KR20110093294A - 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치 - Google Patents

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KR20110093294A
KR20110093294A KR1020100013241A KR20100013241A KR20110093294A KR 20110093294 A KR20110093294 A KR 20110093294A KR 1020100013241 A KR1020100013241 A KR 1020100013241A KR 20100013241 A KR20100013241 A KR 20100013241A KR 20110093294 A KR20110093294 A KR 20110093294A
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조동일
박호수
구교인
이상민
홍석준
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서울대학교산학협력단
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    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
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    • A61K9/10—Dispersions; Emulsions

Abstract

본 발명은 미세유체장치인 액적 발생기를 이용하여 일종 이상의 액적 원료 물질로부터 질량, 크기 및 조성비 별로 다양한 액적을 균일하게 생성하고, 액적 분류기를 이용하여 생성된 액적을 질량, 크기 및 조성비 별로 자동으로 실시간 분류하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는, 하나 이상의 액적 원료 물질을 결합하여 액적을 생성하는 액적 발생기; 및 상기 액적 발생기에서 생성된 상기 액적을 액적 제어 유체의 흐름 또는 유로 구조를 이용하여, 질량, 크기 또는 조성비 별로 분류하는 액적 분류기를 포함하며, 상기 액적 발생기와 상기 액적 분류기는 공간적으로 서로 연결된다.

Description

액적 생성 및 자동 분류 통합 장치 {INTEGRATING DEVICE OF DROPLET GENERATOR AND AUTOMATIC SORTER}
본 발명은 미세유체장치인 액적 발생기를 이용하여 일종 이상의 액적 원료 물질로부터 질량, 크기 및 조성비 별로 다양한 액적을 균일하게 생성하고, 액적 분류기를 이용하여 생성된 액적을 질량, 크기 및 조성비 별로 자동으로 실시간 분류하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치에 관한 것이다.
고분자 물질을 이용한 액적 생성은 치료를 위한 약물 전달 장치(drug delivery system) 연구분야에서 주목받는 기술 중 하나이다. 액적 발생기를 통해 균일한 크기의 액적이 재현가능하게 생성될 수 있다. 생성된 액적은 일종 이상의 약물을 포함하며, 약물을 균일하게 분비하는 기능을 가져야 한다.
특히, 생분해성 고분자 물질을 이용해 형성한 액적은 상술한 바와 같은 특징을 가지면서, 잔유물이 남지 않아 표적지향 약물 전달체(targeted drug delivery system) 등에 응용되고 있다.
기존의 액적 발생기는 액적 발생시 각 유체 흐름이 동기화 및 안정화가 되기 전까지 다양한 크기의 액적을 발생시켜서, 액적 생성 후 목표 약물 탑재량을 충족시키지 못하거나, 약물을 초과 탑재하는 문제가 발생하고 있다.
또한, 기존의 액적 발생기에서 생성된 불균일 액적과 균일 액적이 실시간으로 분류되지 않으며, 액적 생성에 따른 질량별, 크기별 및 조성비별 분류가 자동으로 이루어지지 않아, 각 질량별, 크기별 또는 조성비별 액적 생성을 별도로 수행해야 하는 문제점이 발생하고 있다.
본 발명의 목적은 액적 발생기를 이용하여 일종 이상의 액적 원료 물질로부터 액적의 질량, 크기 및 조성비 별로 다양한 액적을 균일하면서, 재현가능하게 생성하며, 액적 분류기의 액적 제어 유체(연속, 파동 또는 맥동 유체)를 이용하여 액적을 질량, 크기 및 조성비 별로 자동으로 실시간 분류하여 각 출구로 분리 배출하여 저장하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는, 하나 이상의 액적 원료 물질을 결합하여 액적을 생성하는 액적 발생기; 및 상기 액적 발생기에서 생성된 상기 액적을 액적 제어 유체의 흐름 또는 유로 구조를 이용하여, 질량, 크기 또는 조성비 별로 분류하는 액적 분류기를 포함하며, 상기 액적 발생기와 상기 액적 분류기는 공간적으로 서로 연결된다.
상기 액적 원료 물질은 아세톤, 클로로폼 또는 에스테르류 용액에 융해된 약물, 단백질, 치료용 물질(therapeutic material)을 포함하는 고분자 물질 또는 생분해성 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
상기 액적 원료 물질은, 약물, 단백질, 치료용 물질(therapeutic material)의 분비(release) 속도 조절을 위해 생분해성 고분자 물질의 분해 속도를 촉진 또는 감쇠시키는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 액적 발생기는, 액적을 형성하는 원료 물질이 유입되는 2 이상의 액적 원료 물질 공급 유로; 상기 액적 원료 물질 공급 유로를 통해 유입된 액적 원료 물질들을 결합하여 액적을 생성하는 액적 생성 유도부; 상기 액적 생성 유도부에서 생성된 액적이 이동하는 통로인 중심 유로; 및 상기 중심 유로를 통해 전달되는 액적을 배출하는 액적 출구를 포함하며, 상기 액적 원료 물질 공급 유로, 액적 생성 유도부, 중심 유로 및 액적 출구는 공간적으로 서로 연결될 수 있다.
상기 액적 발생기는, 상기 액적 생성 유도부로 연결되며, 상기 액적 원료 물질의 액적 형성을 유도하는 액적 유도 유체가 유입되는 액적 유도 유체 공급 유로를 더 포함하며, 상기 액적 원료 물질 공급 유로 및 상기 액적 유도 유체 공급 유로의 유체 흐름 및 유로 구조를 이용하여, 질량, 크기 또는 조성비 별로 액적을 생성할 수 있다.
상기 액적 유도 유체는 액적 안정화 물질을 포함하는 물, 오일, 고분자 물질 또는 공기로 구성되는 혼합 유체로 이루어질 수 있다.
상기 액적 생성 유도부의 출구의 단면적은 상기 중심 유로의 단면적과 동일하거나 크게 구성될 수 있다.
상기 액적 생성 유도부의 출구의 단면적은 점진적으로 증가할 수 있다.
상기 액적 분류기는, 액적 제어 유체가 유입되는 액적 유체 제어 유로; 및 상기 액적 유체 제어 유로와 연결되며, 상기 액적 발생기로부터 전달되는 액적을 액적 제어 유체 흐름 및 유로 구조를 이용하여 질량, 크기, 및 조성비 별로 액적을 분류하는 액적 분류 제어부를 포함할 수 있다.
상기 액적 분류 제어부 출구 하단에 연결되는 액적 출구 유로의 각도는 상기 액적 유체 제어 유로의 각도와 같거나 작게 설계될 수 있다.
상기 액적 분류기는, 상기 액적 유체 제어 유로의 액적 제어 유체 흐름 및 유로 구조를 이용하여 분리된 액적을 저장하는 불균일 액적 저장소와 액적 저장소를 더 포함할 수 있다.
상기 불균일 액적 저장소와 상기 액적 저장소는 기둥(pillar) 배열 또는 웰(well) 배열의 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는 액적 발생기를 이용하여 일종 이상의 액적 원료 물질의 액적 질량, 크기 및 조성비 별로 다양한 액적을 균일하면서 재현가능하게 생성하며, 액적 분류기의 액적 제어 유체(연속, 파동 또는 맥동 유체) 흐름 및 구조를 이용하여 액적의 질량, 크기 및 조성비 별로 액적을 자동으로 실시간 분류하므로, 하나의 장치에서 액적 생성 및 자동 분류를 통합하여 하나의 공정으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는, 유체 흐름의 불안정 및 유체 흐름의 비동기화에 의해 생성된 불균일한 액적을 불균일 액적 저장소에 자동으로 분류할 수 있으므로, 필요로 하는 균일한 액적을 용이하게 획득할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 액적 발생기의 확대도이다.
도 3은 도 1에 도시된 액적 분류기의 확대도이다.
도 4는 액적 분류기에서 불균일한 크기의 액적을 분류하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는 마이크로 단위의 크기를 갖는 미세유체기술을 이용해 구현된다. 액적 발생기와 액적 분류기는 공간적으로 서로 연결되어 있으며, 용도별로 미세 유로들을 적절히 배치하여 구현될 수 있다. 상기 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는 최종적으로 액적을 생성, 분류 및 저장을 하나의 장치를 통해 구현하며, 액적 원료 물질 공급, 액적 생성, 액적 분류, 액적 저장 등의 과정을 수행한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는 크게 액적 원료를 공급하는 액적 원료 물질 공급부(110, 111, 120, 121), 액적을 형성하는 액적 생성 유도부(200), 액적을 분류하는 액적 분류 제어부(210), 불량 액적을 저장하는 불균일 액적 저장소(161), 액적의 질량, 크기 및 조성비 별로 구분하여 저장하는 액적 저장소(171, 181)로 이루어지며, 이들의 기능적인 면, 미세유체장치의 배치, 구조 및 유체 흐름의 관계에 의해 구분된다.
본 발명의 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는 복수의 미세 유로의 조합으로 이루어지며, 각각의 미세 유로들은 중심 유로(100), 액적 원료 물질 공급 유로(110, 120), 액적 유도 유체 공급 유로(130, 140), 액적 유체 제어 유로(150), 불균일 액적 출구 유로(160), 액적 출구 유로(170, 180) 등으로 구분될 수 있다. 또한, 각 유로는 복수로 구성될 수 있으며, 도면에 도시된 개수에 한정되지 않는다.
도 1에서, 각 기능에 따라 액적 원료 물질 주입구(111, 121), 액적 생성 유도부(200), 액적 분류 제어부(210), 불균일 액적 저장소(161), 액적 저장소(171, 181)를 정의하면, 상기 액적 원료 물질 공급 유로(110, 120)와 연결된 액적 원료 물질 주입구(111, 121), 중심 유로(100)와 액적 유도 유체 공급 유로(130, 140)가 합류하는 액적 생성 유도부(200), 액적 생성 유도부 하단의 중심 유로(100)와 액적 유체 제어 유로(150)가 합류하는 액적 분류 제어부(210), 액적 분류 제어부(210) 하단의 불균일 액적 출구 유로(160)와 연결된 불균일 액적 저장소(161), 액적 출구 유로(170, 180) 하단의 액적 저장소(171, 181)로 구분될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 액적 발생기의 확대도이다.
도 2를 참조하면, 액적 발생기는 액적 원료 물질 공급부(110, 111, 120, 121), 액적 생성 유도부(200) 및 중심 유로(100)를 포함하며, 선택적으로 액적 유도 유체 공급부(130, 131, 140, 141)를 더 포함할 수 있다.
액적 원료 물질 공급 유로(110, 120)과 연결된 2 이상의 액적 원료 물질 주입구(111, 121)를 통해 액적 원료 물질이 유입되어 중심 유로(100)에서 합류된다. 여기서, 상기 액적 원료 물질은, 제한됨이 없이, 예를 들어, 아세톤, 클로로폼 또는 에스테르류 용액에 용해된 약물, 단백질, 치료용 물질(therapeutic material)을 포함하는 고분자 또는 생분해성 고분자 물질이 될 수 있다. 또한, 상기 액적 원료 물질에는 액적 내부에 포함되는 약물, 단백질, 치료용 물질 등의 분비(release) 속도 조절을 위해 생분해성 고분자 물질의 분해 속도를 촉진 또는 감쇠시키는 첨가제가 더 포함될 수 있다.
한편, 액적 유도 유체 주입구(131, 141)를 통해 액적 유도 유체(연속 유체 또는 파동 유체)가 유입되고, 2 이상의 액적 유도 유체 공급 유로(130, 140)로 전달되어, 중심 유로(100)를 향해 진행하면, 상기 액적 원료 물질 공급 유로(110, 120)를 통해 전달되는 액적 원료 물질과 만나게 된다.
하나 이상의 액적 유도 유체 공급 유로(130, 140)가 액적 생성 유도부(200)에 연결되도록 설계될 수 있으며, 액적 유도 유체(연속, 파동 또는 맥동 유체) 흐름 및 유로 구조에 의해, 원하는 질량, 크기 및 조성비를 갖는 액적을 균일하면서, 재현가능하게 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 액적 유도 유체 공급 유로(130, 140)는 형성되는 액적의 고형화를 위한 약품 및 첨가제가 공급되는 부분을 포함할 수 있다.
상기 액적 유도 유체는, 제한됨이 없이, 예를 들어, 액적의 고형화를 위한 약품 및 생분해율 조절용 첨가제가 융해되거나, 고분자 물질이나 키토산 등의 액적 안정화 물질이 포함된 물, 오일, 고분자 물질 또는 공기 등의 혼합 유체가 될 수 있다.
액적 원료 물질과 액적 유도 유체가 유입되면, 액적 생성 유도부(200)에서 레일리-플라투 불안정성(Rayleigh-Plateau instability)에 따른 유체의 섭동(pertubation)에 의해 액적이 생성된다.
여기서, 액적 생성 유도부(200)의 출구의 단면적은 중심 유로(100)의 단면적과 동일하거나, 크게 구성될 수 있다. 또한, 액적 생성 유도부(200)의 단면적의 크기가 점진적으로 증가하는 형태로 설계되면, 액적 정체 및 결합 현상을 방지할 수 있다.
또한, 액적 원료 물질이 합류되는 중심 유로(100)의 단면적은 액적 원료 물질 공급 유로(110, 120)의 단면적과 동일하거나 크게 설계되어, 유속을 감소시킬 수 있다.
상기 액적은 하나 이상의 액적 원료 물질 주입구(111, 121) 및 액적 유도 유체 주입구(131, 141)의 유체 흐름 또는 유로 구조에 따라 일종 이상의 액적 원료 물질을 포함하여, 다양한 질량, 크기 및 조성비를 가지는 다기능성 다중 액적으로 생성될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 액적 분류기의 확대도이다.
도 3을 참조하면, 액적 분류기는 액적 유체 제어 유로(150), 불균일 액적 출구 유로(160), 액적 출구 유로(170, 180), 액적 분류 제어부(210)를 포함하며, 선택적으로 불균일 액적 저장소(161) 또는 액적 저장소(171, 181)를 더 포함할 수 있다.
액적 분류기는 액적 생성 유도부(200) 하단의 중심 유로(100)를 통해 전달되는 액적의 분류를 위해, 하나 이상의 액적 유체 제어 유로(150)를 통해 물, 오일, 고분자 물질 또는 공기 등 일종 이상의 액적 제어 유체(연속 유체 또는 파동 유체)를 유입시켜서, 액적 분류 제어부(210)에서 운동량 보존(conservation of momentum) 법칙에 따라 액적의 질량, 크기 및 조성비 별로 액적을 자동으로 실시간 분류할 수 있다. 분류된 액적은 각각 불균일 액적 출구 유로(160) 및 액적 출구 유로(170, 180)를 거쳐 배출될 수 있다.
액적 분류 시 액적 분류 제어부(210) 출구 하단의 액적 출구 유로(170, 180)의 각도는 액적 유체 제어 유로(150)의 각도와 같거나 작게 설계하여 액적 분류를 용이하게 할 수 있다.
액적 저장소(171, 181)는 상기 액적 출구 유로(170, 180)의 일단과 연결되는 저장소로써 액적을 저장하는 기능을 한다. 상기 액적은 액적 유체 제어 유로(150)의 유체 흐름을 통해 저장되며, 중심 유로(100), 불균일 액적 저장소(161), 액적 출구 유로(170, 180)의 일단에서 분기되는 형태를 가질 수 있고, 액적 저장을 위해 액적 출구 유로(170, 180) 및 액적 저장소(171, 181)의 일단에서 분기되는 형태의 추가적인 액적 분류 제어부를 가질 수 있다.
도 4는 액적 분류기에서 불균일한 크기의 액적을 분류하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 불균일 액적 저장소(161)는 상기 불균일 액적 출구 유로(160)의 일단과 연결되는 저장 공간으로 유체 흐름의 불안정 및 유체 흐름의 비동기화에 의해 생성된 불균일 액적을 액적 유체 제어 유로(150)의 액적 제어 유체(연속, 파동 또는 맥동 유체) 흐름 및 유로 구조에 따라 분리된 액적을 저장하며, 액적 저장을 위해 불균일 액적 출구 유로(160) 및 불균일 액적 저장소(161)의 일단에서 분기되는 형태의 추가적인 액적 분류 제어부를 가질 수 있다.
불균일 액적 저장소(161)와 액적 저장소(171, 181)는 기둥(pillar) 배열 또는 웰(well) 배열의 형태로 구성되어, 액적 분류 후 저장을 용이하게 하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 액적 유도 유체 공급 유로(130, 140), 액적 유체 제어 유로(150) 및 액적 저장소(171, 181)는 형성된 액적의 고형화를 위해 약품 및 첨가제가 공급되는 부분을 더 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치는 탄성 재질로 이루어질 수 있고, 복수의 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치가 직렬 또는 병렬로 연결되어, 액적을 생성, 분류, 저장할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 중심 유로
110, 120 : 액적 원료 물질 공급 유로
111, 121 : 액적원료 물질 주입구
130, 140 : 액적 유도 유체 공급 유로
131, 141 : 액적 유도 유체 주입구
150 : 액적 유체 제어 유로
151 : 액적 유체 제어 주입구
160 : 불균일 액적 출구 유로
161 : 불균일 액적 저장소
170, 180 : 액적 출구 유로
171, 181 : 액적 저장소
200 : 액적 생성 유도부
210 : 액적 분류 제어부

Claims (12)

  1. 하나 이상의 액적 원료 물질을 결합하여 액적을 생성하는 액적 발생기; 및
    상기 액적 발생기에서 생성된 상기 액적을 액적 제어 유체의 흐름 또는 유로 구조를 이용하여, 질량, 크기 또는 조성비 별로 분류하는 액적 분류기를 포함하며,
    상기 액적 발생기와 상기 액적 분류기는 공간적으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액적 원료 물질은 아세톤, 클로로폼 또는 에스테르류 용액에 융해된 약물, 단백질, 치료용 물질(therapeutic material)을 포함하는 고분자 물질 또는 생분해성 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 액적 원료 물질은, 약물, 단백질, 치료용 물질의 분비(release) 속도 조절을 위해 생분해성 고분자 물질의 분해 속도를 촉진 또는 감쇠시키는 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 액적 발생기는,
    액적을 형성하는 원료 물질이 유입되는 2 이상의 액적 원료 물질 공급 유로;
    상기 액적 원료 물질 공급 유로를 통해 유입된 액적 원료 물질들을 결합하여 액적을 생성하는 액적 생성 유도부;
    상기 액적 생성 유도부에서 생성된 액적이 이동하는 통로인 중심 유로; 및
    상기 중심 유로를 통해 전달되는 액적을 배출하는 액적 출구를 포함하며,
    상기 액적 원료 물질 공급 유로, 액적 생성 유도부, 중심 유로 및 액적 출구는 공간적으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 액적 발생기는,
    상기 액적 생성 유도부로 연결되며, 상기 액적 원료 물질의 액적 형성을 유도하는 액적 유도 유체가 유입되는 액적 유도 유체 공급 유로를 더 포함하며,
    상기 액적 원료 물질 공급 유로 및 상기 액적 유도 유체 공급 유로의 유체 흐름 및 유로 구조를 이용하여, 질량, 크기 또는 조성비 별로 액적을 생성하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 액적 유도 유체는 액적 안정화 물질을 포함하는 물, 오일, 고분자 물질 또는 공기로 구성되는 혼합 유체인 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 액적 생성 유도부의 출구의 단면적은 상기 중심 유로의 단면적과 동일하거나 큰 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 액적 생성 유도부의 출구의 단면적은 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 액적 분류기는,
    액적 제어 유체가 유입되는 액적 유체 제어 유로; 및
    상기 액적 유체 제어 유로와 연결되며, 상기 액적 발생기로부터 전달되는 액적을 액적 제어 유체 흐름 및 유로 구조를 이용하여 질량, 크기, 및 조성비 별로 액적을 분류하는 액적 분류 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 액적 분류 제어부 출구 하단에 연결되는 액적 출구 유로의 각도는 상기 액적 유체 제어 유로의 각도와 같거나 작게 설계되는 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 액적 분류기는,
    상기 액적 유체 제어 유로의 액적 제어 유체 흐름 및 유로 구조를 이용하여 분리된 액적을 저장하는 불균일 액적 저장소와 액적 저장소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 불균일 액적 저장소와 상기 액적 저장소는 기둥(pillar) 배열 또는 웰(well) 배열의 형태인 것을 특징으로 하는 액적 생성 및 자동 분류 통합 장치.
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