KR20120040697A - 생물학적 마이크로플루이딕 칩 및 관련 방법 - Google Patents

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엘윈 젠더 브루위
에릭 마린 위엘하우워
요한네스 오온크
마리누스 베르나르두스 올데 레이커링크
마이클 키이스 리차드슨
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유니베르시테이트 레이덴
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Abstract

생물학적 마이크로플루이딕 칩(100)은 기판(substrate)(102); 상기 기판(102)의 표면에 개구부(opening)를 나타내는(defining) 마이크로플루이딕 인렛 포트(microfluidic inlet port)(104); 상기 기판(102)의 표면에 개구부를 나타내는 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(microfluidic outlet port)(106)를 포함한다. 또한, 상기 마이크로플루이딕 칩(100)은 상기 기판의 상면(top surface)(110)으로부터 확장된 복수의 웰(well)(108)을 포함하고, 각각의 웰(108)은 하나 이상의 벽(wall)에 의해 경계를 이루고, 인렛 개구부(112) 및 아웃렛 개구부(114)는 복수의 웰(108)의 각각의 벽에 제공된다. 인렛 마이크로플루이드 채널(116)은 마이크로플루이딕 인렛 포트(104)를 웰의 벽에 인렛 개구부(112) 각각에 연결하기 위해 상기 기판(102)에 제공되고, 아웃렛 마이크로 플루이드 채널(118)은 상기 웰의 벽에서 아웃렛 개구부(114) 각각을 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(106)에 연결하기 위해 기판에 제공된다.

Description

생물학적 마이크로플루이딕 칩 및 관련 방법{A BIOLOGICAL MICROFLUIDICS CHIP AND RELATED METHODS}
본 발명은 생물학적 마이크로플루이딕 칩, 및 이러한 생물학적 마이크로플루이딕 칩을 사용하는 방법에 관한 것이다. 편의를 위해, 생물학적 마이크로플루이딕 칩을 "바이오칩(biochip)"이라고 할 수 있다.
생물학적 및 생의학적 과학 연구에 있어서, 연구원들이 연구를 위해 필요한 세포 배양물 또는 배아를 배양하는 배양기(cultivation receptacles)를 채용하는 것은 흔히 있는 일이다. 배양기의 매우 일반적인 형태 중 하나는 이른바 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)인데, 이는 플레이트에 형성되는 원통형 각형 웰(straight-sided cylindrical well), 이후에는 분석 장치 또는 로봇식 처리기(robotic handler)에서 정체(retention)를 가두기(locking) 위한 표준화된 형태 및 치수가 되는 웰을 일반적으로 함유한다.
실제로, 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)는 일반적으로 그리드와 같은 패턴(grid-like pattern)으로 마이크로타이터 웰 세트의 어레이(array of microtitre wells set)를 포함한다. 공지의 배열(arrangement) 중 하나는 각각 12개의 마이크로타이터 웰을 함유하는 8열(rows)의 어레이를 나타내는 96 마이크로타이터 웰을 포함한다. 96-웰 플레이트 디자인은 생체 분자 스크리닝 학회(the Society for Biomolecular Screening)에 의해 구체화된, 공업 표준 포맷이 되었다.
마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)는 일반적으로 투명 중합체, 예컨대 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(acrylonitrile-butadiene-styrene) ('ABS')으로 제조되었다. 이러한 투명성(transparency)은 연구자들이 마이크로타이터 웰에 배양되는 세포, 배아 또는 유생에 대해 다양한 광학 시험을 행할 수 있게 한다. 또한, 마이크로타이터 웰은 세포 물질을 포함하지 않는 다수의 시험 및 조사를 행하는데 적합하다.
마이크로타이터 웰은 사용하는 상부 말단에서 조정이 가능하다(The microtitre wells are open-ended at their in-use upper ends.). 전기적으로-제어되는 도우징 장치(Electronically-controlled dosing apparatuses)는 마이크로타이터 플레이트의 웰 각각에 배양 용액 및 마이크로타이터 웰에서 세포에 대한 효과가 연구에 바람직한, 예컨대 시약, 효소 또는 다른 첨가제를 주입하는데 사용될 수 있다.
편의를 위해 "상부(upper)", "위에(above)", "아래에(lower)", "수직의(vertical)", "수평의(horizontal)", "위쪽으로(upwardly)" 및 "아래쪽으로(downward)"와 같이 여기에 사용된 용어는, 바이오칩이 수평의 표면, 예컨대 실험대(laboratory bench)에 평평하게 놓여있고, 웰의 개구부가 위쪽으로 향하는 경우에 발생하는 바와 같이, 배향을 조작하는데에 있어서 마이크로타이터 웰 또는 생물학적 마이크로플루이딕 칩을 참조하여 이해된다. 그러나, 바이오칩 또는 다른 세포 배양 용기의 사용에 있어서, 그 배향은 예컨대 원심분리 또는 교반에 의해, 또는 실험 또는 관찰 절차의 일부가 뒤집히거나 기울어짐에 의해 변화될 수 있음을 알았다. 언급된 용어, 및 관련 용어는 배양 용기의 특정 배향, 또는 사용의 특정 형태로 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해되지 않는다.
2007년 8월 28일, PNAS에서 간행한 크리스토퍼 비. 로데 등의 "Microfluidic system for on-chip high-throughput whole-animal sorting and screening at subcellular resolution" 표제 학회지에는 폴리머로 제조된 유동층 및 제어층(flow and control layer)으로 이루어진 마이크로플루이딕 장치를 개시하고 있다. 상기 유동층은 예쁜 꼬마선충(C. elegans)을 조작(manipulating)하고, 이들을 이미징하기 위해 고정(immobilizing)시키고, 매질 및 시약을 전달(delivering)하는 마이크로채널(microchannels)을 함유한다. 또한, 상기 유동층은 상기 동물을 배양하기 위한 마이크로챔버(microchambers)를 함유한다. 상기 제어층은 가압 시 유동 채널로 멤브레인을 구부리고, 상기 유동(the flow)을 차단하거나 우회시키는 마이크로채널(microchannels)로 이루어진다. 유동 라인(the flow lines) 내에 동물은 고해상도 현미경을 사용하여 투명 유리 기판을 통해 이미징될 수 있다.
본 명세서의 선행 문헌 또는 배경의 목록 또는 논의는 상기 문헌 또는 배경이 최신식의 일부이거나 공지라는 것을 알 필요는 없다. 본 발명의 하나 이상의 실시예/실시형태는 하나 이상의 배경 쟁점을 다루거나 다루지 않을 수 있다.
본 발명의 제1 실시형태에 따라,
기판(substrate);
상기 기판의 표면에 개구부(opening)를 나타내는(defining) 마이크로플루이딕 인렛 포트(microfluidic inlet port);
상기 기판의 표면에 개구부를 나타내는 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(microfluidic outlet port); 및
상기 기판의 상면(top surface)으로부터 확장된(extending) 복수의 웰(well)로서, 각각의 웰은 하나 이상의 벽(walls)에 의해 경계가 이루어지고, 인렛 개구부 및 아웃렛 개구부는 복수의 웰의 각각의 벽에 제공되고;
마이크로플루이딕 인렛 포트를 웰의 벽에서의 인렛 개구부 각각에 연결한, 상기 기판에서의 하나 이상의 마이크로플루이딕 인렛 채널(microfluidic inlet channel);
상기 웰의 벽에서의 아웃렛 개구부 각각을 마이크로 플루이딕 아웃렛 포트에 연결한, 상기 기판에서의 하나 이상의 마이크로플루이딕 아울렛 채널(microfluidic outlet channel)을 포함하는 생물학적 마이크로플루이딕 칩이 제공되었다.
종래 용도에 있어서, 인렛 채널은 유체를 웰쪽으로 이동시키고, 아웃렛 채널은 유체를 웰로부터 이동시킬 것이다. 그러나, 필요에 따라 이러한 흐름은 뒤바뀔 수 있다.
생물학적 마이크로플루이딕 칩(바이오칩(biochip))은 웰에 놓인 세포, 배아 및 유생(cells, embryos and larvae)의 배양 및 연구에 사용될 수 있고, 마이크로플루이딕 채널(microfluidic channels)은 하나 이상의 마이크로플루이드(microfluids)를 상기 웰(well)에 제공하는데 사용될 수 있으며, 웰에서 하나 이상의 마이크로플루이드를 제거하는데 사용될 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 약물 또는 다른 화합물 및/또는 영양분은 실험에 사용하기 위해 웰에 제공될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 웰에서 행해지는 실험에 영향을 미칠 수 있는 생물학적 폐기물, 대사물 및/또는 박테리아는 마이크로플루이딕 아웃렛 채널(microfluidics outlet channel)을 통해 웰에서 제거될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 바이오칩은 바이오칩의 웰에 행해지는 과학적 실험을 향상시킬 수 있으며, 보다 낮은 비용과 빠른 속도로 더욱 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있다.
복수의 웰의 벽은 측벽으로 간주될 수 있는 외측 경계를 포함할 수 있고, 또한 웰의 바닥(floor of the wall)으로 간주될 수 있는 바닥 벽(bottom wall)을 포함할 수 있다. 상기 벽은 평평한/평면의 또는 곡선일 수 있다.
"마이크로플루이딕(microfluidics)" 용어는 작고, 일반적으로 1밀리미터 이하의 크기로 기하학적으로 만들어진 유체의 행태, 정밀 제어 및 조작과 관련되는 것을 알 수 있다.
웰의 벽에서 마이크로플루이딕 인렛 포트와 인렛 개구부 사이에 마이크로플루이딕 채널의 길이는 각각의 웰, 또는 웰의 서브세트(subset)에서 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 일부 웰은 인렛 포트로부터 더 멀(further) 수 있고, 상기 인렛 포트와 각각의 웰의 개구부 사이의 채널 길이는 실질적으로 동일할 수 있다.
이렇게 하여, 마이크로플루이딕 채널에 의해 웰에 제공되는 유체의 압력, 및 유량은 각각의 웰과 실질적으로 동일할 수 있다. 이는 다양한 웰의 내용물의 상호 오염(cross-contamination)의 가능성이 감소될 수 있고, 동일한 환경 조건은 웰 각각에 제공될 수 있음을 확인할 수 있다. 여기에 기재된 하나 이상의 생물학적 마이크로플루이딕 칩은 동일한 조건하에서 동시에 다양한 복수의 웰에서 행해질 믿을 수 있고, 재생할 수 있는 실험을 가능하게 할 수 있다.
마찬가지로, 웰의 벽의 아웃렛 개구부(outlet openings) 각각과 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(microfluidic outlet port) 사이에서 마이크로플루이딕 채널(microfluidic channels)의 길이는 각각의 웰에서 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 이렇게 하여 각각의 웰에서 동일한 유량에서 유체가 웰로부터 제거되는 것을 확인할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 마이크로플루이딕 채널은 길이가 다양할 수 있으므로, 인렛 포트에 가장 가까운 웰과 같이, 포트로부터 가장 먼 웰은 동일한 유량하에서, 동시에 유체를 받아들인다. 각각의 경우에 있어서, 동일하게 다양한 길이는 대응하는 마이크로플루이딕 채널 및 웰에서 인렛/아웃렛 개구부 각각에 적용될 수 있다.
생물학적 마이크로플루이딕 칩은
온도 제어 인렛 포트(temperature control inlet port) 및 온도 제어 아웃렛 포트(temperature control outlet port), 및
하나 이상의 복수의 웰에 근접한 경로를 따라, 상기 온도 제어 인렛 포트부터 상기 온도 제어 아웃렛 포트까지 온도 제어 유체(temperature control fluid)를 이동시켜, 사용 시 열(heat)이 온도 제어 액체(temperature control liquid)와 웰의 내용물(contents) 사이에서 상호 교환되도록 구성된 온도 제어 채널을 더 포함할 수 있다.
이러한 인-빌트 온도 제어 시스템(in-built temperature control system)을 제공하는 것은 실험 동안 바이오칩을 이동시킬 수 있고, 상기 바이오칩은 분리된 온도 제어 장치(separate temperature control device) 때문에 특정 위치에 한정되지 않는다.
열은 사용하는 웰의 내용물을 가열하거나 냉각하기 위해 교환될 수 있고, 이는 모든 웰들 사이에서 안정하고 일정한 온도를 제공할 수 있다.
온도 제어 액체(temperature control liquid)는 수성 매질, 오일, 또는 온도 제어 채널을 따라 이동하므로 바람직한 온도를 유지하는데 적합한 다른 유체일 수 있다.
하나 이상의 온도 제어 인렛 포트, 온도 제어 아웃렛 포트 및 온도 제어 채널은 복수의 웰의 서브 세트에 제공될 수 있고, 이는 각각의 웰, 또는 웰의 서브 세트(subset)의 온도를 개별적으로 제어할 수 있도록 할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 단일 온도 제어 아웃렛 포트는 다양한 온도 제어 인렛 포트 및/또는 온도 제어 채널과 연결된 웰에 의해 공유될 수 있다. 복수의 인렛 포트로부터 온도 제어 채널은 아웃렛 포트에서 개방되기 전에 합쳐져(join), 웰을 가열하거나 냉각하려는 의도로 제공되는, 각각의 채널의 온도 제어 유체가 함께 혼합될 수 있다. 이는 바이오칩에 요구되는 포트의 수를 감소시키므로 유용할 수 있고, 각각의 온도 제어 인렛 포트로부터 온도 제어 유체는, 바이오칩을 빠져 나가기 위해서 함께 혼합되기 전에 그 목적에 도움을 주기 때문에 허용가능한 것으로 고려될 수 있다(may be considered acceptable because the temperature control fluids from each temperature control inlet port will have served its purpose before they are mixed together for exiting the biochip.).
복수의 웰은 웰의 어레이를 포함할 수 있다. 분리된 온도 제어 인렛 포트 및 온도 제어 채널은 웰의 어레이의 각각의 열에 제공될 수 있다. 이렇게 하여, 웰의 열의 내용물의 온도는 다른 열에서 웰의 온도에 독립적으로 제어될 수 있다.
웰의 벽에서 인렛 개구부의 위치는 아웃렛 개구부보다 아래(lower)일 수 있다. 이는 마이크로플루이드가 웰에서 효율적으로 사용할 웰의 안팎에 있는 마이크로플루이딕 채널을 통과할 수 있게 한다(This can enable microfluids that pass through the microfluidic channels into, and out of, the wells to be efficiently used in the wells). 예컨대, 제2 개구부(아웃렛)보다 아래의 제1 개구부(인렛)를 갖는 것은, 웰에서 유체의 바람직한 깊이를 유지시킬 수 있고, 또한 마이크로플루이드가 웰을 효율적으로 통과되는 것을 확인할 수 있다.
생물학적 마이크로칩은 웰의 각 벽에 제2 마이크로플루이딕 인렛 포트 및 제2 인렛 개구부를 더 포함할 수 있다. 제2 인렛 개구부는 제2 마이크로플루이딕 인렛 채널에 의해 제2 마이크로플루이딕 인렛 포트와 유체 연결될 수 있다. 이렇게 하여, 더욱 복잡한 실험은, 예컨대 웰에서 다른 인렛 포트로부터 다른 유체를 혼합함으로써, 웰에서 행해질 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 다른 화합물은, 예컨대 웰의 측벽 상의 다른 인렛 개구부를 통해 동일한 웰이 제공될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 마이크로플루이드 인렛 포트로부터 받은 다양한 유체들/화합물들 사이에서의 구배 효과(gradient effect)를 웰에서 개선하는 것이 가능할 수 있다.
웰의 벽에서 제2 인렛 개구부의 위치는 웰의 벽에서 아웃렛 개구부보다 아래(lower)일 수 있다. 이는 제1 및 제2 인렛 개구부에서 받은 유체는 웰을 통과하여 아웃렛 개구부로 효과적으로 흘러내릴 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따라 생물학적 마이크로플루이딕 칩은 다수의 인렛 및/또는 아웃렛 개구부 및 다수의 인렛 및/또는 아웃렛 포트를 구비하는 웰을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 일부 실시형태에서 인렛 포트 및 인렛 개구부는 아웃렛 포트 및 아웃렛 개구부, 또한 반대로 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.
하나 이상의 인렛 개구부 및 하나 이상의 아웃렛 개구부가 있는 경우에는, 하나의 개구부가 차단될 때, 유체가 다른 개구부를 통해 웰에서 흐를 수 있다는 장점이 있다.
생물학적 마이크로플루이딕 칩은 웰을 밀봉하도록 하는 리드(lid)를 더 포함할 수 있다. 상기 리드는 슬라이딩, 셀프-씰링(self-sealing), 제거가능하고(removable) 및/또는 가열(heated)될 수 있다. 리드는 열이나 접착제로 유리에 결합되는 다른 폴리머 막, 실리콘, 고무로 이루어질 수 있다. 또한, 이러한 리드는 전용 마이크로채널을 통해 채용되는 진공(vacuum)에 의해 칩에 결합 될 수 있다. 이러한 리드는 웰에서 압력을 제어하고, 증발에 의한 이물질 및 유체의 손실로부터 웰의 상부 개구부(upper openings)를 보호하고, 및/또는 웰로 무언가(예컨대, 생성물, 세포 또는 세포군, 다른 마이크로플루이드)를 삽입하는 것이 바람직한 경우에 웰의 상부 개구부를 여는데 사용될 수 있다. 가열된 리드(heated lid)는 리드 상에 형성되는 축합(condensation)의 가능성을 감소시킬 수 있어, 리드를 통해 행해지는 이미징 작업(imaging operation)을 더욱 정확하게 할 수 있다.
생물학적 마이크로플루이딕 칩은 홀더(holder)에 위치될 수 있다.
리드가 제자리에 있는 경우, 각각의 웰은 다른 웰로부터 씰링(sealed)된다. 따라서, 웰의 개방부를 통한, 하나의 웰에서 다른 웰로 상호 오염(cross-contamination)(예컨대, 박테리아 또는 다른 병원균, 약물 및 다른 화합물)의 위험이 없다. 마이크로플루이딕 채널을 통한 2개 이상의 웰 사이에서 상호-오염(cross-contamination)의 위험은, 상기 채널이 상대적으로 길고, 움직이는 유체를 함유하기 때문에 감소/방지된다. 따라서, 오염물은 하나의 웰에서 다른 웰로 통과하기 위해 유체 흐름에 대항하여 이동해야만 할 것이다.
리드는 본 발명의 실시형태에 따른 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 필수적인 특성은 아니고, 여기에 기재된 실시예는 개방 모드(open mode)(즉, 제자리에 리드 없음(that is without a lid in place)) 또는 폐쇄 모드(closed mode)(즉, 웰에서 상부 개방부를 리드로 덮고 있음) 모두에서 조작할 수 있음을 확인할 수 있다.
생물학적 마이크로플루이딕 칩은, 예컨대 다수의 동일하거나 다른 실험에서 재사용될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 사용 후 마이크로플루이딕 채널 및 웰을 통해 세정 유체(cleaning fluids)를 흘러내리게 함으로써 바이오칩을 세정할 수 있다. 바이오칩 세정은, 재생가능한 표준기(reproducible standard)로 바이오칩을 세정할 수 있는, 자동 또는 반자동 절차일 수 있다. 또한, 상기 칩은 유체, 적외선 또는 자외선으로 살균될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 바이오칩은 선행 기술의 바이오칩보다 덜 자주 교체될 수 있으므로, 더욱 경제적인 바이오칩을 제공할 수 있다.
기판은 D263 유리의 적어도 일부, 외부에(at least in part, out of D263 glass) 제조될 수 있다. 유리의 이러한 형태는 공지의 폴리스티렌 생성물과 비교하여 자가형광을 감소시키는 것이 발견되었고, 이미징 조작이 행해질 것을 통해 바이오칩의 적어도 일부에 사용될 수 있다(may be used in at least parts of the biochip through which imaging operations will be performed).
복수의 웰은 끝과 끝이 이어진(end to end) 2개의 원뿔대 형상(frustoconical shapes)을 포함하는 수직 단면도(vertical cross-section)의 형상을 가질 수 있고, 상기 원뿔대 형상의 좁아진 말단(narrower ends)이 나란히 놓여 있다(collocated). 상기 웰은 원형 또는 사각의 수평 단면도를 갖는 "모래시계(hourglass)" 형상을 가질 수 있다. 원뿔대 형상은 원뿔대(truncated cones) 또는 피라미드, 예컨대 사각계 피라미드(square-based pyramids)일 수 있다.
바이오칩의 기판은 상부층 및 하부층을 포함할 수 있고, 2개의 원뿔대 형상은 상부층과 하부층 사이의 경계에 놓일 수 있다. 또한, 제1 및/또는 제2 마이크로플루이딕 채널은 상기 기판의 상부층과 하부층 사이에 제공될 수 있다. 이들 특징은 바이오칩을 편리하게 제조할 수 있게 한다.
하나 이상의 마이크로플루이딕 채널은 마이크로플루이딕 밸브를 포함할 수 있다. 마이크로플루이딕 밸브는 웰에서 행해지는 실험의 필요 조건에 따라, 웰로부터 또한 웰로의 유체의 흐름을 제어하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 유체는 특정 실험에 따라 소망하는 시간에, 소망하는 양으로 웰에 전달될 수 있다. 또한, 마이크로플루이딕 밸브는 다른 웰들의 내용물 사이에서 상호-오염(cross-contamination)의 가능성을 줄이는데 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따라서, 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 사용방법이 제공되고, 상기 생물학적 마이크로플루이딕 칩은
복수의 웰;
마이크로플루이딕 인렛 포트; 및
마이크로플루이딕 아웃렛 포트를 포함하고,
상기 방법은
하나 이상의 복수의 웰에 세포를 제공하는 단계로서, 상기 세포는 실험 용도의 것이고;
마이크로플루이딕 인렛 포트에 유체를 제공하는 단계로서, 상기 유체는 하나 이상의 웰에 들어가고(enter);
마이크로플루이딕 아웃렛 포트를 통해 하나 이상의 웰로부터 마이크로플루이드를 제거(removing)하는 단계;
하나 이상의 웰에서 실험 결과를 얻기 위해서, 하나 이상의 웰의 내용물을 이미징(imaging)하는 단계를 포함한다.
실험의 실시예는 이하를 포함한다:
?예컨대, 며칠에 걸친 배아/유생의 발달(development)에 대한 제브라피시 배아/유생(zebrafish embryos/larvae)의 실험. 사용된 다른 배아는 다른 동물 및 식물의 것을 포함할 수 있다.
?다른 실시형태에 있어서, 실험은 세포, 예컨대 심장 줄기 세포(heart stem cells)의 단층막(monolayer)에서 행해질 수 있다.
?조직 및 세포를 웰 내부에 놓인 매트릭스 또는 멤브레인 상에서 배양시켜, 세포 및 또는 조직이 2 또는 3 디멘션(dimensions) 성장되도록 할 수 있다.
상기 방법은 하나 이상의 웰의 내용물의 온도를 제어하기 위해서, 생물학적 마이크로칩의 온도 제어 인렛 포트로 온도 제어 유체를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
세포를 하나 이상의 복수의 웰에 제공하는 단계는, 세포를 하나 이상의 웰의 상부 개구부에 주사하거나, 마이크로플루이딕 채널 및 포트를 통해 세포에 도입하는 것을 포함할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면을 참조하여, 한정되지 않는 실시예에 의해, 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 생물학적 마이크로플루이딕 칩을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 웰의 수직 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 생물학적 마이크로플루이딕 칩을 나타낸다.
도 4는 도 3의 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 더 상세한 설명을 나타낸다.
도 5는 도 3의 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 더 상세한 설명을 나타낸다.
도 6은 사용중인 본 발명의 실시형태에 따른 생물학적 마이크로플루이딕 칩을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 홀더 내의 생물학적 마이크로플루이딕 칩을 나타낸다.
여기에 기재된 하나 이상의 실시형태는 복수의 웰/리세스(recesses)를 구비하는 생물학적 마이크로플루이딕 칩에 관한 것이고, 상기 웰 각각은 인렛 마이크로플루이딕 채널 및 아웃렛 마이크로플루이딕 채널과 유체 연결된다. 이렇게 하여, 유체는 시간이 지남에 따라 축적될 수 있는 박테리아 또는 생물학적 폐기물을 제거하기 위해, 웰을 통해 펌핑될 수 있다. 또한, 약물 또는 영양소는 배아, 유생 및 다세포 기관, 단일/복합층 조직/기관, 세포 또는 세포주의 성체의 연구 및 배양액에서 사용되는 마이크로플루이딕 채널을 통해 웰로 펌핑될 수 있다(drugs or nutrients can be pumped into the wells via the microfluidic channels for useover time in the culture and study of embryos, larvae and adults of multi-cellular organisms, single/complex layered tissues/organs, cells or cell lines.). 선택적으로, 또는 추가적으로, 약물 또는 다른 화합물은 웰의 상부 개구부를 통해 각각의 웰로 도입될 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 마이크로플루이딕 인렛 포트와 개구부 사이에서 웰로의 마이크로플루이딕 인렛 채널은 각각의 웰, 또는 웰의 서브 세트에 실질적으로 동일한 길이일 수 있다. 이는 각각의 웰, 또는 웰의 서브세트까지, 웰들 사이에서 압력을 동등하게 하고, 유량을 유지할 수 있게 한다. 일부 실시예에 있어서, 분리되어 있는 웰의 내용물들 사이에서 상호 오염(cross-contamination)의 가능성이 감소하기 때문에, 유용할 수 있다. 각각의 웰은 세정 유체(clean fluid)가 제공될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 마이크로플루이딕 채널은, 인렛 포트와 하나 이상의 웰 사이에서 압력을 동등하게 하거나, 유량을 유지하기 위해서, 길이를 변화시킬 수 있다. 마이크로플루이딕 인렛 채널 및 마이크로플루이딕 인렛 포트의 물리적 성질은, 동일한 압력에서, 동일한 유량으로 유체가 복수의 웰에 제공될 수 있도록 하는 어떠한 방법으로 고안될 수 있음을 확인할 수 있다. 마이크로플루이딕 인렛 채널 및/또는 마이크로플루이딕 인렛 포트의 물리적 성질의 예로는 길이, 직경, 단면 형상 및 유량에 영향을 미칠 수 있는 표면 특성을 들 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 마이크로플루이딕 아웃렛 채널 및 마이크로플루이딕 아웃렛 포트는, 하나 이상의 웰로부터 유체를 제거하기 위해서, 마이크로플루이딕 인렛 채널 및 마이크로플루이딕 인렛 포트와 동일한 방법으로 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 생물학적 마이크로플루이딕 칩(바이오칩)(100)을 나타낸다.
바이오칩(100)은 기판(102)의 상면(110)에 개구부를 나타내는 마이크로플루이딕 인렛 포트(104) 및 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(106)를 갖는 기판(102)을 포함한다. 마이크로플루이딕 인렛 포트(104) 및 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(106)는 외부 환경으로의 마이크로플루이딕 채널의 입구로 생각될 수 있다. 복수의 리세스(recesses)/웰(108)은 기판(102)의 상면(110)으로부터 아래쪽으로 확장된다(extend).
도 1에 나타낸 실시형태에 있어서, 웰(108)의 특징을 명백히 보여줄 수 있도록 하기 위해 2개의 웰(108a, 108b) 만을 나타냈다. 바이오칩(100)은 실제로 32 웰, 96 웰, 869 웰, 또는 필요로 하는 임의의 숫자의 웰을 포함할 수 있음을 확인할 수 있다. 바이오칩(100)의 실시형태의 이점은, 많은 수의 웰, 관련 마이크로플루이딕 채널이 작은 영역에 제공될 수 있다는 것이다. 예컨대, 종래의 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)는 96 웰을 수용하지만, 본 발명의 실시형태에 따른 바이오칩은 동일한 영역에서 869 웰을 수용할 수 있다.
각각의 웰(108)은 웰(108)의 측벽으로의 제1 개구부(112) 및 웰(108)의 반대측벽으로의 제2 개구부(114)를 갖는다. 제1 개구부(112)는 인렛 개구부의 예이고, 제2 개구부는 아웃렛 개구부의 예이다. 실시예에 있어서, 웰(108)은 사각의 수평 단면적을 갖는다. 다른 실시형태에 있어서, 임의의 형태의 단면적을 갖는 웰(108)이 사용될 수 있으며, 측벽은 옆 경계의 임의의 형태를 취할 수 있고, 예컨대 평평하고/평면이거나 또는 곡선일 수 있다.
인렛 마이크로플루이딕 채널/도관(conduit)(116)은 마이크로플루이딕 인렛 포트(104)와 웰(108)의 인렛 개구부(112)의 각각을 연결했다. 마찬가지로, 아웃렛 마이크로플루이딕 채널(118)은 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(106)와 웰(108)의 측벽의 아웃렛 개구부(114)의 각각을 연결했다.
실시예에 있어서, 웰(108)의 측벽의 아웃렛 개구부(114)는 제1 개구부(112)보다 위에 있다(즉, 웰(108)이 확장된 것으로부터 상면에 가까움). 인렛 및 아웃렛 개구부(112, 114)의 이러한 형태는, 액체가 인렛 개구부(112)로부터 웰(108)로 들어가고, 이어서 웰(108)에 고이지 않고, 아웃렛 개구부(114)를 통해 웰(108)을 빠져나가도록 하데 유용하다. 개구부(112, 114)의 형태는 웰(108)을 통한 유체의 효율적이고, 경제적인 산출량을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 바이오칩(200)의 웰(202)을 통한 단측면도를 나타낸다.
바이오칩(200)은 기판(204)의 제1/상부층(top layer), 기판(206)의 제2/중간층(middle layer), 및 기판(218)의 제3/바닥층(bottom layer)을 포함한다. 3층으로 기판을 구성하는 것은, 이하 설명으로부터 확인할 수 있듯이, 마이크로플루이딕 채널이 층들 사이에서, 기판의 몸체 내에서 편리하게 위치하도록 할 수 있다.
실시예에서, 웰(202)은, 도면 2에서 나타낸 구조는 다양한 단면적 형상을 갖는 웰(202)에 동등하게 적용가능하지만, 상기로부터 나타내는 경우에 원형의 수평 단면적을 갖는다. 도 2에 나타낸 웰(202)은 "모래시계" 형상의 수직 단면도를 갖는 것으로 간주될 수 있다.
웰(202)의 윗 부분(upper portion)(즉, 상부층(204)를 통과하는 웰(202)의 부분)은 기판(204)의 제1 층의 상면(214)으로부터 아래쪽으로 확장된다. 실시예에 있어서, 웰(202)의 윗 부분(upper portion)은 원뿔대 형상이어서, 웰의 윗 부분(upper portion)과 연결된(associated with) 원뿔(cone)은 아래쪽(기판(204)의 제1 층의 상면(214)으로부터)을 가리킨다.
웰(202)은 기판(206)의 제2 층으로 확장되는 아랫 부분(bottom portion)을 갖는다. 다시, 웰(202)의 낮은 부위(lower portion)의 수평 단면적은 원형이다. 실시예에 있어서, 웰(202)의 아랫 부분의 형상 또한 원뿔대이지만, 원뿔은 위쪽으로(기판(204)의 제1 층의 상면(214)을 향해) 웰(202)의 아랫 부분의 원뿔대 형상과 연결된다(associated with).
기판의 제1 층(204)와 제2 층(206) 사이의 경계에서 웰(202)의 수평 단면적은 2개의 층(204, 206) 각각에서 실질적으로 동일하여, 연속 웰(202)이 제공되었다. 웰(202)의 2개의 포인트 투 포인트(point-to-point) 원뿔대 부분은, 웰(202)이 전체로서 고려될 경우에, "모래시계" 형상의 수직 단면도를 제공하는 것을 볼 수 있음을 확인할 수 있다.
모래시계 형상을 갖는 웰(202)을 제공하는 것은, 웰(202)의 내용물을 이미징하는 것에 있어 유용할 수 있다. 예컨대, 이러한 형상을 갖는 웰(202)은 웰(202)의 내용물이 기판(204, 206)의 불필요한 영역을 통해 보지 않고도, 바이오칩(200)의 상부 또는 하부로부터 관측/분석/측정될 수 있게 한다. 이미징은 일반적으로 현미경에 의해 행해질 수 있고, 마이크로플루이딕 칩은 현미경 등급이 나뉜 유리층으로 제조될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 층(204, 206, 218) 사이의 경계는 웰의 내용물을 이미징하는데 영향을 미치지 않을 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 웰의 벽은 평평하거나/평면일 수 있어, 웰은 길이를 따라, 일정한 단면적 형상 및 크기를 갖는다.
웰(202)은 마이크로플루이딕 채널(207)과 유체 연결되는 제1 개구부(208)을 갖는다. 실시예에 있어서, 마이크로플루이딕 채널(207)은 유체의 인렛이다. 개구부(208)는 웰(202)의 낮은 면(216)(lower surface)에 가깝다.
또한, 제2 개구부(210)는 기판의 제1 및 제2 층(204, 206) 사이에 웰의 측벽에 제공된다. 제2 개구부(210)는 제2 마이크로플루이딕 채널(212), 실시예에서 마이크로플루이딕 아웃렛 채널과 유체 연결된다. 사용되는 배아 또는 유생, 예컨대 제브라피시 배아 또는 유생(zebrafish embryos/larvae)은 웰(202)에 놓일 수 있고, 영양분, 약물 또는 다른 화합물은 마이크로플루이딕 인렛 채널(207) 및 제1 개구부(208)로부터 웰(202)로 펌핑될 수 있다. 또는, 이들 물질들은 웰의 상부 개구부를 통해 피펫팅(pipetting)함으로써 도입될 수 있다.
하나 이상의 유체는 마이크로플루이딕 아웃렛 채널(212)로 개방되는, 웰(202)의 측벽에서 제2 개구부(210)를 통해 웰(202)로부터 제거될 수 있다. 웰(202)로부터 압출되는 유체는, 시간이 지남에 따라 웰(202)에 형성될 수 있는 폐기물(waste products)포함할 수 있고, 배아/유생 및 박테리아 또는 다른 병원균, 또는 생물학적 폐기물, 또는 약물 또는 다른 화합물, 또는 섀드 조직(shed tissues) 또는 기질(substrates)에 의해 발생된 생성물을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 바이오칩의 또 다른 실시형태를 나타낸다.
도 2의 바이오칩(300)은, 실시형태에 있어서 32 웰의 4×8 어레이(array)인, 웰/리세스(recesses)(302)의 어레이를 갖는다. 또한, 8 인렛/아웃렛 포트(304)는 바이오칩(300)의 하나의 말단에 4×2 어레이로 제공되었다. 포트 및 웰의 다른 형태가 가능함을 확인할 수 있다. 인렛/아웃렛 포트(304)로부터 확장된 마이크로플루이딕 채널은 명확하게 하기 위해 도 3에 나타내지 않았다. 인렛/아웃렛 포트(304)로부터 확장되고, 웰(302)과 상호 작용하는 플루이딕 채널은 도 4 및 5에 더 자세히 나타냈다. 도 4 및 5에 나타낸 마이크로플루이딕 채널은 명확하게 하기 위해 분리하여 나타내지만, 사실은 도 3에 나타낸 바이오칩(300)과 동일하게 존재함을 확인할 수 있다. 실시예에 있어서, 웰은 다른 형상이 가능하지만, 상기로부터 나타내는 경우, 단면이 사각이다.
도 4는 도 3의 바이오칩(300), 및 마이크로플루이딕 인렛 포트(410)에서 웰(302)까지 확장된, 연결된 마이크로플루이딕 인렛 채널(the associated microfluidic inlet channel), 및 마이크로플루이딕 아웃렛(412)에서 웰(302)까지 확장된 마이크로플루이딕 아웃렛 채널(the microfluidic outlet channels)을 나타낸다.
마이크로플루이딕 인렛 포트(410)는 임의의 마이크로플루이딕 원(source), 예컨대 웰(302)에 제공될 약물 또는 영양분 매질의 원(source)과의 연결에 적합함을 확인할 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 마이크로플루이딕 채널(414)은 마이크로플루이딕 인렛 포트(410)에서 웰(302)의 각각의 열까지 평행으로 확장된다. 실시예에 있어서, 웰은 4×8 어레이로 제공되므로, 4개의 마이크로플루이딕 채널 가지(414)(각 열에 하나)는 인렛 포트(410)로부터 확장된다.
웰(302)의 열에 제공된 각각의 마이크로플루이딕 채널(414)은 각각의 웰(302)의 제1 개구부(418)와 유체 연결되도록 더 갈라진다(branch off). 다시, 이렇게 갈라짐으로써, 마이크로플루이딕 채널(414)은 평행으로 각각의 웰(302)에 유체를 제공한다고 보여질 수 있다.
실시예에 있어서, 마이크로플루이딕 채널(414)은 인렛 포트(410)에서 웰(302)의 각각의 제1 개구부(418)까지 직접적으로 확장되지는 않지만, 마이크로플루이딕 인렛 포트(410)와 각각의 제1 개구부(418) 사이의 채널의 길이가 각각의 웰과 비슷한 유체 유량을 유지하기 위해, 각각의 웰이 실질적으로 동일한 길이가 되도록 설정하였다. 이는 마이크로플루이딕 채널(414)의 주요 통로(main artery)와 다른 웰(302)의 제1 개구부(418) 사이에 다양한 채널 길이를 제공함으로써 행해진다. 예컨대, 마이크로플루이딕 채널은 인렛 포트(410)와 제1 개구부(418) 사이에서 전체의 요구되는 채널 길이를 제공하기 위해, 몇 번이고 되돌아 가는(doubles back) 경로를 따라갈 수 있다. 이는 도 4에 참조 번호 416으로 나타냈다. 각각의 웰에 실질적으로 일정한 유량을 제공하는 제1 개구부(418)와 인렛 포트(410) 사이에서 전체 채널 길이를 제공하기 위해, 마이크로플루이딕 채널(414)의 주요 통로(main artery)와 제1 개구부(418) 사이의 통로 길이는 인렛 포트(410)로부터 멀리에 있는 웰(302)을 더 짧게 해야만 함을 확인할 수 있다. 이는 실험상으로 포트로부터 웰의 거리와 상관없이, 각각의 웰에 유체를 공급하는 경우에 저항이 실질적으로 동일하므로, 유체가 각각의 웰에 균등하게 공급된다는 것을 의미할 수 있다.
이러한 방법으로 마이크로플루이딕 채널(414, 416)을 제공하는 것은, 웰(302)로 향하는 도중에, 유체에 의해 겪게 되는 물리적 성질이 각각의 웰(302)에 동일할 수 있도록 한다. 이는 각각의 웰(302)에 유체의 일정한 압력을 제공하여, 일정한 유량을 제공하므로, 웰(302)의 내용물이 마이크로플루이딕 인렛 채널(414, 416)로 되돌아가는(being forced back into the microfluidic inlet channel) 가능성을 줄일 수 있다. 결국, 이것은 각각의 웰(302)의 내용물 사이에서 상호-오염(cross-contamination)의 가능성을 줄일 수 있다.
상기와 동일한 구조는 웰(302)에서 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(412)와 제2 개구부(420)를 연결하는 마이크로플루이딕 아웃렛 채널(424, 422)에 채용될 수 있다.
도 5는 바이오칩(300)의 웰(302) 내에서 온도를 제어하는데 사용되는 채널 및 포트를 나타낸다. 실시예에 있어서, 웰(302)은 상기와 같이 나타낸 경우 단면적이 사각형이지만, 다른 형태도 가능하다.
실시예에 있어서, 웰(302)의 어레이(array)의 각각의 열에 하나씩, 4개의 온도 제어 인렛 포트(510a, 510b, 510c, 51Od)가 있다. 이렇게 하여 각각의 열에서 웰(302)의 온도는 개별적으로 제어될 수 있다. 바이오칩(3000)은 단일 온도 제어 아웃렛 포트(512)을 포함한다. 단일 인렛 및 단일 아웃렛 온도 제어 포트를 갖는 다른 가능한 형태를 포함하고, 이러한 실시형태에 있어서, 전체의 바이오칩은 균일한 온도에서 유지될 수 있다.
각각의 온도 제어 인렛 포트(510)로부터의 확장(extending)은 온도 제어 채널(506)이다. 온도 제어 채널(506)은, 온도 인렛 포트(510)와 연결된 열(row)에서 웰(302)과 가까운 경로를 따라 인렛 포트(510)에서 아웃렛 포트(512)까지 온도 제어 액체(temperature control liquid)를 이동시킬 수 있다. "가까운(in proximity)"이란 온도 제어 채널(506)이 웰(302)과 충분히 근접하게 위치하고 있어, 열(heat)이 웰(304)의 내용물과 온도 제어 채널(506) 중 온도 제어 유체 사이에서 교환될 수 있다는 것을 의미함을 알 수 있다. 열(Heat)은 웰(302)의 내용물을 냉각 또는 가열하기 위해, 온도 제어 유체로부터 또는 온도 제어 유체로 교환될 수 있다.
실시예에 있어서, 온도 제어 채널(506)은, 웰의 내용물을 균등하게 가열 또는 냉각하기 위해, 웰(302)의 수평 사각 단면적의 4개의 측면 중 3개(three of the four side of the horizontal square cross section of well)에 근접한 경로를 따른다. 온도 제어 채널(506)은 온도 제어 채널(506)에서의 온도 제어 유체와 웰(302)의 내용물 사이에서 열이 교환될 수 있다면, 웰(302)과 연관된 어떤 경로도 취할 수 있음을 알 수 있다. 실시예에 있어서, 웰(302)은 원형의 수평 단면적을 갖고, 온도 제어 채널은 원형 웰(circular well)의 원주의 일부, 또는 실질적으로 모두를 따를 수 있다.
웰의 각각의 열의 온도 제어 채널(506) 모두는, 온도 제어 아웃렛 포트(512)와 유체 연결되는 일반적인 온도 제어 리턴 채널(common temperature control return channel)(508)을 형성하기 위해, 웰을 스치고 지나간 후에 함께 합쳐진다.
선행 기술의 생성물은 바이오칩에서 웰의 실험 온도를 꾸준히 유지하기 위해 외부 가열 모듈(external heating modules)을 사용하는 것이 알려져 있다. 선행 기술의 시스템에서, 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)는 항상 가열 모듈(heating module)에 고정되도록 유지해야하고, 이것은 사용 도중 플레이트를 이전하는 것을 불가능하게 할 수 있다. 따라서, 선행 기술의 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)는, 균일한 온도가 웰마다 요구되는 경우에, 고출력 스크리닝을 위한 자동 로봇 처리 시스템에 쉽게 사용될 수 없다. 그에 반해, 여기에 기재된 바이오칩의 실시형태는 빌트-인 가열/냉각 채널(built-in heating/cooling channel)을 가질 수 있어, 자동 온도 조절 모듈(thermostatic module)에 고정될 필요가 없고, 로봇 시스템에서 자유롭게 이동될 수 있다. 이는 선행 기술의 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)보다, 사용 면에 있어서(in terms of usage), 더욱 유동적인(flexible) 바이오칩을 제공한다.
여기에 기재된 실시형태는 웰에서 제브라피시 배아/유생(zebrafish embryos/larvae)의 실험을 행하는데 사용될 수 있고, 며칠 동안 배아/유생의 발달이, 예컨대 약물 또는 다른 화합물에 노출시키거나 또는 노출시키지 않고 모니터링될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 실험은 웰 내에서 멤브레인, 매트릭스 또는 다른 기층(substratum) 상에서 단층의 세포에서 행해질 수 있다.
이러한 실시형태에 있어서, 바이오칩은 기제(base compound)로서 유리 및/또는 (융합된(fused)) 실리카를 사용한다. 이는 96 웰 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)에 사용되는 공지의 폴리스티렌 생성물과 비교하는 경우에, 자가형광(autofluorescence)이 현저히 감소할 수 있다. 유리는 덜 비싼 물질로 여겨질 수 있는 반면에, 유리와 폴리스티렌의 조합은 요구되는 코팅 기술에 기인하여 더욱 비싸질 수 있다. 또한, 유리는 플라스틱보다 스크래칭(scratching) 및 반복된 클리닝 사이클(cleaning cycles)에 더욱 잘 견딜 수 있다.
이러한 실시예에 있어서, 바이오칩의 표면은 유리이고, 이것은 이미징 조작을 0.1초 내에 표본 상에 재초점을 맞출(refocus) 수 있게 한다. 그에 반해, 폴리스티렌 표면을 갖는 공지의 바이오칩은 이미징 조작의 부분으로 사용되는 적외 파장의 굴절 및 바이오칩의 상대적으로 거친 표면에 기인한 이동(drift)을 발생시킨다. 이는 선행 기술의 바이오칩의 재초점을 맞추는 것(refocusing)은 웰 당 1초 이상이 걸릴 수 있다는 것을 의미하고, 이는 대형 배치의 배아 스크리닝 동안 대수적으로 증가한다(this adds up logarithmically in time for large batch embryo screenings).
도 6은 제브라피시 배아(604)에 실험을 행하는 본 발명의 실시형태에 따른 바이오칩(300)의 웰(602)의 수직 단면도를 나타낸다.
실시예에 있어서, 배아(604)는, 배아가 웰에서 이동하는 것을 방지하기 위해, 융모막(606)(chorion)에 의해 둘러싸여지고, 낮은 용융점의-아가로오스(low melting point-agarose)(608)(로봇식 처리기(robotic handler)에 의해 웰로 주입됨)에 임배딩(embedded)된다. 아가로오스(608)는 겔로 고화되지만, 표본을 손상하지 않거나 가스/영양분 교환을 방지하고, 배외 구조의 멤브레인(extra-embryonic membrane)(융모막(606))을 통해 시험 약물을 주입하는데 편리할 수 있다. 또한, 겔(608)은 잠재적 감염의 확산을 제한할 수 있다. 바이오칩(600)에서 각각의 웰(602)은 평행으로 주행하는 마이크로플루이딕 인렛 채널(610)을 통해 정의된 완충제(defined buffer)를 꾸준하거나 일정하게 공급할 수 있으므로, 이웃하는 웰로의 약물의 누출 및 미생물의 상호 오염(cross-contamination)의 위험을 줄일 수 있다. 또한, 약물은 플라스틱 또는 유리일 수 있는 슬라이딩 리드(sliding lid)를 통해 로봇 피펫 처리기(robotic pipette handler)에 의해 투여될 수 있고, 주입을 위해 웰에서 개방부를 노출하는 것이 철회(retracted)될 수 있다. 또한, 리드는 셀프-씰링 리드(self-sealing lid), 예컨대 고무 또는 폴리머 플러그(plug), 라미네이트 필름 또는 접착 테이프(adhesive tape)일 수 있다. 아가로오스(608)의 존재는 필수적이고, 다른 실시형태에 있어서, 배아는 웰에서의 유체 또는 다른 물질에서 자유롭게 놓일 수 있음을 확인할 수 있다.
여기에 기재된 바이오칩의 다른 실시형태는, 바이오칩 기판의 상면에 웰의 개구부를 커버(cover)하도록 구성되어 있다. 리드는 바이오칩의 일부로서 통합되는 슬라이딩 리드일 수 있다. 이는 리드가 실험 시작 전에 도입되는 배아를 웰의 개구부에 노출하기 위해 개방 위치까지 한쪽으로 슬라이딩시킬 수 있고, 및/또는 약물이 실험 동안 도입될 수 있게 한다. 리드는 실험 동안 커버된 위치로 다시 슬라이딩될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 리드는 웰에서 효율적인 마이크로플루이딕 흐름(efficient microfluidic flow)이 가능하도록 가스- 및/또는 유체-기밀하게(gas- and/or fluid-tight) 웰을 밀봉할 수 있다. 또한, 제거 가능한 리드는 실험 후 배아의 회복(recovery)을 가능하게 할 수 있고, 더 자세한 분석(예컨대, 중합 효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction)(PCR), mRNA의 추출, 등)은 바이오칩에서 실험의 마지막 후에 행해질 수 있다. 또한, 리드의 제거는 실험의 마지막 후에 웰의 편리한 클리닝이 가능하도록 할 수 있어 바이오칩은 재사용될 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 리드는 리드 상에 형성되는 축합(condensation)의 가능성을 줄이기 위해 가열될 수 있다. 축합의 감소는 사용되는 리드를 통해 행해지는 이미징 조작(imaging operations)을 더욱 정확하게 할 수 있게 한다. 또는, 리드는 가열 하에 도포되는 플라스틱 필름, 또는 천공(perforations)이 웰의 상부 개구부, 및 멤브레인에 도포된 유리 커버와 나란히 되어 있는, 천공된 멤브레인(perforated membrane)으로 이루어질 수 있다. 리드가 막인 경우에, 니들(needle)이 웰로 그것을 통과시킨 후에 셀프-씰링(self-sealing)될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 리드는 광학적으로 클리어/투명하여 웰의 내용물의 현미경 분석을 가능하게 하고; 다른 경우에 있어서, 거울상 상면 또는 저면(mirrored upper or lower surface)을 가질 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 홀더에 위치될 경우, 본 발명의 실시형태에 따른(도 2에서와 같이) 바이오칩(200)의 웰(202)의 수직 단면도를 나타낸다. 홀더는, 예컨대 스크류에 의해 연결되는 경우에, 특정 위치에서 바이오칩을 고착시킬 수 있는 물질의 다수 층(several layers of materials)을 포함한다. 상부 리드(1)는 금속/플라스틱 또는 다른 물질로 이루어진다. 플레이트(2)는 상부 밀봉층(3)에 마운팅(mounted)될 수 있는, 유리 플레이트 또는 폴리머 씰(polymer seal)이다. 상부 씰층(Top seal layer)(3)은, 예컨대 실리콘으로 이루어진다. 층(4)은 하부 (실리콘) 씰(bottom (silicone) seal)이다. 층(5)은 금속 및/또는 플라스틱 또는 다른 물질로 이루어질 수 있는 하부 리드(bottom lid)로 구성된다. 점선(6) 사이의 각은 이미징할 뷰의 바닥측 영역을 나타낸다(The angle between dotted lines 6 indicates the bottom side field of view for imaging.). 점선(7)은 이미징할 목적으로 층(3)에서의 홀의 위치를 나타낸다. 점선(8) 사이의 각은 이미징할 뷰의 상부측 영역을 나타낸다. 본 발명의 홀더는 특정 형태에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시형태에 따른 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 특정 실행의 설명을 기재할 것이다. 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 이러한 실시형태는, 유리의 이러한 형태가 공지의 폴리스티렌 생성물과 비교하여 자가형광을 감소하는 것이 발견될 수 있으므로, D263 유리로 이루어질 수 있다.
바이오칩에서 웰의 단면적 영역은 2 - 4 mm2이다. 이는, 공지의 96-웰 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)와 대비하여, 웰의 단면적 영역이 현저히 크고, 즉 33.18 mm2 (surface area (πr2) r = 3.25 mm; h = 10 mm)이다. 따라서, 바이오칩의 이러한 실시형태는 자동 시스템에 사용되는 경우에 자동 "파인드(find) & 마크(mark)" 시간을 줄일 수 있다.
이러한 실시형태의 바이오칩에서 단일의 웰의 체적은 8㎣=8μl(2㎜×2㎜×2㎜)이다. 이는 일반적으로 약 250-331㎣(33.18 mm2 * (7.5㎜ 또는 10㎜))인 공지의 96-웰 플레이트의 웰 체적과 대비된다. 따라서, 바이오칩의 이러한 실시형태는 화합물 사용시 비용을 저감시킬 수 있고, 31-41%(250/8 내지 331/8)의 감소되는 것으로 추정된다.
이러한 실시예에 있어서, 또한 바이오칩은, 종래의 마이크로타이터 플레이트(microtitre plate)가 플레이트 당 96 웰을 홀딩하는 것과 동일한 면적으로 869 웰에 담을 수 있다(accommodate). 이는 96-웰 플레이트의 표면적(총 면적 7823 mm2; 폭 × 깊이; 72.3㎜ × 108.2㎜)이 약 0.012 well/mm2이기 때문이다. 그에 반해, 본 발명의 실시형태에 따른 바이오칩은 ≥0.11 wells/mm2 (각각의 웰의 표면적과 관련 마이크로플루이딕 채널은 3mm × 3mm(surface area of each well plus its associated microfluidic channels, is 3mm × 3mm))을 담을 수 있다.
여기에 기재된 실시형태는 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 웰에 실험을 행하는데 사용될 수 있다. 실험의 대상, 예컨대 배아는 웰을 나타내는 기판에서의 상부 개구부에 삽입될 수 있다. 선택적으로 기판에서 상부 개구부(upper opening)는 상기 기재된 바와 같이 리드로 커버(covered)될 수 있다.
여기에 기재된 실시예는, 웰의 벽에서 개구부로 개방하는(that opens into an opening in a wall of the well) 마이크로플루이딕 채널로부터 받아들여지는 하나 이상의 유체에 대상을 노출시키기 전에, 웰에 배아 또는 다른 대상을 고정시킬 수 있다. 실시예로서, 유체는 대상에 영양분을 제공할 수 있다. 대상은 마이크로플루이딕 채널을 통해 웰로부터 또는 웰로 이동되지 않을 수 있다.
여기에 기재된 하나 이상의 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 웰은 대상의 성장을 위한 홀딩 챔버(holding chamber)로서 여겨질 수 있고, 장기 배양 실험/시스템에 관한 것으로 간주될 수 있다. "장기(Long-term)"는 며칠, 예컨대 5일간으로 간주될 수 있다.
생물학적 마이크로플루이딕 칩은 마이크로플루이딕 웜-소터(microfluidic worm-sorters)와 다른 기술 분야로 간주될 수 있고, 여기서 웜(worm)은 흡입에 의해 밀폐된 챔버(enclosed chamber)에 포획된다. 여기에 기재된 웰을 갖는 생물학적 마이크로플루이딕 칩과 비교되는, 이러한 마이크로플루이딕 소터(microfluidic sorter)에 대한 다양한 기술적 고려가 필요할 수 있다.

Claims (20)

  1. 생물학적 마이크로플루이딕 칩으로:
    기판(substrate);
    상기 기판의 표면에 개구부(opening)를 나타내는(defining) 마이크로플루이딕 인렛 포트(microfluidic inlet port);
    상기 기판의 표면에 개구부를 나타내는 마이크로플루이딕 아웃렛 포트(microfluidic outlet port); 및
    상기 기판의 상면(top surface)으로부터 확장된(extending) 복수의 웰(well)로서, 각각의 웰은 하나 이상의 벽(walls)에 의해 경계가 이루어지고, 인렛 개구부 및 아웃렛 개구부는 복수의 웰의 각각의 벽에 제공되고;
    마이크로플루이딕 인렛 포트를 웰의 벽에서의 인렛 개구부 각각에 연결한, 상기 기판에서의 하나 이상의 마이크로플루이딕 인렛 채널(microfluidic inlet channel);
    상기 웰의 벽에서의 아웃렛 개구부 각각을 마이크로 플루이딕 아웃렛 포트에 연결한, 상기 기판에서의 하나 이상의 마이크로플루이딕 아울렛 채널(microfluidic outlet channel)을 포함하는, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로플루이딕 인렛 포트와 웰의 벽에서의 인렛 개구부 사이에서 마이클로플루이딕 채널의 길이는 각각의 웰에서 실질적으로 동일한 것인, 생물학적 마이클로플루이딕 칩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    온도 제어 인렛 포트(temperature control inlet port) 및 온도 제어 아웃렛 포트(temperature control outlet port), 및
    하나 이상의 복수의 웰에 근접한 경로를 따라, 상기 온도 제어 인렛 포트부터 상기 온도 제어 아웃렛 포트까지 온도 제어 유체(temperature control fluid)를 이동시켜, 사용 시(in use), 열(heat)이 온도 제어 액체(temperature control liquid)와 웰의 내용물(contents) 사이에서 상호 교환되도록 구성된 온도 제어 채널을 더 포함하는, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도 제어 인렛 포트, 온도 제어 아웃렛 포트 및 온도 제어 채널 중 하나 이상은 복수의 웰의 서브 세트(a subset of the plurality of wells)에 제공되는, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 복수의 웰은 웰의 어레이(array of wells)를 포함하고, 분리된 온도 제어 인렛 포트 및 온도 제어 채널은 상기 웰의 어레이의 각 열(row)에 제공되는, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웰의 각각의 벽에서 인렛 개구부의 위치(location)는 아웃렛 개구부보다 아래(lower)인, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 마이크로플루이딕 인렛 포트(second microfluidic inlet port); 및
    웰의 벽에 제2 인렛 개구부(second inlet opening)를 더 포함하고,
    상기 제2 인렛 개구부는 제2 마이크로플루이딕 인렛 채널에 의해 제2 마이크로플루이딕 인렛 포트와 유체 연결되는(in fluid communication with), 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 웰의 벽에서 제2 인렛 개구부의 위치는 상기 웰의 벽에서 아웃렛 개구부보다 아래(lower)인, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    리드(lid)를 더 포함하고,
    상기 리드는 슬라이딩(sliding), 셀프-씰링(self-sealing), 제거가능하고(removable) 및/또는 가열되는(heated) 것인, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 적어도 D263 유리(glass)의 일부인, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 웰은 끝과 끝이 이어진(end to end) 2개의 원뿔대 형상(frustoconical shapes)을 포함하는 수직 단면도(vertical cross-section) 형상을 갖고, 상기 원뿔대 형상의 좁아진 말단(narrower ends)은 나란히 놓여지는(collocated), 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 상부 및 하부 층(top and a bottom layer)을 포함하고, 상기 2개의 원뿔대 형상은 상기 상부 및 하부 층 사이에 경계(boundary)에서 나란히 놓여지는, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 마이크로플루이딕스 채널은 상기 기판의 상부 및 하부 층(top and a bottom layer) 사이에 제공되는, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 마이크로플루이딕 채널은 마이크로플루이딕 밸브(microfluidic valve)를 포함하는, 생물학적 마이크로플루이딕 칩.
  15. 제1항 내지 제14항 중 한 항 이상에 따른 생물학적 마이크로플루이딕 칩을 사용하는 방법으로:
    배아 또는 유생의 세포(cells, embryo's or larvae)를 하나 이상의 복수의 웰에 제공(providing)하는 단계로, 상기 배아 또는 유생의 세포는 실험 용도의 것이고;
    유체를 마이크로플루이딕 인렛 포트에 제공(providing)하여 상기 유체(fluid)를 하나 이상의 웰에 들어가도록(enter) 하는 단계;
    마이크로플루이딕 아웃렛 포트를 통해 하나 이상의 웰로부터 유체를 제거(removing)하는 단계; 및
    하나 이상의 웰에서 실험 결과를 얻기 위해서, 하나 이상의 웰의 내용물(contents)을 이미징(imaging)하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    하나 이상의 복수의 웰에서 배아 또는 유생의 세포를 현상(developing)하는 단계;
    상기 배아 또는 유생의 세포를 약물 또는 다른 화합물에 선택적으로 노출시키는(optionally expose) 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 세포는 줄기 세포(stem cell)인, 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    분석(assay)은 인간, 동물, 미생물 또는 식물 연구 또는 스크린(screen)에 사용되는, 방법.
  19. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    광합성체(photosynthetic bodies)(예컨대, 식물 세포, 엽록체)는 복수의 웰 내에서 배양되는, 방법.
  20. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 웰의 내용물의 온도를 제어하기 위해서, 온도 제어 유체를 생물학적 마이크로플루이딕 칩의 온도 제어 인렛 포트에 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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