목적이다.

도 1은 무광택 마무리 채널 및 광택 마무리 채널에 대한 시간 (x축) 대 충전 시간 (y축)의 그래프이다.

발명의 요약

본 발명자들은, 거친 정도의 규모가 채널의 치수에 비해서는 작을 것을 가정한다면, 미세유체 채널의 내부 표면이 거칠어지면, 전진하는 공기-액체 계면이, 연속적으로 변하며 무작위적인 접촉각으로 제공된다는 것을 밝혀내었다. 이로써, 흐름 거동이 채널 벽의 표면 에너지의 변동에 대해 훨씬 덜 민감하여, 더욱 예측가능하게 된다.

거친 벽 표면을 갖는 미세채널은, 더 큰 흐름 서지 점도 외에도 거친 표면의 증대된 습윤성으로 인한 더욱 빠른 충전 시간을 제공할 수 있으며, 미립자 또는 세포 포획을 위한 증가된 표면적을 제공할 수 있다.

본 발명의 기타 특징 및 양태는 하기에 상세히 논의된다.

본원에 사용된 용어 "미세유체"는 크기가 1㎜ 미만인 하나의 치수를 갖는 채널을 갖는 장치를 말하며, 더욱 구체적으로 이들은 100㎛ 이하의 범위인 하나의 치수를 갖는 채널을 가지며, 바이러스의 검출을 위해, 이들은 10㎛ 이하의 범위인 하나의 치수를 갖는 채널을 갖는다.

미세유체 채널을 통한 유체의 흐름은 Re=LV_avgρ/μ (수학식 1) (여기서, L은 최대 관련 길이 눈금이며, μ는 점도이며, ρ는 유체 밀도이며, V_avg는 평균 유속임)으로 정의되는 레이놀드 수에 의해 특성화될 수 있다. 많은 미세채널의 경우, L은 4A/P (여기서, A는 채널의 횡단면적이며, P는 채널의 젖은 원주길이임)와 동등하다. 미세채널의 작은 치수로 인해, Re는 통상적으로 100보다 훨씬 작으며, 종종 1.0 미만이다. 상기 레이놀드 수 체계에서, 흐름은 완전히 층류이며, 어떠한 난류도 발생하지 않는다. 난류로의 전이는 일반적으로 레이놀드 수 2000의 범위에서 발생한다.

층류는, 분자가 미세채널을 통해 비교적 예측가능한 방법으로 운송될 수 있는 수단을 제공한다. 그러나, 100 미만의 레이놀드 수에서는, 채널 벽의 표면 에너지 변동으로 인한 영향이 비례적으로 더 큰 문제가 됨을 주목한다.

유체 역학의 기본 법칙의 하나인 노-슬립(no-slip) 경계 조건이란 벽에서의 유체 속도가 0이어야 함을 진술한다. 이는 채널 내에서 포물선의 속도 프로파일을 생성한다. 포물선의 속도 프로파일은 채널 내에서 수송되는 분자의 분포에 대한 중요한 암시를 갖는다. 채널의 표면을 거칠게 함으로 인한 층류 패턴의 붕괴는 난류를 생성하지는 않으나, 노-슬립 조건을 붕괴한다. 이로써 벽으로부터의 훨씬 더 적은 영향 또는 간섭하에 채널을 통해 유체를 흐르게 한다.

미세유체 채널을 제작하기 위해 몇몇 상이한 기술이 개발되었다. 예를 들어, 고온 엠보싱 기술이 사용되어 플라스틱의 표면에 패턴을 각인할 수 있거나, 또는 사출 성형이 사용되어 복잡한 구조를 생성할 수 있다. 하기 요약된 각각의 공지된 기술은 그 강점 및 약점을 갖는다.

물질	제작 기술
실리콘	화학적 습식 에칭
유리	화학적 에칭, 레이저 절단
중합체 필름(예, 마일라(Mylar))	라미네이트 레이저 절단
실리콘 엘라스토머 (PDMS)	미세성형 ("소프트 석판술")
포토레지스트, 히드로겔 등	광중합 ("미세유체 구조")
열가소성 물질	고온 엠보싱, 사출 성형

광식각법은 예를 들어, SU-8과 같은 감광성 에폭시에 에칭된 채널을 제조한다. SU-8은 투명하며, 저가이며, 고품질 미세유체 채널의 제작이 가능하다. 미세유체 채널의 디자인은 베이직 CAD 프로그래밍을 이용한 PC 컴퓨터 모델링에 의해 수행될 수 있다. 이들 기술은 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들어, 문헌 [Rapid Tooling Using SU -8 for Injection Molding Microfluidic Components, Edwards et al., published in the proceedings from Proceedings of SPIE Vol.4177] 및 [Fabrication and Study of Simple and Robust Microfluidic Devices, Hill et al., published in Pharmaceutical Engineering, 2004년 3월/4월, Vol.24, No.2]에 검토되어 있다. 따라서, 미세유체 채널을 거칠게 하는 것은 당업자의 지식 내이다.

제작은 CAD 환경, 전형적으로 리노세로스(Rhinoceros) 3.0 (맥닐 노쓰 아메리카 (미국 워싱턴주 시애틀))에서 목적한 유체 디자인을 레이아웃하는 것으로 이루어진다. 이 디자인을 60°절단기를 사용한 그래프테크(GraphTech) GC3000-40 플롯터를 사용하여 전사 접착제 (예, 이중 박리층 시스템을 갖는 3M 467MP, 0.002"/50.8㎛ 두께)에 절단한다. 플롯터 세팅은 12의 힘, 1의 속도 및 1의 품질로 구성하였으며, 접선 절단이 없고, 467MP에 낮은 힘 박리층 (LFRL)을 최상부에 배치한다. 이들 세팅은 낮은 힘 박리 라이너 및 접착제를 관통해 절단하기에 충분하지만, 높은 힘 방출층 (HFRL)을 관통해 절단하기에는 불충분하다. 원치않는 접착제를 덮은 LFRL를 조심스럽게 제거한다. 노출된 접착제는 모듈람(Modulam) 130 (속도 1, 열 없음) 적층기를 사용하여 한장의 종이에 그를 접착함으로써 제거한다. 이어서, 종이는 원치않는 접착제와 함께인 채로 벗겨낸다. 모든 접착제가 제거되었는지를 확실히 하도록 채널을 조사한다. 여분의 접착제가 존재하면, 유체 필드로부터 제거한다 (상기 공정은 위딩(weeding)으로 사인 제조 산업에 공지되어 있다). 이어서, 3M 스카치 브랜드 테이프를 잔여 LFRL에 연속 스트립으로서 가한 후 적층한다. 또한 테이프는 잔여 LFRL을 취하여 연속적으로 제거된다. 새롭게 노출된 접착제는 평면 시트 스톡 한 조각으로 캡핑한 다음, 냉각 적층한다. HFRL은 LFRL에 대해 기재된 바와 같이 제거하여 시트 스톡에 결합된 전사 접착제를 남긴다. 이어서, 시트 스톡의 두 번째 조각을 접착제에 가한 다음, 냉각 적층한다. 결과는 한 세트의 동시 작동 유체 장치이다. 두 조각의 시트 스톡이 동일한 조성일 필요는 없음을 주목한다.

흐름 동역학에 대한 거친 표면 대 매끄러운 표면의 영향을 평가하기 위해, 일련의 유체 장치를 구성하였다. 이 일련의 장치에서, 채널은 2.5㎜ 폭이었으며, 20㎜ 길이였다. 채널의 근접 말단에 원형 웰을 제작하여, 일관된 샘플 적용 구역을 제공하였다. 이들 채널을 함께 작동시킨 다음, 상기 기재된 바와 같이 3M 467MP 전사 접착제로 절단하였다. 접착제를 2조각의 허르쿨렌 무광택 마무리 드래프팅 필름 (191153 로트 F135231124) 사이에 적층하였다. 이 필름은 무광택 마무리를 갖는 한면을 보유하는 한편, 다른 면은 광택 외관을 가짐을 주목해야 한다. 이 필름으로 2개의 별도의 동시 작동 시스템을 구성하였다. 하나의 예에서, 무광택 표면 마무리를 아래로 마주보게 하여 노출된 접착제 위에 배치하였다. 광택 표면을 아래로 마주보게 하여 접착제 채널의 또다른 세트 위에 배치하였다. 이어서, 유체 시스템을 로지테크 퀵캠 줌 웹 카메라 아래에 배치하였다. 카메라를 설정하여 320×240 화소 해상도에서 1초에 30 프레임을 수집하도록 하였다. 비디오 수집을 개시한 후 1.5㎕ 분액의 혈액을 제공하였다. 비디오 수집을 흐름이 종료될 때까지 진행하였다. 이 과정을 유체 채널의 양 종류에 대해 혈액 1.5, 2.0, 2.5 및 2.75㎕를 2번 반복하였다. 채널 충전이 시간의 함수로서 결정되도록 소프트웨어를 사용하여 각 비디오를 가공하였다. 이 데이터는 그래프패드 프리즘 4.0 내의 비선형 최소자승 분석을 사용하여 단순 지수 방정식에 피팅하였으며, 도 1에 나타내었다. 충전된 채널 % 대 적용된 부피, 및 관찰된 1차 속도 항수 대 적용된 부피의 2차 플롯 또한 작성하였다. 도 1에서, 0 내지 100의 시간 (초)는 X축이며, 0 내지 120의 충전된 채널 %는 Y축 상이었다. 더 높은 선이 무광택 마무리에 상응하며, 더 낮은 선이 광택 마무리에 상응한다. 모든 피트에 대한 R² 값은 0.98 초과였다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 더 거친 무광택 마무리 채널이, 매끄러운 광택 마무리 채널보다 훨씬 더 빨리 충전하였다.

표면 거친 정도(roughness)는 드래프팅 필름의 양 표면에 대한 마이크로포토닉스 TR2000 거친 정도 게이지를 사용하여 결정하였다. 무광택 면은 1.045㎛의 평균 거친 정도를 갖는 한편, 광택 면은 0.439㎛였다. 평균 거친 정도는 평균 선으로부터의 프로필의 평균 편차이거나, 또는 평가의 길이에 걸쳐 프로필에서 평균선까지의 평균 거리이다. 이 변수는 TR2000에 의해 수집된 데이터로부터 자동적으로 계산된다. 접촉각 측정은 드래프팅 필름의 작은 일부를 양면 접착제 테이프로 유리 슬라이드에 접착함으로써 수득하였다. 1㎕의 혈액을 테이프에 의해 제자리에 유지된 기판에 적용하고, 접촉각을 측정하였다. 하기 결과를 수득하였다.

	접촉각(°)					평균
무광택 면	47.4	48.6	47.0	49.1	50.7	48.6±1.5
광택 면	51.0	51.4	49.8	47.3	46.7	49.2±2.1

데이터는 표면 거친 정도가 미세채널 내의 유체 이동에 중요한 역할을 함을 분명히 증명한다. 또한, 거친 채널 시스템 내에서 유체의 전면(front)은 훨씬 더 우수하게 한정되며, 이는 표면 거친 정도가 국소적인 표면적 불일치를 평균화/제거하는 것을 도움을 시사한다.

미세유체 채널을 거칠게 하는 기술이 당업자의 지식에 속하는 것이지만, 본 발명자는 이것이 이전에 실시된 바 있는지는 모른다. 사실상, 종래의 지식은 층류이 더욱 효율적이며 더 우수한 결과를 생성한다는 믿음으로 매끄러운 채널을 선호하였다.

미세유체 채널의 "거친 정도"의 정량화는 상대적인 측정이기 때문에 다소 위압적인 업무이다. 그러나, 이는 다른 것은 동일한 조건 하에, 하나는 거칠고 하나는 매끄러운 2개의 유사한 채널을 통한 흐름에 대한 레이놀드 수의 증가에 의해 특성화될 수 있다. 본 발명자들은 50% 이상, 더욱 구체적으로 100% 초과의 레이놀드 수의 증가가 본 발명의 이로운 효과를 경험하는 데 필수적임을 믿는다. 대안적으로, 미세유체 채널의 충전 시간이 측정될 수 있는데, 나머지는 동일한 조건 하에서, 거친 채널은 매끄러운 채널보다 훨씬 더 낮은 충전 시간을 갖는다. 거친 채널에 대한 충전 시간은 매끄러운 채널보다 25% 이상, 더욱 구체적으로 50% 초과로 더 낮아야 한다.

본 발명에 대한 또다른 장점은, 증가된 거친 정도로 인한 표면적의 증가가 분석물 또는 오염물의 "포획"에 사용될 수 있는 영역의 증가를 허용한다는 것이다. 예를 들어, 항체 또는 렉틴 등과 같은 적혈구 세포 (RBC)에 선택적으로 결합하도록 디자인된 시약으로 영역을 처리함으로써, 더 많은 적혈구 세포가 샘플로부터 제거될 수 있다. 일반적으로 말해서, 혈액에 전형적으로 존재하는 RBC의 양 및 채널의 작은 크기로 인해, 종래의 미세유체 채널의 제한된 표면적은 작은 흐름 경로에서 RBC를 충분히 포획하기에 불충분하다. 거친 정도를 증가시켜 표면적을 증가시킴으로써, 더욱 많은 RBC가 포획되어 더 작은 흐름 경로를 허용할 수 있다.

거칠어진 미세유체 채널에 대한 하나의 구체적인 용도는 통액 또는 측류 분석에서이며, 이는 많은 분석물에서 더욱 흔해졌다. 이들 분석은 시험 샘플에 존재하는 분석물의 존재 또는 양을 검출한다. 이들 장치는 미세유체 채널을 통해 체액과 같은 이동상의 모세관 흐름의 원리에 따라 작용한다. 채널의 벽으로부터의 간섭은 본원에 교시된 바와 같이 벽을 거칠게 함으로써 최소화될 수 있다.

본원에 사용된 용어 "분석물(analyte)"은 일반적으로 시험 샘플에서 검출될 물질을 말한다. 시험 샘플은 생물학적 공급원, 예컨대 혈액, 세포 간 유체, 타액, 수정체 유체, 대뇌 척수 유체, 땀, 소변, 젖, 복수 유체, 점액, 활액, 복막액, 질액, 양수 등을 포함하는 생리학적 유체로부터 유래될 수 있다. 생리학적 유체 외에, 기타 액체 샘플, 예컨대 물, 식품 등이 사용될 수 있다. 또한, 분석물을 함유하는 것으로 의심되는 고체 물질이 또한 시험 샘플로서 사용될 수 있다. 분석물은 항원성 물질, 합텐, 항체, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 분석물은 톡신, 유기 화합물, 단백질, 펩티드, 미생물, 아미노산, 헥산, 호르몬, 스테로이드, 비타민, 약물 (치료 목적으로 투여된 것 뿐만 아니라, 불법적인 목적으로 투여된 것 포함), 약물 매개체 또는 부산물, 세균, 바이러스 입자, 이스트, 진균, 원충, 및 임의의 상기 물질의 대사 산물 또는 그에 대한 항체를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 분석물의 구체적인 예는 페리틴; 크레아티닌 키나제 MB (CK-MB); 디곡신; 페니토인; 페노바르비톨; 카르바마제핀; 반코마이신; 겐타마이신; 테오필린; 발프로산; 퀴니딘; 황체 형성 호르몬 (LH); 난포 자극 호르몬 (FSH); 에스트라디올, 프로게스테론; C-반응성 단백질; 리포칼린; IgE 항체; 사이토킨; 비타민 B2 마이크로-글로불린; 글리케이트 헤모글로빈 (GIy. Hb); 코르티솔; 디기톡신; N-아세틸프로카인아미드 (NAPA); 프로카인아미드; 루벨라에 대한 항체, 예컨대 루벨라 IgG 및 루벨라 IgM; 톡소플라스마증에 대한 항체, 예컨대 톡소플라스마증 IgG (톡소-IgG) 및 톡소플라스마증 IgM (톡소-IgM); 테스토스테론; 살리실레이트; 아세타미노펜; B형 간염 바이러스 표면 항원 (HBsAg); B형 간염 코어 항원에 대한 항체, 예컨대 항-B형 간염 코어 항원 IgG 및 IgM (안티-HBC); 인간 면역 결핍 바이러스 1 및 2 (HIV 1 및 2); 인간 T-세포 백혈병 바이러스 1 및 2 (HTLV); B형 간염 e 항원 (HBeAg); B형 간염 e 항원에 대한 항체 (안티-HBe); 인플루엔자 바이러스; 갑상선 자극 호르몬 (TSH); 타이록신 (T4); 총 트리요오도타이로닌 (총 T3); 유리 트리요오도타이로닌 (유리 T3); 암배 항원 (CEA); 리포단백질, 콜레스테롤 및 트리글리세리드; 및 알파 태아단백질 (AFP)을 포함한다. 남용 및 제어 물질의 약물은, 암페타민; 메탐페타민; 바르비투레이트, 예컨대 아모바르비탈, 세코바르비탈, 펜토바르비탈, 페노바르비탈, 및 바르비탈; 벤조디아제핀, 예컨대 리부림 및 발륨; 칸나비노이드, 예컨대 해시시 및 마리화나; 코카인; 펜타닐; LSD; 메타쿠알론; 아편제, 예컨대 헤로인, 모르핀, 코데인, 히드로모르폰, 히드로코돈, 메타돈, 옥시코돈, 옥시모르폰 및 아편; 펜시클리딘; 및 프로폭시헨을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기타 잠재적 분석물은 US 특허 제6,436,651호에 기재되어 있다.

본 발명이 특정 실시양태에 관하여 상세히 기재되었으나, 상기의 이해시, 당업자가 이들 실시양태에 대한 대안, 변형 및 등가물을 쉽게 착안할 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 청구의 범위 및 그의 등가물로서 평가되어야 한다.

Claims

동일한 조건 하에 흐름에 대한 레이놀드 수에 의해 측정시, 매끄러운 유사 채널에 대한 레이놀드 수보다 50% 이상 더 큰, 매끄러운 유사 채널보다 큰 거친 정도를 갖는 미세유체 채널.
제1항에 있어서, 상기 레이놀드 수가, 매끄러운 채널에 대한 레이놀드 수보다 100% 이상 더 큰 미세유체 채널.
제1항에 있어서, 상기 채널의 적어도 하나의 치수가 1㎜ 미만인 미세유체 채널.
제1항에 있어서, 상기 채널의 적어도 하나의 치수가 100㎛ 미만인 미세유체 채널.
제1항에 있어서, 상기 채널의 적어도 하나의 치수가 10㎛ 미만인 미세유체 채널.
충전 시간에 의해 측정시, 거친 채널에 대한 충전 시간이 매끄러운 유사 채널보다 25% 이상 더 낮은, 매끄러운 유사 채널보다 큰 거친 정도를 갖는 거친 미세 유체 채널.
제6항에 있어서, 거친 채널에 대한 충전 시간이 매끄러운 채널보다 50% 이상 더 낮은 것인 미세유체 채널.
제6항에 있어서, 상기 채널의 적어도 하나의 치수가 1㎜ 미만인 미세유체 채널.
제6항에 있어서, 상기 채널의 적어도 하나의 치수가 100㎛ 미만인 미세유체 채널.
제1항에 있어서, 상기 채널의 적어도 하나의 치수가 10㎛ 미만인 미세유체 채널.
동일한 조건 하에 흐름에 대한 레이놀드 수에 의해 측정시, 레이놀드 수가 매끄러운 유사 채널보다 50% 이상 더 큰 거친 정도를 갖는 미세유체 채널을 포함하는, 시험 샘플에 존재하는 분석물의 존재 또는 양을 검출하기 위한 측류 분석 장치.
제11항에 있어서, 시험 샘플이 질액으로부터 수득되는 것인 측류 분석 장치.
제11항에 있어서, 시험 샘플이 창상 삼출물로부터 수득되는 것인 측류 분석 장치.
제11항에 있어서, 시험 샘플이 혈액으로부터 수득되는 것인 측류 분석 장치.