KR20160038987A - 부가 장비 없이 전혈에서 혈장을 분리하고 전달하는 시료 분석 장치 및 이 장치의 제조방법 - Google Patents

부가 장비 없이 전혈에서 혈장을 분리하고 전달하는 시료 분석 장치 및 이 장치의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 손가락을 찔러 얻은 전혈에서 부가 장비 없이 혈장을 분리하고 전달하는 장치 및 이 장치의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 시료 분리 장치는 마이크로 유로를 형성하는 상부 기판 및 하부 기판과; 상기 상부 기판을 관통하여 형성되는 유입구 및 유출구와; 상기 상부 기판에 부착되며 상기 유입구를 커버하는 시료 필터와; 상기 상부 기판에 부착되며, 상기 유출구를 커버하고, 상기 유출구에 연통하는 공동(cavity)과 상기 상부 기판에서 돌출된 형태이며 탄성체인 누름부를 갖는 마이크로 펌프를 포함한다.

Description

부가 장비 없이 전혈에서 혈장을 분리하고 전달하는 시료 분석 장치 및 이 장치의 제조방법{AN EQUIPMENT-FREE DEVICE FOR SEPARATION AND DELIVERY OF PLASMA FROM WHOLD BLOOD, AND MANUFACTUREING METHOD THEREOF}
본 발명은 시료 분석 장치 및 이 장치의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 부가 장비 없이 전혈에서 혈장을 분리하고 전달하는 시료 분석 장치 및 이 장치의 제조방법에 관한 것이다.
혈액 분석을 위해 혈액과 시약을 반응시키고 특정 물질을 검출하는 동안 적혈구에 의한 방해를 방지하기 위해 전혈(whole blood)로부터 비세포성 혈장을 분리할 필요가 있다.
전혈로부터 혈장을 분리하기 위해 벤치탑(bench-top) 원심분리기가 널리 이용된다. 그러나 POC(point-of-care)를 위한 임상 테스트에 사용되는 장비의 크기, 중량 및 개수는 최소화되어야 하므로 단지 혈액 샘플을 준비하기 위해 원심 분리기를 이동시키는 것은 매우 어렵다. 또한, 혈액의 글루코스 레벨을 모니터링 하는 등 개인 건강 관리를 위해 혈액을 얻는 경우 가장 보편적인 방법은 손가락을 란셋으로 찌르는 것인데, 이 때 얻어진 혈액의 양은 원심분리기를 사용하기에는 너무 작다.
이러한 배경 하에서 POC 혈액 분석을 위해 혈장을 온칩(on-chip)으로 준비하기 위한, 다양한 유형의 LOC(lab-on-a-chip) 기술이 제안되고 있다. 먼저, 혈장과 적혈구 사이의 밀도차를 이용하여 관성력, 적혈구 침전 또는 온칩 원심분리에 의해 혈장과 적혈구를 분리하는 기술이 제안되고 있다. 또한, 혈장 스키밍(plasma skimming) 또는 Fahraeus-Lindqvist 효과와 같은 혈역학 분리(hemodynamic separation)가 제안되고 있다. 또한, 비드 패킹(bead packing) 또는 기존 필터 통합을 사용하여 적혈구를 기하학적 방법으로 분리하는 방법이 제안되고 있다.
POC 임상 진단을 위해 혈액에서 혈장을 분리하는 장치는 급속 분리, 높은 수율, 작은 전력 소비와 같은 성능을 가져야 한다. 또한, POC 애플리케이션을 위해서는 종래의 혈액 분석 장치 또는 기술에 분리된 혈장을 부가 장비 없이 현장에서 전달해야 한다. 따라서, 부가 장비 없이 손가락 찌르기로 얻은 전혈로부터 혈장을 분리하는 장치는 POC 임상 시험에 사용되는 원심분리기를 대체하는 방법으로서 매우 바람직하다.
또한, 손가락에서 얻은 혈액으로부터 혈장을 추출하고 전달하기 위한 펌핑 압력을 제공하기 위해, 마이크로 유체 액츄에이터가 장치 상에 집적될 필요가 있다. 현재 개발된 미세펌프는 주로 능동 및 수동 펌프의 두 가지 유형으로 분류될 수 있다. 능동 미세펌프는 압전 트랜스듀서, 공기압 또는 탄성 복원력에 의해 마이크로 챔버의 부피를 변경하기 위해 외부 에너지를 이용한다. 수동 미세펌프는 외부 에너지를 이용하는 대신에 친수성 표면 또는 기체 흡수와 같은 재료의 내부 또는 저장 에너지를 이용한다. 시료의 오염을 방지하기 위해 일회용 장치가 임상 테스트에 매우 바람직하기 때문에, 수동 마이크로 유체 액츄에이션이 일회용 POC 장치를 구성하는데 널리 사용되고 있다. 그러나 제어된 방식으로 유체가 더 빨리 작용하도록 하기 위해 저가의 플라스틱 기판으로 보다 간단하게 능동 마이크로 유체 소자를 제조해야 하는 요구가 크다.
따라서 본 발명은 외부 장비 없이 전혈에서 혈장을 온칩으로 분리하여 전달할 수 있는 시료 분석 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전혈에서 적혈구를 빠르게 분리할 수 있는 시료 분석 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 적은 비용으로 전혈에서 적혈구를 분리할 수 있는 시료 분석 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전혈에서 적혈구를 분리하고 전달하는 과정을 용이하게 제어할 수 있는 시료 분석 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시료 분석 장치로서, 유로를 형성하는 상부 기판 및 하부 기판과; 상기 상부 기판을 관통하여 상기 유로의 일단과 타단에 각각 형성되는 유체출입구 및 공기출입구와; 상기 상부 기판에 부착되며 상기 유체출입구를 커버하는 시료 필터와; 상기 상부 기판에 부착되며, 상기 공기출입구를 커버하고, 상기 공기출입구에 연통하는 공동(cavity)과 상기 상부 기판에서 돌출된 형태이며 탄성체인 누름부를 갖는 펌프를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 펌프는 원래 형상으로 회복하는 탄성 재질로 형성된다. 상기 펌프는 PDMS((Polydimethylsiloxane), 이소프렌 고무, 실리콘 고무, 우레탄 고무, 부타디엔 고무, 스틸렌부타디엔 고무, 아크릴로니티릴부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 부틸 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무, 아크릴 고무, 다황화 고무, 불소 고무, 에피클로로히드린 고무로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 펌프는 다수 부착되어 있어서 시료의 순차적인 이동이 가능하다. 상기 펌프 또는 상기 시료 필터는 탈부착 가능하다. 상기 시료 필터는 상기 상부 기판에 접합된다.
바람직하게는, 상기 펌프의 공동에 채워진 시약을 더 구비하고, 상기 시약은 상기 펌프를 누를 때 상기 유로 내로 공급되어 상기 시료 필터를 통과한 시료와 반응하도록 한다. 상기 시료 필터를 통과한 시료와 반응하는 시약을 상기 유로 내에 더 구비한다.
또한 본 발명은 시료 분석 장치로서, 시료가 이동되는 유로와, 상기 유로의 일단에 부착된 시료 필터와, 상기 유로의 타단에 부착된 펌프를 구비하며, 상기 펌프는 상기 유로의 타단에 연통되는 공동을 갖는 돌출형 탄성체인 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 의한 시료 분석 장치는 일회용 형태로 외부 장비 없이 손가락에서 얻은 전혈로부터 혈장을 추출하고 전달한다. 외부 액츄에이터 없이 혈액을 이동시키기 위해, PDMS((polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실록산)의 탄성 복원력을 이용하는 온칩(on-chip) 미세펌프가 간단하고 저렴한 방식으로 구현되고, 상용 막 필터가 전혈로부터 혈장을 분리하기 위해 PDMS 필름에 의한 미세유로의 유체출입구에 부착된다. PDMS 미세펌프는 필터 위에 혈액을 떨어 뜨리기 전에 눌러지고, 필터를 경유하여 비세포성(non-cellular) 혈장을 분리하기 위한 음압(negative pressure)을 제공하기 위해 해제된다. 분리된 혈장이 미세유로에 수집된 후, PDMS 막과 막 필터는 미세유로로부터 분리되고, 분리된 혈장을 전달하기 위해 PDMS 미세펌프가 다시 눌러진다.
본 발명에 의한 시료 분석 장치를 일회용 장치로 구성하고, 이를 이용하여 현장 조작으로 대략 약 10 ㎕의 혈장을 외부 장비 없이 3 분 안에 전혈 50 ㎕로부터 얻었다. 손가락을 찔러 얻는 혈액의 양은 벤치탑 원심분리기에 의해 혈장을 추출하기에는 너무 작으므로, 개발된 장치는 PDMS 미세펌프와 상업적으로 이용 가능한 막 필터를 이용한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 시료 분석 장치에 의하면 외부 장비 없이 빠르게 전혈에서 혈장을 온칩으로 분리하여 전달할 수 있다.
또한 본 발명의 시료 분석 장치는 전혈에서 적혈구를 분리하고 전달하는 과정을 용이하게 제어할 수 있다. 개발된 미세펌프는 PDMS의 탄성 복원력을 이용하여 액체 움직임을 위한 음압을 발생시켰다. 펌핑 부피는 미세펌프의 공동 부피와 정확하게 일치하였다. 그래서 펌프 공동을 조정함으로써, 미세유로 내로 정량의 시료 용액을 유입하는데 미세펌프가 설계될 수 있다.
또한, 본 발명의 시료 분석 장치는 미세펌프가 간단하고 저렴한 방식으로 제조되므로 일회용 제품에 이용되기 위한 필수 요건을 충족시킨다. 그 결과, 개발된 장치는 POC 혈액 분석용 일회용 형태로 고기능 마이크로 유체 소자를 구성하는데 용이하게 적용될 수 있다.
도 1은 손가락에서 얻은 전혈에서 혈장을 분리하고 전달하기 위해 개발된 본 발명의 일 실시예의 구조와 작동 원리를 도시한다.
도 2는 미세펌프의 사다리꼴 형상의 단면을 보여주는 현미경 사진이다.
도 3은 미세유로의 공기출입구에 부착된 미세펌프와 미세유로 내로 액체를 흡입하는 미세펌프의 동작을 도시한다.
도 4(a)는 샘플의 유입 부피가 미세펌프의 공동 부피에 따라 선형적으로 증가하는 것을 나타내고, 도 4(b)는 미세펌프의 펌핑 부피가 변할 때 시간에 따른 용액의 이동을 나타내며, 도 4(c)는 미세펌프의 펌핑 부피가 변할 때 시간에 따른 펌핑 속도를 나타낸다.
도 5는 일 실시예의 장치에 의해 수행되는 혈액 분리 및 전달의 전체 과정을 보여주는 사진이다.
도 6(a)는 전혈 50 ㎕가 1cm X 1cm 필터에 적하될 때 시간에 따라 분리된 혈장의 부피를 나타내고, 도 6(b)는 전혈의 부피와 분리된 혈장의 부피 사이의 관계를 나타내며, 도 6(c)는 필터 크기와 분리된 혈장의 부피 사이의 관계를 나타낸다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 손가락에서 얻은 전혈에서 혈장을 분리하고 전달하기 위해 개발된 본 발명의 일 실시예에 의한 시료 분석 장치(100)의 구조와 작동 원리를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시료 분석 장치(100)는 마이크로 채널(101)과 시료 필터(112)와 미세펌프(118)를 구비한다.
마이크로 채널(101)은 미세유로(102)와 유체출입구(108)와 공기출입구(110)를 구비한다. 미세유로(102)는 상부 기판(104) 및 하부 기판(106)에 의해 형성된다. 유체출입구(108)는 미세유로(102)의 일단에서 상부 기판(104)을 관통하여 형성되며 혈액 등의 시료가 출입한다. 공기출입구(110)는 미세유로(102)의 타단에서 상부 기판(104)을 관통하여 형성되며 공기가 출입한다.
시료 필터(112)는 상부 기판(104)에 부착되며 유체출입구(108)를 커버한다. 미세펌프(118)는 공동(114)과 누름부(116)를 갖는다. 공동(114)은 상부 기판(104)에 부착되며, 공기출입구(110)를 커버하고 공기출입구(110)에 연통된다. 누름부(116)는 상부 기판(104)에서 돌출된 형태이며 탄성체로 형성된다.
미세유로(102)는 유체출입구(108)를 통해 주입된 유체의 이동통로이다. 미세유로(102)는 유체를 출입시키는 유체출입구(108)와 공기출입구(110)가 연결되어 있으며, 공기출입구(110)는 펌프(118)의 공동(114)과 연통되어 있다. 펌프(118)는 누름부(116)의 상하 움직임에 따라 양압 또는 음압을 발생시킴으로써 미세유로(102)내의 유체가 이동되도록 한다.
유체출입구(108)는 외부에서 유체를 주입할 수 있도록 주입구의 역할을 하고, 유체출입구(108)로 주입된 유체는 미세유로(102)를 통해 펌프(118)로 이송된다. 즉, 펌프(118)를 통해 음압이 발생되면 유체출입구(108) 부근에 있던 유체는 미세유로(102)로 이동하게 된다. 유체출입구(108)는 유체를 보다 용이하게 주입할 수 있도록 위쪽을 향하도록 이루어진 것이 바람직하다.
미세유로(102)는 미세한 통로의 형태를 취하고, 일직선 또는 절곡된 형태를 가질 수 있다. 유체출입구(108), 미세유로(102) 및 공기출입구(110)가 일체로 연통되도록 형성될 수 있는 데, 이 경우 유체출입구(108)에서 펌프(118)로 이동되는 유체는 외부에 영향 없이 보다 기밀한 상태에서 이동될 수 있다.
공기출입구(110)는 펌프(118)의 공동(114)과 연결되며, 누름부(116)의 상하 운동에 따른 펌프(118)의 양압 또는 음압 발생에 의해 마이크로 채널(101) 내의 공기가 이동된다. 즉, 펌프(118)를 누름으로 인해 공동(114)의 내부에 있는 공기는 공기출입구(110)로 들어가고, 펌프(118)를 눌렀던 힘을 제거하면 미세유로(102) 내의 공기는 공기출입구(110)를 통해 공동(114)으로 이동되게 된다.
유체출입구(108) 및 공기출입구(110)의 끝단은 위를 향하도록 형성된 것이 바람직하다. 유체출입구(108)가 위쪽을 향하도록 형성함으로 유체를 보다 용이하게 주입할 수 있다. 또한, 공기출입구(110)가 위쪽을 향하도록 형성함으로 펌프(118)의 이용을 용이하게 할 수 있다. 즉, 펌프(118)가 도 1에 도시된 바와 같이 상부 기판(104)의 위쪽에 형성됨으로 인해 펌프(118)의 누름부(116)를 손으로 용이하게 누를 수 있다.
마이크로 채널(101)는 외부에서 누름 등의 외력을 가하더라도 부피 변화가 이루어지지 않도록 변형되지 않는 재질로 형성하는 것이 바람직하다. 이로써 미세유로(102) 내의 유체의 이동을 정확하게 제어할 수 있다.
펌프(118)를 공기출입구(110) 위에 위치시킴으로써 공동(114)은 공기출입구(110)와 연통되어 공기 이동이 이루어지며, 누름부(116)인 펌프(118)의 상부는 외부와 밀폐되어 있는 구조이다.
펌프(118)는 원래 형상으로 회복하는 탄성 재질로 형성하는데 특히 펌프(118)는 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 펌프(118)는 이소프렌 고무, 실리콘 고무, 우레탄 고무, 부타디엔 고무, 스틸렌부타디엔 고무, 아크릴로니티릴부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 부틸 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무, 아크릴 고무, 다황화 고무, 불소 고무, 에피클로로히드린 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등으로 형성될 수 있다.
펌프(118)를 다수 부착하여 혈액(122)을 순차적으로 이동시킬 수 있다. 또한, 시료 필터(112)를 통과한 시료(124)와 반응하는 시약(130)을 유로(102) 내에 동결 건조하거나 도포할 수 있다. 시약(130)은 펌프(118)의 공동(114)에 채워 넣을 수 있다. 이 경우 시약(130)은 펌프(118)를 누를 때 유로(102) 내로 공급되어 시료 필터(112)를 통과한 시료(124)와 반응하도록 할 수 있다.
손가락(120)의 힘이 누름부(116)에 인가되면 PDMS 구조체인 미세펌프(118)의 공동(114)이 압착된다. 미세펌프(118)를 압착한 후, 혈액 샘플(122)을 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 미세유로(102)의 유체출입구(108)에 부착된 혈액 필터(112)에 떨어뜨린다. 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 손가락(120)의 힘이 미세펌프(118)에서 해제되면, PDMS의 탄성 특성은 미세펌프(118)가 원래의 형상을 회복하도록 하고 음압(negative pressure)이 필터(112) 위의 혈액(122)에 적용되도록 한다. 혈액(122)이 필터(112)를 통과하는 동안, 적혈구(도시되지 않음)는 필터(112)의 구멍에 의해 방해되고, 분리된 혈장(122)이 미세유로(102)로 이송된다. 분리된 혈장(122)을 만든 후, 혈액 필터(112)가 미세유로(102)로부터 분리된다. 이어서, PDMS 미세펌프(118)는 추가적인 POC 분석을 위해 혈장을 전달하기 위해 다시 눌러진다.
본 명세서에서, 소량(~ 50 ㎕)의 전혈로부터 혈장을 온칩 분리하는 것은 어떠한 외부 장비도 없이 달성되었다. 손가락을 란셋으로 찔러 얻은 혈액으로부터 혈장을 추출하기 위해, 상업용 멤브레인 필터(112)가 PDMS 막(126)의 중간층을 갖는 미세유로(102)의 유체출입구(108)에 부착된다. PDMS 막(126)은 혈장 분리 동안에 기밀 밀봉을 제공하고, 분리된 혈장을 전달하기 위해 혈장 분리 후 미세유로(102)로부터 쉽게 떼어지도록 부착된다.
PDMS 미세펌프(118)는 시료 분석 장치(100)에 집적되며, PDMS의 탄성 복원력을 이용한다. 본 실시예를 통해, 일회용 포맷으로 마이크로 유체 소자를 능동 제어하기 위한 미세펌프가 저가 및 대량생산 방식으로 제조될 수 있다. 미세펌프(118)는 전술한 바와 같이 손가락(120)의 힘에 의해 작용될 수 있다. 또한, 액체의 작동 부피가 탄성 미세펌프(118)의 공동(114)의 부피에 선형적으로 비례하므로, 미세펌프(118)는 정량의 액체를 미세유로(102)로 이송할 수 있어서 일회용 고정 볼륨 마이크로 피펫으로서 동작한다. 결과적으로 본 실시예에 의해 혈장을 추출하고 전달하는 독립형 LOC 장치가 손가락 혈액의 신속한 POC 분석을 위해 적용될 수 있다.
전혈에서 적혈구를 분리해 내기 위해, 상업용 혈액 필터(112)가 미세유로(102)의 유체출입구(108)에 배치된다. PDMS 막(126)이 혈액 필터(112)의 아래에 부착되어 미세유로(102)의 위에 배치된다. 이 PDMS 막(126)은 미세펌프(118)로부터의 음압에 의해 혈장이 분리되는 중에 기밀 밀봉을 제공하며, 분리된 혈장(124)을 전달하기 위해 미세유로(102)로부터 용이하게 분리될 수 있다.
미세펌프(118)를 구성하기 위해, 리소그래피 방식으로 패턴을 형성한 금형 상에 PDMS를 주조함으로써 함몰된 패턴(caved pattern)을 갖는 탄성 구조체가 형성된다. 다음에, 경화된 PDMS 구조는 미세유로(102)의 공기출입구(110)에 부착되며, 미세유로(102)와 연통되는 공동(114)을 형성한다. 이 공동(114)의 부피를 제어함으로써, 미세유로(102)의 공기출입구(110)에서 PDMS 구조는 미세펌프로서 동작할 수 있다.
외부 시스템을 이용하는 대신에, 손가락(120)으로 미세펌프(118)를 누름으로써 펌핑 동작이 동작될 수 있다. 미세유로(102) 내로 끌려진 유체의 양은 PDMS 미세펌프(118)의 부피 변화와 밀접하게 관련이 있다. PDMS 구조가 원래의 형상을 회복할 때, 액체 움직임도 중지된다. 결과적으로, 마이크로 밸브 없이 유체의 이동은 개발된 미세펌프(118)에 의해 정확하게 제어될 수 있다. 본 명세서에서는 미세펌프(118)의 성능을 정량적으로 나타내기 위해, 계량 막대가 직선 채널을 따라 1mm 간격으로 배열된다. 패턴들이 PDMS 미세펌프(118)에 의한 용액의 섭취량을 측정하기 위해 눈금자로서 이용된다.
탄성 미세펌프(118)는 단순히 딱딱한 금형에 PDMS 혼합물을 주입하여 제작하였다. 주형은 종래의 리소그래피 공정에 의해 제조한다. 금형의 제조를 위해, 시중에서 판매하는 감광성 폴리머 코팅된 플레이트(QS170F, TOYOBO CO., LTD., 일본)가 UV 광에 의해 노출된 후에, 포토폴리머 프로세서(A-4, TOTYBO CO., LTD., 일본) 내에서 현상되고, 플레이트의 경화를 위해 UV에 후노광 된다.
PDMS 혼합물을 만들기 위해, 경화제 및 실가드(Sylgard) 184 (듀퐁, 미국)가 1:10의 비율로 혼합되었다. 혼합한 후, PDMS 혼합물을 교반하는 동안 발생하는 기포를 제거하기 위해 진공 챔버 내에 PDMS를 배치한다. 이어서, PDMS를 금형에 붓고, 실온에서 72 시간 동안 경화시킨다. 제조된 PDMS 미세펌프(118)는 투명하고, 용액을 펌핑하는 복원력을 제공하는 우수한 기계적 탄성을 가지고 있다.
PDMS 미세펌프(118)의 성능을 나타내기 위해, 미세펌프(118)의 각부의 치수가 설계된다. 미세펌프(118)의 치수적 효과를 분석하기 위해, 620 ㎛, 680 ㎛ 및 780 ㎛의 다양한 높이의 펌프(118)를 제조하고, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm 및 5 mm의 직경이 되도록 설계한다. 감광성 중합체의 측벽을 고정된 기울기로 현상하기 때문에 미세펌프(118)는 도 2에 도시된 현미경 이미지와 같이 사다리꼴 형상의 단면을 가지고 있다.
미세유로(102)는 핫 엠보싱(hot-embossing) 공정에 의해 PMMA(폴리메타크릴산 메틸, poly(methylmethacrylate)) 기판에 패터닝 된다. 빈 PMMA 기판을 엠보싱하기 위해, 이전에 보고된 SU-8 유도 니켈 전기 도금 기법에 의해 Ni 금형이 제조된다. 이어서, Ni 금형이 PMMA 기판의 아래에 적층되고, 핫 프레스(Qmesys, 한국)에 넣었다. 140의 엠보싱 온도에서, 10 바의 압력이 금형과 PMMA에 인가된다. 핫 엠보싱 공정 후에, 제조된 PMMA 기판은 유체출입구(108) 및 공기출입구(110)를 만들기 위해 드릴 가공된다. 다음에, 패터닝된 PMMA 기판이 미세유로(102)를 구현하기 위해 빈 PMMA와 융합되어 결합된다. 마지막으로, 제조된 PDMS 미세펌프(118)는 빠르게 건조하는 슈퍼 접착제(Toolspia, 한국)를 적용하여 PMMA 미세유로(102)에 부착된다. 도 3은 PMMA 미세유로(102)의 공기출입구(110)에 부착된 미세펌프(118)가 미세유로(102) 내로 시료를 끌어들이는 동작을 도시한다.
혈액 분리 동안의 기밀 밀봉과 혈장 전달을 위한 용이한 분리를 위해, 혈액 필터(Vivid 혈장 분리막, PALL, USA)는 양면 테이프(금성 K&T, 한국)로 PDMS 필름에 부착된다. 전혈로부터 혈장을 분리하는 것에 대한 필터 크기의 영향을 나타내기 위해, 혈액 필터는 0.25 ㎠, 0.5625 ㎠, 1 ㎠ 및 1.5625 ㎠의 제곱크기로 절단된다. 분리된 혈장이 미세유로(102)로 전송될 수 있는 구멍을 만들기 위해, 양면 테이프(128) 및 PDMS 필름(126)을 0.6 cm의 직경을 갖는 원형 구멍을 갖도록 펀칭한다. 필터(112) 및 PDMS 막(126)을 양면 테이프(128)에 의해 서로 부착한 후, 제조된 필터는 PMMA 미세유로(102)의 유체출입구(108)에 이음매 없이 부착한다. PMMA 미세유로(102)와 영구 접합하도록 PDMS 막(126)이 처리되지 않기 때문에, 혈액 필터(112)는 혈장 분리 후에 쉽게 제거될 수 있다. 혈장을 확보한 후, 혈액 필터(112)는 미세유로(102)로부터 조심스럽게 분리한다. 이어서, 분리된 혈장(124)의 양은 미세유로(102)를 따라 구비된 계량 막대를 이용하여 측정한다.
도 4(a)는 샘플의 유입 부피가 미세펌프(118)의 공동의 부피와 선형적으로 증가하는 것을 보여준다. 미세펌프(118)의 부피를 조사하기 위해, 미세펌프(118)의 단면을 현미경으로 관찰한다. 다음에, 미세펌프(118)의 높이와 폭을 측정하여 부피를 산출한다. 도 4(a)는 그래프의 기울기가 대략 1이고, 미세펌프(118)가 원래 부피와 동일한 양으로 액체를 끌어 당기는 것을 설명한다. 미세유로(102)에 끌려진 액체의 부피와 미세펌프(118)의 부피 사이에 강한 선형적 관계가 있으므로, 미세펌프(118)는 시료 용액의 정량의 부피를 추출하기 위해 설계될 수 있다. 특정 어플리케이션을 위한 부피를 설계하므로써, 미세펌프(118)는 비싼 피펫의 저렴하게 대체하는 정교한 디스펜서로서 이용될 수 있다.
또한 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 펌핑 부피는 미세펌프(118)로부터 손가락 힘을 해제하면 바로 빠르게 증가한다. 펌프(118)의 구조가 복원되면서 탄성 복원력에 의한 흡입 압력은 감소하고, 액체의 흡입량은 최종적으로 포화된다. 미세펌프(118)의 부피에 따라 특정 위치에서 용액이 정지하기 때문에, 마이크로 채널 내의 용액의 이동은 마이크로 밸브 없이 제어될 수 있다.
도 4(c)는 미세펌프(118)의 펌핑 속도를 나타낸다. 미세펌프(118)는 PDMS의 복원력을 이용하기 때문에, 펌핑 속도는 미세펌프(118)로부터 압력이 해제된 직후에 가장 큰 값을 가지고, 미세펌프(118)가 원래의 형태로 복원되면서 마지막에는 0으로 포화된다. 미세펌프(118)의 직경이 증가할수록 펌핑 속도의 피크도 증가한다. 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 각각의 PDMS 미세펌프(118)가 그 형상을 복원하는데 유사한 시간을 필요로 하므로, 더 큰 직경의 미세펌프(118)에 대해 증가된 변형 부피는 더 높은 펌핑 속도를 가져온다.
도 5는 개발된 장치에 의해 혈액 분리 및 전달의 전체 절차를 실행하는 것을 보여주는 사진이다. 전혈(30 ㎕)이 필터(112) 위에 적하되면, 미세펌프(118)에 적용된 손가락 힘을 서서히 해제하고, 혈장은 200 ㎛의 높이를 가진 미세유로(102)로 당겨진다. 미세유로(102)의 공기출입구(110)에서 미세펌프(118)에 의해 발생된 음압 때문에 PDMS 막 위의 혈액 필터(112)는 혈장 분리 동안 밀봉될 수 있다. 각 조건에 대해 분리 성능을 비교하기 위해 분리 시간은 모든 실험에 대해 3분으로 설정된다.
도 6(a)는 전혈 50 ㎕가 1cm X 1cm 필터(112)에 적하될 때 시간에 따른 분리된 혈장의 움직임을 도시하고 있다. 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 미세펌프(118)로부터 힘을 해제한 후, 혈장 분리는 즉시 시작하고, 점차 느려지다가 3분 안에 마지막으로 멈춘다. 개발된 장치(100)에 의한 혈액/혈장 분리 성능은 적하된 혈액 부피와 혈액 필터(112)의 크기로 또한 나타낼 수 있다. 마이크로 채널의 유체출입구(108)에 1cm X 1cm의 고정된 크기로 혈액 필터(112)를 부착한 후, 혈장의 분리된 양은 제공된 혈액의 다양한 부피에 대해 측정된다. 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 분리된 혈장의 양은 적용된 혈액의 양에 따라 증가한다. 부착된 혈액 필터(112)의 크기 또한 전혈로부터 혈장을 분리하는 효율에 영향을 미친다. 전혈 30 ㎕를 제공할 때, 분리된 혈장의 양은 도 6(c)에 도시된 바와 같이 혈액 필터(112)가 더 작은 크기를 가질수록 증가한다. 혈액 필터(112)는 적혈구를 걸러 내는 많은 구멍을 가지고 있으므로, 필터(112)의 구멍이 충진된 후, 혈장은 필터(112)로부터 추출될 수 있다. 따라서 더 많은 혈액이 공급되면 필터(112)의 구멍을 채우고 남은 혈액이 증가하므로, 더 많은 양의 혈장 분리를 가져온다. 또한 더 작은 크기의 혈액 필터(112)는 더 작은 수의 필터(112)의 구멍을 가지므로, 필터(112)의 구멍은 더 작은 양의 혈액으로 채워질 수 있다. 따라서, 더 큰 양의 혈장을 더 작은 크기의 혈액 필터(112)와 더 많은 양의 제공된 혈액으로부터 확보할 수 있다. 이러한 결과를 토대로, 적절한 필터(112) 크기와 요구되는 혈액의 양이 장치 각각의 세부 사양에 따라 결정될 수 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
100 : 시료 분리 장치 102 : 마이크로 유로
104 : 상부 기판 106 : 하부 기판
108 : 유입구 110 : 유출구
112 : 혈액 필터 114 : 공동
116 : 누름부 118 : 마이크로 펌프
120 : 손가락 122 : 혈액
124 : 분리된 혈장 126 : PDMS 막
128 : 양면 접착제

Claims (12)

  1. 유로를 형성하는 상부 기판 및 하부 기판과;
    상기 상부 기판을 관통하여 상기 유로의 일단과 타단에 각각 형성되는 유체출입구 및 공기출입구와;
    상기 상부 기판에 부착되며 상기 유체출입구를 커버하는 시료 필터와;
    상기 상부 기판에 부착되며, 상기 공기출입구를 커버하고, 상기 공기출입구에 연통하는 공동(cavity)과 상기 상부 기판에서 돌출된 형태이며 탄성체인 누름부를 갖는 펌프를
    포함하는 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 원래 형상으로 회복하는 탄성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 펌프는 PDMS((Polydimethylsiloxane), 이소프렌 고무, 실리콘 고무, 우레탄 고무, 부타디엔 고무, 스틸렌부타디엔 고무, 아크릴로니티릴부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 부틸 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무, 아크릴 고무, 다황화 고무, 불소 고무, 에피클로로히드린 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 또는 시료 필터는 탈부착 가능한 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시료 필터는 상기 상부 기판에 접합되는 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 다수 부착되어 있어서 시료의 순차적인 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프의 공동에 채워진 시약을 더 구비하고,
    상기 시약은 상기 펌프를 누를 때 상기 유로 내로 공급되어 상기 시료 필터를 통과한 시료와 반응하도록 한 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시료 필터를 통과한 시료와 반응하는 시약을 상기 유로 내에 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  9. 시료가 이동되는 유로와,
    상기 유로의 일단에 부착된 시료 필터와,
    상기 유로의 타단에 부착된 펌프를 구비하며,
    상기 펌프는 상기 유로의 타단에 연통되는 공동을 갖는 돌출형 탄성체인 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 펌프가 다수 부착되어 있어서 시료의 순차적인 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 펌프의 공동에 채워진 시약을 더 구비하고,
    상기 시약은 상기 펌프를 누를 때 상기 유로 내로 공급되어 상기 시료 필터를 통과한 시료와 반응하도록 한 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 시료 필터를 통과한 시료와 반응하는 시약이 상기 유로 내에 도포 혹은 동결건조된 것을 특징으로 하는 시료 분석 장치.
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