KR20130000968A - 수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법 - Google Patents

수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 수력학 필터 유닛은 유체 챔버에 연결되어, 표적 물질을 포함하는 유체가 유입되는 유입구 채널과 유체 챔버에 연결되어, 유체가 배출되는 복수 개의 배출구 채널을 포함할 수 있다.
그리고, 개시된 필터링 방법은 수력학 필터 유닛에 표적 물질이 포함된 유체를 유입시켜서, 표적 물질을 포획하고, 나머지 유체를 배출구 채널을 통해서 외부로 배출시킬 수 있다.

Description

수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법{Hydrodynamic filter unit, hydrodynamic filter including the same and method of filtering target materials by using them}
수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 복수 개의 배출구 채널을 구비하여, 표적 물질이 포획부에서 포획되어 배출구 채널을 막더라도, 유체가 다른 적어도 하나의 배출구 채널을 통해서 흐를 수 있는 수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법에 관한 것이다.
표적 물질을 검출할 수 있는 방법에는 표적 물질의 자체의 특성 예를 들어, 그 크기나 질량을 이용하는 방법이 있다. 그리고, 표적 물질을 라벨링하여, 라벨링된 표적 물질을 프로브를 이용하여 검출할 수 있다. 또는, 표적 물질을 염색하여, 그 염색된 색을 검출하는 방법 등이 있다. 표적 물질의 크기를 이용하여 표적 물질을 검출하는 방법으로는 필터를 사용하는 방법이 있는데, 그 중에서도 수력학 필터를 사용하여 표적 물질을 검출할 수 있다. 수력학 필터는 유체의 흐름을 이용하여, 유체에 포함된 표적 물질을 필터에서 포획할 수 있는 시스템이다.
수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법을 제공한다.
개시된 수력학 필터 유닛은
유체 챔버;
상기 유체 챔버에 연결되어, 표적 물질을 포함하는 유체가 유입되는 유입구 채널;
상기 유체 챔버에 연결되어, 상기 유체가 배출되는 복수 개의 배출구 채널; 및
상기 유체 챔버와 상기 복수 개의 배출구 채널이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 상기 표적 물질을 포획하는 복수 개의 포획부;를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 포획부는 각각 상기 연결부들로부터 돌출된 한 쌍의 돌출부를 포함할 수 있다.
복수 개의 배출구 채널 사이에 마련되고, 상기 유체 챔버의 내면으로부터 돌출된 축적 방지부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 포획부와 상기 축적 방지부의 형태는 상기 표적 물질의 형태에 따라 형성될 수 있다.
상기 돌출부의 끝단은 둥글게 마련될 수 있다.
개시된 수력학 필터는
복수 개의 상기 수력학 필터 유닛을 구비하는 복수 개의 수력학 필터 열(sequence);을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 수력학 필터 열이 마련된 몸체부를 포함할 수 있다.
상기 몸체부와 각각 연결되는 유입부와 배출부를 더 포함할 수 있다.
상기 몸체부는 너비(w)와 길이(l)의 비가 3:1 이상 100:1 이하일 수 있다.
상기 복수 개의 수력학 필터 열의 전면과 후면에 각각 마련되고, 상기 전면과 상기 후면으로부터 볼록하게 돌출된 볼록부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 수력학 필터 열 중에서, n번째 수력학 필터 열과 (n+1)번째 수력학 필터 열(여기에서, n은 자연수)은 서로 엇갈리게 마련될 수 있다.
개시된 필터링 방법은
상기 수력학 필터 유닛에 상기 표적 물질이 포함된 상기 유체를 유입시키는 단계;
상기 수력학 필터 유닛에서 상기 표적 물질을 포획하는 단계; 및
상기 표적 물질이 포획된 나머지 유체를 상기 표적 물질이 포획되지 않은 배출구 채널을 통해서 상기 수력학 필터 유닛의 외부로 배출시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 유체를 상기 수력학 필터 유닛에 유입시키기 전에, 상기 표적 물질에 비드, 하이드로젤, 나노 입자 및 앱타머(aptamer) 중에서 선택된 어느 하나를 붙이는 단계를 더 포함할 수 있다.
개시된 필터링 방법은
상기 수력학 필터에 상기 표적 물질이 포함된 상기 유체를 유입시키는 단계;
상기 수력학 필터에서 상기 표적 물질을 포획하는 단계; 및
상기 표적 물질이 포획된 나머지 유체를 상기 수력학 필터의 외부로 배출시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 유체를 상기 수력학 필터에 유입시키기 전에, 상기 표적 물질에 비드, 하이드로젤, 나노 입자 및 앱타머(aptamer) 중에서 선택된 어느 하나를 붙이는 단계를 더 포함할 수 있다.
개시된 수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법은 표적 물질이 포획되더라도, 유체가 다른 적어도 하나의 배출구 채널을 통해서 흐를 수 있다. 따라서, 표적 물질이 포획된 유체 챔버 내의 압력이 낮게 유지되어, 표적 물질의 소실을 방지할 수 있으며, 표적 물질이 받는 압력을 감소시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 개시된 수력학 필터 유닛의 개략적인 평면도와 사시도이다.
도 2는 변형예에 따른 수력학 필터 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 3은 변형예에 따른 수력학 필터 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 4는 변형예에 따른 수력학 필터 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 5는 변형예에 따른 수력학 필터 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 6은 개시된 수력학 필터의 개략적인 평면도이다.
도 7은 개시된 수력학 필터에 포함된 수력학 필터 열들의 개략적인 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기는 설명의 명료성과 편의성을 위해서 과장되어 있을 수 있다.
도 1a는 개시된 수력학 필터 유닛(100)의 개략적인 평면도이며, 도 1b는 개시된 수력학 필터 유닛(100)의 개략적인 사시도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 개시된 수력학 필터 유닛(100)은 유체 챔버(10), 유체 챔버(10)에 연결되어, 표적 물질(50)을 포함하는 유체가 유입되는 유입구 채널(20), 유체 챔버(10)에 연결되어, 유체가 배출되는 복수 개의 배출구 채널(30, 35) 및 유체 챔버(10)와 복수 개의 배출구 채널(30, 35)이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 표적 물질(50)을 포획하는 복수 개의 포획부(41, 43)를 포함할 수 있다.
개시된 수력학 필터 유닛(100)은 그 평면 형상이 사각형과 같은 다각형 형태로 마련될 수 있다. 수력학 필터 유닛(100)은 실리콘 기반의 폴리머 재료 또는 폴리머 재료로 이루어질 수 있다. 수력학 필터 유닛(100)은 예를 들어, 아크릴레이트(acrylate), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), PMMA(polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리이미드(polyimide), 에폭시 수지(epoxy resin), PDMS(Polydimethylsiloxane), 파릴렌(parylene) 등으로 이루어질 수 있다. 그 밖에, 수력학 필터 유닛(100)은 실리콘 웨이퍼, 실리콘-온-글래스(silicon-on-glass, SOG) 웨이퍼 등을 식각하여 형성될 수 있다.
유체 챔버(10)는 수력학 필터 유닛(100)의 일 영역에 마련될 수 있다. 예를 들어, 수력학 필터 유닛(100)의 평면 형상이 정사각형 형태로 마련된 경우, 유체 챔버(10)는 정사각형의 중심부에 마련될 수 있다. 유체 챔버(10)의 형태는 원형 또는 타원형으로 마련될 수 있으며, 그 밖에 삼각형, 사각형 등의 다각형으로 마련될 수도 있다. 유체 챔버(10)에는 유입구 채널(20)과 복수 개의 배출구 채널(30, 35)이 연결될 수 있다.
유입구 채널(20)은 유체 챔버(10)와 연결되어, 표적 물질(50)을 포함하는 유체를 유체 챔버(10)에 유입시킬 수 있다. 유입구 채널(20)은 수력학 필터 유닛(100)의 외부로부터 유체 챔버(10) 방향으로 갈수록 좁아질 수 있다. 즉, 유입구 채널(20)은 수력학 필터 유닛(100)의 내부로 갈수록 좁아지는 테이퍼 구조(tapered structure)로 형성될 수 있다.
제1포획부(40)는 유입구 채널(20)과 유체 챔버(10)가 연결되는 연결부에 마련되어 표적 물질(50)을 포획할 수 있다. 즉, 제1포획부(40)는 유입구 채널(20)의 좁아진 한 끝단에 마련될 수 있다. 제1포획부(40)는 상기 연결부로부터 돌출된 한 쌍의 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 돌출부는 그 끝단으로 갈수록 그 폭이 좁아지게 마련되어, 표적 물질(50)이 제1포획부(40)에 의해서 잘 포획되도록 할 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 돌출부의 끝단은 뾰족한 형태로 마련되거나 뭉툭하게 마련될 수 있으며, 그 밖에 다양한 형태로 변형 가능하다. 제1포획부(40)의 크기는 상기 한 쌍의 돌출부 사이의 거리(d1)를 말하며, 포획하려는 표적 물질(target materials)의 크기에 따라서 조절될 수 있다. 제1포획부(40)의 크기(d1)는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 제1포획부(40)의 크기(d1)는 1 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있으며, 더 구체적으로 5 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.
복수 개의 배출구 채널(30, 35)은 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)은 각각 유체 챔버(10)에 연결되어, 유체 챔버(10)에 유입된 유체를 수력학 필터 유닛(100)의 외부로 배출시킬 수 있다. 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)은 유출구 채널(20)과 다른 방향에서 유체 챔버(10)와 연결되며, 서로 이격되어 마련될 수 있다. 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)은 수력학 필터 유닛(100)의 외부로부터 유체 챔버(10) 방향으로 갈수록 좁아질 수 있다. 즉, 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)은 수력학 필터 유닛(100)의 내부로 갈수록 좁아지는 테이퍼 구조(tapered structure)로 형성될 수 있다. 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)이 구비된 경우, 배출구 채널이 하나인 경우보다 유체 챔버(10)에서 유체의 최대 유속이 절반 정도로 감소될 수 있다.
복수 개의 포획부(41, 43)는 제2 및 제3포획부(41, 43)를 포함할 수 있다. 제2 및 제3포획부(41, 43)는 유체 챔버(10)와 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 표적 물질(50)을 포획할 수 있다. 즉, 제2 및 제3포획부(41, 43)는 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)의 좁아진 한 끝단에 각각 마련될 수 있다. 제2 및 제3포획부(41, 43)는 각각 상기 연결부들로부터 돌출된 한 쌍의 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 돌출부는 그 끝단으로 갈수록 그 폭이 좁아지게 마련되어, 표적 물질(50)이 제2 및 제3포획부(41, 43)에 의해서 잘 포획되도록 할 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 돌출부의 끝단은 뾰족한 형태로 마련되거나 뭉툭하게 마련될 수 있으며, 그 밖에 다양한 형태로 변형 가능하다.
제2 및 제3포획부(41, 43)의 크기는 각각 상기 한 쌍의 돌출부 사이의 거리(d2, d3)를 말하며, 포획하려는 표적 물질의 크기에 따라서 조절될 수 있다. 제2 및 제3포획부(41, 43)의 크기(d2, d3)는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 제2 및 제3포획부(41, 43)의 크기(d2, d3)는 1 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있으며, 더 구체적으로 5 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 한편, 제2 및 제3포획부(41, 43)의 크기(d2, d3)는 제1포획부(40)의 크기(d1)보다 작을 수 있다. 제1포획부(40)의 크기(d1)가 제2 및 제3포획부(41, 43)의 크기(d2, d3)보다 크게 형성된 경우, 표적 물질(50)은 유체 챔버(10) 내로 쉽게 들어올 수 있으며, 제2포획부(41) 또는 제3포획부(43)에서 포획될 수 있다. 또한, 제2포획부(41)의 크기(d2)는 제3포획부(43)의 크기(d3)와 다를 수 있다. 예를 들어, 제2포획부(41)의 크기(d2)가 제3포획부(43)의 크기(d3)보다 작은 경우, 제2포획부(41)는 제3포획부(43)가 포획하는 표적 물질(50)보다 작은 표적 물질, 즉 다른 표적 물질을 포획할 수도 있다.
수력학 필터 유닛(100)의 높이(h)는 표적 물질(50)의 크기보다 크게 마련될 수 있다. 수력학 필터 유닛(100)의 높이(h)가 높을수록, 수력학 필터 유닛(100) 내에서의 전단력(shear force)이 감소하고, 표적 물질(50)에 가해지는 압력이 감소할 수 있다. 수력학 필터 유닛(100)의 높이(h)는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 수력학 필터 유닛(100)의 높이(h)는 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있으며, 더 구체적으로는, 20 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있다.
수력학 필터 유닛(100)이 포획하려는 표적 물질(50)은 다양한 생물학적 물질일 수 있다. 생물학적 물질은 세포 또는 생물 분자를 포함할 수 있다. 세포는 예를 들어, 암세포, 적혈구, 백혈구, 식세포, 동물 세포, 식물 세포 등과 같은 다양한 세포를 포함할 수 있다. 또한, 생물 분자는 단백질, 지질 또는 DNA와 RNA를 포함한 핵산 등과 같은 생물을 구성하는 다양한 생체 분자들을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 표적 물질(50)이 생물 분자인 경우, 상기 생물 분자의 크기는 수 내지 수백 ㎚이므로, 수력학 필터 유닛(100)의 크기 즉, 포획부의 크기가 수 내지 수백 ㎚로 마련될 수 있다. 여기에서, 표적 물질(50)은 혈액에 포함된 순환 종양 세포(circulating tumor cells, 이하 CTCs라고 칭함)를 포함할 수 있다. CTCs는 약 109 개의 세포 중에서 1 개가 발견될 정도로, 그 양이 매우 적다. 예를 들어, 유방암의 경우 혈액 약 7.5 ㎖ 중에 약 5개 미만의 CTCs가 발견되며, 대장암의 경우, 혈액 약 7.5 ㎖ 중에 약 3개 미만의 CTCs가 발견될 수 있다. 따라서, 희소한 CTCs를 소실없이 포획하는 것이 매우 중요하다. 또한, CTCs는 쉽게 사멸되기 때문에, CTCs를 파괴할 수 있는 외부 환경 요소를 최소화해야 한다.
개시된 수력학 필터 유닛(100)은 제1 내지 제3포획부(40, 41, 43)에서 각각 표적 물질(50)을 포획할 수 있으므로, 표적 물질(50)의 포획 가능성을 높일 수 있다. 예를 들어, CTCs는 플렉서블한 세포막으로 둘러싸여 있어서, 그 형태가 어느 정도 변형될 수 있다. 형태가 변형되지 않은 CTCs는 제1포획부(40)에서 포획될 수 있다. 반면에, 그 형태가 변형된 CTCs는 제1포획부(40)를 통과하지만, 제2포획부(41) 또는 제3포획부(43)에서 포획될 수 있다. 따라서, 수력학 필터 유닛(100)에서 걸러지지 않고 소실되는 CTCs를 줄일 수 있다. 개시된 수력학 필터 유닛(100)은 원하는 표적 물질만을 포획할 수 있으므로, 표적 물질의 분석에 소요되는 시간을 단축할 수 있으며 다른 분자들과 재분리할 필요가 없어서 효율적이고 편리할 수 있다.
한편, 배출구 채널이 하나 구비된 경우, 포획부가 표적 물질을 포획하면, 배출구 채널이 막히게 된다. 그러면, 유체가 계속 유체 챔버로 유입되므로 유체 챔버 내의 압력이 높아져서, 표적 물질에 큰 압력이 가해질 수 있으며, 표적 물질이 유입구로 배출되어 소실될 수도 있다. 하지만, 개시된 수력학 필터 유닛(100)은 예를 들어, 제3포획부(43)에 표적 물질(50)이 포획된 경우, 표적 물질(50)이 제2배출구 채널(35)을 막더라도, 유체가 표적 물질(50)이 포획되지 않은 제2포획부(41)가 마련된 제1배출구 채널(30)로 배출될 수 있다. 또한, 표적 물질(50) 이외의 분자들도 유체와 함께 제1배출구 채널(30)로 배출될 수 있다. 따라서, 유체 챔버(10) 내의 압력이 낮게 유지되어, 표적 물질(50)에 큰 압력이 가해지는 것과 표적 물질(50)이 소실되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 변형예에 따른 수력학 필터 유닛(110)의 개략적인 평면도이다. 앞서 설명된 수력학 필터 유닛(100)과의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 개시된 수력학 필터 유닛(110)은 유체 챔버(10), 유체 챔버(10)에 연결되어, 표적 물질(50)을 포함하는 유체가 유입되는 유입구 채널(20), 유체 챔버(10)에 연결되어, 유체가 배출되는 복수 개의 배출구 채널(30, 35) 및 유체 챔버(10)와 복수 개의 배출구 채널(30, 35)이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 표적 물질(50)을 포획하는 복수 개의 포획부(41, 43)를 포함할 수 있다. 또한, 개시된 수력학 필터 유닛(110)은 복수 개의 포획부(41, 43) 사이에 마련된 축적 방지부(60)를 더 포함할 수 있다.
축적 방지부(60)는 복수 개의 배출구 채널(30, 35) 사이 즉, 복수 개의 포획부(41, 43) 사이에 마련될 수 있다. 축적 방지부(60)는 유체 챔버(10)의 내면으로부터 돌출된 영역일 수 있다. 이렇게, 돌출된 축적 방지부(60)는 복수 개의 포획부(41, 43) 사이에 표적 물질(50) 이외의 분자들이 축적되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 축적 방지부(60)는 CTCs가 제3포획부(43)에 포획된 경우, CTCs를 제외한 적혈구 또는 백혈구 등이 복수 개의 포획부(41, 43) 사이에 축적되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 개시된 수력학 필터 유닛(110)은 포획하려는 표적 물질(50) 이외의 분자들이 유체 챔버(10)에 축적되는 것을 방지하고 표적 물질(50)만을 포획하여, 필터링되는 표적 물질(50)의 순도(purity)를 향상시킬 수 있다.
도 3은 변형예에 따른 수력학 필터 유닛(120)의 개략적인 평면도이다. 앞서 설명된 수력학 필터 유닛들(100, 110)과의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 3를 참조하면, 개시된 수력학 필터 유닛(120)은 유체 챔버(10), 유체 챔버(10)에 연결되어, 표적 물질(50)을 포함하는 유체가 유입되는 유입구 채널(20), 유체 챔버(10)에 연결되어, 유체가 배출되는 복수 개의 배출구 채널(30, 35) 및 유체 챔버(10)와 복수 개의 배출구 채널(30, 35)이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 표적 물질(50)을 포획하는 복수 개의 포획부(45, 47)를 포함할 수 있다. 또한, 개시된 수력학 필터 유닛(120)은 복수 개의 포획부(45, 47) 사이에 마련된 축적 방지부(65)를 더 포함할 수 있다.
제2 및 제3포획부(45, 47)와 축적 방지부(65)의 형태는 포획하려는 표적 물질(50)의 형태에 따라 형성될 수 있다. 즉, 제2 및 제3포획부(45, 47)와 축적 방지부(65)의 형태는 표적 물질(50)과의 접촉 면적을 최대로 늘릴 수 있도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 표적 물질(50)이 구형(sphere)인 경우, 제2 및 제3포획부(45, 47)와 축적 방지부(65)의 형태는 반구형(half sphere)으로 형성될 수 있다. 따라서, 개시된 수력학 필터 유닛(130)은 포획된 표적 물질(50)에 가해지는 외력이 제2 및 제3포획부(45, 47)와 축적 방지부(65)와의 접촉면으로 분산되어, 표적 물질(50)을 더 안정적으로 포획할 수 있으며, 표적 물질(50)에 가해지는 스트레스를 감소시킬 수 있다.
도 4는 변형예에 따른 수력학 필터 유닛(130)의 개략적인 평면도이다. 앞서 설명된 수력학 필터 유닛들(100, 110, 120)과의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 개시된 수력학 필터 유닛(130)은 유체 챔버(10), 유체 챔버(10)에 연결되어, 표적 물질(50)을 포함하는 유체가 유입되는 유입구 채널(20), 유체 챔버(10)에 연결되어, 유체가 배출되는 복수 개의 배출구 채널(30, 35) 및 유체 챔버(10)와 복수 개의 배출구 채널(30, 35)이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 표적 물질(50)을 포획하는 복수 개의 포획부(41', 43')를 포함할 수 있다.
제1포획부(40')는 유입구 채널(20)과 유체 챔버(10)가 연결되는 연결부에 마련되어 표적 물질(50)을 포획할 수 있다. 즉, 제1포획부(40')는 유입구 채널(20)의 좁아진 한 끝단에 마련될 수 있다. 제1포획부(40')는 상기 연결부로부터 돌출된 한 쌍의 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 돌출부는 그 끝단이 둥글게(round) 마련될 수 있다. 상기 돌출부가 둥글게 마련되는 경우, 표적 물질(50)이 상기 돌출부에 의해서 손상되는 것을 방지할 수 있다.
복수 개의 포획부(41', 43')는 제2 및 제3포획부(41', 43')를 포함할 수 있다. 제2 및 제3포획부(41', 43')는 유체 챔버(10)와 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 표적 물질(50)을 포획할 수 있다. 즉, 제2 및 제3포획부(41', 43')는 제1 및 제2배출구 채널(30, 35)의 좁아진 한 끝단에 각각 마련될 수 있다. 제2 및 제3포획부(41', 43')는 각각 상기 연결부들로부터 돌출된 한 쌍의 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 돌출부는 그 끝단이 둥글게(round) 마련될 수 있다. 상기 돌출부가 둥글게 마련되는 경우, 표적 물질(50)이 상기 돌출부에 의해서 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 개시된 수력학 필터 유닛(140)은 표적 물질(50)이 제1 내지 제3포획부(40', 41', 43')의 상기 돌출부들에 의해서 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 변형예에 따른 수력학 필터 유닛(140)의 개략적인 평면도이다. 앞서 설명된 수력학 필터 유닛들(100, 110, 120, 130)과의 차이점을 위주로 상세하게 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 개시된 수력학 필터 유닛(140)은 유체 챔버(10), 유체 챔버(10)에 연결되어, 표적 물질(50)을 포함하는 유체가 유입되는 유입구 채널(20), 유체 챔버(10)에 연결되어, 유체가 배출되는 복수 개의 배출구 채널(30, 35, 37) 및 유체 챔버(10)와 복수 개의 배출구 채널(30, 35, 37)이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 표적 물질(50)을 포획하는 복수 개의 포획부(41, 43, 49)를 포함할 수 있다.
유체 챔버(10)에는 유입구 채널(20)과 제1 내지 제3배출구 채널(30, 35, 37)이 연결될 수 있다. 수력학 필터 유닛(100)이 예를 들어, 사각형 형태로 마련된 경우, 네 개의 옆면에 각각 유입구 채널(20)과 제1 내지 제3배출구 채널(30, 35, 37)이 마련될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 제1포획부(40)는 유체 챔버(10)와 유입구 채널(20)이 연결되는 연결부에 마련되어, 표적 물질(50)을 포획할 수 있다. 또한, 제2 내지 제4포획부(41, 43, 49)는 유체 챔버(10)와 제1 내지 제3배출구 채널(30, 35, 37)이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 표적 물질(50)을 포획할 수 있다. 즉, 제2 내지 제4포획부(41, 43, 49)는 제1 내지 제3배출구 채널(30, 35, 37)의 좁아진 한 끝단에 각각 마련될 수 있다. 제2 내지 제4포획부(41, 43, 49)는 각각 상기 연결부들로부터 돌출된 한 쌍의 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 돌출부는 그 끝단으로 갈수록 그 폭이 좁아지게 마련되어, 표적 물질(50)이 제2 내지 제4포획부(41, 43, 49)에 의해서 잘 포획되도록 할 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 돌출부의 끝단은 뾰족한 형태로 마련되거나 둥글게 마련될 수 있으며, 그 밖에 다양한 형태로 변형가능하다.
개시된 수력학 필터 유닛(140)은 복수 개의 배출구 채널(30, 35, 37)과 복수 개의 포획부(41, 43, 49)를 구비하여 복수 개의 표적 물질(50)이 포획되더라도, 표획 분자(50)를 포획하지 못한 포획부와 배출구 채널을 통해서, 유체와 표적 물질(50) 이외의 분자들 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 유체 챔버(10) 내의 압력이 낮게 유지되어, 표적 물질(50)에 큰 압력이 가해지는 것과 표적 물질(50)이 소실되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 개시된 수력학 필터(200)의 개략적인 평면도이다.
도 6을 참조하면, 개시된 수력학 필터(200)는 유입부(210), 몸체부(220) 및 배출부(230)를 포함할 수 있다. 개시된 수력학 필터(200)는 앞서 설명된 복수 개의 수력학 필터 유닛(100)들을 포함할 수 있다. 개시된 수력학 필터(200)는 복수 개의 수력학 필터 유닛(100)으로 구성된 복수 개의 수력학 필터 열(sequence, 240)들을 포함할 수 있다. 한편, 개시된 수력학 필터(200)는 앞서 설명된 다른 수력학 필터 유닛(110, 120, 130, 140)들을 포함할 수도 있다.
유입부(210)와 배출부(230)는 몸체부(220)를 사이에 두고, 서로 마주하도록 마련될 수 있다. 유입부(210)는 몸체부(220)와 연결되어, 표적 물질들을 포함하는 유체를 외부로부터 몸체부(220)로 유입시킬 수 있다. 유입부(210)를 통해서 소정의 압력이 가해져서 유체가 몸체부(220)를 거쳐서 흐르도록 할 수 있다. 유입부(210)와 몸체부(220)가 연결되는 부분은 몸체부(220) 방향으로 넓어지는 테이퍼(taper) 구조일 수 있다. 한편, 배출부(230)는 수력학 필터(200)를 통과하여 걸러진 유체를 외부로 배출할 수 있으며, 상기 걸러진 유체는 다시 유입부(210)로 유입되어 수력학 필터(200)에 의한 포획이 반복될 수 있다.
몸체부(220)는 복수 개의 수력학 필터 유닛(100)을 포함할 수 있으며, 이들로 구성된 복수 개의 수력학 필터 열(sequence, 240)들을 포함할 수 있다. 몸체부(220)의 너비(w)는 그 길이(l)보다 클 수 있다. 예를 들어, 몸체부(220)의 너비(w)와 길이(l)의 비는 3:1 이상일 수 있다. 또한, 몸체부(220)의 너비(w)와 길이(l)의 비는 3:1 이상 100:1 이하일 수 있다. 더 구체적으로, 몸체부(220)의 너비(w)와 길이(l)의 비는 3:1 이상 50:1 이하, 3:1 이상 30:1 이하일 수 있다. 몸체부(220)의 너비(w)가 그 길이(l)보다 큰 경우, 유속의 최대 속도나 표적 물질에 가해지는 최대 압력이 감소될 수 있다.
복수 개의 수력학 필터 열(240)들은 서로 이격되거나, 서로 붙어 있는 복수 개의 수력학 필터 유닛(100)들을 포함할 수 있다. 그리고, 복수 개의 수력학 필터 열(240)들은 서로 이격되어서, 몸체부(220)의 길이(l) 방향으로 나란하게 배열될 수 있다. 한편, 수력학 필터 열(240)들은 앞서 설명된 다른 수력학 필터 유닛(110, 120, 130, 140)들을 포함할 수도 있다.
도 7은 개시된 수력학 필터(200)에 포함된 수력학 필터 열들(241, 243)을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, n(여기에서, n은 자연수)번째 수력학 필터 열(241)과 (n+1)번째 수력학 필터 열(243)은 몸체부(220)의 길이(l) 방향으로 나란하게 배열될 수 있다. n번째 수력학 필터 열(241)에 포함된 수력학 필터 유닛(101)과 (n+1)번째 수력학 필터 열(243)에 포함된 수력학 필터 유닛(103)은 서로 엇갈리게 배열될 수 있다. 즉, n번째 수력학 필터 열(241)에 포함된 수력학 필터 유닛들은 (n+1)번째 수력학 필터 열(243)에 포함된 수력학 필터 유닛들과 지그재그(zigzag) 형태로 배열될 수 있다. 이렇게, n번째 수력학 필터 열(241)과 (n+1)번째 수력학 필터 열(243)이 엇갈리게 배열되면, 유체와 이에 포함된 표적분자, 그 이외의 분자들의 이동 경로가 다양해질 수 있다. 한편, n번째 수력학 필터 열(241)에 포함된 수력학 필터 유닛들은 (n+1)번째 수력학 필터 열(243)에 포함된 수력학 필터 유닛들과 서로 엇갈리지 않고, 서로 나란하게 일렬로 배열될 수도 있다.
또한, 볼록부(25, 31, 33)가 수력학 필터 열들(241, 243)의 유체가 주입되는 전면과 유체가 배출되는 후면에 더 마련될 수 있다. 볼록부(25, 31, 33)는 상기 전면과 상기 후면으로부터 볼록하게 돌출되게 형성될 수 있으며, 유체의 정체를 방지할 수 있어서 정체 방지부라고 지칭될 수 있다. 제1볼록부(25)는 인접한 수력학 필터 유닛들(101, 102)의 유입부 채널(20)들 사이에 마련될 수 있다. 그리고, 제2볼록부(31)는 제1 및 제2배출구 채널들(30, 35) 사이에 마련될 수 있으며, 제3볼록부(33)는 인접한 수력학 필터 유닛들(101, 102)의 배출구 채널들(35, 30) 사이에 마련될 수 있다. 제1 내지 제3볼록부들(25, 31, 33)은 수력학 필터 열들(241, 243)의 주위에서, 유체가 정체(stagnation)되어 표적 물질 또는 그 이외의 분자들이 축적되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 개시된 수력학 필터 유닛 또는 이를 포함하는 수력학 필터를 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법에 대해서 설명한다.
도 1a를 참조하면, 개시된 필터링 방법은 앞서 설명된 수력학 필터 유닛(100)에 표적 물질(50)이 포함된 유체를 유입시키는 단계, 수력학 필터 유닛(100)에서 표적 물질(50)을 포획하는 단계 및 표적 물질(50)이 포획된 나머지 유체를 표적 물질(50)이 포획되지 않은 배출구 채널(30)을 통해서 수력학 필터 유닛(100)의 외부로 배출시키는 단계를 포함할 수 있다. 한편, 개시된 필터링 방법은 앞서 설명된 다른 수력학 필터 유닛들(110, 120, 130, 140)에 표적 물질(50)이 포함된 유체를 유입시킬 수도 있다.
또한, 개시된 필터링 방법은 유체를 수력학 필터 유닛(100)에 유입시키기 전에, 표적 물질(50)에 적어도 하나의 바인더(binder)를 붙이는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 비드, 하이드로젤, 나노 입자 또는 앱타머(aptamer) 등을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 앱타머는 DNA, RNA 또는 펩티드를 포함할 수 있다. 상기 바인더는 표적 물질(50)에만 선택적으로 또는 특이적으로 부착될 수 있다. 바인더가 붙은 표적 물질(50)은 크기가 더 커져서 제1 내지 제3포획부(40, 41, 43)에서 포획될 가능성이 더 높아질 수 있다. 예를 들어, 표적 물질(50)이 CTCs인 경우, 복수 개의 비드들을 CTCs에 붙일 수 있다. CTCs의 표면에 부착된 비드들에 의해서, CTCs의 세포막은 탄성 변형이 어렵게 될 수 있다. 따라서, 비드가 부착된 CTCs는 제3포획부(35)에 더 쉽게 포획될 수 있으며, 이로부터 빠져나오기 어려울 수 있다.
도 6을 참조하면, 다른 개시된 필터링 방법은 앞서 설명된 수력학 필터(200)에 표적 물질(50)이 포함된 유체를 유입시키는 단계, 수력학 필터(200)에서 표적 물질(50)을 포획하는 단계 및 표적 물질(50)이 포획된 나머지 유체를 수력학 필터(200)의 외부로 배출시키는 단계를 포함할 수 있다. 개시된 필터링 방법은 유체를 수력학 필터(200)에 유입시키기 전에, 표적 물질(50)에 적어도 하나의 바인더(binder)를 붙이는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 비드, 하이드로젤, 나노 입자 또는 앱타머(aptamer) 등을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 앱타머는 DNA, RNA 또는 펩티드를 포함할 수 있다. 상기 바인더는 표적 물질(50)에만 선택적으로 또는 특이적으로 부착될 수 있다.
도 8a 내지 도 8b는 개시된 수력학 필터 유닛에서의 필터링 과정을 순차적으로 도시한 평면도이다. 수력학 필터 유닛의 제1 내지 제3포획부의 크기는 약 8㎛이고, 수력학 필터 유닛을 흐르는 유체의 속도는 약 200㎕/min이다. 표적 물질(50)은 유방암 세포(MCF-7)이며, 바인더(55)는 폴리스틸렌 비드(polystylene bead)가 사용되었다. 상기 폴리스틸렌 비드의 크기는 약 3㎛이다.
도 8a를 참조하면, 비드(55)가 부착된 유방암 세포(50)가 제1포획부를 통과하고 있다. 유방암 세포(50)는 그 표면에 비드(55)가 부착되어, 그 크기가 더 커져서 포획부에서 포획될 확률이 더 높아질 수 있다. 또한, 유방암 세포(50)의 세포막의 탄성 변형이 어려워져서, 포획부를 빠져나가기 어려워질 수 있다.
도 8b를 참조하면, 제1포획부를 통과한 유방암 세포(50)는 돌출되어 마련된 축적 방지부에 의해서 제3포획부로 이동하고 있다. 상기 축적 방지부는 복수 개의 포획부 사이에 유방암 세포(50) 이외의 분자들이 축적되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 축적 방지부는 유방암 세포(50)가 제2 또는 제3포획부로 이동하도록 유도할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 유방암 세포(50)가 제3포획부에 포획되었다. 제3포획부에 유방암 세포(50)가 포획되어, 유방암 세포(50)가 제2배출구 채널을 막게 된다. 하지만, 그렇더라도 유체가 유방암 세포(50)가 포획되지 않은 제2포획부가 마련된 제1배출구 채널로 배출될 수 있다. 또한, 유방암 세포(50) 이외의 분자들도 유체와 함께 제1배출구 채널로 배출될 수 있다. 따라서, 유체 챔버 내의 압력이 낮게 유지되어, 유방암 세포(50)에 큰 압력이 가해지는 것과 이로 인해 유방암 세포(50)가 유체 챔버로부터 소실되는 것을 방지할 수 있다.
도 8d를 참조하면, 유체가 계속 유체 챔버로 유입되더라도 유방암 세포(50)가 제3포획부에 포획된 상태를 유지하고 있다. 유체 챔버로 유입되는 유체와 유방암 세포(50) 이외의 분자들은 계속 제1배출구 채널로 배출될 수 있다. 따라서, 유방암 세포(50)에 큰 압력이 가해지거나, 유체 챔버로부터 소실되는 것을 방지하여 표적 분자의 회수율을 향상시킬 수 있다.
도 9는 개시된 수력학 필터에서의 필터링 과정을 도시한 평면도이다. 표적 물질(50)은 유방암 세포(MCF-7)이고, 수력학 필터의 제1 내지 제3포획부의 크기는 약 8㎛이다. 수력학 필터 유닛을 흐르는 유체의 속도는 약 200㎕/min이다.
도 9를 참조하면, 수력학 필터는 복수의 수력학 필터 유닛을 포함하고 있다. 복수의 수력학 필터 유닛은 일렬로 배열된 복수의 수력학 필터 열을 형성할 수 있다. 그리고, 복수의 수력학 필터 열은 서로 나란하게 마련될 수 있으며, 서로 엇갈리게 배열될 수 있다. 즉, n번째 수력학 필터 열에 포함된 수력학 필터 유닛들은 (n+1)번째 수력학 필터 열에 포함된 수력학 필터 유닛들과 지그재그(zigzag) 형태로 배열될 수 있다. 이렇게, n번째 수력학 필터 열과 (n+1)번째 수력학 필터 열이 엇갈리게 배열되면, 유체와 이에 포함된 표적분자, 그 이외의 분자들의 이동 경로가 다양해질 수 있다. 또한, 볼록부가 수력학 필터 열들의 유체가 주입되는 전면과 유체가 배출되는 후면에 더 마련될 수 있다. 볼록부는 상기 전면과 상기 후면으로부터 볼록하게 돌출되게 형성될 수 있으며, 유체의 정체(stagnation)를 방지할 수 있어서 정체 방지부라고 지칭될 수 있다.
복수 개의 수력학 필터 유닛들은 각각 적어도 하나의 표적 분자(50)를 포획할 수 있다. 즉, 수력학 필터 유닛은 복수 개의 표적 분자(50)를 포획할 수도 있다. 수력학 필터 유닛의 한 포획부에 하나의 표적 분자(50)가 포획한 경우, 새로 유입된 표적 분자(50)는 다른 배출구 채널로 우회할 수 있다. 그리고, 새로 유입된 표적 분자(50)는 다른 포획부에서 포획될 수 있다. 따라서, 개시된 수력학 필터 유닛은 표적 분자의 포획률을 향상시킬 수 있으며, 복수의 표적 분자(50)들이 하나의 포획부에 적층되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 개시된 수력학 필터 유닛에 유입되는 유체의 흐름이 표적 분자(50) 또는 그 이외의 분자들의 적층에 의해서 방해 받는 것을 방지할 수 있으며, 표적 분자(50)에 가해지는 유체 스트레스도 감소될 수 있다.
이러한 본 발명인 수력학 필터 유닛, 이를 포함하는 수력학 필터 및 이들을 사용하여 표적 물질을 필터링하는 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 유체 챔버 20: 유입구 채널
30, 35, 37: 배출구 채널 40, 41, 43, 45, 47, 49: 포획부
50: 표적 물질 60, 65: 축적 방지부
100, 110, 120, 130, 140: 수력학 필터 유닛
200: 수력학 필터 210: 유입부
220: 몸체부 230: 배출부
240, 241, 243: 수력학 필터 열(sequence)

Claims (15)

  1. 유체 챔버;
    상기 유체 챔버에 연결되어, 표적 물질을 포함하는 유체가 유입되는 유입구 채널;
    상기 유체 챔버에 연결되어, 상기 유체가 배출되는 복수 개의 배출구 채널; 및
    상기 유체 챔버와 상기 복수 개의 배출구 채널이 연결되는 연결부들에 각각 마련되어, 상기 표적 물질을 포획하는 복수 개의 포획부;를 포함하는 수력학 필터 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 포획부는 각각 상기 연결부들로부터 돌출된 한 쌍의 돌출부를 포함하는 수력학 필터 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 배출구 채널 사이에 마련되고, 상기 유체 챔버의 내면으로부터 돌출된 축적 방지부를 더 포함하는 수력학 필터 유닛.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수 개의 포획부와 상기 축적 방지부의 형태는 상기 표적 물질의 형태에 따라 형성된 수력학 필터 유닛.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 돌출부의 끝단은 둥글게 마련된 수력학 필터 유닛.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중에서 어느 한 항에 따른 복수 개의 수력학 필터 유닛을 구비하는 복수 개의 수력학 필터 열(sequence);을 포함하는 수력학 필터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 수력학 필터 열이 마련된 몸체부를 포함하는 수력학 필터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 몸체부와 각각 연결되는 유입부와 배출부를 더 포함하는 수력학 필터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 몸체부는 너비(w)와 길이(l)의 비가 3:1 이상 100:1 이하인 수력학 필터.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 수력학 필터 열의 전면과 후면에 각각 마련되고, 상기 전면과 상기 후면으로부터 볼록하게 돌출된 볼록부를 더 포함하는 수력학 필터.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 수력학 필터 열 중에서, n번째 수력학 필터 열과 (n+1)번째 수력학 필터 열(여기에서, n은 자연수)은 서로 엇갈리게 마련된 수력학 필터.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 중에서 어느 한 항에 따른 수력학 필터 유닛에 상기 표적 물질이 포함된 상기 유체를 유입시키는 단계;
    상기 수력학 필터 유닛에서 상기 표적 물질을 포획하는 단계; 및
    상기 표적 물질이 포획된 나머지 유체를 상기 표적 물질이 포획되지 않은 배출구 채널을 통해서 상기 수력학 필터 유닛의 외부로 배출시키는 단계;를 포함하는 필터링 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유체를 상기 수력학 필터 유닛에 유입시키기 전에, 상기 표적 물질에 비드, 하이드로젤, 나노 입자 및 앱타머(aptamer) 중에서 선택된 어느 하나를 붙이는 단계를 더 포함하는 필터링 방법.
  14. 제 6 항 내지 제 11 항 중에서 어느 한 항에 따른 수력학 필터에 상기 표적 물질이 포함된 상기 유체를 유입시키는 단계;
    상기 수력학 필터에서 상기 표적 물질을 포획하는 단계; 및
    상기 표적 물질이 포획된 나머지 유체를 상기 수력학 필터의 외부로 배출시키는 단계;를 포함하는 필터링 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유체를 상기 수력학 필터에 유입시키기 전에, 상기 표적 물질에 비드, 하이드로젤, 나노 입자 및 앱타머(aptamer) 중에서 선택된 어느 하나를 붙이는 단계를 더 포함하는 필터링 방법.
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