KR20140063888A - 연속적 미세구조물을 이용한 유체 유동의 프로그래밍용 장치 및 방법 - Google Patents

연속적 미세구조물을 이용한 유체 유동의 프로그래밍용 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

미세유체 플랫폼은 유체를 회전하거나 곧게 펴기 위해 채널의 단면 내의 특정 위치(들)에 장애물을 사용하는 것을 개시한다. 유체 관성에 의한 장애물(들)의 상류 및 하류에서의 비대칭 유동 거동은 유선의 위상의 완전한 변형을 나타내고, 이는 조정 가능한 순 2차 유동(net secondary flow)을 효과적으로 생성한다. 본 시스템 및 방법은 미세채널에서 적당한 유속부터 높은 유속범위까지 강한 2차 유동을 수동적으로 생성한다. 상기 유동은 채널 내에서 장애물(들)의 수와 특정 기하학적 배치에 의해 정확하게 제어될 수 있다.

Description

연속적 미세구조물을 이용한 유체 유동의 프로그래밍용 장치 및 방법 {DEVICES AND METHODS FOR PROGRAMMING FLUID FLOW USING SEQUENCED MICROSTRUCTURES}
본 출원은 2011년 9월 30일 출원된 미국 가출원 제61/541,953호에 대한 우선권을 향유하며, 상기 출원은 전부 본 출원에 참고로 병합된다. 우선권은 35U.S.C.§119에 따라 주장된다.
본 발명의 분야는 일반적으로 유체 유동을 변경하기 위해 사용되는 미세유체 장치와 관련된다. 상술하면, 본 발명의 분야는 유체 유동 또는 입자 유동을 조정하거나 변경하기 위한 하나 이상의 미세유체 특성을 갖는 미세유체 장치와 관련된다.
미세유체 플랫폼(platform)에서의 유동 제어 및 유체 인터페이스 조작은 다양한 응용분야에서 매우 중요하다. 예를 들면, 유체 제어는 미세유체 채널 내의 정해진 횡방향 위치에 입자를 포집하거나 유체를 집중시키기 위해 이용될 수 있다. 또한 유동 제어는 유체 성분들을 혼합하고 분리하기 위해서도 사용될 수 있다. 또한 유체 흐름의 제어는 생물학적 처리 및 화학 반응 제어에도 유용하다. 일반적으로 유체를 조작하는 최근의 접근법은 복잡한 설계 또는 제작하기 어려운 3차원(3D) 플랫폼을 필요로 한다. 다른 미세유체 플랫폼은 여전히 능동소자의 결합을 필요로 한다. 게다가, 현존하는 최신식 장치는 미소규모의 레벨에서 혼합을 증가시키기 위해 혼돈을 유발하는 사고방식을 가지고 조작한다. 따라서, 이러한 접근법들은 근본적으로 유동 시스템에 무질서를 일으키고, 이는 예측 불가능한 유동 제어로 이어질 수 있다.
본 발명의 일 태양에서, 스톡스 유동(Stokes flow) 조건 하에서와 다르게, 장애물(들)을 지난 후에도 정확히 반전되지 않는 방식으로 유체를 회전하거나 연장하기 위해 채널 단면 내의 특정 위치(들)에 배치된 장애물들을 사용하는 미세유체 플랫폼 또는 장치가 개시된다. 유체 관성에 의한 장애물 상류 및 하류에서의 비대칭 유동 거동은 유선(streamline)의 위상의 총 변형을 나타내고, 이는 여러 면에서 곡면형 채널에서의 재순환 딘 유동(Dean flow)과 유사한 조정 가능한 순 2차 유동(net secondary flow)을 효과적으로 생성한다. 본 시스템 및 방법은 미세채널에서 보통의 유속부터 높은 유속 범위까지 강한 2차 유동을 수동적으로 생성한다. 상기 유동은 채널 내의 장애물(들)의 숫자와 특정 기하학적 배치에 의해 정확하게 제어 가능하다. 상기 채널 내의 유체 거동은 2차 유체 유동을 묘사하고 최종적인 관성 유동 변형을 예상하기 위해 수치적으로 시뮬레이션하고 예측 가능해서, 특정 유체 패턴이 채널 단면에 제작될 수 있다.
상기 장애물들의 연속물은 유체 흐름에 추가적인 유체 조작을 하기 위해 채널 내에서 직렬 또는 병렬로 조합될 수 있다. 중요한 것은, 상기 2차 수송의 형상 및 규모는 한 차수보다 많은 레이놀즈 수(Reynolds numbers)(또는 유속) 범위에서 장애물을 지난 후에도 상대적으로 일정하게 유지되어, 각각의 새로운 배열 형태를 시뮬레이션하지 않고도 장애물을 지난 후의 수송에 대한 하나의 맵핑(mapping)을 기반으로 프로그램된 유동장의 예측이 가능하다. 이 점에서, 이와 같은 결정적 성질에 의해 장애물들의 다양한 배열은 특정 미세유체 유동 흐름 패턴 또는 형상을 “프로그램하는 것”에 사용될 수 있다.
상기 시스템 및 방법은 미세유체 플랫폼 내에서 유체의 3차원 구조의 특별한 제어 가능성을 생성하고, 이는 유체 인터페이스 제어(예를 들면, 광유체공학) 또는 분자들의 구배(gradient)의 발생이 요구되는 응용을 상당히 발전시킬 수 있다. 또한 미세유체 채널 내에서 유체 유동의 구체적 조절은 특정한 단면 치수를 갖는 필라멘트(filament) 또는 입자를 제작하는데 사용될 수 있다. 또한 미세유체 플랫폼은 초고속 혼합 또는 열전달을 제공하는데 사용될 수 있다. 미세유체 유동은 유체 교환 용도(즉, 세포 또는 그 밖의 유사한 것 주위의 유체의 교환)에 맞도록 만들 수 있다. 추가로, 입자들의 선택적 분리는 입자에 영향을 주는 하부의 관성 양력과 상호작용하는 2차 유동에 의해 수행 가능하다.
질서를 방해하거나 방지하는 유동 변형을 적용하기보다, 본 출원에 설명된 유동 제어법 및 플랫폼은 미세유체 환경에 포함된 물체와 상호작용하는 유체의 결정성 거동에 기반을 두어 유체 유동을 프로그램하기 위해 필요하다. 유체 흐름을 폭넓은 종류의 복잡한 형태로 제작하기 위해 계층적 접근법이 선택된다. 단일한 기본적인 조작의 라이브러리(library) 주위의 유동(예를 들면, 연속적인 필러(pillar)들 주위의 유동)과 관련된 상기 관성 유동 변형은 기본적인 프로그래밍 오퍼레이터로 기능할 수 있다. 상기 변형은 장애물의 상류부터 하류까지 유체 요소의 확정적인 맵핑을 제공하므로, 관련 중첩 지도를 적용하고, 따라서 추가적인 수치적 시뮬레이션 없이 복잡한 유체 구조를 프로그램하기 위해 장애물을 연속적으로 배치할 수 있다. 그 결과, '흐름을 중심선으로 회전하기’ 또는 ‘흐름을 오른쪽으로 이동하기’와 같은 다수의 오퍼레이터들{예를 들면, 포스트(post), 필러(pillar), 또는 다른 돌기부}로 구성된 기능부가 실질적인 프로그램을 수행하기 위해 계층적으로 조립될 수 있다.
상기 흐름의 단면 형상은 (다양한 오목한 다각형, 폐쇄 링, 경사진 선과 같은) 복잡한 기하학적 구조로 만들어질 수 있고, 이동하고 분리하는 것, 급속히 혼합하는 것, 복잡한 구배를 형성하는 것, 또는 흐름으로부터 입자를 수송하는 것을 조정하는 것 및 크기에 따라 입자를 분리하는 것이 가능하다. 사용자로부터 유체 거동의 비선형 방정식의 복잡함이 추출된 유체 흐름을 프로그램하는 일반적인 전략의 도입은 컴퓨터 프로그래머로부터의 반도체 물리학의 추출이 계산(computation)에 변혁이 된 것과 같이 생물학적, 화학적 및 재료 자동화에 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법은 각각 알려진 순 2차 유체 효과를 가지는 복수의 오퍼레이터들을 라이브러리로부터 선택하는 단계, 상기 선택된 복수의 오퍼레이터들로 형성된 프로그램을 생성하는 단계 및 상기 선택된 오퍼레이터들로 형성된 프로그램을 갖는 채널을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 장치는 상류 위치에 하나 이상의 교차하는 시스(sheath) 유체 채널을 갖는 채널 및 하류 위치에 채널 내에 배치된 복수의 서로 다른 오퍼레이터들을 포함하고, 각각의 오퍼레이터는 알려진 순 2차 유체 효과를 갖는 하나 이상의 돌기부를 포함하고, 복수의 오퍼레이터들 각각은 채널 길이를 따라 서로 이격되어 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 채널 내에서 입자들 주위의 유체를 교환하는 방법은 채널 내에서 시스 유동을 개시하는 단계를 포함하고, 입자들은 운송 유체에 포함되어 있고 시스 유체에는 포함되어 있지 않다. 상기 입자들은 프로그램을 통과하고, 상기 프로그램은 입자들이 시스 유체 내에 포함되고 운송 유체에는 포함되지 않도록 입자들 주위의 유동을 변경하기 위해 채널 내에 배치된 복수의 오퍼레이터를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 채널을 이용하여 필라멘트를 형성하는 방법은 전구(precursor) 물질의 시스 유동을 채널 내에서 개시하는 단계, 소정의 방식으로 유동의 단면 형상을 변경시키는 채널 내에 배치된 복수의 필러 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 전구 물질을 통과시키는 단계 및 유체 채널 내에서 상기 전구 물질을 필라멘트로 중합시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 채널을 이용하여 3차원 입자들을 형성하는 방법은 전구 물질의 시스 유동을 채널 내에서 개시하는 단계, 소정의 방식으로 유동의 단면 형상을 변경시키는 채널 내에 배치된 복수의 필러 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 전구 물질을 통과시키는 단계 및 채널과 광원 사이에 개재된 마스크를 통하여 전구 물질의 일부분에 광원을 노출시킴으로써 채널 내에서 전구 물질을 입자들로 중합시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 채널 표면에 인접한 곳에 하나 이상의 고온 영역을 갖는 채널을 이용하여 열전달하는 방법은 채널 내에서 저온의 하나 이상의 흐름을 포함하는 유동을 개시하는 단계 및 상기 저온의 하나 이상의 흐름을 하나 이상의 고온 영역에 인접한 곳으로 이동시키기 위해 유동의 단면 형상을 변경시키는 채널 내에 배치된 복수의 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 유동을 통과시키는 단계를 포함한다.
계속해서 본 발명의 다른 실시예에서, 대상 표본(species)을 채널의 표면 위에 위치한 반응 표면에 노출시키는 방법은 대상 표본을 포함하는 유동을 채널 내에서 개시하는 단계 및 대상 표본을 반응 표면에 인접한 곳으로 이동시키기 위해 유동의 단면 형상을 변경시키는 채널 내에 배치된 복수의 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 유동을 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 채널 내에서 유체의 하나 이상의 표본의 구배를 생성하거나 변경하는 방법은 단면 방향으로 하나 이상의 표본의 최초 농도 프로파일을 갖는 유체를 포함하는 유동을 채널 내에서 유지하는 단계 및 단면 방향에서 하나 이상의 표본의 농도 형상을 변경하기 위해 유동의 단면 형상을 변경시키는 채널 내에 배치된 복수의 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 유동을 통과시키는 단계를 포함한다.
도 1a는 다양한 오퍼레이터 배열을 갖는 네 개의 다양한 미세채널을 개략적으로 도시한다.
도 1b는 복수의 오퍼레이터 배열을 포함하는 라이브러리를 도표로 도시한 것이다.
도 1c는 복수의 오퍼레이터들을 포함하는 예시적인 프로그램을 도시한 것이다. 오퍼레이터 1 및 2의 조합은 유체를 회전시키고, 반면 오퍼레이터 3 및 1의 조합은 흐름을 오른쪽으로 이동시킨다.
도 2a는 라이브러리를 생성하는 방법뿐만 아니라 미세유체 장치로 만들어질 수 있는 프로그램 배열을 생성하기 위해 라이브러리로부터 오퍼레이터들을 선택하는 단계를 도시한다.
도 2b는 어떻게 최초 상태(S)에 기초하여 다양한 오퍼레이터 기능을 선택함으로써 최종 상태(F(s))가 얻어지는지에 대한 개략적인 표현이다. 본 실시예에서, 네 개의 오퍼레이터 중 세 개의 오퍼레이터 기능(f1, f2, f3)을 사용하고, 연속적으로 처리되는 논리적 단계들인 프로그램을 도시한다.
도 3a는 포스트 또는 필러 형상의 복수의 미세구조물을 통과하는 미세유체 채널 내의 유동을 도시한다. 화살표 도표는 유체 덩어리가 입력 단면(상류)에서 출력 단면(하류)으로 이동함에 따른 평균적인 횡방향 속도장을 도시한다. 또한 도 3a는 미세 유체 채널을 통과하는 유체 유동에 대해 입구에서, 10개의 필러를 통과한 후, 20개의 필러를 통과한 후, 그리고 30개의 필러를 통과한 후의 단면 이미지를 도시한다.
도 3b는 총 순환의 위치가 필러의 위치에 의해 제어되는 다섯 개의 다양한 필러 배열을 도시한다. 각각의 필러 배열 상부에는 수치적 시뮬레이션으로 예측된 총 변형 화살표 도표를 보여준다. 하부는 각각의 필러 배열에 대한 다양한 하류 위치에서의 미세유체 채널의 공(共)초점 단면 이미지이다.
도 4a는 필러 근처에서 채널을 따라 스톡스 유동과 관성 유동의 발달에 대한 비교를 도시한다(채널의 오른쪽 상부 1/4 영역을 도시함).
도 4b는 레이놀즈 수(Re)에 대한 함수로 나타낸 σ(하부 유속에 의해 정규화된 최대 유체 전달)의 그래프이다.
도 4c는 네 가지 서로 다른 레이놀즈 수에서 채널의 1/4 영역에 대해 수직의 입구 유선의 집합 및 그 유선의 변형에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다. Z=0에서 유선에 대한 평면도는 Re가 증가함에 따른 필러 후면의 소용돌이 생성을 보여주고, 이것은 Re에 따라 σ가 증가하다 감소하는 변화와 대응한다. 정면도는 입구(점선으로 표시됨, x/D = -4), x=0인 지점(점선으로 표시됨, x/D = 4) 및 출구(실선으로 표시됨)로 추적된 유체 덩어리의 최초 수직선의 윤곽에 대해 도시한다. 실선은 채널 벽을 도시하고 쇄선은 채널 대칭을 가리킨다. 회색 영역은 채널의 1/4 영역 각각에서 필러의 1/4에 대한 윤곽선을 도시한다.
도 4d는 변형을 유발하는 장애물이 직선 채널의 중심선에 있는 실린더형 필러인 단순화된 케이스에 대한 네 개의 지배적인 조작 유형을 보여주는 관성 유동 변형의 위상도를 도시한다. 무차원 분석은 세 가지 독립적인 무차원 그룹의 집합이 특정 상태(축에 도시됨)를 형성하는데 필요하다는 것을 입증한다. 위상도는 주어진 무차원 그룹에서 또는 동등하게 주어진 유동 조건 및 형상 파라미터에서 어떤 유형이 시행되는지를 도시한다.
도 4e는 실험적으로 얻어진 네 가지 유형에 대한 공초점 단면 이미지를 도시한다. 채널의 1/4 영역에 대한 유동 패턴을 도시하는 상기 이미지들에는 조작 유형에 대한 거동의 방향을 지시하는 화살표가 중첩된다.
도 5a는 미세유체 채널 내의 다양한 위치에 중심을 두는 필러의 횡방향 위치에 대한 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 방식을 사용하여 선택된 필러의 위치를 기반으로 한 네 개의 다양한 프로그램(즉, 관심 있는 흐름의 입구 조건 및 필러들의 배열)을 도시한다. 각각의 프로그램 아래에 도시된 것은 실험적 관찰뿐만 아니라 수치적 예측에 기초한 각각의 단면 유동이다. 수치적 해석은 필러들의 배열을 둘러싼 유동에 대한 전체 유한 요소 시뮬레이션을 기반으로 하지 않고, 라이브러리로부터 선택된 기본 오퍼레이터들의 연속적인 맵핑을 기반으로 한다.
도 5c는 여덟 개의 다양한 프로그램뿐만 아니라 다양한 프로그램에 의해 생성될 수 있는 다양한 기하학적 형상을 나타내는 각각의 단면 흐름을 도시한다.
도 5d는 운송 유체 안에 포함된 입자들이 장애물 배열을 통과한 후에 운송 유체로부터 분리되는 미세유체 채널의 각각의 입구 및 출구 이미지를 도시한다. 배열의 마지막 장애물은 “출구” 이미지에서 도시된다.
도 5e는 10 μm 크기의 입자들은 중심선 근처에 집중된 채 유지되고, 반면 1 μm 크기의 입자들은 측면으로 이동한 유체 흐름을 따라가서 결과적으로 두 집단으로 분리되는 것을 도시한다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 입자 주위의 유체를 교환하는데 사용되는 미세유체 채널을 도시한다.
도 6의 (b)는 필러에 도달하기 전, 미세유체 채널 내에서 관성 집중된 입자들과 유체를 보여주는 단면도를 도시한다.
도 6의 (c)는 제1 프로그램을 통과한 후의 입자들 및 유체를 보여주는 단면도를 도시한다.
도 6의 (d)는 제2 프로그램을 통과한 후의 입자들 및 유체를 보여주는 단면도를 도시한다.
도 6의 (e)는 도 6의 (a)의 미세유체 장치와 연결된 출구모습을 도시한다.
도 7은 미세유체 채널의 입구 및 출구에서 찍은 형광 이미지를 도시하는데, 상기 미세유체 채널은 단일의 형광색으로 지시된 흐름을 출구에서 세 개의 흐름으로 분리하도록 하는 프로그램과 결합하여 시스 유동을 사용한다.
도 8은 흐름의 미세유체 혼합에 대한 공초점 단면도를 도시한다.
도 9의 (a)는 주문 제작한 단면 형상을 갖는 중합 섬유를 제작하기 위한 프로그램된 유체 유동과 함께 시스 유동을 사용하는 장치를 기반으로 하는 미세유체 채널을 도시한다.
도 9의 (b)는 시스 유체 내에 나란히 배열된 폴리머(polymer) 전구 물질의 단면도를 도시한다.
도 9의 (c)는 미세유체 채널의 프로그램된 영역을 통과한 후의 폴리머 전구 물질의 단면형상을 도시한다.
도 9의 (d)는 폴리머 전구 물질로부터 생성되고, 원하는 형상으로 제작된 후 중합반응을 거친 후의 섬유를 도시한다.
도 10의 (a)는 3차원 입자들을 제작하기 위해 프로그램된 유체 유동과 함께 시스 유동을 사용하는 장치를 기반으로 하는 미세유체 채널을 도시한다.
도 10의 (b)는 시스 유체와 나란히 배열된 전구 물질의 단면도를 도시한다.
도 10의 (c)는 유체가 하나 이상의 프로그램(들)의 일부로서 하나 이상의 오퍼레이터를 지남으로써 생성될 수 있는 세 개의 다양한 유형의 프로그램된 유체 형상을 도시한다.
도 10의 (d)는 미세유체 채널 내에서 모양을 갖는 유동 위에 마스크를 통하여 빛을 노출시킴에 의한 개별적인 입자의 형성 과정을 도시한다.
도 10의 (e)는 도 10의 (a)의 미세유체 채널 장치의 출구를 도시한다.
도 11의 (a)는 차후의 유동 세포분석법과 같은 광학적 호출 또는 유체 흐름의 확산을 감소시키기 위한 집중된 유체 흐름을 생성하는데 사용되는 미세유체 채널을 도시한다.
도 11의 (b)는 최초에 설정된 시스 유동 단면을 도시한다.
도 11의 (c)는 프로그램이 적용된 후의 집중된 흐름의 단면도를 도시한다.
도 12는 두 개의 고온 지점 또는 영역에 인접하여 두 개의 저온 흐름을 생성하기 위해 유동을 분리하는 것에 사용되는 미세유체 채널을 도시한다.
도 13a는 채널 체적의 약 절반에 놓인 대상 표본과 함께 상부면 및 하부면에 결합체를 갖는 미세유체 채널의 단면도를 도시한다.
도 13b는 대상 표본이 상부표면 및 하부 표면에 인접하여 집중되고 있는 상태로 상부면 및 하부면에 결합체를 갖는 미세유체 채널의 단면도를 도시한다.
도 13c는 비특이적 결합 분자들이 상부면 및 하부면에서 벗어난 곳에 집중된 상태로 상부면 및 하부면에 결합체를 갖는 미세유체 채널의 단면도를 도시한다.
도 14는 일정한 구배를 갖는 유체 플러그(plug)의 (상부)단면 이미지를 도시한다. 도 14는 미세유체 채널에서 각각 유체 플러그의 서로 다른 구배를 생성하는 두 개의 서로 다른 프로그램(A 및 B)을 더 도시한다.
도 1은 일반적으로 미세유체 채널(12)과 같은 채널 내를 흐르는 유체 흐름(10)의 단면을 선택적으로 형성하는 방법 및 기술을 개략적으로 도시한다. 상기 방법은 세 가지 구성요소, 즉 ①미세유체 채널(12) 내에서 유체 덩어리의 횡방향 위치를 국부적으로 변경하기 위한 접근법 집합인 오퍼레이터들(O1, O2, O3), ②각각의 개별적인 오퍼레이터가 작용한 유동의 변형의 집합인 라이브러리 및 ③유체에 연속적인 변형을 적용하여 좀 더 복잡한 형태를 위한 규칙인 오퍼레이터들의 배열을 나타내는 프로그램을 포함한다. 상기 오퍼레이터들의 배열은 오퍼레이터 각각이 유동에서 독립적으로 작용하는 것으로 추정될 만큼 서로 충분히 멀리 떨어져 있는 유동 변형 요소들의 배열에서 물리적으로 나타난다.
도 1a는 일반적으로 화살표 A로 표시된 유동 방향에 수직 배향된 국부적인 순 2차 유동을 생성하는 네 가지 예시적 오퍼레이터들(O1, O2, O3, O4)을 도시한다. 오퍼레이터는 미세유체 채널(12) 내에서 유체의 국부적인 횡방향 거동을 얻는 다양한 접근법을 포함할 수 있다. 오퍼레이터는 스트룩(Stroock)등에 의해 개시된 것과 같이 홈 주위의 유동 영역에서 나선형 거동을 생성하기 위해 대각선 방향으로 기울어진 홈을 갖는 구조적인 채널을 포함한다. 본 발명에 참고로 병합된 스트룩 등의 논문{미세채널용 카오틱 믹서(Chaotic mixer for Microchannels), 사이언스, 2002년1월25일, 295권, 제5555호, 647-651쪽}을 보아라. 또한 오퍼레이터는 도 1a에서 도시된 바와 같이 하나 또는 복수의 포스트(13)(또는 필러) 또는 원통형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 타원형, 반원형, 또는 다른 단면 형상의 장애물 및 미세유체 채널(12)의 전체 단면을 가로지르는 다양한 직경의 장애물을 포함한다. 개별 오퍼레이터의 단면 형상은 그 길이를 따라 균일하거나, 또는 그 대신에 단면 형상이 변할 수 있다. 또한 오퍼레이터는 미세유체 채널(12)의 전체 단면을 가로지르지 않고, 단면의 약 10% 내지 약 90%인 어느 부분에서 직경이 변하는 부분적인 포스트(13)를 포함한다. 또한 오퍼레이터는 하나 이상의 계단을 포함한다. 또한 오퍼레이터는 일반적으로 국부적인 2차 유동(즉, 주된 유체 거동에 수직한 유동)을 형성하는 미세유체 채널(12) 내에 배치된 임의의 돌기부 또는 불규칙성을 포함한다. 이러한 물리적 오퍼레이터는 전체 층류 유동(laminar flow) 범위(결정적 유동 조작이 근본적으로 가능한 유일한 영역)에서 유체 유동을 조작하는 것으로 알려져 있다. 본 출원에 개시된 유체 프로그래밍 기술은 넓은 범위의 유속(예를 들면, Re는 대략 1 내지 500)에서 유동 방향으로 거울면 대칭을 갖는 돌기부에 대해 사용 가능하고, 홈과 같이 유동방향에 대해 비대칭인 구조에 대해서는 레이놀즈 수(Re)가 0(스톡스 유동)까지 내려간다.
도 1a와 같이, 네 가지 서로 다른 오퍼레이터가 도시되어 있고, 각각의 오퍼레이터(O1, O2, O3, O4)는 미세유체 채널(12) 내에서 서로 다른 횡방향 배열로 배치된 복수의 포스트를 갖는다. 그러나 상기 오퍼레이터들은 본 출원에 기재된 방법 및 플랫폼과 관련하여 사용될 수 있는 오퍼레이터의 한 유형을 예시한다. 오퍼레이터의 한 실시예로서 본 출원에 도시된 것과 같이, 미세유체 채널(12) 내에서 채널 단면내의 서로 다른 위치에 배치된 상대적으로 간단한 장애물(예를 들면, 원통형 필러)은 보통의 유속에서 빠른 유속의 범위까지 (스톡스 유동에 대한 직관과는 달리) 필러를 지난 후에도 바로 반전되지 않는 방법으로 유선을 회전하거나 연장하려는 경향이 있다. 유체 관성에 의한 장애물 상류 및 하류에서의 비대칭 유동 형상은 유선의 위상의 완전한 변형을 나타내고, 이는 곡면형 채널에서의 재순환 딘 유동(Dean flow)과 유사한 조정 가능한 순 2차 (수직의) 유동을 효과적으로 생성한다. 중요한 것은, 상기 2차 수송은 한 차수보다 많은 레이놀즈 수(또는 유속)에서 각각의 하류 거리에 대해 상대적으로 일정하게 유지되고, 각각의 새로운 배열에 대해 시뮬레이션하지 않고도 필러를 통과한 후의 수송에 대한 하나의 맵핑에 기초하여 프로그램된 유동장의 예측을 쉽게 할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예로서, 헤링본(herringbones)과 같은 구조(채널 벽에 이격된 각이 있는 홈의 배열)는 저속에서 보통의 유속에 대해 유체 유동을 프로그램하는데 사용될 수 있다.
이제 도 1b를 참조하면, 오퍼레이터들의 라이브러리(L)는 각각의 오퍼레이터에 대응하는 다수의 개별적인 변형 맵(map)으로 구성된다. 각각의 변형 맵은 채널 단면의 각 위치에서 상기 오퍼레이터와 상호작용(예를 들면, 실린더형 장애물을 빨리 흐르는 것)하는 유체 덩어리의 변위를 고해상도로 제공하는 벡터(vector)의 2D 행렬로 구성된다. 변형 맵은 미세유체 채널(12)의 단면에서 유체 덩어리의 횡방향 거동을 찾기 위해 비압축성 내비어-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation)의 유체 동역학적 수치적 시뮬레이션 및 (이는 유동의 정상상태 특성을 고려하여 경로와 동일한)유선의 추적으로부터 얻을 수 있다. 예를 들어, 포스트 또는 필러를 둘러싼 유체 유동의 유체 동역학적 시뮬레이션은 일 실시예에서 사용된다. 오퍼레이터의 라이브러리는 적게는 네 개 내지 가장 일반적인 경우 채널 크기 및 유동 조건뿐만 아니라 다양한 필러 형태, 크기 및 위치의 결합에 의해 수 만개의 오퍼레이터를 포함한다. 좀 더 상세하게 아래와 같이, 라이브러리의 한 실시예는 하나의 유동 조건에 대해 미세유체 채널(12) 단면 내에서 실린더형 필러의 8개 위치에 대응하는 8개의 개별적인 오퍼레이터를 포함한다. 일반적으로, 미세유체 채널(12)의 단면 전체에 걸쳐 유체 거동에 영향을 주는 충분한 오퍼레이터를 포함한다면 라이브러리(L)는 완전한 것으로 간주될 것이다. 즉, 프로그램에서 복수의 오퍼레이터들의 배열이 유체 흐름의 연속적인 변형 및 채널 단면 전체에 걸친 임의의 단면 형상의 생성을 허용하도록 유체 조작이 부분적으로 중복되는 영역을 갖는, 채널을 가로질러 공간적으로 위치한 오퍼레이터들이 있어야 한다.
도 1c와 같이, 프로그램(P)은 라이브러리(L)에서 나온 오퍼레이터들의 배열로부터 개발될 수 있다. 프로그램은 유체의 전체적인 변형을 산출하는 소정의 순서로 사용자에 의해 규정된 일련의 변형 맵을 주어진 순서로 적용할 것이다. 예를 들면, 도 1c의 프로그램(P)에서 오퍼레이터 O1 및 O2의 연속적인 조합은 유체를 회전하는데 사용되고, 반면 다음 오퍼레이터인 O3 및 O1는 유체를 오른쪽으로 이동하는데 사용된다. “기능부”로서 더 복잡한 변형을 수행하는 배열에서 이러한 오퍼레이터의 더 작은 부분 집합이 개발될 수 있고 계층적으로 조합될 수 있다. 물리적으로, 상기 프로그램은 채널에서 서로 다른 횡방향 위치에 중심이 있는 일련의 원통형 장애물이 있는 채널로 나타난다. 오퍼레이터들(예를 들면, 장애물들) 사이의 거리는 유체가 동적으로 독립적으로 행동하도록(즉, 그 효과는 유동 방향으로 공간적으로 중첩되지 않는다) 주의해야 한다. 상기 최적의 거리는 유동 조건에 따라 다르나, 흔히 필러 직경의 약 4배 내지 15배 거리이다. 유동은 (벽으로 구분된) 다수의 미세유체 채널(12)로 분할될 수 있고, 또는 채널을 확장함으로써 유동을 확대할 수 있고, 뿐만 아니라 독립된 프로그램이 채널에서 병렬로 유체 흐름의 부분에 작동한다. 그 다음, 미세유체 채널(12)은 좀 더 복잡한 조작을 수행하기 위해 필요한 경우 재결합될 수 있다. 프로그램은 사용자가 유체 동역학에 대한 지식이 거의 없어도 라이브러리로부터 설계될 수 있다.
전반적으로, 상기 방법은 미세유체 채널(12) 내의 3차원(3D) 유체 구조의 우수한 제어 가능성을 생성하고, 상기 방법은 의료진단 및 건강 감시부터 화학, 열관리 및 재료과학 분야의 유체 인터페이스 제어 또는 조작이 필요한 곳에서 다양한 응용을 상당히 진전시킬 수 있다.
도 2a를 참고하면, 컴퓨터(14)는 유체가 단일 또는 연속적인 다중 오퍼레이터들(예를 들면, 포스트 또는 필러)을 지나는 결과인 유동 변형을 수치적으로 예측하는데 이용될 수 있다. 시뮬레이션은 안정화된 유한 요소법(FEM)을 기반으로 수행될 수 있다. 시뮬레이션에서, 추가적인 시간 집약적이고 복잡한 FEM시뮬레이션 없이 미세유체 채널(12) 내에 오퍼레이터들이 적절히 이격되면, 간략한 수치적 맵핑 프로그램에서 일련의 각 오퍼레이터의 출력은 다음 또는 후속 오퍼레이터에 대한 입력으로 얻어진다. 도 2a와 같이, 컴퓨터(14)는 오퍼레이터들(100)에 대해 수치적으로 시뮬레이션할 수 있다. 그 다음, 상기 수치적 시뮬레이션(100)은 다양한 소정의 유동 거동 또는 상태를 생산하는 오퍼레이터의 라이브러리(110)를 발생시킬 수 있다. 상기 라이브러리(110)는 컴퓨터(14)가 접근할 수 있거나 컴퓨터(14)에 포함된 데이터베이스 또는 그와 비슷한 것에 포함될 수 있다. 예를 들면, 소프트웨어는 사용자가 오퍼레이터의 라이브러리에서 나온 구입된 유체 유동 프로그램을 구축할 수 있는 컴퓨터(14)에서 구동된다. 이들은 하나 이상의 오퍼레이터와 관련된 특정 유동 특성과 연관되는 소프트웨어에 사용자 친화적인 형태로 포함된다. 예를 들면, 사용자는 라이브러리에서 “유체 흐름을 오른쪽으로 이동하기”에 사용되는 단일 오퍼레이터 또는 일련의 오퍼레이터들로 구성된 기능을 선택할 수 있다. 사용자는 어떠한 유체역학에 대해서도 알 필요가 없고 유체 효과에 대해 다시 모델링 할 필요가 없는데, 이는 이미 라이브러리 구축시 수행되었기 때문이다. 미세유체 채널(12) 내에서 원하는 유동 또는 프로그램된 유동을 생성하기 위해, 하나 이상의 오퍼레이터는 도 2a의 조작 120과 같이 라이브러리에서 선택된다. 일단 오퍼레이터의 라이브러리가 생성되고 저장되면 {예를 들면, 컴퓨터(14) 내 또는 다른 곳에}, 그 다음 사용자는 유동 형태를 구축하거나 설계하기 위해 사전 시뮬레이션된 상기 라이브러리를 사용할 수 있다는 점이 중요하다. 사용자는 오퍼레이터에 의해 발생한 유체 역학 또는 수치적 시뮬레이션에 대해 어떠한 지식도 가질 필요가 없는데, 이는 이미 라이브러리의 부분으로써 생성되고 컴파일되었기 때문이고, 라이브러리는 원하는 유체 유동을 생성하기 위한 도구로써 이용될 수 있다. 오퍼레이터의 배열이 수립되는 조작 130에서와 같이 프로그램이 생성되고, 상기 프로그램은 미세유체 채널(12)의 초기 조건을 기반으로 원하는 유체 출력을 생산할 것이다. 유체 흐름의 입구 위치 및 유체 흐름의 폭에서 미세유체 채널(12)의 입구 조건이 수정될 수 있다. 그런 다음 프로그램된 형상을 갖는 미세유체 채널(12)을 구비하는 장치는 조작 140과 같이 제작될 수 있다.
제한된 오퍼레이터의 집합(예를 들어, 필러 크기, 형태, 횡방향 위치, 채널 크기)에 대한 변형 기능을 가짐으로써, 컴퓨터(14)는 임의의 잠재적 프로그램(무한대의 경우가 있음)의 총 변형 기능을 예측할 수 있다. 따라서, 사용자는 사전 시뮬레이션한 거동의 라이브러리를 사용할 수 있고, 상기 라이브러리를 순서대로 배치하여 관심 있는 유동 형태를 유체 역학 또는 수치해석에 대한 지식 없이 저비용 고정밀도로 신속하게 설계할 수 있다. 음표의 이산화(discretization)와 유사한 오퍼레이터의 체계적 이산화는 프로그램의 추출 및 계층적 조합을 가능하게 하여 복잡한 유체 시스템을 설계하는 능력을 증가시킨다. 그러므로, 각각의 프로그램은 단순히 미세유체 채널(12)의 입구 조건 및 프로그램당 개발된 오퍼레이터의 배열을 사용하여 의사소통된다.
도 2b는 원하는 출력 유동 결과를 만들어 내기 위해 어떻게 일련의 개별적인 오퍼레이터들이 결합되는지 개략적으로 도시한다. 도 2b는 복수의 서로 다른 개별적인 오퍼레이터 맵(f1, f2, f3)을 포함하는 구문 라이브러리(syntax library)(200)를 도시한다. 각각의 오퍼레이터 맵은 다양한 유동 변형 결과를 만들어 내는 포스트, 필러 또는 다른 돌기부의 하나 이상의 다양한 형태를 포함한다. 비록 복수의 포스트들(또는 다른 돌기부)은 라이브러리에 저장될 수 있는 기능을 형성하는 것으로 이해되더라도, 예를 들어 도 2b는 각각의 오퍼레이터 맵(f1, f2, f3)에 대해 이를 채널 내의 필러(또는 다른 돌기부)의 서로 다른 위치로 도시한다. 또한, 오직 세 개의 오퍼레이터 맵을 도시하였지만, 구문 라이브러리(200)에는 어떠한 숫자의 오퍼레이터 맵도 존재할 수 있다. 도 2b에 도시된 예에서, 최종 유체 변형 맵(F(s))는 초기 조건(S)을 기반으로 생성된다. 일반적으로 초기 조건(S)은 프로그램의 입구에서 유체 덩어리의 배열 형태를 의미한다. 좀 더 구체적으로, 장치를 통해 입력이 될 개별 흐름의 수의 성질과 대응된다. 예를 들면, 입구 유체 덩어리의 집합(예를 들어, 입자들을 포함하고 폭이 15 μm인 중앙 흐름을 갖는 세 개의 흐름)인 개별적인 흐름의 숫자와 상기 흐름 각각의 폭 및 위치를 포함한다. 도시된 실시예에서, 최종 유체 변형 맵(F(s))은 네 개의 논리적 단계에서 세 개의 분리된 오퍼레이터 맵(f1, f2, f3)을 연속적으로 결합하여 조립될 수 있고, 네 개의 논리적 단계는 제 2차 오퍼레이터 맵(f2)으로 먼저 시작하고, 뒤이어 제1 오퍼레이터 맵(f1), 뒤이어 제3 오퍼레이터 맵(f3), 마지막으로 뒤이어 제2 오퍼레이터 맵(f2)으로 구성된다. 그러므로, 최종 유체 변형 맵(F(s))은 f2(f3(f1(f2(s))))와 동일하다.
실험예
미세유체 구조물의 배열을 이용하여 유체 유동을 프로그래밍하는 능력을 조사하기 위해, 미세유체 채널 내의 흐름과 교차하는 다양한 위치에 실린더를 배치하였고, 그렇게 함으로써 프로그래밍 제도에서 오퍼레이터로 작용하였다. 이러한 기하학적 장애물은 유동에 상당한 변형(유체 덩어리를 국부적으로 이동시키거나 유체 흐름을 변형시키는 유용한 순 회전 2차 유동을 생성하는 것)을 유발할 수 있다. 주로 유체 관성은 중요하게 고려되지 않기 때문에, 특히 이전의 미세유체 시스템에서는 필러를 둘러싼 유체의 순 왜곡은 무시되었다. 직선 채널에서 관성을 무시한 필러 둘레의 유동(즉, 스톡스 유동)은 거동의 선형 방정식의 시간 반전에 따른 거울대칭 유동 때문에 앞뒤 대칭을 필요로 한다. 그러므로, 채널 단면 내에 지향된 임의의 2차 유체 거동은 실린더 중간면을 통과한 후 완전히 반전된다.
스톡스 유동에 대해 미세 필러를 통과하여 완전히 반전되는 유체 거동과 달리, 유한한 관성을 갖는 유동은 유체 흐름의 순 변형을 동반한다. 수치적 시뮬레이션은 유체가 직선 미세채널에서 중앙에 위치하는 필러를 통과함에 따라, 상부벽 및 하부벽 부근의 유체 덩어리가 채널 중심을 향해 이동하는 반면, 채널 중심선 근처의 유체 덩어리는 측벽을 향해 바깥쪽으로 이동하는 방식으로 유체가 변형되는 것을 예측한다. 실험적으로 검증한 이러한 현상은 미세유체 채널 내에서 순 회전 2차 유동을 효과적으로 생성한다. 그 결과, 유동은 비가역적으로 왜곡되고, 필러 주변의 앞뒤 대칭성을 잃고 유동 흐름의 상당한 최종 변형을 유발한다. 상기 현상은 유한 관성을 갖는 곡면 채널에서 형성되는 2차 유동(딘 유동)(Dean flow)과 유사한 특성을 가지고 있다. 두 현상은 모두 관성에 의해 유발되고, 곡선으로 흐르는 유동 영역은 상이한 운동량 수준을 갖도록 밀폐된 3D채널이 제공하는 높은 속도의 구배가 필요하다.
미세유체 장치는 비록 당업자에게 공지된 바와 같이 유리, 열경화성 또는 열가소성 재료로 제조될 수 있지만, 폴리디메틸실록산(PDMS) 복제본 성형과정을 이용하여 제조되었다. 표준리소그래피 기법은 SU-8포토레지스트(마이크로켐 사, MicroChem Corp.)로 마스터 스핀 코팅한 실리콘으로부터 주형을 제조하기 위해 사용되었다. PDMS 칩은 실가드 184 엘라스토머 키트(다우 코닝 사, Dow Corning Corporation)를 이용하여 상기 주형으로부터 제조되었다. 입구 홀(hole)과 출구 홀은 핀 바이스(테크니컬 이노베이션 사, Technical Innovations, Inc.)를 사용하여 PDMS를 관통하여 천공하였다. PDMS 및 유리는 공기 플라즈마(플라즈마 클리너, 해릭 플라즈마)에 의해 활성화되었고, 채널을 둘러싸기 위해 함께 결합하였다. 채널의 PDMS 벽체를 보기 위해, PDMS에 스며드는 로다민 B 적색 염료를 채널에 주입하고 실험 전에 세척하였다. 포스트나 필러를 사용한 기본 실험의 경우, 미세유체 채널의 크기는 직경이 100μm인 필러를 인접한 필러로부터 1mm씩 이격하여 배치한 상태로 200μm(폭) x 50μm(높이)이었다. 미세유체 채널 및 돌기부의 제조가 제시되어 있지만, 유체 변형 및 프로그래밍 현상은 레이놀즈 수 및 다른 무차원 파라미터가 기술된 범위 내에서 유지되는 한 다양한 길이 규모와 제조 공정에 대해 확장 가능하다. 대칭 돌기부의 경우, 유동은 층류 유동 범위(예를 들면, 1<Re<2000)에 있어야 한다. 필러에 대해 상당한 변형 규모를 얻기 위해서, 표준화된 필러 직경(필러 직경을 채널 폭으로 나눈 것)은 약 0.05보다 커야 한다. 더 작은 Re는 홈과 같은 비대칭 돌기부에 대해 사용 가능하다.
시각화하기 위해, 유체 흐름은 FITC Dextran 500kDa(탈이온화수에 4 μM) 또는 청색 식품 염료를 혼합하였다. 형광성의 단분산된 입자들(1 μm 및 10 μm, 1.05 g/ml) 은 듀크 사이엔티픽(Duke Scientific)으로부터 구입하였다. 입자들은 탈이온수에 혼합되었다.
유체 흐름 및 입자 현탁액은 주사기 펌프(Harvard Apparatus PHD 2000)를 사용하여 PEEK 배관(Upchurch Scientific Product No. 1569)을 통해 상기 장치로 펌핑하였다. 상기 장치는 넓은 범위의 유속에서 효과적으로 작동하고, 특히 분당 100 ㎖ 내지 분당 500 ㎖ 범위(Re는 약 6 내지 60 범위임)에서 잘 작동된다.
공초점 이미징은 라이카 반전 SP1 공초점 현미경을 사용하여 수행하였다. 공초점 이미지는 8개의 y-z 스캔의 평균이다. 형광성 이미지는 니콘 이클립스 티타늄 현미경 위에 장착된 포토메트릭 쿨스냅 HQ2 CCD(Photometrics CoolSNAP HQ2 CCD) 카메라를 사용하여 기록되었다. 이미지는 Nikon NIS-Elements AR 3.0 소프트웨어를 사용하여 획득하였다. 고정밀 관측 및 측정을 위해, 고속 이미지들은 팬텀 v7.3 (Phantom v7.3) 고속카메라(비전 리서치 사, Vision Research Inc.) 및 팬텀 카메라 제어 소프트웨어를 사용하여 기록되었다.
도 3a는 필러형 미세구조물(13)에 의해 유발된 국부적인 관성 유동 변형을 개략적으로 도시한다. 도 3a의 화살표도는 유체 덩어리가 입측 단면(상류)에서 출측 단면(하류)을 흐름에 따른 평균적인 횡방향 속도장을 도시한다. 또한 도 3a는 유체가 미세유체 채널을 통과하면서 입구측, 10개의 필러(13)를 지난 후, 20개의 필러(13)를 지난 후, 30개의 필러(13)을 지난 후의 유체 유동 단면 이미지를 도시한 것이다.
도 3b는 총 순환의 위치가 필러 위치에 의해 제어되는 다섯 개의 다양한 필러 구성을 도시한다. 각각의 필러 구성 상부에는 수치적 시뮬레이션에 의해 예측된 각각의 최종적인 변형 화살표도를 보여준다. 아래는 각각의 필러 구성에 대해 서로 다른 하류 위치에서의 미세유체 채널의 공초점 단면 이미지이다. 각각의 필러 배열의 횡방향 배치는 각각의 이미지 패널에 인접한 곳에 보인다. 세 개의 형광색으로 표지된 스트림은 관측을 위해 추적된다. 도 3b와 같이, 채널의 중간에서 측면까지 필러의 중심을 배치시킴으로써, 최종적인 재순환 유동의 횡방향 위치는 유사하게 배치된다.
그러나 딘 유동과는 대조적으로, 도 3b와 같이 필러의 횡방향 위치는 최종적인 재순환 유동이 채널을 가로질러 어디에 생성되는지 조정하는데 사용될 수 있다. 필러의 배열을 채널을 가로질러(y방향에서) 이동하면 거동의 중심도 따라간다. 상기 위치결정은 유발된 변형의 공간적 제어를 가능하게 하고, 예를 들면 중앙 필러들(도 3b, 이미지 i)을 측면 반필러 쌍(도 3b, 이미지 v)으로 대체함으로써 순 2차 유동의 방향이 역전된다.
유도된 변형의 대부분은 배열의 각각의 개별적인 필러에 의한 변형이 독립적으로 행동하도록 필러 사이가 효과적으로 이격되게 규정된 유동 조건에 대해 필러 직경의 4배 안에서 발생한다. 채널을 따라 필러 근처의 스톡스 유동 발달과 관성 유동발달과의 수치적 비교는 필러의 존재가 유선의 변형을 일으킨다는 것과 스톡스 유동에서 상기 변형은 거울 대칭 시간 반전 정리에 따라 앞뒤 대칭성을 가지나, 관성의 존재에서는 대칭성이 깨지는 것을 나타낸다.
이것은 관성 유동 변형 및 작동 체제를 도시한 도 4a에서 관찰할 수 있다. 도 4a는 채널을 따라 필러 근처의 스톡스 유동 변형 및 관성 유동 변형의 비교를 도시한다(채널의 상부 오른쪽 1/4부분을 도시함). 각각의 단면에서, 수치적 시뮬레이션을 이용하여, 장애물을 지나 안정한 상태에 도달하기까지 추적 유체 덩어리의 다섯 개의 수직선이 뒤에 따른다. 스톡스 유동에 존재하는 변형의 앞뒤 대칭성은 관성의 존재에서 깨진다.
상류에서, 관성 유동은 스톡스 유동에 비해 크게 발산하지 않는다. 필러의 하류에서 관성 유동은 최초의 유체 위상과 비교하여 큰 변형을 생성하면서 스톡스 유동으로부터 크게 벗어나는데 반해, x=0(즉, 필러 중심의 위치)에서 두 유동은 거의 일치한다. 상기 회전 거동은 하류로 필러 직경의 약 3배 내지 4배에서 포화되고, 그래서 필러를 연속하여 배치했을 때 필러 이전의 하류의 유동 프로파일이 다음 필러의 상류 프로파일에 상호작용하지 않았다는 것을 확인하기 위해 필러 사이의 이격 거리가 필러 직경의 10배로 설정하였다. 이러한 방법으로 각각의 필러에 의해 수행되는 변형은 결합된 배열의 유체 동역학 시뮬레이션이 필요한 독립적인 조작 사이의 혼선 없이 순차적으로 적용될 수 있다.
유한 레이놀즈 수의 층류 유속 범위에서 관성 유동 변형의 비교적 균일한 거동은 프로그래밍에 중요한 특징이다. 레이놀즈 수는 유동의 점성력에 대한 관성력의 비이다.
Re = ρUH/μ
상기 수식에서, H는 수력 직경 또는 채널의 특징적 크기이고, U는 유체의 평균 하류 속도, ρ는 밀도, μ는 점성도이다. z=0인 채널의 중간으로부터 벗어난 곳의 유동 변형의 크기는 다양한 유동과 기하학적 조건에 대한 횡방향 유체 거동의 양을 정량적으로 비교하기 위해 사용될 수 있는 σ로 정의된 표준화된 값에 의해 측정될 수 있다. σ는 주된 유동의 하류 속도의 평균값으로 표준화된, z=0(채널의 중간높이)에서의 총 횡방향 속도의 평균값으로 정의되고, 또는 다음과 같이 표현된다.
Figure pct00001
이것은 본질적으로 유체가 하류로 이동한 단위 길이당 유체가 횡방향으로 (채널의 중간 면에서 평균적으로)이동한 거리의 척도이다. σ 는 도 4b와 같이 한자릿수의 조건(Re는 대략 6 내지 60)에서 일정하게 유지되고, 오직 2 내지 3의 계수만 변한다. 더욱이, 단일 직경 필러를 갖는 넓은 범위의 유속에서 순 2차 유동이 일관되게 거동하는 반면, 필러 직경을 조정함으로써 σ는 가변인 것이 밝혀졌다. Re에 대한 함수로서 유동의 세밀한 조사(도 4c)는 작은 채널 레이놀즈 수에 대해 유동은 어떠한 인식할 수 있는 유동 변형 없이 스톡스 유동과 유사하게 거동한다는 것을 드러낸다(도 4c의 이미지ⅰ, Re=0.08). 구조가 있는 채널을 이용하여 유동을 변형하는 다른 방법은 이러한 조건과 상호보완적이나, 이러한 접근법은 Re가 증가함에 따라 덜 효과적으로 작동한다. 반대로, 본 발명에 사용되는 실린더에 대해, Re가 증가함에 따라 상당한 관성 유동 변형이 관찰된다(도 4c의 이미지ⅱ, Re=12). Re이 더 증가하면 필러 하류 표면을 따라 경계층 분리가 초래되고, 필러 뒤의 후류 영역의 생성(도 4c의 이미지ⅲ, Re=40)도 초래되며, 상기 관성 유동 변형은 더 복잡한 거동을 나타내기 시작한다(도 4d의 이미지ⅳ, Re=100). 이 경우, 채널 상부 부근의 유체 덩어리는 채널 중심부로 이동하고, 상기 유동은 채널 중심부로부터 떨어져서 z-중간면을 향해 변형되기 시작하는 것이 관찰되었다. 예기치 않게, 변형은 다시 z=0인 중심을 향한다(도 4c의 이미지ⅳ). 이러한 결과는 단독 방식에서 작동하기 위해 요구되는 유동 조건의 범위를 밝히고 또한, 다양한 유동 조건에서 더 복잡한 근본적인 변형을 갖는 조작의 분리된 방식을 사용하기 위한 능력을 제시한다. 예를 들면, 다양한 방식은 미리 예측될 수 있고, 서로 다른 유동 체계에서 유체 유동을 프로그램하는 것을 지원하기 위해 라이브러리에 포함될 수 있다.
단일 필러 시스템에서 이러한 예상할 수 없는 복잡성의 식별에 뒤이어, 우리는 실질적으로 달성할 수 있고 제어할 수 있는 기하학적 구조 및 유동 파라미터의 집합에 대해 가능한 유동 변형 범위를 체계적으로 분류하였다. 주어진 유동 조건 및 기하학적 파라미터의 조합에서 효력이 있는 유형을 나타내는 상태도를 도시하는 도 4d와 같이, (2개의 제약조건, 즉 ①필러는 원통형이고, ②필러는 채널의 중심에 위치해 있다는 점을 가정할 때) 시스템의 거동을 예측하는 차원 분석은 3개의 무차원 그룹인 Re, 채널 종횡비(h/w) 및 표준화된 필러 직경(D/w)을 이용하여 설명된다. 유동 변형을 유도하는 장애물이 직선 채널의 중심에 있는 실린더인 경우, 관성 유동 변형에 대해 조작의 네 가지 지배적인 유형이 밝혀졌다. 유사한 조작 유형은 채널 중심선에 위치하지 않는 비 원통형 필러에 대해서도 예측된다. 도 4e는 유동의 비대칭 사분면에서의 공초점 단면 이미지를 도시하고, 각각의 조작 유형에 대한 거동 방향을 가리키는 화살표가 중첩되어 있다. 상기 유형들은 채널의 사분면에 유도된 총 2차 유동의 숫자(즉, 하나 또는 둘)뿐만 아니라 각각의 유동에 대한 총 와도(vorticity) 축의 방향에 기초하여 정의된다(도 4e). 또한 수치적 시뮬레이션에 기초하면, 특히 필러 직경이 작을 때 4개의 추가적인 조작의 이행 유형이 존재함이 예측된다. 그러나, 이러한 유형들은 위상도에서 매우 좁은 영역에만 존재한다. 더욱이, D/w가 작을 때 최종적인 회전 유동은 실질적으로 유용하지 못할 정도로 약하게 유지된다.
관성 유동 변형은 채널 단면을 가로지르는 유체 운동량 및 압력의 구배에 따라 다르고, 상기 운동량 및 압력의 구배는 필러 앞뒤로 동일하게 반전되지 않는다. 필러 뒤에 어떠한 와류도 존재하지 않을 때, 이 영역에서 발생하는 유체 변형은 필러 상류에서 발생하는 반대방향의 변형에 대해 우세하다(도 4a). 낮은 압력의 영역은 채널 상부와 채널 하부(y=0 근처)의 높은 압력의 두 영역 사이의 채널 중심면(이 영역의 고속 유체에 의함)에서 발견되었다. 이것은 유체 덩어리의 채널 상부 및 하부로부터 중심을 향한 거동으로 이어지고, 질량 보존에 의해(유형 1) 중심영역에서 양 측면방향으로의 유체 덩어리의 움직임을 동반한다. 그러나, Re의 증가나 시스템의 기하학적 구조의 변화(예를 들면, 채널 종횡비의 증가)는 필러 후면 와류의 생성으로 이어지고, 상기 와류는 필러 후면에 3차원적인 복잡한 재순환의 폐쇄 영역을 형성한다. 상기 후류는 실린더 후면의 유체 흐름 천이에 대해 곡률의 감소를 야기하고 압력장의 변화를 동반한다. 상기 효과의 조합은 필러 하류에서 발생하는 변형의 우세를 줄여주고, 상류 변형에 대한 총 유체 회전의 균형을 반대방향으로 이동시키며, 이는 조작의 대체 유형과 대응된다.
유동 변형 조작은 정교한 프로그램을 수행하고 복잡한 유동 형상을 만들기 위해 통합될 수 있다. 본 출원에 설명된 것처럼, 도 3b와 같이 단일 필러 주위의 관성 유동 변형은 고정밀도로 수치적으로 예측할 수 있다. 미세유체 채널을 따라 적절히 이격하여 순차적으로 배치된 오퍼레이터의 집합(예를 들면, 필러의 집합)을 배치함으로써, 각각의 필러의 출력은 다음의 필러에 입력으로 취할 수 있고, 필러에 의해 발생한 최종적인 변형은 순차적으로 통합될 수 있다. 그러므로, 제한된 필러 배열 형태(즉, 필러 크기, 횡방향 위치)의 집합에 대한 변형 기능을 가짐으로써, 무한대의 경우가 있는 임의의 잠재적 프로그램의 전체 변형 기능을 예측할 수 있다.
그 결과, 도 2a에 대하여 설명한 것처럼, 사용자는 사전 시뮬레이션된 거동의 라이브러리를 사용할 수 있고, 관심 있는 유동 형태를 유체역학이나 수치적 시뮬레이션에 대한 지식 없이 저비용, 높은 정확성을 갖고 빨리 제작하기 위해 상기 라이브러리를 순차적으로 배치할 수 있다. 음표의 이산화와 유사하게, 필러 위치에 대한 체계적인 이산화는 프로그램의 추출 및 계층적 조합을 허용하고, 복잡한 유체 시스템을 설계하는 능력을 증가시킨다. 예를 들면, 도 5a는 미세유체 채널의 a,b,c,d,e,f,g 및 h 위치에 배치된 필러의 개별적 위치를 도시한다.
도 5b는 미세유체 채널 내에 서로 다른 위치에 배열된 필러의 배열을 이용한 다양한 네 개의 일련의 프로그램을 도시한다. 각각의 프로그램은 ①채널을 가로질러 서로 다른 위치에 배치된 필러의 배열, ②초기 조건(즉, 입구 위치 및 유체 흐름의 폭)으로 구성된다. 각각의 프로그램 하부에는 단일 필러 유동 변형 맵의 라이브러리로부터 얻은 순차적 조작에 기반을 둔 수치적 예측을 도시한다. 또한 각각의 수치적 예측 아래에 포함된 것은 관찰된 유동의 공초점 단면 형광 이미지이다. 실제 공초점 이미지와 수치적 예측과의 비교와 같이, 계산된 변형 맵은 실험적 결과와 매우 비슷하게 부합한다.
제1 프로그램의 도 5b는 최초에 곧은 흐름이 (c a b a c)로 이루어진 프로그램을 사용하여 V형태로 변형되는 것을 도시한다. 다양한 달성할 수 있는 형태는 도 5b의 제2 프로그램인 (c c c c c c c c a a a a)와 같이 폐쇄 고리를 포함한다. 도 5b의 제1, 제3, 제4 프로그램과 같이 날카롭게 굽은 모양도 생성할 수 있다. 도 5c는 도 5a와 같은 필러 위치에 기초한 다른 일련의 프로그램을 도시한다. 도 5c와 같이, 양면이 볼록한 영역 및 양면이 오목한 영역도 형성된다(이미지 ⅶ). 다른 프로그램에서(예를 들면, 이미지 ⅰ,ⅲ,ⅵ) 최초 흐름과 비교하여 추가된 꼭짓점이 있고 곡률에 다수의 변화가 있다. 그 결과, 소프트웨어 프로그램과 유사하게 사용자는 좀 더 복잡하고 유용한 유동을 만들기 위해 사전에 증명된 기능을 구축할 수 있고, 새로운 방법으로 통합할 수 있다.
상기 플랫폼 및 방법이 사용될 수 있는 다양한 응용이 있다. 예를 들면, 상기 플랫폼은 예를 들어, 기능화된 구술 형태의 입자 또는 세포, 박테리아 또는 독소와 같은 생물학적 입자들과 같은 입자 흐름을 제어하는데 사용될 수 있다. 특히 입자를 둘러싼 용액 교환은 샘플 준비에서 주위의 액체를 제거하거나 주어진 반응물을 입자 현탁액에 제공하는데 유용하다. 추가로, 입자의 선택적 분리는 입자에 작용하는 하부의 관성 항력과 상호작용하는 2차 유동에 의해 수행될 수 있고, 입자의 크기에 따른 분리를 가능하게 한다. 도 5d는 유체 흐름으로부터 입자의 추출을 도시한다. 도 5d와 같이, 어두워진 운송 유체는 중심선으로부터 떨어져서 위치하고, 반면 일반적으로 입자들은 중심선을 따라 정렬된 상태를 유지한다. 따라서, 관성집중 때문에 입자들은 중심선에 유지시킨 채 유체는 채널에서 멀어진다. 유사한 과정을 이용해서, 상기 플랫폼을 이용하여 서로 다른 크기의 입자들을 분리할 수 있다. 예를 들면, 관성 양력과 2차 유동으로부터의 항력 중 어느 것이 우세한지에 따라, 서로 다른 크기의 입자들은 서로 다른 평형위치를 갖게 되고, 그래서 분리가 가능해진다. 도 5e와 같이, 1㎛ 크기의 입자들은 유체 흐름을 따라 움직이는 반면, 10㎛ 크기의 입자들은 관성 집중된 상태를 유지한다. 세포, 박테리아, 원생동물, 바이러스, 이와 유사한 것과 같은 생입자(bioparticle) 또는 살아있는 입자들을 포함하고, 비드{예를 들어, 유리, 폴리스티렌(polystyrene), PMMA, 기타}와 같은 무생명 입자들을 포함하고, 상기 입자들은 마음대로 기능화시키거나 다른 반응물들과 결합 될 수 있다.
또한 플랫폼은 입자를 둘러싼 유체를 변경하거나 교환하는데 쓰인다. 예를 들어, 상기 플랫폼은 특정 유체 흐름을 입자와 접촉하게 가져올 수 있다. 상기 유체는 예를 들면 세포용해 완충제(lysis buffer) 또는 염색 용액(staining solution)을 포함한다. 용액 교체는 최초에 입자 주위에 있는 완충제 또는 다른 운송 유체를 제거하는데 사용된다(예를 들면, 세포 주변의 DMSO를 세척하거나, 염료를 세척하거나, 혈소판 또는 독소를 제거하는 것). 도 5d는 입구에서 최초에 한 유체(어두운 부분) 속에 포함되어 있는 입자들이 출구 부근에서 다른 유체에 의해 교환되는 것을 도시한다. 최초의 어두운 유체는 중심부로부터 멀어지도록 측방향으로 이동한다.
도 6의 (a)는 입자(20) 주위의 유체를 교환하는데 사용되는 미세유체 채널(12)을 도시한다. 입자(20)를 포함하는 유체(22)는 미세유체 채널(12)의 제1 입력(24)에 투입한다. 시스 유동은 두 개의 추가적인 입력(26,28)을 통해 수립된다. 하나의 입력(26)은 반응 완충제(30)를 전달하는데 사용되는 반면, 다른 입력은 세척 완충제(32)를 전달하는데 사용된다. 반응 완충제(30) 및 세척 완충제(32)는 입자(20)가 함유된 유체(22)를 시스 유동 사이에 끼게 한다. 도 6의 (b)는 미세유체 채널(12) 내에 관성 집중된 입자(20) 및 유체(20)를 보여주는 채널의 단면도이다. 도 6의 (b)의 관성 집중된 상태를 생성하기 위해 하나 이상의 오퍼레이터로 된 프로그램이 사용된다. 그 다음, 유체 유동은 도 6의 (c)와 같은 단면 유동 분포를 생성하기 위해 또 다른 프로그램(프로그램 #1)이 적용된다. 도 6의 (c)와 같이, 입자들(20)은 이제 반응 완충제(30)에 포함되고, 반면에 이전에 입자들(20)을 포함했던 유체(22)는 입자들로부터 분리된다. 또한 세척 완충제(32)는 입자들(20)로부터 분리된 채로 보인다. 이런 상태에서, 입자들(20)은 반응 완충제(30)와 반응한다. 입자들(20)이 반응 완충제(30)에 포함되어 있는 시간은 채널의 길이를 변경함으로써 조정하거나 맞출 수 있다.
도 6의 (d)는 다른 프로그램(프로그램 #2)을 거친 후의 미세유체 채널(12)의 단면도이다. 본 출원에 설명된 것과 같이, 프로그램은 라이브러리로부터 선택된 하나 이상의 오퍼레이터들을 포함한다. 도 6의 (d)와 같이, 상기 입자들(20)은 이제 세척 완충제(32)에 함유되어 있다. 따라서 상기 반응 완충제(30)는 세척 완충제(32)로 교환된다. 또한 입자들(20)을 포함한 최초 유체(22)는 미세유체 채널(12)의 한 영역에 제한된다. 도 6의 (e)는 세 개의 출구(34, 36, 38)을 갖는 미세유체 채널(12)의 하류 부분을 도시한다. 제1 출구(34)는 최초에 입자들(20)을 수송하던 유체(22)를 포획하는데 사용된다. 상기 세척 완충제(32)에 포함된 입자들(20)은 제2 출구(36)에서 포집되고, 반면에 제3 출구(38)는 반응 완충제(30)를 포획한다. 상기 특정 배치 형태는 입자들(20)(예를 들면, 세포)의 항체 염색, 화학적 기능화, 고체상 합성 반응 및 그 밖의 것들에 사용된다.
상기 미세유체 플랫폼 및 방법은 흐름을 분리하기 위한 시스템을 설계하는데 사용된다. 흐름의 분리는 두 개 또는 그 이상의 흐름 사이의 인터페이스 또는 접촉을 최대화하는데 유용하다. 이것은 유동 세포 분석법과 같은 확인 응용의 병행화에 유용하다. 또한 상기 인터페이스의 형성은 유체-유체의 추출에 사용된다. 도 7은 입구 및 출구에 대한 상기 실시예의 유동 프로파일을 도시한다. 도 7과 같이, 단일 흐름은 세 개의 서로 다른 흐름으로 분리된다.
여전히 다른 실시예에서, 미세유체 플랫폼은 미세유체 공학적 유체 혼합에 사용된다. 강한 변형은 (중간에 위치한 필러들의 가장 단순한 경우에 대한) 유동에 반 나선형 거동을 생성하고, 상기 거동은 높은 페클렛 수(Peclet number)에서 혼합을 증가시키는데 사용된다. 도 8은 흐름의 미세유체 역학적 혼합에 대한 공초점 단면도이다. 이 경우, 완전한 혼합은 고속 유동(Pe= O(105))에서 오직 몇 개의 필러와 접촉한 후 3cm 미만에서 달성된다. 곡면형 채널이나 헤링본 홈이 있는 채널은 필요가 없다. 대신, 필러와 같은 오퍼레이터를 직선형 미세유체 채널(12) 내에 추가함으로써 혼합을 더할 수 있다.
채널 내에서 유체 유동을 프로그램하는 능력은 (특히 단면 형상, 회전, 유체 흐름이 움직이는 거동을 제어하는 것) 다양한 응용에 근본적으로 새로운 능력을 도입한다. 예를 들어, 단량체 흐름의 단면 형상을 제어함으로써, 상기 플랫폼은 자가조립 교합능력{예를 들면, 벨크로(VELCRO) 유사능력}과 같은 특별히 설정된 상호 작용 안에서 새로운 종류의 중합 섬유를 제조할 수 있다. 도 9의 (a)는 주문 제작한 단면 형상을 갖는 중합 섬유를 제조하는데 사용되는 미세유체 채널(12)을 도시한다. 상기 장치는 폴리머 전구 물질(48)을 포함하는 중앙 입구(42)를 갖는 세 개의 입구 (42, 44, 46)를 포함한다. 상기 폴리머 전구 물질(48)에는 하이드로겔(hydrogel)과 같은 다른 물질도 사용 가능 하지만, PEG 디아크릴레이트(PEG diacrylate)와 같은 광활성(photo activated)이 가능한 PEG 기반의 전구 물질이 가능하다. 외곽의 두 개의 입구(44,46)는 폴리머 전구 물질(48)과 유사한 점성 및 밀도를 갖는 시스 유체(50)를 포함한다. 예를 들면, 시스 유체(50)는 PEG를 포함할 수 있다. 도 9의 (b)는 상기 시스 유체(50) 내에서 중심에 배열된 상기 폴리머 전구 물질(48)의 단면도를 도시한다. 그 다음, 유체는 본 출원에 설명된 오퍼레이터(예를 들어 필러 오퍼레이터)의 라이브러리를 이용하여 단면 형상을 변경하기 위해 {화살표(52)로 도시된 것 같이} 프로그램이 적용된다. 도 9의 (c)는 미세유체 채널(12)의 프로그램된 영역을 통과한 후의 폴리머 전구 물질(48)의 단면형상을 도시한다. 비록 어떠한 제작 가능한 단면 패턴도 사용 가능하지만, 상기 단면 형상은 “I”형태이다.
다음으로, 도 9의 (d)와 같이, 상기 폴리머 전구 물질(48)은 원하는 형태로 형성된 후 미세유체 채널(12) 내에서 형성된 단면을 갖는 섬유(54)를 만들기 위한 중합과정을 겪는다. 도 9의 (d)와 같이, 중합과정은 광원(56)을 사용하여 빛(예를 들면, UV광)에 노출시킴으로써 활성화된다. 그러나, 또한 다른 폴리머 활성제도 사용 가능하다. 예를 들면, 중합과정은 화학적, 열적 노출 또는 이와 유사한 것을 사용하여 활성화될 수 있다. 출구 채널(58)은 상기 노출 단계에서 유체의 속도를 감소시키기 위해 선택적으로 확장될 수 있다.
도 10의 (a)는 3차원 형태의 입자(20)를 생성하는 유사한 기술을 도시한다. 본 실시예에서, 미세유체 채널(12)은 세 개의 입구(60, 62, 64)를 구비한다. 제1 중앙 입구(60)는 전구 물질(66)을 수송하는데 사용된다. 외곽의 두 개의 입구(62, 64)는 {전구 물질(66)과 유사한 점성의} 시스 유체(68)를 이용하여 전구 물질(66)주위의 시스 유동을 형성하는데 사용된다. 도 10의 (b)는 집중된 전구 물질(66)의 단면도를 도시한다. 그 다음, 상기 전구 물질(66)은 예를 들어 필러 오퍼레이터를 이용하여 전구 물질(66)의 단면 형상을 변경하기 위한 하나 이상의 프로그램을 통과한다. 서로 다른 형태의 세 개의 대표적인 예시는 도 10의 (c)와 같다. 일단 원하는 유체 형태가 생성되면, 그 다음에 상기 전구 물질(66)은 광원(72)과 전구 물질 사이에 개재된 마스크(70)를 사용하여 폴리머를 형성하고 고체화하기 위해 활성화된다. 예를 들면, 도 10의 (d)와 같이, 광원(예를 들면 UV광)이 미세유체 채널(12)과 광원(72) 사이에 개재된 마스크(70)를 통과한다. 상기 마스크(70)를 통과한 빛은 그 다음 도 10의 (e)와 같이 3차원 입자(20)를 형성하기 위해 전구 물질(66)의 일부분을 활성화하거나 중합한다. 상기 3차원 입자(20)는 "칩 밖에서" 수집된다. 복잡한 3차원 형상의 입자(20)가 생성될 수 있다. 상기 3차원 형태는 사전에 형성된 전구 물질(66)로의 (빛에 의한) 마스크 형태의 압출에 의해 형성된다. 다시, 비록 빛이 본 출원에 중합과정의 개시체로 설명되어 있지만, 열적 또는 심지어 화학적 노출과 같은 다른 방식의 개시도 가능하다.
상기 3차원 형상의 입자(20)는 미세유체 채널(12)을 통과하는 다른 유동 또는 장치에 의해 별도로 생성된 다른 입자들과 상호작용하여 3D 인식 또는 자가조립을 허용한다. 상기 생성된 입자(20)는 분해물질 또는 전달물질을 수집하는데 유용한 큰 표면적 대 체적비를 가진다.
또한 상기 미세유체 채널(12)은 광학 여기 및/또는 광학 호출을 위한 집중된 유체 흐름을 생성하는데 사용된다. 관성 집중은 입자 또는 다른 성분을 포함하는 특정 유체 흐름을 미세유체 채널(12) 내의 특정 위치 또는 위치들에 배열하는데 사용된다. 상기 유체는 유동 세포분석법과 같은 광학 호출법을 위해 동일한 z면에 집중될 수 있다. 도 11의 (a)는 유동 세포분석법과 같은 차후의 광학 호출을 위한 집중된 유체 흐름을 생성하는데 사용되는 미세유체 채널(12)을 도시한다. 도 11의 (b)는 처음에 수립된 시스 유동 단면도를 도시한다. 상기 관심 있는 유체 흐름(80)은 미세유체 채널(12)의 한쪽 반에 도시되어 있다. 상기 유체를 집중시키기 위해, 상기 유체는 관심 있는 흐름(80)을 공통의 z면에 집중시켜 차후에 호출될 수 있는 하나 이상의 오퍼레이터로 만들어진 프로그램을 통과한다. 도 11의 (c)는 프로그램이 적용된 후의 상기 집중된 흐름(80)을 도시한다. 추가로, 독립된 굴절률의 유체로 다양한 단면 렌즈 형상을 프로그램하는 것이 광유체 제어 또는 광유체 측정을 위해 사용된다.
본 발명의 방법 및 개념은 채널의 저온 측면으로부터 고온 영역으로 유체를 제어된 방식으로 이동시키는데 사용된다. 열전달은 온도 구배를 최대화하기 위해 유체가 채널 표면으로 또는 채널 표면으로부터 신속히 움직일 때 급격히 향상된다. 도 12는 중앙 영역을 통과하는 냉각 유체(86)를 갖는 미세유체 채널(12)을 도시한다. 상기 미세유체 채널(12)의 두 대향 측면에는 고온 영역 또는 지점(88)을 갖는다. 상기 영역으로부터 열전달이 더 잘 되게 하기 위해, 상기 냉각 유체(86)는 고온도 영역에 인접한 곳으로 냉각 유체(86)를 이동시키기 위한 하나 이상의 오퍼레이터로 된 프로그램을 통과한다. 그 다음, 상기 냉각 유체(86)는 열전달을 증가시키기 위해 열을 제거하거나 빨아들일 수 있다. 도시된 발명의 실시예에서, 상기 프로그램은 냉각 유체(86)를 두 개의 서로 다른 흐름으로 분리하는데, 냉각 유체(86)가 반드시 분리될 필요는 없다. 예를 들면, 상기 미세유체 채널(12)의 일 측에만 고온 지점 또는 영역이 있다면, 냉각 유체(86)는 오직 미세유체 채널(12)의 일 측 방향을 향해 횡방향으로 이동할 필요가 있다.
도 12의 실시예와 유사한 방법으로, 유체 흐름이 표면에 근접하게 움직여야 할 필요가 있는 사례가 있다. 예를 들면, 염료 또는 반응물은 주어진 반응을 증가시키기 위해 표면에서 필요하다. 다른 예로서, 대상 분자를 결합 표면에 근접하게 가져옴으로써, 표면 근처에서의 상대적인 유속을 늦추고, 접촉 가능성을 높여서 결과적으로 포집 효율을 증가시킬 수 있다. 표면에 대한 제한되고 제어되는 노출이 필요한 다른 반응들은 특정 시간 동안 표면에 노출시키는 것을 목적으로 하여 미세유체 채널(12) 내에서 수립될 수 있다. 반대로, 표면에서 벗어나 유체 흐름을 구동할 필요가 있다. 예를 들면, 표면에 표본의 비 특정 결합을 방지하거나 파울링(fouling)을 촉진하는 단백질 또는 다른 대상의 결합을 방지하기를 원할 수 있다. 다른 실시예에서, 반응물 또는 부산물은 표면 근처에서 생성된다. 유체 프로그램은 이러한 구성성분을 제거하거나 녹여 없애는데 사용된다.
도 13a는 상부 및 하부 표면 사이에 결합제 분자 또는 표본(90)을 갖는 상부 및 하부 표면을 포함하는 미세유체 채널(12)의 단면도를 도시한다. 상기 결합제 분자 또는 표본(90)은 유체(94)에 포함된 대상물(92)에 선택적으로 결합한다. 대상물은 세포, 바이러스 입자, 생체 분자, 화학물질, 항체, 항원, 핵산, 단백질 및 그 밖의 것을 포함한다. 도 13a와 같이, 결합제 분자 또는 표본(90)의 약 절반은 대상물(92)이 포함된 유체(94)에 노출되지 않는다. 유체 프로그램은 결합제 분자 및 표본(90)을 갖는 전체 상부표면 및 하부 표면이 대상물(92)을 포함하는 유체(94)에 노출될 수 있도록 도 13b의 단면도에 도시된 것과 같이 수행될 수 있다. 반대로, 도 13c는 유체(98)에 포함된 비-특정 대상물(96)의 반응 또는 비-특정 흡수를 방지하기 위해 상부 벽 및 하부 벽으로부터 의도적으로 떨어져 있게 하는 상황을 도시한다.
또한 유체 프로그래밍은 테일러 확산 (Taylor dispersion)을 최소화하는데 사용된다. 테일러 확산은 전단 흐름이 표본의 유효 확산도를 증가시키는 유체역학의 한 효과이다. 테일러 확산은 유동 방향에서 농도 분포를 희미하게 하는 작용을 한다. 테일러 확산을 방지함으로써, 더 나은 농도, 반응 시간 및 균일 속도의 제어를 위해 더 균일한 플러그가 미세유체 채널 내에서 생성될 수 있다. 예를 들면, 특정 시간에 표면으로부터 수집된 물질 또는 특정 시간에 본체 유동에 있는 물질은 관심 있는 유체 플러그가 채널을 따라 통과하면서 유체 유동의 방향으로 널리 퍼지는 경향이 있다. 유체 프로그래밍은 채널 내에서 상기 유동 플러그를 유동의 동일한 속도 영역으로 옮김으로써 어떠한 테일러 확산이라도 최소화하도록 수행된다. 그 다음, 하류 분석은 테일러 확산에 의한 어떠한 반응의 흐려짐도 없이 수행될 수 있다.
또한 유체 프로그래밍은 다양한 형태로 표본 또는 분자의 구배를 생성할 수 있다. 구배를 생성하는 최근의 방법은 평행화된 네트워크 및 높은 유체 저항을 갖는 복잡한 설계 또는 구배에 대해 매우 제한적인 제어만 가능한 거시적 규모의 용액의 침착에 의한 것이다. 필러와 같은 오퍼레이터는 더 단순한 플랫폼에서 쉽게 수행될 수 있고 유체 저항은 더 적게 제공하고, 반면 결정론적으로 구배 형상 및 위치를 형성하는 것은 우수한 제어를 제공한다. 도 14는 균일한 구배를 갖는 유체 플러그의 (상부) 단면 이미지를 도시한다. 도 14는 미세유체 채널(12) 내에서 각각 서로 다른 유체 플러그의 구배를 생성하는 두 개의 서로 다른 프로그램(A 및 B)를 더 도시한다. 프로그램 A는 프로그램 통과 후 단면 이미지 아래 도시된 농도 그래프와 같이 선형 구배를 생성한다. 프로그램 B는 각각의 농도 그래프와 같이 두 개의 국부적인 최고지점을 갖는 다른 구배를 생성한다. 상기 플랫폼은 신경 세포 및 그들의 의사소통과 같은 연구를 위해 병렬 또는 직렬로 복수의 표본의 복잡한 복수의 구배 시스템을 잠재적으로 생성할 수 있다.
본 출원에 설명된 상기 프로그래밍 방법 및 장치의 장점은 단일 마스크를 갖춘 PDMS 복제 모델링, 주입 모델링, 뜨거운 융기가공, 레이저 절단 또는 기계 가공과 같은 표준 2차원(즉, 단일 층) 제작 기술을 사용하여 제작할 수 있다는 것이다. 상기 방법 및 장치는 제작 시간 및 비용을 상당히 감소시킨다. 게다가, 능동 제어(예를 들면, 전극)를 사용하는 기존의 방법과는 대조적으로 유동장에서 거동이나 구배를 유발하기 위한 복잡한 외부적 단계가 불필요하다. 상기 방법 및 장치는 더 적은 부품으로 바뀌고, 장치의 실패 또는 오작동의 가능성을 감소시키고, 플랫폼의 강건성 및 신뢰성은 매우 향상시킨다.
필러 기반 시스템의 하나의 중요한 특징은 다수의 장점이 유도되는 넓은 범위의 유속 및 레이놀즈 수(Re는 약 6 내지 60)에서 유사한 규모의 횡방향 유체 변형을 갖는 조작이라는 것이다. 첫째, 상기 시스템은 유속에 대해 낮은 감도를 가지므로, 최종 생산물은 상대적으로 큰 범위의 유속에 대해 조작을 반복할 수 있고, 그러므로 큰 허용량을 갖는다. 시스템이 더 민감해 질수록 더 제어되야 하고, 더 제어될수록 더 비용이 들기 때문에 , 상기 장점은 좀 더 신뢰성 있고 덜 비용이 들게 한다. 둘째, 이것은 시스템이 넓은 범위의 관련된 계면의 시간 상수에서 작용할 수 있게 하고, 이는 다양한 운동역학을 갖는 화학적/생물학적 응용에 특히 유용하다. 또한, 넓은 범위의 유속에 대한 상기 균일한 조작은 다양한 전체의 채널 크기 내에서 포스트/필러 패턴의 순차적인 조립을 허용하는데, 즉, 상세한 시뮬레이션 없이 유체를 상당히 빠르게 또는 느리게 할 수 있다. 대체적으로, 라이브러리는 채널을 확장 또는 분리하기 위한 다양한 유속에서 계산된 오퍼레이터를 포함하고, 다양한 레이놀즈 수 또는 다양한 조작방식에서의 프로그래밍을 포함하도록 확장할 수 있다.
본 출원에서 설명된 것과 같이, 상기 시스템은 시스템 조건{Re, 필러 직경(D/w), 채널 종횡비(h/w)}에 따라 다양한 조작 유형을 보여줄 수 있다. 이것은 높은 유속범위에서 유동 영역이 달라지고 2차 유동의 수가 채널 내에서 2배가 되는 것을 의미한다. 또한 시스템에 사용될 수 있는 높은 유속은 매우 높은 처리량으로 바뀐다.
본 발명의 실시예가 설명되고 도시되기는 하지만, 다양한 변경은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 가능하다. 그러므로 본 발명은 다음의 청구항 및 균등물을 제외하고 제한되어서는 안 된다.
Re : 레이놀즈 수
Pe : 페클렛 수
A : 유동 방향
L : 라이브러리
P : 프로그램
O1, O2, O3, O4 : 오퍼레이터

Claims (29)

  1. 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법이며,
    각각 알려진 순 2차 유체 영향을 갖는 복수의 오퍼레이터들을 라이브러리로부터 선택하는 단계,
    상기 선택된 복수의 오퍼레이터들로 프로그램을 생성하는 단계 및
    상기 선택된 오퍼레이터들로 형성된 프로그램을 갖는 채널을 제조하는 단계를 포함하는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오퍼레이터들은 포스트들을 포함하는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 포스트들은 상기 채널의 전체를 가로지르는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 포스트들은 상기 채널의 약 10% 내지 약 90%를 가로지르는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 오퍼레이터들은 경사진 홈을 포함하는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 포스트들은 각각의 길이를 따라 균일한 단면을 갖는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 포스트들은 각각의 길이를 따라 비균일한 단면을 갖는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오퍼레이터들은 하나 이상의 돌기부를 포함하는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 채널 및 상기 오퍼레이터들은 폴리머 또는 유리로 제조되는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 채널을 통과하여 유체를 유동시키는 단계를 더 포함하는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 라이브러리는 네 개 이상의 오퍼레이터들을 포함하는 채널 내에서 유동을 프로그래밍하는 방법.
  12. 상류 위치에서 하나 이상의 교차하는 시스 유체 채널을 갖는 채널 및
    하류 위치에서 상기 채널 내에 배치된 복수의 서로 다른 오퍼레이터들을 포함하는 장치이며,
    상기 각각의 오퍼레이터는 알려진 순 2차 유체 효과를 갖는 하나 이상의 돌기부를 포함하고, 상기 복수의 오퍼레이터들 각각은 상기 채널의 길이를 따라 서로 이격되어 있는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 돌기부들은 포스트, 계단 및 홈 중 하나 이상을 포함하는 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 돌기부들은 포스트들을 포함하고, 상기 채널 내의 근접한 오퍼레이터들은 포스트의 직경의 약 4 내지 약 15배 거리만큼 이격되어 있는 장치.
  15. 채널 내에서 입자들 주위의 유체를 교환하는 방법이며,
    상기 입자들은 운송 유체에 함유되어 있고 시스 유체에는 함유되어 있지 않은 상태로 채널 내에서 시스 유동을 개시하는 단계 및
    상기 입자들이 상기 시스 유체에 함유되어 있고 상기 운송 유체에는 함유되어 있지 않도록 입자들 주위의 상기 유동을 변경시키는 상기 채널 내에 배치된 복수의 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 입자들을 통과시키는 단계를 포함하는 채널 내에서 입자들 주위의 유체를 교환하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 시스 유체는 제1 시스 유체 및 제2 시스 유체를 포함하는 채널 내에서 입자들 주위의 유체를 교환하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 입자들은 제1 시스 유체에 함유되어 있는 채널 내에서 입자들 주위의 유체를 교환하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 입자들이 나중에 상기 제2 시스 유체에 함유되어 있고 상기 제1 시스 유체 또는 상기 운송 유체에는 함유되어 있지 않도록 상기 입자들 주위의 상기 유동을 변경시키는 상기 채널 내에 배치된 복수의 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 입자들을 통과시키는 단계를 더 포함하는 채널 내에서 입자들 주위의 유체를 교환하는 방법.
  19. 채널을 이용하여 필라멘트를 형성하는 방법이며,
    전구 물질이 있는 상기 채널 내에서 시스 유동을 개시하는 단계,
    소정의 방식으로 상기 유동의 단면 형상을 변경시키는 상기 채널 내에 배치된 복수의 필러 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 전구 물질을 통과시키는 단계 및
    유체 채널 내에서 상기 전구 물질을 필라멘트로 중합시키는 단계를 포함하는 채널을 이용하여 필라멘트를 형성하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 중합시키는 단계는 상기 전구 물질을 빛에 노출시키는 단계를 포함하는 채널을 이용하여 필라멘트를 형성하는 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 중합시키는 단계는 전구 물질을 온도 변화에 노출시키는 단계를 포함하는 채널을 이용하여 필라멘트를 형성하는 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 필러 오퍼레이터들은 상기 채널의 단일 표면 위에 배치된 채널을 이용하여 필라멘트를 형성하는 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 중합시키는 단계는 상기 전구 물질을 중합 화학 작용제에 노출시키는 단계를 포함하는 채널을 이용하여 필라멘트를 형성하는 방법.
  24. 채널을 이용하여 3차원 입자들을 형성하는 방법이며,
    전구 물질이 있는 채널 내에서 시스 유동을 개시하는 단계,
    소정의 방식으로 상기 유동의 단면 형상을 변경시키는 상기 채널 내에 배치된 복수의 필러 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 전구 물질을 통과시키는 단계 및
    상기 전구 물질의 일부분을 상기 채널과 광원 사이에 개재된 마스크를 통해 빛에 노출시킴으로써 상기 채널 내에서 상기 전구 물질을 입자들로 중합시키는 단계를 포함하는 채널을 이용하여 3차원 입자들을 형성하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 복수의 필러 오퍼레이터들은 상기 채널의 단일 표면 위에 배치된 채널을 이용하여 3차원 입자들을 형성하는 방법.
  26. 표면에 인접한 곳에 하나 이상의 고온 영역을 갖는 채널을 이용하여 열전달하는 방법이며,
    하나 이상의 저온 흐름을 포함하는 유동을 채널 내에 개시하는 단계 및
    상기 하나 이상의 고온 영역에 인접하여 상기 하나 이상의 저온 흐름을 이동시키기 위해 상기 유동의 단면 형상을 변경시키는 상기 채널 내에 배치된 복수의 필러 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 유동을 통과시키는 단계를 포함하는 채널을 이용하여 열전달하는 방법.
  27. 채널의 표면에 위치한 반응 표면에 대상 표본을 노출시키는 방법이며,
    대상 표본을 포함하는 유동을 채널 내에 개시하는 단계 및
    상기 대상 표본을 상기 반응 표면에 인접하여 이동시키기 위해 상기 유동의 단면 형상을 변경시키는 상기 채널 내에 배치된 복수의 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램에 상기 유동을 통과시키는 단계를 포함하는 채널의 표면에 위치한 반응 표면에 대상 표본을 노출시키는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 대상 표본은 세포, 바이러스 입자, 생체분자, 화학약품, 항체, 항원, 핵산 및 단백질 중 하나 이상을 포함하는 채널의 표면에 위치한 반응 표면에 대상 표본을 노출시키는 방법.
  29. 채널 내에서 유체의 하나 이상의 표본의 구배를 생성 또는 변경하는 방법이며,
    단면 방향으로 하나 이상의 표본의 최초 농도 형상을 갖는 유체를 포함하는 유동을 채널 내에서 유지하는 단계 및
    상기 단면 방향으로 상기 하나 이상의 표본의 상기 농도 형상을 변경하기 위해 상기 유동의 단면 형상을 변경시키는 상기 채널 내에 배치된 복수의 오퍼레이터들을 포함하는 프로그램을 통해 상기 유동을 통과시키는 단계를 포함하는 채널 내에서 유체의 하나 이상의 표본의 구배를 생성 또는 변경하는 방법.
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