KR20130061114A

KR20130061114A - 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩과 이의 제조방법, 이를 위한 검사 키트

Info

Publication number: KR20130061114A
Application number: KR1020120137793A
Authority: KR
Inventors: 정운원; 홍정화; 설동근; 김현숙; 김훈희
Original assignee: 주식회사 맥스바이오텍
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-06-10

Abstract

본 발명은 랩 온어 칩(Lab on a chip, LOC)기술을 이용하여 산전 트리플 마커인 알파-태아단백(α-fetoprotein, AFP), 에스트리올(unconjugated estriol, uE3)과 베타 에이취씨지(β-human chorionic gonadotropin, β-hCG)의 3가지 표지물질을 동시에 진단하기 위한 랩 온어 칩과 검사방법, 이를 위한 검사 키트에 대한 발명으로, 상기 3종의 표지물질을 민감도(sensitivity)와 특이도(specificity)를 높게 검사 할 수 있는 랩 온어 칩, 검사방법 및 그 키트에 대한 것이다. 본 발명의 랩 온어 칩 기술을 이용한 산전 트리플 마커를 진단하는 랩 온어 칩 검사방법 및 키트는 상기 3종의 산전 지표물질을 1회의 검사로 동시에 민감도와 특이도 높게 검사 할 수 있으며 특히 각 진단 지표물질의 혈중농도를 계산할 수 있는 정량성을 갖을 수 있어 기존방법보다 신속하고 정확하게 적용할 수 있다. 또한, 혈액 검체로부터 혈청의 추출과정 없이 산전 트리플 마커를 정량적으로 확인하기까지 총 20분내로 검사 할 수 있는 산업적으로 매우 유용한 검사 방법이다.

Description

산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩과 이의 제조방법, 이를 위한 검사 키트{Lab on a chip, Methods for manufacturing Pre-natal Triple Markers and Detection Kit Thereof}

본 발명은 랩 온어 칩(Lab on a chip, LOC)기술을 이용하여 산전 트리플 마커인 알파-태아단백(α-fetoprotein, AFP), 에스트리올(unconjugated estriol, uE3)과 베타 에이취씨지(β-human chorionic gonadotropin, β-hCG)의 3가지 표지물질을 동시에 진단하기 위한 랩 온어 칩과 검사방법, 이를 위한 검사 키트에 대한 발명으로, 상기 3종의 표지물질을 민감도(sensitivity)와 특이도(specificity)를 높게 검사 할 수 있는 랩 온어 칩, 제조방법 및 그 키트에 대한 것이다.

본 발명은 산전 트리플 마커를 진단하기 위하여 임산부의 출산 전 모체의 혈청에서 알파-태아단백(α-fetoprotein, AFP), 에스트리올(unconjugated estriol, uE3)과 베타 에이취씨지(β-human chorionic gonadotropin, β-hCG)의 3가지 표지물질을 진단함으로서 기형아의 위험성이 있는 임신부를 진단하는 선별검사(screening test)를 위한 검사방법 및 그에 사용되는 키트에 대한 발명으로, 특히 랩 온어 칩기술을 이용한 랩 온어 칩, 검사방법과 그에 사용되는 키트에 관한 발명이다.

즉 본 발명은 임부의 모체 혈액으로 부터 채취된 시료에서 알파-태아단백(AFP), 에스트리올(uE3)과 베타 에이취씨지(β-hCG)의 3가지 표지물질을 1회의 검사로 동시에 진단할 수 있는 랩 온어 칩, 제조방법, 검사방법 및 검사를 위한 시약을 포함한다.

바이오칩은 DNA나 단백질과 같은 마커를 유리나 실리콘등 기판위에 집적화하여 유전자의 발현양상이나 단백질마커를 찾거나 생화학적 공정등을 높이기 위한 새로운 기술로서 바이오칩은 신약개발, 임상 진단등 분야에 혁신적인 변화를 일으킬 것으로 주목받고 있다. 바이오칩은 크게 마이크로 어레이와 마이크로 플루이딕스(microfluidics)로 구분할 수 있으며 마이크로 플루이딕스 즉, 랩 온어 칩(Lab on a chip)은 미량의 분석대상물질인 바이오 마커를 칩에 존재하는 센서 또는 결합물질과의 반응을 측정하는 방법이며 즉시 결과물을 얻는 장점이 있으며 랩 온어 칩은 일반적으로 사용하는 검사법은 시료를 채취하여 분석이 가능한 장소로 이동하여 시료의 전처리 과정을 거쳐 검사기기를 이용하여 분석하는 형태인데 랩 온어 칩은 측정기기를 Hand-held형태로 만들어 현장(on-site)에서 측정이 가능한 기술이다. 미세유체공학 (micro/nanofluidics) 기술을 적용한 랩 온어 칩 기술은 미세유체소자의 산업화 및 고부가가치화를 통해 새로운 고감도 랩 온어 칩 및 그 용용 시스템 개발로 이어질 수 있음. 또한 동 기술을 활용한 실용화 기술을 개발하여 나노바이오 센서에 관한 기반을 다학제적으로 확립하여 상용화의 기반 제공을 제공할 수 있다.

DNA칩은 이미 시장성장기에 진입해 있으나 단백질칩과 랩 온어 칩(LOC)는 성장하고 있는 단계이며 DNA 칩보다 LOC의 경우 응용분야가 더 다양하므로 기술개발과 더불어 상품화가 될 경우 기존의 진단방법을 대체하여 시장이 훨씬 크다는 장점이 있다. 아직 진단분야에 LOC기술을 응용한 제품이 상업화한 예가 미국 Biosite사의 심장질환 진단키트이외거의 없으며 LOC기술을 이용한 진단제품은 이제 시작단계이기 때문에 이 분야의 시장선점 및 바이오칩분야의 선도적 역할을 할 수 있는 기회임.

산전 트리플 마커 진단은 임산부의 출산 전 검사로 모체의 혈청에서 알파태아단백(AFP), 에스트리올(uE3)과 베타에이취씨지(β-hCG)의 3가지 표지물질을 진단함으로서 기형아의 위험성이 있는 임신부를 진단하는 선별검사(screening test)이다. 기형의 종류는 수천가지 이상이 알려져 있는데 이중 트리플 마커 진단으로 선별할 수 있는 기형은 가장 흔한 다운증후군(발생빈도 : 1/800 신생아), 신경관 결손(발생빈도 : 1∼2/1,000 신생아), 에드워드 증후군(발생빈도 : 1/8,000 신생아)등 3가지이다. 다운 증후군 태아의 발견율을 약 60%로 높이는 검사를 말하며 1988년 이래 선진국에서 널리 활용되고 있으며 국내에는 1990년에 처음 소개되었고 다운 증후군의 경우 모체혈청 AFP와 uE3는 정상아를 임신했을 때보다 감소된 수치를 보이고 β-hCG는 오히려 증가된 양상을 보이고 에드워드 증후군의(18번 염색체 이상) 경우 3가지 표지물질의 농도가 모두 감소하는 경향을 보이는 것으로 보고되어 있다.

산전 트리플 마커의 진단은 모체혈청에서 상기 3가지 표지물질의 측정치를 이미 설정된 각 표지물질의 임신주수별 중앙값(median value)으로 나누어서 MoM (multiples of median)수치를 구해 각각의 MoM과 임신부 연령을 컴퓨터 프로그램에 입력시키면 3개 표지물질 각각의 MoM에 따른 개별적 위험도를 종합하여 컴퓨터 프로그램으로 다운 증후군 위험도를 산출하는데 영국의 Wald 교수가 개발한 Alpha가 가장 널리 활용되고 있으며 그외 Canada의 AFP Expert, Johnson사의 Prenata등이 있다. 연구자마다 위험도 기준치가 다르나 일반적으로 다운 증후군 위험도가 1/270 이상인 경우(예를 들어 1/16, 1/100, 1/200 등)에는 다운 증후군 고위험군으로 간주하여 양수 검사를 실시하게 되며 모체혈청 AFP값이 해당 임신주수별 중앙값의 2.0-2.5배(MoM) 이상일 경우 개방성 신경관 결손(open neural tube defect ; ONTD)을 의심하여 양수 AFP 및 양수 Acetylcholinesterase (AChE)와 같은 정밀 검사를 시행하고 있다. 비정상 트리플 마커 진단에 따른 양수검사를 시행하였으나 양수 AFP, 양수 AChE, 염색체 검사가 모두 정상으로 나타나는 소위 원인불명의 모체혈청 AFP나 모체혈청 hCG가 증가한 경우에는 임신성 고혈압, 자궁 내 발육부전, 자궁 내 태아사망, 조산 등의 빈도가 대조군보다 높은 고위험 임신군으로 분류하고 있다. 다운 증후군 태아를 가진 임산부의 경우에는 AFP, uE3 검사치는 정상 태아를 가진 임산부 보다 낮게, hCG는 보다 높게 나타나며 또한 신경관 결손 태아를 가진 임산부의 경우에는 모체혈청 AFP 수치가 높게 나타나게 되며 임산부의 나이, 체중, 임신 주수, 태아수, 당뇨병 등의 인자가 추가로 고려되어 기형아의 위험도를 산출한다. 국내 산전 트리플 마커의 검사는 현재 화학발광면역법등 면역검사법을 이용하여 세가지 마커를 각각 검사하고 있으며 이러한 검사 방법은 주로 대학병원과 같은 종합병원이나 수탁검사업체에 의해 이루어지고 있어 준종합병원이나 의원급의 병원에서는 검사가 거의 진행되지 않고 있으며 준종합병원이나 의원급에서 시행되지 않는 이유는 검사법에 쓰이는 검사기기가 대형화, 자동화되어 있으며 고가의 장비를 구입해야 하는 단점, 담당인력의 필요, 검사방법의 복잡성, 검사 건수 등 여러 요인이 있으나 간단하게 사용할 수 있는 기기와 키트의 개발이 이루어지면 이러한 병원에서도 경제적 부담이나 인력의 추가 배치 등이 없이 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 간단하게 사용할 수 있는 기기와 키트의 개발에 있어서 랩 온어 칩 기술은 현재 적용할 수 있는 최적의 기술로 산전 triple marker 진단키트 개발에 반드시 필요한 상황이며 상기에 언급했듯이 랩 온어 칩기술을 이용한 진단제품은 이제 시작단계이기 때문에 이 분야의 시장선점 및 바이오칩분야의 선도적 역할을 할 수 있는 기회이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고, 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 산전 트리플 마커를 1회의 검사로 진단할 수 있고 동시에 각 산전 트리플 마커의 혈중농도를 검사할 수 있는 정량화된 검사방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 사용되는 랩 온어 칩, 검사시약을 포함하는 키트를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하나 이상의 유로가 형성된 랩 온어 칩으로서, 상기 유로는 일정한 높이와 폭으로 형성되어 항원-항체 반응을 수행하는 반응 챔버와, 상기 반응 챔버의 후단에 연결되며 상기 반응 챔버와 높이와 폭이 동일한 측정 공간과, 상기 반응 챔버와 상기 측정 공간 사이에 구비되며, 폭이 증가하는 타임 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩을 제공한다.

상기 타임 게이트는 상기 반응 챔버에서 연장되어 폭이 증가하며, 상기 측정 공간의 시작지점에서 상기 측정 공간의 폭과 동일해진다. 바람직하게 상기 반응 챔버와 타임 게이트 및 측정 공간의 높이는 0.1mm이며, 상기 반응 챔버와 상기 측정 공간의 폭은 2mm이고, 상기 반응 챔버의 길이는 13mm이며, 상기 타임 게이트의 길이는 3.5mm이고, 상기 타임 게이트의 최대폭은 2.92mm이며, 상기 측정 공간의 길이는 30mm이다. 상기 측정 공간에서 연장된 처리 공간을 포함하고, 상기 처리 공간은 사행형상(蛇行形狀)으로 형성된다. 상기 처리 공간의 높이와 폭은 상기 반응 챔버와 동일하며, 사행형상에 따라 절곡되는 영역의 내측 곡률은 0.5, 외측 곡률은 2.5이다.

상기 사행형상인 처리 공간의 시작점에서 종단점까지의 길이는 38.5mm이고, 직선 영역에서 절곡 영역까지의 길이는 7.5mm이다. 상기 유로는 3개가 구비될 수 있으며, 이 경우, 상기 3개의 유로간의 간격은 반응 챔버 간은 10mm이고, 상기 3개의 유로가 형성됨에 따라 종단점에서 연결되는 처리 공간의 폭은 32mm이다.

또한, 본 발명에 따른 랩 온어 칩은 상기 유로가 형성된 구동 시트와, 상기 구동 시트의 하부에 구비되어 구동 시트를 수납하는 베이스와, 상기 구동 시트와 베이스 사이에 구비되되 상기 반응 챔버의 하부에서 상기 반응 챔버와 일부 영역이 겹쳐지는 필터와, 상기 구동 시트의 상부에 구비되며 시료 투입구가 형성된 커버와, 상기 커버 상에 부착되되 상기 시료 투입구에 대응하는 개구부가 형성된 스티커를 포함한다. 상기 반응 챔버는 상기 필터와 5mm 겹쳐진다.

또한, 본 발명은 전술된 구성에 따른 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩을 포함하는 검사 키트를 제공한다.

또한, 본 발명은 시뮬레이션 모듈로 랩 온어 칩의 설계에 대한 시뮬레이션을 수행하는 단계와, 상기 수행된 시뮬레이션에 따라 유로 설계 모듈로 랩 온어 칩의 유로를 설계하는 단계, 및 상기 설계된 유로에 따라 랩 온어 칩의 구성 성분을 조합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩 설계 방법을 제공한다.

상기 시뮬레이션 모듈로 랩 온어 칩의 설계에 대한 시뮬레이션을 수행하는 단계는, 변위 당 폭 연산 모듈로 상기 랩 온어 칩에 형성되는 유로의 변위 당 폭을 계산하는 단계와, 유체 접촉각 설정 모듈로 상기 유로에 흐르는 유체의 특성값과 유체 접촉각을 설정하는 단계와, 유한 요소 해석 모듈로 상기 설정된 값에 따라 설계된 유로에 대한 유한 요소 해석을 수행하는 단계를 포함한다.

상기 수행된 시뮬레이션에 따라 유로 설계 모듈로 랩 온어 칩의 유로를 설계하는 단계는, 목표 유속 설정 모듈로 상기 유로에 존재하는 채널의 목표 유속을 설정하는 단계와, 접촉각 설정 모듈로 상기 설정된 목표 유속에 따라 채널의 접촉각을 설정하는 단계와, 채널 길이 설정 모듈로 상기 채널의 길이를 설정하는 단계, 및 처리 공간 설정 모듈로 처리 공간을 설정하는 단계를 포함한다.

상기 변위 당 폭 연산 모듈로 상기 랩 온어 칩에 형성되는 유로의 변위 당 폭을 계산하는 단계에서, 유로의 변위 당 폭의 계산은 라플라스-영 방정식과 나비에-스트로크 방정식에 의해 수행된다.

본 발명의 랩 온어 칩 기술을 이용한 산전 트리플 마커를 진단하는 랩 온어 칩 검사방법 및 키트는 상기 3종의 산전 지표물질을 1회의 검사로 동시에 민감도와 특이도 높게 검사 할 수 있으며 특히 각 진단 지표물질의 혈중농도를 계산할 수 있는 정량성을 갖을 수 있어 기존방법보다 신속하고 정확하게 적용할 수 있다.

또한, 혈액 검체로부터 혈청의 추출과정 없이 산전 트리플 마커를 정량적으로 확인하기까지 총 20분내로 검사 할 수 있는 산업적으로 매우 유용한 검사 방법이다.

도 1은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 개략 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 랩 온어 칩에 구비된 베이스의 평면도.
도 3은 도 2의 선 A-A에서 취한 단면도.
도 4는 도 2의 선 B-B에서 취한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 랩 온어 칩에 구비된 구동 시트의 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 랩 온어 칩에 구비된 커버의 평면도.
도 7은 본 발명에 따른 랩 온어 칩에 구비된 스티커의 평면도.
도 8은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 대한 순서도.
도 9는 매트랩 프로그램을 이용하여 랩 온어 칩을 흐르는 유체가 계획한 속도대로 흐르도록 채널을 셜계한 대략적인 형태도.
도 10은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 매트랩에 유체 특성값과 접촉각을 입력하는 화면.
도 11은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 따른 랩 온어 칩의 구동 시 길이 당 폭의 수치를 선도로 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 설정된 유속에 따른 채널의 형상을 도시한 도면.
도 13은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 설계된 채널의 유한 요소 해석 결과 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 목표 구간의 유속을 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 설정된 유속에 따른 채널의 형상을 도시한 도면.
도 16은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 설계된 채널의 유한 요소 해석 결과 그래프.
도 17은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 채널 개수에 따른 유속 변화 그래프.
도 18은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 타임 게이트에 흐르는 유체의 시간당 이동거리를 나타낸 그래프.
도 19는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 따른 처리 공간으로 유체가 빠져나가는 모습을 해석상에서 나타낸 도면.
도 20은 각 채널 내 흐름을 나타낸 도면.
도 21과 도 22는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 따른 채널(유로)의 형상과 치수를 기재한 평면도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 개략 분해 사시도이다.

본 발명에 따른 랩 온어 칩은 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스(100)와, 베이스(100) 상에 구비된 구동 시트(300)와, 베이스(100)와 구동 시트(300) 사이에 구비된 필터(200)와, 구동 시트(300) 상에 구비된 커버(400)와, 커버(400) 상에 부착된 스티커(500)를 포함한다.

도 2는 본 발명에 따른 랩 온어 칩에 구비된 베이스의 평면도이고, 도 3은 도 2의 선 A-A에서 취한 단면도이다. 또한, 도 4는 도 2의 선 B-B에서 취한 단면도이다.

베이스(100)는 커버(400)와 함께 구동 시트(300)와 필터(200)를 수납하기 위한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 평면도를 기준으로 대체적으로 직사각형인 베이스(100)를 예시한다. 이러한 베이스(100)에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 구동 시트(300)를 수납하기 위한 구동 시트(300) 수납홈과 필터(200)를 수납하기 위한 필터(200) 수납홈이 형성된다. 구동 시트 수납홈(110)의 형성에 따라 베이스(100)는 평면도를 기준으로 상방으로 돌출된 테두리를 가지게 되며, 구동 시트 수납홈(110)이 형성된 일측에 필터(200)의 형상에 대응되는 필터 수납홈(120)이 형성된다. 본 실시예에서는 직사각형상의 필터(200)를 예시하며 이에 따라 직사각형상의 필터 수납홈(120)이 형성된다. 물론, 필터 수납홈(120)의 형상은 필터(200)의 형상에 따라 달라질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 랩 온어 칩에 구비된 구동 시트의 평면도이다.

구동 시트(300)는 투입된 시료, 예를 들어, 혈액의 흐름 속도를 제어하여 산전 트리플 마커 진단을 수행하기 위한 것으로서, 본 실시예는 구동 시트(300)의 재질로 사이클로 올레핀 공중합체(Cyclic Olefin Copolymer, COC)를 예시한다. 물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 사이클로 올레핀 공중합체 대신 양면 테이프를 구동 시트(300)의 재질로 이용할 수도 있다. 이러한 구동 시트(300)는 도 5에 도시된 바와 같이, 시트 내부에 유로가 형성되며, 이러한 유로는 반응 챔버(Reaction Chamber, 210)와, 타임 게이트(Time Gate, 220), 측정 공간(Assay Site, 230)을 포함한다. 또한, 측정 공간에서 연장된 처리 공간(Waste Zone, 240)을 포함한다.

반응 챔버(210)는 항원-항체 반응을 수행하기 위한 것으로서, 길이 방향으로 일정한 높이와 폭으로 형성된다. 본 실시예는 구동 시트(300)의 두께와 동일한 0.1mm의 높이에 2mm의 폭(W1)을 갖는 반응 챔버(210)를 예시한다. 한편, 반응 챔버(210)의 길이(L1)는 8mm이나, 필터(200)와 겹쳐지는 부분을 감안하여 13mm로 형성한다.

타임 게이트(220)는 반응 챔버(210)에 머무는 혈액의 속도를 제어하기 위한 것으로서, 반응 챔버(210)의 후단에서 연장된다. 이때, 타임 게이트(220)의 시작점 폭은 반응 챔버(210)의 폭(W1)과 동일하되, 폭이 점차적으로 증가한다. 또한, 폭이 증가되는 타임 게이트(220)는 후단의 측정 공간과 연결되는 부분에서 폭이 측정 공간과 동일해진다. 이에 따라, 타임 게이트(220)는 화살표 형상과 같이 형성된다. 또한, 측정 공간(230)과 연결되기 직전의 타임 게이트(220) 최대 폭(W2)은 2.92mm이다. 또한, 타임 게이트(220)의 길이(L2)는 3.5mm이다.

측정 공간(230)은 타임 게이트(220)의 후단에서 연장되되 적어도 하나 이상이 구비된다. 본 실시예는 여섯 개의 측정 공간, 즉, 제 1 내지 제 6 측정 공간을 예시한다. 이러한 측정 공간(230)은 길이(L3)가 30mm이며, 폭과 높이는 전술된 반응 챔버(210)와 동일하다.

처리 공간(240)은 측정 공간(230)을 통과한 유체를 배출하기 위한 것으로서, 측정 공간에서 연장되어 사행형상(蛇行形狀)으로 형성된다. 본 실시예에서 처리 공간(240)의 높이와 폭은 상기 반응 챔버와 동일하며, 사행형상에 따라 절곡되는 영역의 내측 곡률(R1)은 0.5, 외측 곡률(R2)은 2.5를 예시한다. 또한, 처리 공간(240)의 시작점에서 종단점까지의 길이(L4)는 38.5mm이고, 직선 영역에서 절곡 영역까지의 길이(W3)는 7.5mm를 예시한다.

한편, 본 실시예는 반응 챔버와 타임 게이트, 측정 공간 및 처리 공간을 포함하는 유로가 3개가 구비된 것을 예시한다. 이에 따라, 3개의 유로간의 간격(D)은 반응 챔버 간에는 10mm이고, 3개의 유로가 형성됨에 따라 종단점에서 연결되는 처리 공간의 폭(W4)은 32mm인 것을 예시한다.

도 6은 본 발명에 따른 랩 온어 칩에 구비된 커버의 평면도이다.

커버(400)는 베이스(100)와 함께 구동 시트(300)와 필터(200)를 수납하기 위한 것으로서, 0.8mm 높이(두께)의 커버를 예시한다.

도 7은 본 발명에 따른 랩 온어 칩에 구비된 스티커의 평면도이다.

스티커(500)는 커버(400) 상에 구비되되, 본 실시예는 0.1mm 높이의 스티커를 예시한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 3종의 산전 지표물질을 1회의 검사로 동시에 민감도와 특이도 높게 검사 할 수 있으며, 특히 각 진단 지표물질의 혈중농도를 계산할 수 있는 정량성을 갖출 수 있어 기존방법보다 신속하고 정확하게 적용할 수 있다. 또한, 혈액 검체로부터 혈청의 추출과정 없이 산전 트리플 마커를 정량적으로 확인하기까지 총 20분내로 검사 할 수 있는 산업적으로 매우 유용한 검사 방법이다.

다음은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 8은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 대한 순서도이고, 도 9는 매트랩 프로그램을 이용하여 랩 온어 칩을 흐르는 유체가 계획한 속도대로 흐르도록 채널을 셜계한 대략적인 형태도이다.

본 발명에 따른 랩 온어 칩은 도 8에 도시된 바와 같이, 랩 온어 칩 설계 시뮬레이션 단계(S1)와, 랩 온어 칩 유로 설계 단계(S2), 및 랩 온어 칩 구성 성분 조합 단계(S3)를 포함한다.

랩 온어 칩 설계 시뮬레이션 단계(S1)는 랩 온어 칩을 제작하기 위한 시뮬레이션을 시행한다. 본 실시예는 매트랩(MATLAB)을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 도 9는 매트랩 프로그램을 이용하여 랩 온어 칩을 흐르는 유체가 계획한 속도대로 흐르도록 채널을 설계한 대략적인 형태이다. 매트랩을 이용한 설계를 통해 표면개질을 제거할 수 있다. 따라서, 채널에서의 유속 조절을 위해 각각의 부분마다 표면개질을 하지 않음으로서 표면개질에 의한 시간 및 비용을 크게 줄일 수 있다. 또한, 폭이 일정한 직사각형 단면을 가진 다른 형태의 관의 경우에도 관 내부를 흐르는 유체가 닿는 면에서의 접촉각을 이용하여 관에서의 유체 흐름이 예상대로 진행될 지 여부를 확인할 수 있다. 이러한 랩 온어 칩 설계 시뮬레이션 단계(S1)는 변위 당 폭을 계산하는 단계(S1-1)와, 유체 특성값과 유체 접촉각을 설정하는 단계(S1-2), 및 유한 요소 해석을 수행하는 단계(S1-3)를 포함한다.

변위 당 폭을 계산하는 단계(S1-1)는 높이가 일정한 상태에서 목표로 한 유속 변화가 나타나도록 변위 당 폭을 계산한다. 이는 아래의 수학식 1의 라플라스-영 방정식(Laplace-Young Equation)과, 수학식 2의 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes Equation)에 의해 수행된다.

도 10은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 매트랩에 유체 특성값과 접촉각을 입력하는 화면이고, 도 11은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 따른 랩 온어 칩의 구동 시 길이 당 폭의 수치를 선도로 나타낸 그래프이다.

유체 특성값과 유체 접촉각을 설정하는 단계(S1-2)는 도 10에 도시된 바와 같이, 매트랩 프로그램 실행에 앞서 채널에서 원하는 변위 시간 및 해당되는 변위의 거리를 입력하고 다음 채널을 흐를 유체의 밀도와 점도, 그리고 표면 장력과 같은 특성 및 채널의 옆면과 위아래 면에서의 유체의 접촉각을 입력한다. 도 11에서는 y축이 해당 시간, x축이 해당되는 변위의 거리를 나타낸다.

도 12는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 설정된 유속에 따른 채널의 형상을 도시한 도면이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 설계한 랩 온어 칩의 채널은 앞에서 예시한 형태와 유사하였는데 이 채널 상에서 목표로 한 흐름은 3초 후 7mm 구간, 43초 후 10.5mm 구간, 53초 후 20mm 구간을 통과하며, 이후 10초 당 7.5mm 씩 흐르는 형태이다. 채널의 높이는 0.1mm이며, 유체의 면에 대한 접촉각은 윗면과 아랫면이 90도, 측면은 70도로 설정하여 변위 당 폭을 구하였다.

도 13은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 설계된 채널의 유한 요소 해석 결과 그래프이다.

유한 요소 해석을 수행하는 단계(S1-3)에서는 매트랩 프로그램을 이용한 설계에서 계획한 속도에 따른 구동이 이루어지는지를 확인하기 위해 유한 요소 해석을 수행한다. 이를 위해서, 본 실시예에서는 FLUENT 12.1을 이용하였으며, 해석 결과 도 13에 도시된 바와 같이, 목표했던 변위와 같은 흐름을 나타냄을 확인하였다.

랩 온어 칩 유로 설계 단계(S2)는 랩 온어 칩 설계 시뮬레이션 단계(S1)에서 시뮬레이션된 랩 온어 칩의 유로를 설계한다. 이를 위해서 랩 온어 칩 유로 설계 단계(S2)는 각 구간의 목표 유속을 설정하는 단계(S2-1)와, 설정된 목표 유속에 따라 채널의 접촉각을 설정하는 단계(S2-2)와, 채널의 길이를 설정하는 단계(S2-3), 및 처리 공간을 설정하는 단계(S2-4)를 포함한다.

각 구간의 목표 유속을 설정하는 단계(S2-1)는 각 구간, 즉, 반응 챔버(Reaction Chamber)와, 타임 게이트(Time Gate), 측정 공간(Assay Site) 등의 채널을 통과하는 유체, 예를 들어, 혈액의 목표 유속을 설정한다. 설계 과정에서 유로에 대해 고려한 사항은 항원-항체 반응과 항체를 통한 측정부위 성능의 최적화다. 이를 위해서, 본 실시예는 물을 이용한 실험을 통해 타임 게이트에서의 속도는 0.09 mm/s, 측정 공간에서의 최저 속도는 0.46 mm/s로 확정하였다.

도 14는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 목표 구간의 유속을 나타낸 그래프이다.

처음 채널 설계 시 이 속도가 타임 게이트가 하는 반응 챔버에서의 항원-항체 반응 시간 확보 및 Assay Site에서의 항체를 이용한 측정에 용이한 시간으로 판단하여 이를 토대로 설계를 진행하였으며 각 구간(채널)의 목표 유속은 도 14와 같다.

도 15는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 설정된 유속에 따른 채널의 형상을 도시한 도면이다.

도 15를 참조하면, 타임 게이트에서는 40초가 소요되고, 측정을 좀 더 용이하게 할 목적으로 각각 Assay Site를 각각 10초마다 통과는 형태의 유로를 설계하였다. 여기서 Time Gate에서의 속도는 0.09 mm/s, Assay Site에서의 속도는 0.5 mm/s이다.

도 16은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 설계된 채널의 유한 요소 해석 결과 그래프이다.

설정된 목표 유속에 따라 채널의 접촉각을 설정하는 단계(S2-2)는 각 구간의 목표 유속을 설정하는 단계(S2-1)에서 설정된 목표 유속에 따라 채널의 접촉각을 설정한다. 이에 따라, 본 실시예는 채널 설계 시 윗면과 아랫면은 접촉각을 90도로 내린 PDMS를, 옆면은 접촉각이 70도인 에폭시 수지를 이용하며, 이 접촉각에 맞춰 설계를 진행하였다. FLUENT 12.1을 통한 시뮬레이션은 계획했던 흐름과 일치하였다.

도 17은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 채널 개수에 따른 유속 변화 그래프이다.

이 채널 설계를 통해 접촉각을 이용하여 구간마다 원하는 유속을 내도록 하는 것이 가능함을 확인할 수 있었다. 타임 게이트 이후 채널의 폭이 일정한 형태로 재설계를 하였다. 이 채널에서는 구간 별 통과시간이 일정한 형태가 되지는 않았다. 기존의 제품과 유사한 유속 감소가 목표가 되었다. 우선 3개 채널이 있는 형태와 1개 채널만 존재하는 상황에서 유속 변화가 같은 지 여부를 FLUENT 12.1을 통해 확인했으며, 그 결과 같은 형태의 유속 변화가 나타남을 알 수 있었다.

도 18은 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에서 타임 게이트에 흐르는 유체의 시간당 이동거리를 나타낸 그래프이다.

채널의 길이를 설정하는 단계(S2-3)는 유체의 체류시간을 제어하기 위해 채널의 길이를 설정한다. 본 실시예는 채널에 대한 재설계과정에서 옆면에 해당하는 물질은 에폭시보다 접촉각이 높은 COC로 설계하게 되었으며 접촉각을 높여 변화한 채널에서의 급격한 흐름을 방지하는 것이 목적으로 COC의 접촉각은 84도로 여기에 맞춰 설계를 진행하였다. 혈장의 물성치에 맞추기 위해 입력 값은 표면 장력 0.0665, 점도 0.00135의 값을 대입하였다. 타임 게이트의 체류시간은 90초로 설계하였다. 아래는 설계한 채널을 위에서 본 형태이며 높이는 0.1mm이다. 타임 게이트 구간은 시작 위치에서 9mm ~ 12.5mm 사이에 있는 길이 3.5mm의 구간이며, 이 구간에서는 폭이 2mm ~ 2.92 mm로 확장된다. 나머지 모든 구간의 폭은 동일하다. 도 18에 도시된 바와 같이, 이 채널에 대해 FLUENT를 이용해 해석한 결과는 목표했던 흐름과 유사하게 나타났다.

도 19는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 따른 처리 공간으로 유체가 빠져나가는 모습을 해석상에서 나타낸 도면이고, 도 20은 각 채널 내 흐름을 나타낸 도면이다.

처리 공간을 설정하는 단계(S2-4)는 유체가 빠져나가는 처리 공간을 설정한다. 전술된 과정을 진행한 후 남은 부분은 처리 공간에 대한 부분이며, 이 부분으로 채널을 채운 물질이 빠져나가는 지에 대한 확인이다. 해석 결과 처리 공간으로 채널 내부의 물질이 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다.

최종 설계에서 고려할 부분은 랩 온어 칩에서 유체가 흐르는 부분의 부피다. 설계에서 목표로 한 전혈(Whole Blood)의 투입 양은 250ul이었다. 전혈에서 혈장이 차지하는 비중은 약 40%이며, 250ul 투입 시 나오는 혈장의 양은 100ul로 계산되었다. 혈장은 채널 부분은 흘러서 통과해야 하며, 또한 채널 부분과 처리 공간을 합친 부피는 흐르는 전체 혈방의 부피보다 적은 수치여야 한다. 이 외에는 채널 사이의 간격은 13mm에서 10mm로 줄이는 형태로 다시 설계하였다.

도 21과 도 22는 본 발명에 따른 랩 온어 칩의 제작 방법에 따른 채널(유로)의 형상과 치수를 기재한 평면도이다.

높이 0.1mm를 기준으로 다시 설계한 채널의 치수는 도 21과 같다.

위의 채널에서 시작 점(가장 왼쪽)에서 5mm에 이르는 구간은 필터에 걸쳐져 있다. 실제 시작점은 도 22와 같이 5mm 위치에 있다. 8mm 구간을 흐른 후 3.5mm 길이의 타임 게이트를 지나게 된다. 위의 채널에서의 전체 구간의 부피는 9.3 ul이며, 3개 채널의 부피를 합치면 27.9 ul의 부피가 나오게 된다. 채널을 흐를 것으로 예상되는 전혈의 양은 100ul로 채널의 부피의 3배가 넘으므로 채널을 통과하는 것이 가능하다.

남은 부분은 처리 공간이며, 이 구간의 부피와 채널의 부피의 합이 100ul를 넘어야하였다. 이를 토대로 설계한 결과 다음과 같은 형태로 설계되었다.

최종적으로 도5에 도시된 바와 같이, 설계는 채널과 마찬가지로 높이 0.1mm를 기준으로 하였으며 전체 구간에서 높이는 변하지 않는다. 이 공간의 부피는 3개의 채널의 부피인 27.9ul를 포함해 117.9ul 이다.

랩 온어 칩 구성 성분 조합 단계(S3)는 랩 온어 칩 유로 설계 단계(S2)를 통해 설계된 랩 온어 칩의 구성 성분을 조합한다. 여기서, 구성성분은 전술된 바와 같이, 베이스와 필터, 구동 시트, 커버, 스티커이다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 베이스 200: 필터
300: 구동 시트 400: 커버
500: 스티커

Claims

하나 이상의 유로가 형성된 랩 온어 칩으로서,
상기 유로는 일정한 높이와 폭으로 형성되어 항원-항체 반응을 수행하는 반응 챔버와,
상기 반응 챔버의 후단에 연결되며 상기 반응 챔버와 높이와 폭이 동일한 측정 공간과,
상기 반응 챔버와 상기 측정 공간 사이에 구비되며, 폭이 증가하는 타임 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 1에 있어서,
상기 타임 게이트는 상기 반응 챔버에서 연장되어 폭이 증가하며, 상기 측정 공간의 시작지점에서 상기 측정 공간의 폭과 동일해지는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 2에 있어서,
상기 반응 챔버와 타임 게이트 및 측정 공간의 높이는 0.1mm이며,
상기 반응 챔버와 상기 측정 공간의 폭은 2mm이고,
상기 반응 챔버의 길이는 13mm이며,
상기 타임 게이트의 길이는 3.5mm이고,
상기 타임 게이트의 최대폭은 2.92mm이며,
상기 측정 공간의 길이는 30mm인 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 3에 있어서,
상기 측정 공간에서 연장된 처리 공간을 포함하고,
상기 처리 공간은 사행형상(蛇行形狀)으로 형성된 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 4에 있어서,
상기 처리 공간의 높이와 폭은 상기 반응 챔버와 동일하며, 사행형상에 따라 절곡되는 영역의 내측 곡률은 0.5, 외측 곡률은 2.5인 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 5에 있어서,
상기 사행형상인 처리 공간의 시작점에서 종단점까지의 길이는 38.5mm이고, 직선 영역에서 절곡 영역까지의 길이는 7.5mm인 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 6에 있어서,
상기 유로는 3개가 구비되며,
상기 3개의 유로간의 간격은 반응 챔버 간은 10mm이고,
상기 3개의 유로가 형성됨에 따라 종단점에서 연결되는 처리 공간의 폭은 32mm인 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 7에 있어서,
상기 유로가 형성된 구동 시트와,
상기 구동 시트의 하부에 구비되어 구동 시트를 수납하는 베이스와,
상기 구동 시트와 베이스 사이에 구비되되 상기 반응 챔버의 하부에서 상기 반응 챔버와 일부 영역이 겹쳐지는 필터와,
상기 구동 시트의 상부에 구비되며 시료 투입구가 형성된 커버와,
상기 커버 상에 부착되되 상기 시료 투입구에 대응하는 개구부가 형성된 스티커를 포함하는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 8에 있어서,
상기 반응 챔버는 상기 필터와 5mm 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩.
청구항 1 내지 청구항 9에 따른 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩을 포함하는 검사 키트.
시뮬레이션 모듈로 랩 온어 칩의 설계에 대한 시뮬레이션을 수행하는 단계와,
상기 수행된 시뮬레이션에 따라 유로 설계 모듈로 랩 온어 칩의 유로를 설계하는 단계, 및
상기 설계된 유로에 따라 랩 온어 칩의 구성 성분을 조합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩 설계 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 시뮬레이션 모듈로 랩 온어 칩의 설계에 대한 시뮬레이션을 수행하는 단계는,
변위 당 폭 연산 모듈로 상기 랩 온어 칩에 형성되는 유로의 변위 당 폭을 계산하는 단계와,
유체 접촉각 설정 모듈로 상기 유로에 흐르는 유체의 특성값과 유체 접촉각을 설정하는 단계와,
유한 요소 해석 모듈로 상기 설정된 값에 따라 설계된 유로에 대한 유한 요소 해석을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩 설계 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 수행된 시뮬레이션에 따라 유로 설계 모듈로 랩 온어 칩의 유로를 설계하는 단계는,
목표 유속 설정 모듈로 상기 유로에 존재하는 채널의 목표 유속을 설정하는 단계와,
접촉각 설정 모듈로 상기 설정된 목표 유속에 따라 채널의 접촉각을 설정하는 단계와,
채널 길이 설정 모듈로 상기 채널의 길이를 설정하는 단계, 및
처리 공간 설정 모듈로 처리 공간을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩 설계 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 변위 당 폭 연산 모듈로 상기 랩 온어 칩에 형성되는 유로의 변위 당 폭을 계산하는 단계에서, 유로의 변위 당 폭의 계산은 라플라스-영 방정식과 나비에-스트로크 방정식에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 산전 트리플 마커 진단을 위한 랩 온어 칩 설계 방법.