KR20170123832A - Apparatus and method for multiple measurement of blood biophysical property based on microfluidic device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 상세히는 미세유체소자에 나란히 배치되어 변형성 챔버를 구비한 제1 사이드채널과 점성 챔버를 구비한 제2 사이드채널 및 이들 사이를 연결한 브리지채널에 혈액 및 식염수를 주입하여 변형성 챔버 또는 점성 챔버에 채워지는 과정을 통해 심혈관 질환의 조기진단 지표로 간주되는 혈액의 다중생물성치를 측정하도록 한 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring multiple biological values of blood based on a microfluidic device, and more particularly, to a method and apparatus for measuring multiple biological values of blood based on a microfluidic device, comprising a first side channel having a deformable chamber, A microfluidic device capable of measuring the multi-biological value of blood, which is regarded as an early diagnostic index of cardiovascular disease, by injecting blood and saline into the side channel and the bridge channel connecting them, And more particularly, to a multi-biological value measuring apparatus and a measurement method for blood based on the same.
1. 본 발명의 개요1. Summary of the Invention
2009년 건강보험정책연구원의 분석에 의하면, 2008년 고혈압, 당뇨병, 심장질환 등의 심혈관계 질환 환자의 수는 각각 459만명, 178만명, 94만명이며, 매년 7.5%, 4.7%, 3.5% 증가하고 있다고 한다. 또한 미국심장학회에 의하면 심혈관 질환이 현대인들의 제1 사망원인(48%)이며, 국내에서도 제 2의 사망 원인(37.5%)으로 급격히 증가되고 있는 것이 현실이다.In 2009, the number of patients with cardiovascular diseases such as hypertension, diabetes, and heart disease increased by 7.5%, 4.7%, and 3.5%, respectively, to 4.59 million and 1.78 million, respectively, . According to the American Heart Association, cardiovascular disease is the first cause of death in modern people (48%) and the second cause of death in Korea (37.5%).
특히 동맥경화, 심근경색, 뇌출혈 등의 심혈관계 질환은 사전증상 없이 갑작스레 발병하여 사망 또는 심각한 합병증을 유발한다. 하지만, 기존의 생화학적인(Biochemical) 검출방법으로만 조기진단이 힘들기 때문에, 이에 대해 효과적으로 사전에 대처하기 위하여 생물리적(Biophysical) 진단기술이 필요하다.In particular, cardiovascular diseases such as arteriosclerosis, myocardial infarction, and cerebral hemorrhage occur suddenly without any pre-symptom, leading to death or serious complications. However, since it is difficult to diagnose only by conventional biochemical detection method, biophysical diagnosis technology is needed to effectively cope with the early diagnosis.
최근에는 혈액 생물성치[점도, 점탄성, 적혈구 용적률(hematocrit), 변형성, 응집성 등]들 중 혈액의 점성, 즉 점도에 대한 많은 연구결과로부터, 혈액의 점도와 심혈관 질환과의 상관관계 보고들이 늘어나고 있고, 심혈관 질환의 진단 및 질병의 진행상태의 모니터링을 위해 혈액의 점도 측정은 중요하다.In recent years, there has been an increasing number of reports of blood viscosity and cardiovascular disease correlations with blood viscosity (viscosity, viscoelasticity, hematocrit, deformability, coherence, etc.) , The measurement of blood viscosity is important for the diagnosis of cardiovascular disease and for monitoring the progress of the disease.
2. 본 발명의 국내외 연구동향2. Research Trends of the Present Invention
상용의 점도계(conventional viscometer)는 실험실용으로 구입가격이 높고, 상대적으로 많은 샘플 소모량(∼mL)과 측정시간(∼hr)이 필요하며, 정확한 측정을 위하여 반복적인 점도측정이 필요하다. 부가적으로, 혈액점도 측정 후에 세척하여 사용하는 방식으로 임상현장에서 적용이 곤란하다. 이에 비하여, 미세유체소자 기반의 점도계는 샘플, 정확도, 실제 유동과의 유사성, 자유표면의 부재, 일회성 등의 고유한 장점이 있어 임상현장의 적용성에서 잠재성이 높다.Conventional viscometers are expensive for laboratories and require relatively high sample consumption (~ mL) and measurement time (~ hr), and repeated viscosity measurement is required for accurate measurement. In addition, it is difficult to apply it in a clinical field by a method of washing after measurement of blood viscosity. On the other hand, the microfluidic device-based viscometer has unique advantages such as sample, accuracy, similarity with actual flow, absence of free surface, and one-time, and thus has high potential in clinical application.
미세유체소자 기반의 점도계는 측정대상의 유체의 점도를 측정하기 위하여 미세유체 채널 내의 유체유동에 의하여 발생하는 마찰손실에 의한 압력강화 (pressure drop)를 기반으로 하여 다양한 방법들이 제안되었다. 이렇게 제안된 방법은 (1) 압력센서를 이용하여 압력강하를 직접적으로 측정하여 점도를 계산하는 직접법이 있고, (2) 기준유체(reference fluid)와 측정대상유체(sample fluid)의 점도차이에 의한 경계면의 이동을 검출하여, 각각의 유체가 차지하는 비율로 점도를 측정할 수 있는 방법이 있다. 또한, 미세유체 채널 어레이(microfluidic channel array) 내에 카운팅 채널(counting channel)을 설치하고, 유체역학 흐름 구획(hydrodynamic flow compartment) 개념을 이용하여 기준유체 대비 측정대상유체의 점도 차이에 의하여 두 유체가 카운팅 채널에 채워진 채널 개수를 카운팅하여 유체점도를 측정하는 방법이 있다. 마지막으로, 미세유체소자 기반의 휘트스톤 브리지 회로(Wheatstone-bridge circuit)를 이용하여 브리지 회로 내에 흐르는 유체의 역 흐름(reverse flow)이 발생하는 유속을 측정하여 점도를 측정하는 방법이 제안되었다.In order to measure the viscosity of a fluid to be measured, various methods have been proposed based on a pressure drop due to a friction loss caused by fluid flow in a microfluidic channel. The proposed method has a direct method to calculate viscosity by directly measuring the pressure drop by using a pressure sensor, (2) by a viscosity difference between a reference fluid and a sample fluid, There is a method of detecting the movement of the interface and measuring the viscosity at the ratio occupied by each fluid. In addition, a counting channel is provided in a microfluidic channel array, and the fluid is counted by the viscosity difference of the fluid to be measured with respect to the reference fluid using the concept of hydrodynamic flow compartment. There is a way to measure the fluid viscosity by counting the number of channels filled in the channel. Finally, a method has been proposed for measuring the viscosity of a fluid flowing through a bridge circuit using a wheatstone-bridge circuit based on a microfluidic device.
하지만, 상기한 종래의 방법들은 혈액투석기(hemodialysis) 및 체외순환장치 (cardiopulmonary-bypass procedure) 등의 폐쇄 유체 회로(closed fluidic circuit)에서 혈액을 채혈한 이후에 상용 점도계를 이용하여 혈액의 점도를 측정한다. 이때, 혈액의 유동학적인 정보(flow rate or shear rate)가 소실되는 문제가 있다. 또한 채널 크기에 따른 점도 영향성(즉 Fahraeus-Lindqvist 효과) 때문에 혈액점도의 차이가 발생한다. 이러한 이유로 인하여 Fahraeus-Lindqvist 효과의 영향을 최소화 할 수 있는 채널 크기 조건에서 다양한 전단 속도(shear rate)에 따라 점도측정을 진행하고 있다.However, the conventional methods described above can not measure the blood viscosity using a commercial viscometer after blood is collected from a closed fluidic circuit such as hemodialysis and cardiopulmonary-bypass procedure do. At this time, the flow rate or shear rate of the blood is lost. In addition, there is a difference in blood viscosity due to the influence of the viscosity depending on the channel size (that is, the Fahraeus-Lindqvist effect). For this reason, viscosity measurements are being made at various channel shear rates to minimize the effect of the Fahraeus-Lindqvist effect.
또한 혈액 체혈 후 보관시간에 따른 혈액의 특성변화 및 인공물(artifact)로 인하여 정확한 점도측정이 힘들고, 유량 및 압력 등의 동적변화에 대한 정보가 없기 때문에 박동(pulsatility)과 점탄성에 대한 정보를 제공해 주지 못하고 있으며, 순환기 질환과 상관성이 높은 혈액의 생물성치 중 점성과 점탄성 및 응집성에 대한 동시측정을 못하고 있다.In addition, it is difficult to measure the viscosity accurately due to changes in blood characteristics and artifacts due to blood storage time after blood clotting, and information on the pulsatility and viscoelasticity is provided because there is no information on dynamic changes in flow rate and pressure. And can not simultaneously measure the viscosity, viscoelasticity and cohesiveness among the biological properties of the blood, which are highly correlated with circulatory diseases.
더욱이 폐쇄 유체 회로에서 주기적인 혈액 채취 및 실험측정으로 인하여, 유체 회로 내에 잔존하는 혈액이 점점 감소하여 생리적학적인 문제로 인해 장시간 연속적인 모니터링이 힘들다는 문제가 있다.Moreover, due to periodic blood sampling and laboratory measurements in the closed fluid circuit, there is a problem that the blood remaining in the fluid circuit is gradually reduced, making it difficult to continuously monitor for a long time due to physiological problems.
3. 본 발명의 필요성 및 중요성3. Necessity and Importance of the Present Invention
심혈관계 질환의 위험인자로 알려진 고혈압, 당뇨, 흡연 등의 증상에서 혈액 생물성치가 상대적으로 높기 때문에, 혈액 생물성치 측정은 선행 증상 없이 발병하는 심혈관계 질환 환자의 조기진단을 위하여 필요하다.Since blood biochemical values are relatively high in the symptoms of hypertension, diabetes and smoking, which are known as risk factors of cardiovascular disease, blood bioassay is necessary for early diagnosis of cardiovascular disease patients without previous symptoms.
심혈관계 질환자의 질병진행 상태에 대한 모니터링 및 조기진단을 위하여 임상적용이 가능한 혈액 생물성치 바이오센서의 개발이 필요하다. 즉, 기존 상용 점도계로써는 혈액 생물성치에 대한 임상적용에 제약이 있기 때문에, 다양한 장점을 갖춘 미세유체소자 기반의 혈액 생물성치 측정 바이오센서에 대한 개발이 필요하다.It is necessary to develop a biosensor for blood biocompatibility that can be applied for clinical monitoring and early diagnosis of disease progression of cardiovascular disease patients. In other words, since conventional commercial viscometers are limited in clinical application to blood biosynthetic value, it is necessary to develop a biosensor for measurement of blood biological value based on a microfluidic device having various advantages.
미세유체소자 기반의 혈액 생물성치 측정에 대하여 제안된 방법들은 1) Fahraeus 효과에 의한 점도차이, 2) 압력, 유량, 박동 정보 소실, 3) 장시간 모니터 어려움 등의 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 개선하여 정확하고, 신뢰성 있고, 쉽고 & 간편한 조작 등의 특성을 갖춘 미세유체소자 기반의 생물성치 측정 바이오센서 개발이 필요하다.The proposed methods for the measurement of blood biological values based on microfluidic devices have disadvantages such as 1) viscosity difference due to Fahraeus effect, 2) loss of pressure, flow rate, and pulse information, and 3) difficulty in monitoring for a long time. It is necessary to develop biosensor measurement biosensor based on microfluidic device which has the characteristics such as accurate, reliable, easy & easy operation by improving these disadvantages.
궁극적으로, 심혈관계 질환자의 건강상태의 모니터링 및 사전진단용으로 현장(병원)에서 소량의 혈액 샘플을 이용하여 정확성 및 신뢰성 있는 혈액 생물성치를 제공하며, 임상적용이 가능한 미세유체소자 기반의 혈액 생물성치 측정 바이오센서의 개발이 필요하다.Ultimately, it provides accurate and reliable blood biological value using a small amount of blood sample in the field (hospital) for monitoring and pre-diagnosis of the health condition of cardiovascular disease patients, Development of a measurement biosensor is needed.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 심혈관 질환의 조기진단 지표로 간주되는 점성, 점탄성, 적혈구 변형성 및 적혈구 응집성의 혈액 다중생물성치를 미세유체소자에 배치된 채널의 변형성 챔버 및 점성 챔버에 혈액과 식염수를 주입하는 것에 의해 동시에 측정할 수 있도록 한 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치 및 측정방법을 제공함에 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in order to solve all of the above problems, and its object is to provide a blood multi-biocompatible, viscous, erythrocyte deformable and erythrocyte- And to provide a device and a method for measuring a multiple biological value of blood based on a microfluidic device which can be simultaneously measured by injecting blood and saline into a deformable chamber and a viscous chamber of a channel.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치는, 측정대상유체의 점성, 점탄성, 적혈구 변형성 및 적혈구 응집성을 동시에 측정하도록 미세유체소자에 상기 측정대상유체 및 기준유체가 통과하는 채널이 배치된 혈액의 다중생물성치 측정장치로서, 상기 채널은 미세유체소자에 일정 간격을 두고 각각 배치된 제1 사이드채널과 제2 사이드채널로 구성하고, 상기 제1 및 제2 사이드채널 사이는 브리지채널로 연결하되, 상기 브리지채널 아래의 상기 제1 사이드 채널에는 변형성 챔버, 상기 제2 사이드채널에는 점성 챔버를 각각 구비하고, 상기 제1 및 제2 사이드 채널의 상단부는 측정대상유체 및 기준유체의 주입구가 되고, 하단부 및 제2 사이드채널 주입구와 브리지채널 사이에 연결된 부분이 배출구가 되는 것을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the above-mentioned object, the apparatus for measuring multi-biological property of blood based on the microfluidic device of the present invention is characterized in that the microfluidic device is provided with a microfluidic device for measuring the viscosity, viscoelasticity, erythrocyte deformability, Wherein the channel comprises a first side channel and a second side channel which are respectively disposed at predetermined intervals in the microfluidic device, and the first side channel and the second side channel are arranged at predetermined intervals in the microfluidic device, A bridge channel is provided between the first and second side channels, a deformable chamber is provided in the first side channel below the bridge channel, and a viscous chamber is provided in the second side channel, The upper side of the second side channel inlet and the bridge channel are connected to each other, In that this outlet is characterized.
또 상기 변형성 챔버 및 점성 챔버 내에 각각 배치된 마이크로 채널을 더 포함하는 것이 바람직하다.And a microchannel disposed in the deformable chamber and the viscous chamber, respectively.
또 상기 변형성 챔버 내의 마이크로 채널의 채널 사이의 최소 간극은 2 ㎛이고, 높이는 4 ㎛이며, 상기 점성 챔버 내의 마이크로 채널의 채널 사이의 최소 간극은 50 ㎛인 것이 바람직하다.It is preferable that a minimum gap between channels of the microchannel in the deformable chamber is 2 占 퐉, a height is 4 占 퐉, and a minimum gap between channels of the microchannel in the viscous chamber is 50 占 퐉.
또 상기 측정대상유체는 혈액이고, 기준유체는 식염수인 것이 바람직하다.It is preferable that the fluid to be measured is blood, and the reference fluid is saline.
또 상기 제1 및 제2 사이드채널의 주입구 내에 각각 배치된 마이크로 필터를 더 포함하는 것이 바람직하다.The microchannel further includes a micro filter disposed in each of the injection ports of the first and second side channels.
또 상기 제1 및 제2 사이드채널의 각 주입구를 통해 혈액 및 식염수를 주입하는 각각의 시린지 펌프를 더 포함하는 것이 바람직하다.The syringe pump may further include respective syringe pumps for injecting blood and saline through the injection ports of the first and second side channels.
또 상기 제1 사이드채널 및 제2 사이드채널의 하단부 및 제2 사이드채널과 브리지채널 사이의 배출구에 연결된 밸브로서, 구체적으로는 핀치 밸브인 것이 바람직하다.A valve connected to a lower end of the first side channel and the second side channel, and a discharge port between the second side channel and the bridge channel, and more specifically, a pinch valve.
또 본 발명의 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법은, 측정대상유체의 점성, 적혈구 변형성, 점탄성 및 적혈구 응집성을 동시에 측정하도록 미세유체소자에 배치된 상기 측정대상유체 및 기준유체가 통과하는 제1 사이드채널과 제2 사이드채널 및 상기 각 사이드채널을 연결하는 브리지채널을 이용한 혈액의 다중 생물성치 측정방법으로서, 변형성 챔버를 구비한 상기 제1 사이드채널의 주입구를 통해 측정대상유체를 주입하여 채우도록 하되, 브리지채널을 통해 제2 사이드채널의 일부에도 측정대상유체가 공급되는 단계; 점성 챔버를 구비한 상기 제2 사이드 채널의 주입구를 통해 기준유체를 주입하여 공급되는 측정대상유체와 함께 채워지도록 하는 단계; 및 상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널의 배출구 및 제2 사이드채널과 브리지채널 사이의 배출구를 폐쇄하기 전과 폐쇄한 후에 혈액의 다중 생물성치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.In addition, the method for measuring multiple biological values of blood on the basis of the microfluidic device of the present invention is characterized in that the measurement target fluid and the reference fluid, which are disposed in the microfluidic device so as to simultaneously measure the viscosity, erythrocyte deformability, viscoelasticity, And a bridge channel connecting the first side channel, the second side channel, and the side channel through which the measurement target fluid passes, Wherein the fluid to be measured is supplied to part of the second side channel through the bridge channel; Injecting a reference fluid through the injection port of the second side channel having the viscous chamber to fill the fluid with the fluid to be measured; And measuring the biocompatibility of the blood before and after closing the outlet of the first side channel and the second side channel and the outlet between the second side channel and the bridge channel.
또 상기 측정대상유체는 주기적인 펄스 형태로 주입구에 주입하고, 기준유체는 일정하게 유량제어를 하여 주입구에 주입하는 것이 바람직하다.Preferably, the fluid to be measured is injected into the injection port in the form of a periodic pulse, and the reference fluid is injected into the injection port with constant flow rate control.
또 상기 제1 및 제2 사이드채널의 배출구과 제2 사이드채널과 브리지채널 사이의 배출구의 개방 및 폐쇄는 밸브에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.The opening and closing of the discharge port between the discharge port of the first and second side channels and the second side channel and the bridge channel is preferably performed by a valve.
또 상기 측정대상유체는 혈액을 사용하고, 기준유체는 식염수를 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable that blood is used as the fluid to be measured, and saline is used as the reference fluid.
또 상기 제1 사이드채널의 주입구에 배치된 마이크로 필터에 의해 적혈구만 주입되고, 상기 제2 사이드채널의 주입구에 배치된 마이크로 필터에 의해 식염수의 오염물을 제거하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that only the red blood cells are injected by the microfilters disposed at the injection port of the first side channel, and the contaminants of the saline solution are removed by the microfilter disposed at the injection port of the second sidechannel.
또 상기 혈액의 다중 생물성치를 측정하는 단계는, 상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널 및 브리지채널 사이의 배출구는 개방하고, 제2 사이드채널의 배출구는 주기적으로 개방 및 폐쇄한 이후, 상기 제1 사이드채널의 변형성 챔버 내로 유입되는 혈액의 유속(<U>1) 정보를 이용하여 혈액 체적을 계산하고, 이를 통해 적혈구의 변형성을 정량화하고, 적혈구 응집성을 측정하며, 상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널 및 브리지채널 사이의 배출구는 폐쇄하고, 제2 사이드채널의 배출구는 개방한 이후, 혈액의 점탄성과 점성을 측정하도록 하는 것이 바람직하다.The step of measuring multi-biological values of the blood further comprises the steps of: opening the outlet between the first side channel and the second side channel and the bridge channel; periodically opening and closing the outlet of the second side channel; 1 < / RTI > information of the blood flowing into the deformable chamber of the side channel of the first side channel, quantifying the deformability of the red blood cells, measuring the erythrocyte cohesiveness, Preferably, the outlet between the two side channels and the bridge channel is closed and the outlet of the second side channel is open, after which the viscoelasticity and viscosity of the blood are measured.
또 혈액의 상기 적혈구 변형성 측정은 변형성 챔버 입구의 임의의 위치에 특정관심영역(ROI)을 설정하고, 마이크로-PIV(Particle Image Velocimetry)로 측정된 혈액의 유속 정보를 이용하여 특정시간(ts=10 min) 동안에 상기 변형성 챔버 내로 주입되는 혈액의 체적(VDC)을 계산하고 비교함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.The erythrocyte deformability measurement of the blood can be performed by setting a specific region of interest (ROI) at an arbitrary position of the inlet of the deformable chamber and measuring the blood flow velocity at a specific time (t s = 10 < / RTI > min) of the volume of blood injected into the deformable chamber (V DC ).
또 혈액의 상기 적혈구 응집성 측정은 제2 사이드채널의 점성 챔버 내의 특정관심영역(ROI) 내의 이미지 강도(<I>) 변화를 모니터링함으로써 적혈구 응집성을 평가하여 이루어지는 것이 바람직하다.The measurement of erythrocyte cohesion of the blood is also preferably performed by evaluating erythrocyte cohesiveness by monitoring the image intensity (< I >) change in a particular region of interest (ROI) within the viscous chamber of the second side channel.
또 상기 적혈구 응집성은 시간에 증가에 따른 이미지 강도의 변화율(Slope=ΔI/Δt), 이미지 강도의 최소값 기준을 일정시간(ts=100s) 동안 적분한 값(ALow=I0*ts), 100 초 동안 이미지 강도를 적분한 값에서 ALow를 뺀 값(AUpp=-ALow), ARatio= AUpp/ALow의 4가지 특성치에 의해 정량화하는 것이 바람직하다.Further, the erythrocyte cohesiveness is a value (A Low = I 0 * t s ) obtained by integrating the change rate of the image intensity with time (Slope =? I /? T) and the minimum value standard of the image intensity over a certain period of time (t s = , A value obtained by subtracting A Low from a value obtained by integrating image intensity for 100 seconds (A Upp = -A Low ), and A Ratio = A Upp / A Low .
또 상기 혈액의 점탄성 측정은 제1 사이드채널 상단부의 특정관심영역(ROI)의 유속(<U>u)을 측정하고, 과도응답에 따른 시정수를 측정함으로써 혈액의 점탄성을 정량화하는 것에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.The viscoelasticity measurement of the blood is performed by measuring the flow velocity (< u > u) of a specific region of interest (ROI) at the upper side of the first side channel and quantifying the viscoelasticity of the blood by measuring the time constant according to the transient response desirable.
또 상기 혈액의 점성 측정은 제2 사이드채널의 점성 챔버 내에 혈액이 채워진 채널의 개수(NBlood)를 측정함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.The viscosity of the blood is preferably measured by measuring the number of blood-filled channels (N Blood ) in the viscous chamber of the second side channel.
본 발명의 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치 및 측정방법에 의하면, 점성, 점탄성, 적혈구 변형성 및 적혈구 응집성의 4가지 혈액 생물성치의 변화를 동시에 측정할 수 있고, 이러한 변화를 연속적 및 반복적으로 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.According to the multi-biological value measuring device and measuring method of blood based on the microfluidic device of the present invention, it is possible to simultaneously measure changes in four blood biological values of viscosity, viscoelasticity, erythrocyte deformability and erythrocyte cohesiveness, There is an effect that can be monitored continuously and repeatedly.
또한 1회용 바이오칩인 미세유체소자를 이용하여 혈액의 다중생물성치를 측정함으로써 별도의 세척과정이 필요 없는 효과가 있다.In addition, by measuring the multi-biological value of blood using a microfluidic device, which is a disposable biochip, there is no need for a separate washing process.
도 1은 본 발명에 따른 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치로서, 혈액 및 식염수의 주입유량 제어파로 파일, 및 배출구에 연결된 3가지 핀치 밸브의 동작을 보여주는 개략적인 구성도
도 2는 본 발명에 따른 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치를 이용한 다중 혈액 생물성치의 적혈구 변형성 및 응집성 측정방법에 따른 절차를 보여주는 도면
도 3은 본 발명의 혈액의 다중생물성치 측정장치를 이용하여 혈액의 적혈구 변형성 및 적혈구 응집성 의 측정방법을 보여주는 도면
도 4는 미세유체소자의 제1 사이드채널의 변형성 챔버 입구에서 측정된 시간에 따른 혈액의 유속(<U>l)의 변화를 보여주는 그래프
도 5의 (A)와 (B)는 미세유체소자의 제1 사이드채널의 변형성 챔버 내의 특정관심영역(ROI)에 대한 이미지 강도(<I>)의 시간에 따른 변화를 보여주는 변형성 챔버의 사진과 그래프로서, 혈액 샘플에 dextran 용액의 첨가에 따른 혈액의 응집성 변화
도 6 본 발명의 혈액의 다중생물성치 측정장치를 이용하여 혈액의 점성 및 점탄성의 측정방법을 보여주는 도면
도 7은 일시적인 전단흐름(transient shear flow) 조건 하에서 혈액의 점탄성 측정을 위한 수학적인 모델링을 보여주는 그래프와 도면
도 8은 혈액 유량에 따른 유속(<U>u)의 변화를 보여주는 그래프
도 9는 안정된 전단 흐름(steady shear flow) 조건 하에서 혈액의 점도 측정을 위한 수학적인 모델링을 보여주는 그래프와 도면BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing the operation of three pinch valves connected to a discharge wave control file and an outlet of an injection flow control device for blood and saline based on a microfluidic device according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a procedure according to a method of measuring erythrocyte deformability and cohesiveness of a multiple blood biological value using a multi-biological value measuring device for blood based on a microfluidic device according to the present invention
FIG. 3 is a view showing a method for measuring erythrocyte deformability and erythrocyte cohesiveness of blood using the apparatus for measuring a biological value of blood of the present invention
Figure 4 is a graph showing the change in blood flow (< U > l ) over time measured at the inlet of the deformable chamber of the first side channel of the microfluidic device
FIGS. 5A and 5B are photographs of a deformable chamber showing a time-dependent change in image intensity (< I >) for a particular region of interest (ROI) in a deformable chamber of a first side channel of a microfluidic device; As a graph, changes in blood flocculation due to the addition of dextran solution to blood samples
6 is a view showing a method of measuring the viscosity and viscoelasticity of blood using the apparatus for measuring multi-biological value of blood of the present invention
FIG. 7 is a graph showing mathematical modeling for determining the viscoelasticity of blood under transient shear flow conditions; FIG.
8 is a graph showing the change of the flow rate (< U > u ) according to the blood flow rate
Figure 9 is a graph and mathematical modeling for viscosity measurement of blood under steady shear flow conditions;
이하, 본 발명에 따른 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치 및 측정방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an apparatus and method for measuring multi-biological value of blood based on a microfluidic device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to inform.
도 1은 본 발명에 따른 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치를 보여주는 개략적인 구성도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing an apparatus for measuring a biological bio-value of blood based on a microfluidic device according to the present invention. FIG.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치는 미세유체소자(1)를 휘트스톤 브리지 회로(Wheatstone-bridge circuit)를 모방한 "H" 형상으로 구성하되, H 형상의 한쪽(도면에서 왼쪽)은 제1 사이드채널(2), H 형상의 다른 쪽(도면에서 오른쪽)은 제2 사이드채널(3), 그리고 H 형상의 가운데 연결부, 즉 제1 사이드채널(2)과 제2 사이드채널(3)의 연결부는 브리지채널(4)로 구성한다. 또한 상기 제1 사이드채널(2)과 제2 사이드채널(3)의 상단부는 각각 주입구(5a)(5b)가 되고, 하단부는 각각 배출구(6a)(6b)가 된다. 또한, 제2 사이드채널(2)과 브리지채널(4) 사이에도 배출구(6c)가 있다.As shown in FIG. 1, an apparatus for measuring a biological bio-value of blood based on a microfluidic device according to the present invention includes a
상기 제1 사이드채널(3)의 주입구(5a)에는 시린지 펌프(7a)를 통해 혈액과 같은 측정대상유체를 주입하고, 상기 제2 사이드채널(4)의 주입구(5b)에는 또 다른 시린지 펌프(7b)를 통해 식염수와 같은 기준유체를 주입한다. 이와 같은 상기 제1 및 제2 사이드채널(2)(3) 내에는 각각 마이크로 필터(2a)(3a)가 배치되어 있어, 측정대상유체 및 식염수가 주입될 때, 상기 측정대상유체인 혈액의 적혈구만 마이크로 제1 사이드채널(2)의 필터(2a)에 의해 주입된다. 제2 사이드채널(3)의 필터(3a)는 식염수에 포함된 이물질의 주입을 방지하기 위한 것이다. 또한 상기 제1 사이드채널(2)상에는 브리지채널(4) 아래에서 혈액의 변형성 측정을 위한 변형성 챔버(9)가 구비되고, 상기 제2 사이드채널(3) 상에는 브리지채널(4) 아래에서 혈액의 점도 측정을 위한 점성 챔버(10)가 구비된다. 상기 변형성 챔버(9) 및 점성 챔버(10) 내에는 미세한 간격으로 배치되어 채널 사이에 갭(gdc)(gvc)을 갖는 마이크로 채널(9a)(10a)이 각각 배치된다.A fluid to be measured such as blood is injected into the
상기 제1 사이드채널(2)의 배출구(6a)에는 핀치 밸브(A)를 연결하여, 상기 배출구(6a)는 핀치 밸브(A)를 통해 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 되어 있으므로, 이를 통해 변형성 챔버(9)를 통과하는 혈액의 유동을 조절하게 된다. 또한 제2 사이드채널(3)의 배출구(6b)에 핀치 밸브(B)를 연결하고, 제2 사이드채널(3)과 브리지채널(4)의 사이의 배출구(6c)에도 핀치 밸브(C)를 연결하여, 상기 배출구(6b)(6c)는 핀치 밸브(B)(C)를 통해 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 되어 있으므로, 이를 통해 점성 챔버(10)를 통과하는 혈액 및/또는 식염수의 유동을 조절하게 된다.The
상기한 바와 같은 본 발명의 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치에 의해 측정대상유체인 혈액과 기준유체인 식염수를 각각의 시린지 펌프(7a)(7b)를 이용하여, 미세유체소자(1)에 마이크로 필터(2a)(3a)로 여과하면서 주입함으로써, 혈액의 4가지 생물성치, 즉 점성, 점탄성, 변형성 및 적혈구 응집성을 동시에 측정하게 되는데, 이를 구현하기 위한 구체적인 과정은 다음과 같다.The blood as the fluid to be measured and the saline solution as the standard fluid are supplied to the microfluidic system using the syringe pumps 7a and 7b by the multi-biological value measuring apparatus based on the microfluidic device of the present invention as described above, Viscosity, viscoelasticity, deformability and erythrocyte coherency of blood are simultaneously measured by injecting the
먼저 혈액(측정대상유체) 및 점도를 알고 있는 식염수(기준유체)를 1회용 시린지에 각각 채우고, 미세유체소자(1)에 주입하기 위하여 시린지 펌프(7a)(7b)에 각각 장착한다. First, the blood (fluid to be measured) and the saline solution (reference fluid) whose viscosities are known are filled in the disposable syringe and mounted on the syringe pumps 7a and 7b, respectively, for injection into the
미세유체소자(1)의 내부에는 상기한 바와 같이, 휘트스톤 브리지 회로를 모방한 "H"형상으로, 제1 사이드채널(2)과 제2 사이드채널(3) 및 브리지채널(4)로 구성되어, 혈액 및 식염수가 미세유체소자(1)의 제1 사이드채널(2) 및 제2 사이드채널(3)에 각각 주입되면, 주입유량 조건에 따라 왼쪽의 제1 사이드채널(2)에는 혈액이 채워지게 되고, 오른쪽의 제2 사이드채널(3)에는 브리지채널(4)을 통해 혈액 및 식염수가 채워지게 된다.As described above, the
이때 시린지 펌프(7a)(7b)를 각각 이용하여, 혈액이 채워진 시린지의 유량을 "Q0→0→Q0"식의 주기적인 펄스 형태로 미세유체소자(1)의 상기 제1 사이드채널(2)에 주입구(5a)를 통해 주입하고, 식염수가 채워진 시린지는 일정하게 유량제어를 하여 미세유체소자(1)의 상기 제2 사이드채널(3)에 주입구(5b)를 통해 주입한다.The syringe pump (7a) (7b) for using each blood-filled first side channel of the microfluidic device (1) as a periodic pulse in the form of a flow rate of a syringe "Q 0 → 0 → Q 0 " formula ( 2 is injected through the
이와 같이 미세유체소자(1)에 혈액은 펄스 형태로 주입하고, 식염수는 일정하게 유량제어를 하면서 주입하여 상기 혈액의 점도, 점탄성, 변형성 및 적혈구 응집성을 동시에 측정하는 방법을 각각 상세히 설명하면 다음과 같다.A method of injecting blood into the
도 2는 본 발명에 따른 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치를 이용한 다중 혈액 생물성치의 측정방법에 따른 절차를 보여주는 도면을 도시한 것이다.FIG. 2 is a view showing a procedure according to a method for measuring multiple blood biological values using a multi-biological value measuring device for blood based on a microfluidic device according to the present invention.
도 2에 도시한 바와 같이, 혈액을 미세유체소자(1)의 제1 사이드채널(2)에 주입하면, 상기 제1 사이드채널 (2)에 혈액이 채워지게 된다. 또한, 핀치 밸브(A,C)는 개방되게 하고, 핀치밸브(B)는 주입유량에 맞추어서 주기적으로 개폐를 한다.As shown in Fig. 2, when blood is injected into the
이렇게 제1 사이드채널(2)에 혈액만 주입하여 적혈구 변형성 및 응집성을 측정하고, 적혈구 응집성은 점성 챔버(10)의 상단부에 특정관심영역(ROI)을 설정하고 이미지강도를 정량화하여 측정한다. 한쪽의 핀치 밸브(A, C)는 개방 상태이고, 다른 쪽의 핀치 밸브(B)는 혈액이 온(On) 상태일 때 일시적으로 개방/폐쇄로 제어한다.In this way, only blood is injected into the
이와 같은 핀치 밸브(A, B, C)의 폐쇄 여부에 따라 혈액의 점성, 점탄성, 적혈구 변형성 및 응집성의 4가지 생물성치는 다음과 같이 측정된다.The four biological values of blood viscosity, viscoelasticity, erythrocyte deformability, and coherence are measured as follows depending on whether or not the pinch valves A, B, and C are closed.
상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널 및 브리지채널 사이의 배출구는 개방하고, 제2 사이드채널의 배출구는 주기적으로 개방 및 폐쇄한 이후, T<t3의 조건에서는 적혈구 변형성 및 응집성을 측정한다.The first since the outlet of the side channel and the second channel side and a bridge between the outlet channel is open, and a second side channel is periodically opened and closed, T <t 3 Under conditions, erythrocyte deformability and cohesiveness are measured.
즉 상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널 및 브리지채널 사이의 배출구는 개방하고, 제2 사이드채널의 배출구는 주기적으로 개방 및 폐쇄한 이후, 제1 사이드채널(2)의 변형성 챔버(9) 내로 유입되는 혈액의 유속(<U>l)을 측정하고, 이 유속(<U>l) 정보를 이용하여 변형성 챔버(9) 내로 주입된 혈액의 체적을 계산하여, 적혈구의 변형성을 정량화함으로써 상기 변형성을 측정한다.The outlet between the first side channel and the second side channel and the bridge channel is open and the outlet of the second side channel is periodically opened and closed and then into the deformable chamber 9 of the
또한, 적혈구 응집성은 점성 챔버(10) 내부의 특정관심영역(ROI)의 이미지 강도(<I>dc) 변화를 모니터링 함으로써 상기 적혈구의 응집성을 평가한다.In addition, erythrocyte cohesiveness evaluates the coherency of the red blood cells by monitoring the image intensity (< I > d c ) change of a particular region of interest (ROI) within the
상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널 및 브리지채널 사이의 배출구는 폐쇄하고, 제2 사이드채널의 배출구는 개방한 이후, T>t3의 조건에서는 혈액의 점탄성 및 점성을 측정한다.After the outlet between the first side channel and the second side channel and the bridge channel is closed and the outlet of the second side channel is opened, the viscoelasticity and viscosity of the blood are measured under the condition of T > t 3 .
먼저 혈액의 점탄성은 핀치 밸브(A, C)를 폐쇄하고, 핀치 밸브(B)를 개방한 이후 주기적인 변동 혈액유동 조건 하에서, 제1 사이드채널(2) 상단의 특정관심영역(ROI) 내의 혈액의 유속(<U>u)을 측정하고, 과도응답에 따른 시정수를 측정함으로써 혈액의 점탄성을 정량화하여 상기 점탄성을 측정한다.First, the viscoelasticity of blood closes the pinch valves A and C, and after the pinch valve B is opened, under the periodic fluctuating blood flow conditions, the blood in the specific region of interest (ROI) by measuring the flow rate (<U> u), and measuring the time constant of the transient response is measured by quantifying the viscoelasticity of the viscoelasticity of blood.
또한 혈액의 점성은 제2 사이드채널(3)의 점성 챔버(10) 내에 혈액이 채워진 채널의 개수(NBlood)를 측정함으로써 혈액의 점도가 측정되고, 이를 통해 혈액의 점성이 측정된다.Also, the viscosity of the blood is measured by measuring the number of channels (N Blood ) filled with blood in the
상기한 각각의 혈액의 변형성, 점탄성, 적혈구 응집성 및 점성의 측정과정을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.The process of measuring the deformability, viscoelasticity, erythrocyte cohesiveness and viscosity of each of the above blood will be described in more detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명의 혈액의 다중생물성치 측정장치를 이용하여 혈액의 적혈구 변형성 및 응집성의 측정방법을 보여주는 도면이다.FIG. 3 is a view showing a method for measuring the red blood cell deformability and cohesiveness of blood using the apparatus for measuring bio-values of blood of the present invention.
도 3에 도시한 바와 같이, 혈액의 변형성, 즉 적혈구의 변형성은 제1 사이드채널(2)의 변형성 챔버(9) 내에 주입되는 혈액의 유속(<U>l)을 측정함으로써, 정량화할 수 있다.3, the deformability of the blood, that is, the deformability of erythrocytes, can be quantified by measuring the flow rate (<U> l ) of blood injected into the deformable chamber 9 of the
이에 우선, 제1 및 제2 사이드채널(2)(3)의 주입구(5a)(5b)에 배치된 마이크로 필터(2a)(2b)를 통해 적혈구만을 미세유체소자(1)의 제1 및 제2 사이드채널(2)(3)에 주입한다. 상기 마이크로 필터(2a)(2b) 최소간극은 10 ㎛로 하였고, 적혈구의 변형성에 따른 채널 막힘을 극대화하기 위하여 변형성 챔버(9) 내의 다수 개로 구성된 마이크로 채널(9a)의 최소 간극은 2 ㎛(즉 gdc=2 ㎛)로 설정하였다. 또한, 마이크로 채널(9a)의 높이는 4 ㎛로 설정하였다.First, only the red blood cells are passed through the
상기 변형성 챔버(9) 입구의 임의의 위치에 ROI(Region Of Interest), 즉 특정관심영역을 설정하고, 마이크로-PIV(Particle Image Velocimetry)를 이용하여 혈액 유속을 측정한다. 도 4와 같이 측정된 혈액유속 데이터를 이용하여 특정시간(ts=10 min) 동안에 변형성 챔버(9) 내로 주입되는 혈액 체적(즉 VDC)은 다음의 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.A region of interest (ROI), that is, a specific region of interest is set at an arbitrary position of the entrance of the deformable chamber 9, and blood flow velocity is measured using micro-PIV (Particle Image Velocimetry). The blood volume (i.e., V DC ) injected into the deformable chamber 9 for a specific time (t s = 10 min) using the measured blood flow rate data as shown in Fig. 4 can be calculated as shown in the following equation (1).
상기의 수학식 1에서 Ac는 마이크로 채널(9a)의 단면적이다.In the above equation (1), A c is the cross-sectional area of the
이와 같이 각각의 혈액(적혈구)의 변형성은 상기의 수학식 1을 이용하여 계산된 혈액의 체적을 계산함으로써 비교 가능하다.Thus, the deformability of each blood (red blood cell) can be compared by calculating the volume of blood calculated using Equation (1) above.
도 4는 미세유체소자의 제1 사이드채널의 변형성 챔버 입구에서 측정된 시간에 따른 혈액의 유속(<U>l)의 변화를 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing the change in blood flow (< U > l ) with time measured at the inlet of the deformable chamber of the first side channel of the microfluidic device.
도 5의 (A)와 (B)는 미세유체소자의 제1 사이드채널의 변형성 챔버 내의 특정관심영역(ROI)에 대한 이미지 강도(<I>)의 시간에 따른 변화를 보여주는 변형성 챔버의 사진과 그래프로서, 혈액 샘플에 dextran 용액의 첨가에 따른 혈액의 응집성 변화이다.FIGS. 5A and 5B are photographs of a deformable chamber showing a time-dependent change in image intensity (< I >) for a particular region of interest (ROI) in a deformable chamber of a first side channel of a microfluidic device; As a graph, it is a change in the cohesion of the blood with the addition of dextran solution to the blood sample.
도 5를 참조하면, 혈액유량의 주기적인 변경(Q0→0→Q0) 조건하에서 혈액의 응집성을 측정하기 위하여 미세유체소자(1)의 제2 사이드채널(3)에 구비된 점성 챔버(10)를 통과하는 유량을 제거하도록 제1 사이드채널(2)의 배출구(5a)를 핀치 밸브(A)로 주기적으로 개폐한다. 그러면, 혈액 유량의 주기적인 변동에 의하여 적혈구의 응집 및 분산이 발생한다. 이를 정량화하기 위하여 특정관심영역(ROI)을 선정하고, 이를 기준으로 이미지 강도의 시간에 따른 그래프로부터 혈액의 응집성을 평가할 수가 있다.5, in order to measure the cohesiveness of blood under the condition of periodic change (Q 0 ? 0? Q 0 ) of blood flow, a viscous chamber (not shown) provided in the
이와 같이 혈액의 응집성을 평가하기 위하여 적혈구를 식염수에 넣어서 제어 샘플을 준비하였고, 혈액의 응집성을 증가시키기 위하여 식염수에 Dextran 10 mg/mL을 첨가하였다. 도 5의 (A) 및 (B)와 같이, Dextran 첨가된 혈액의 <I>가 제어 샘플과 대비하여 아주 짧은 시간에 정상 상태에 도달함을 보여 주고 있다. 이상의 예로부터, 제1 사이드채널(2)의 배출구(5a)를 핀치 밸브(A)로 폐쇄한 후에 혈액의 주기적인 변동유량 조건하에서 변형성 챔버(9) 내에서 임의의 특정관심영역(ROI) 내의 이미지 강도(<I>)를 측정함으로써, 혈액 응집성, 즉 적혈구의 응집성을 정량화할 수 있음을 충분히 보여주고 있다. 도 5의 (C)와 같이, 혈액의 응집성은 시간에 증가에 따른 이미지 강도의 변화율(Slope=ΔI/Δt), 이미지 강도의 최소값 기준을 일정시간(ts=100s) 동안 적분한 값(ALow=I0*ts), 100 초 동안 이미지 강도를 적분한 값에서 ALow를 뺀 값(AUpp=-ALow), ARatio= AUpp/ALow의 4가지 특성치에 의해 정량화하는 것이 바람직하다.To evaluate the coagulability of blood, control samples were prepared by adding red blood cells to saline, and
도 6은 본 발명의 혈액의 다중생물성치 측정장치를 이용하여 혈액의 점성 및 점탄성의 측정방법을 보여주는 도면이다. 시린지 펌프를 이용하여, 식염수는 일정하게 주입된다. 또한, 핀치 밸브(A, C)는 폐쇄하고, 핀치밸브(B)는 개방한다.6 is a view showing a method of measuring the viscosity and viscoelasticity of blood using the multi-biological value measuring device for blood of the present invention. Using a syringe pump, saline is injected constantly. Further, the pinch valves A and C are closed, and the pinch valve B is opened.
도 7은 혈액 유량이 Q0→0로 변경될 때, 일시적인 전단흐름(transient shear flow) 조건 하에서 혈액의 점탄성을 측정한다. 이와 같은 점탄성은 미세유체소자(1)의 제1 사이드채널(2)의 일정 영역에서 마이크로-PIV를 수행하여 혈액의 속도를 측정하여, 혈액 유량의 주기적인 변경에 따른 과도응답으로 부터 시정수(time constant)를 측정함으로써 혈액의 점탄성을 정량화하는 것으로 측정한다.Figure 7 measures the viscoelasticity of blood under transient shear flow conditions when the blood flow is changed from
도 7과 같은 혈액 유동의 과도응답에 대하여 별개의 유동 요소(discrete fluid element)를 이용하여 모델링을 할 수가 있다. RBlood 및 CBlood는 등가 유체저항 및 컴플라이언스(compliance)이다. 또한, 튜브 컴플라이언스(tube compliance)는 C0로 모델링 되었다. A 점을 기준으로 질량보존법칙을 사용하면 주입유량(QBlood)과 압력(P)의 관계식은 다음의 수학식 2와 같다.Modeling can be done using a discrete fluid element for the transient response of the blood flow as shown in FIG. R Blood and C Blood are equivalent fluid resistance and compliance. Also, tube compliance was modeled as C 0 . Using the mass conservation law based on point A, the relationship between the injection flow rate (Q Blood ) and the pressure (P) is given by the following equation (2).
제1 사이드채널(2)로 흐르는 유량(Q)은 Q=P/RBlood이고, 이를 상기의 수학식 2에 대입하면 다음의 수학식 3과 같다.The flow rate Q flowing to the
상기의 수학식 3에서 유량(Q)은 Q=A<U>u이고, 이를 수학식 3에 대입하면 다음의 수학식 4와 같다.In the above equation (3), the flow rate Q is Q = A < U > u.
상기의 수학식 4에서 λ=RBlood·(C0+CBlood)이다.In the above equation (4),? = R Blood (C 0 + C Blood ).
이와 같이 유도된 상기의 수학식 4로부터 시정수(λ)는 혈액 유량의 과도응답으로부터 계산을 할 수가 있다. 도 5와 같이 혈액 유량의 변동에 의한 유속(U)의 과도응답으로부터 시정수를 계산할 수가 있다. 이러한 시정수 관계식으로부터 혈액의 점탄성에 기인된 컴플라이언스(CBlood)를 계산할 수 있다.From the equation (4) thus derived, the time constant ([lambda]) can be calculated from the transient response of the blood flow rate. The time constant can be calculated from the transient response of the flow velocity U due to the variation of the blood flow rate as shown in FIG. From this time-series relation we can compute the compliance (C Blood ) due to the viscoelasticity of the blood.
도 9는 안정된 전단 흐름(steady shear flow) 조건 하에서 혈액의 점도 측정을 위한 수학적인 모델링을 보여주는 그래프와 도면이다.Figure 9 is a graph and diagram showing mathematical modeling for viscosity measurement of blood under steady shear flow conditions.
도 9를 참조하면, 혈액 유량(Q2 및 Q1)에서 안정된 전단 흐름(steady shear flow) 조건으로 제2 사이드채널(3)의 점성 챔버(10)에 혈액 및 식염수가 흐르게 된다. 이때, 혈액이 채워진 채널 개수(NBlood)를 측정함으로써 혈액의 점도를 측정할 수가 있다. 상기 점성 챔버(10) 내에 다수 개로 배치되어 구성된 채널의 최소 간극은 50 ㎛(즉 gvc=50 ㎛)로 설정하였다.Referring to FIG. 9, blood and saline flow through the
혈액 유량이 QBlood=Q0일 때, 혈액이 채워진 폭이 NBlood(또는 NPBS)로 측정된다. 식염수의 점도 및 유량은 각각 QPBS=Q0 및 μPBS로 주어진다. 이때, 두 유체에 대한 동일한 압력강화(즉 ΔPBlood=ΔPPBS) 및 낮은 종횡비(low aspect ratio)[즉 폭(W)>>깊이(h)]를 갖는 동일한 채널 높이를 고려하면, 혈액의 점도는 μBlood=μPBS·[NBlood/NPBS]이다.When the blood flow is Q Blood = Q 0 , the filled width of the blood is measured as N Blood (or N PBS ). The viscosity and the flow rate of the saline solution are given by Q PBS = Q 0 and μ PBS , respectively. Considering the same channel height with the same pressure enhancement (i.e., ΔP Blood = ΔP PBS ) and low aspect ratio (ie, width (W)> depth (h)] for both fluids, Is μ Blood = μ PBS · [N Blood / N PBS ].
이와 같이 상기한 바와 같은 본 발명의 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치는 시린지 펌프, 미세유체소자, 그리고 미세유체소자 내의 혈액유동을 모니터링하기 위한 카메라를 포함하며, 상기 미세유체소자는 휘스톤-브리지 전기회로를 모방한 H 형상을 갖고, 측정대상유체인 혈액과 기준유체인 식염수의 2가지 유체의 주입 및 배출을 위한 주입구 및 배출구, 혈액의 변형성 측정을 위한 변형성 챔버 및 점토 측정을 위한 점성 챔버를 포함하고 있다. 또한 상기 변형성 챔버를 통과하는 혈액 유동을 조절하기 위해 배출구에 핀치 밸브를 연결하였다.As described above, the multi-biological property measuring device for blood based on the microfluidic device of the present invention includes a syringe pump, a microfluidic device, and a camera for monitoring blood flow in the microfluidic device, The device has an H shape that mimics a Wheatstone-bridge electrical circuit and has an inlet and outlet for injecting and discharging two fluids, blood as the fluid to be measured and saline as the reference fluid, a deformable chamber for measuring the deformability of the blood, And a viscous chamber for measurement. A pinch valve was also connected to the outlet to regulate blood flow through the deformable chamber.
이러한 측정장치에 의한 혈액의 다중생물성치 측정의 실험절차 및 방법을 보면, 혈액(측정대상유체) 및 식염수(기준유체)를 1회용 시린지에 채운 후에 시린지 펌프에 장착한다. 상기 시린지 펌프를 이용하여 혈액은 주기적인 펄스 형태로 미세유체소자에 주입하고, 식염수는 일정한 유량으로 주입한다. 혈액 및 식염수를 미세유체소자를 채운 후, 미세유체소자의 배출구를 막기 전과 막고 난 후의 혈액 유동을 통해 혈액의 다중생물성치를 측정한다.Experimental procedures and methods for measurement of multiple biological values of blood by such a measuring device are as follows. Blood (fluid to be measured) and saline solution (reference fluid) are filled in a disposable syringe and then mounted on a syringe pump. Using the syringe pump, the blood is injected into the microfluidic device in the form of periodic pulses, and the saline solution is injected at a constant flow rate. After the microfluidic device is filled with blood and saline, the multiple biological values of the blood are measured through the blood flow before and after closing the discharge port of the microfluidic device.
상기 실험절차 및 방법을 통한 혈액의 정량화 방법은 상기한 바와 같이, 핀치 밸브로 미세유체소자의 배출구를 막기 전과 막고 난 후로 구분하여 다음과 같이 실시된다.As described above, the method of quantifying blood through the above-described experimental procedure and method is performed as follows, by dividing the outlet of the microfluidic device with the pinch valve before and after closing.
[핀치 밸브로 배출구를 막기 전]: T<t3 [Before closing the outlet with pinch valve]: T <t 3
1)적혈구 변형성 : 핀치 밸브로 배출구를 막기 전까지 변형성 챔버 내로 유입되는 혈액의 유속(<U>l)를 측정한다. 이 유속정보를 이용하여 변형성 챔버에 주입된 혈액 체적을 계산하여 적혈구의 변형성을 정량화 함.1) Erythrocyte deformity: Measure the flow rate (<U> l ) of blood flowing into the deformable chamber until the outlet is blocked by a pinch valve. This flow rate information is used to calculate the volume of blood injected into the deformable chamber to quantify the deformability of the red blood cells.
2)적혈구 응집성 : 변형성 챔버 내의 특정관심영역(ROI) 내의 이미지 강도(<I>) 변화를 모니터링 함으로써 적혈구의 응집성을 평가함.2) Erythrocyte cohesion: Evaluates the cohesion of erythrocytes by monitoring image intensity (<I>) changes within a particular region of interest (ROI) within the deformable chamber.
[핀치 밸브로 배출구를 막고 난 이후]: T>t3 [After closing the outlet with pinch valve]: T> t 3
3)혈액 점탄성 : 핀치 밸브로 배출구를 막고 난 이후, 주기적인 변동 혈액유 동조건 하에서, 미세유체소자의 제1 사이드채널 상단의 특정관심영역(ROI) 내의 혈액 유속(<U>u)을 측정하고, 과도응답에 따른 시정수를 측정함으로써 혈액의 점탄성을 정량화 함.3) Blood viscoelasticity: After closing the outlet with a pinch valve, measure the blood flow (<U> u ) in a particular region of interest (ROI) at the top of the first side channel of the microfluidic device under periodic fluctuating blood flow conditions And the viscoelasticity of the blood is quantified by measuring the time constant due to the transient response.
4)혈액의 점성 : 점성 챔버 내에 혈액이 채워진 채널의 개수(NBlood)를 측정함으로써 혈액의 점도가 측정됨.4) Blood viscosity: The blood viscosity is measured by measuring the number of channels filled with blood (N Blood ) in the viscous chamber.
이상과 같이 본 발명에 따른 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 생물성치 측정장치 및 측정방법에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.As described above, the apparatus and method for measuring biological value of blood based on a microfluidic device according to the present invention have been described with reference to the drawings. However, the present invention is limited by the embodiments and the drawings disclosed herein It is needless to say that various modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.
1 : 미세유체소자
2 : 제1 사이드채널
2a,3a : 마이크로 필터
3 : 제2 사이드채널
4 : 브리지채널
5a,5b : 주입구
6a,6b,6c : 배출구
7a,7b : 시린지 펌프
9 : 변형성 챔버
9a,10a : 마이크로 채널
10 : 점성 챔버
A,B,C : 핀치밸브1: microfluidic device 2: first side channel
2a, 3a: Microfilter 3: Second side channel
4:
6a, 6b, 6c:
9:
10: Viscous chamber A, B, C: Pinch valve
Claims (19)
상기 채널은 미세유체소자에 일정 간격을 두고 각각 배치된 제1 사이드채널과 제2 사이드채널로 구성하고, 상기 제1 및 제2 사이드채널 사이는 브리지채널로 연결하되, 상기 브리지채널 아래의 상기 제1 사이드 채널에는 변형성 챔버, 상기 제2 사이드채널에는 점성 챔버를 각각 구비하고, 상기 제1 및 제2 사이드 채널의 상단부는 측정대상유체 및 기준유체의 주입구가 되고, 하단부 및 제2 사이드채널 주입구와 브리지채널 사이에 연결된 부분이 배출구가 되는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치.There is provided a multi-biological value measuring apparatus for blood, in which a channel through which a fluid to be measured and a reference fluid pass is arranged in a microfluidic device so as to simultaneously measure viscosity, viscoelasticity, erythrocyte deformability and erythrocyte cohesiveness of the fluid to be measured,
Wherein the channel comprises a first side channel and a second side channel which are respectively disposed at predetermined intervals in the microfluidic device and the first and second side channels are connected by a bridge channel, The first side channel has a deformable chamber and the second side channel has a viscous chamber. The upper ends of the first and second side channels serve as an inlet for a fluid to be measured and a reference fluid, and a lower end and a second side channel inlet And a portion connected between the bridge channels serves as a discharge port. The apparatus for measuring multiple biological properties of blood based on a microfluidic device.
상기 변형성 챔버 및 점성 챔버 내에 각각 배치된 마이크로 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치.The method according to claim 1,
Further comprising a microchannel disposed in the deformable chamber and the viscous chamber, respectively, to measure the biological bioavailability of the blood based on the microfluidic device.
상기 변형성 챔버 내의 마이크로 채널의 채널 사이의 최소 간극은 2 ㎛이고, 높이는 4 ㎛이며, 상기 점성 챔버 내의 마이크로 채널의 채널 사이의 최소 간극은 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치.3. The method of claim 2,
Wherein a minimum gap between the channels of the microchannels in the deformable chamber is 2 占 퐉 and a height is 4 占 퐉 and a minimum gap between the channels of the microchannels in the viscous chamber is 50 占 퐉. Multiblasticity measuring device.
상기 측정대상유체는 혈액이고, 기준유체는 식염수인 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 생물성치 측정장치.The method according to claim 1,
Wherein the fluid to be measured is blood, and the reference fluid is saline.
상기 제1 및 제2 사이드채널의 주입구 내에 각각 배치된 마이크로 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치.5. The method of claim 4,
Further comprising a microfilter disposed in the inlet of the first and second side channels, respectively, for measuring the biological bioavailability of the blood based on the microfluidic device.
상기 제1 및 제2 사이드채널의 각 주입구를 통해 혈액 및 식염수를 주입하는 각각의 시린지 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 생물성치 측정장치.5. The method of claim 4,
Further comprising: a syringe pump for injecting blood and saline through each of the injection ports of the first and second side channels.
상기 제1 사이드채널 및 제2 사이드채널의 하단부 및 제2 사이드채널과 브리지채널 사이의 배출구에 연결된 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
Further comprising a valve connected to a lower end of the first side channel and the second side channel and to an outlet between the second side channel and the bridge channel.
상기 밸브는 핀치 밸브인 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정장치.8. The method of claim 7,
Wherein the valve is a pinch valve. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
변형성 챔버를 구비한 상기 제1 사이드채널의 주입구를 통해 측정대상유체를 주입하여 채우도록 하되, 브리지채널을 통해 제2 사이드채널의 일부에도 측정대상유체가 공급되는 단계;
점성 챔버를 구비한 상기 제2 사이드 채널의 주입구를 통해 기준유체를 주입하여 공급되는 측정대상유체와 함께 채워지도록 하는 단계; 및
상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널의 배출구 및 제2 사이드채널과 브리지채널 사이의 배출구를 폐쇄하기 전과 폐쇄한 후에 혈액의 다중 생물성치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.Connecting the first side channel and the second side channel through which the fluid to be measured and the reference fluid, which are disposed in the microfluidic device, are simultaneously measured to measure the viscosity, erythrocyte deformability, viscoelasticity and erythrocyte cohesiveness of the fluid to be measured, A method for measuring multiple biological values of blood using a bridge channel,
Injecting and filling the fluid to be measured through the injection port of the first side channel having the deformable chamber and supplying the fluid to be measured to a part of the second side channel through the bridge channel;
Injecting a reference fluid through the injection port of the second side channel having the viscous chamber to fill the fluid with the fluid to be measured; And
And measuring the biocompatibility of the blood before and after closing the outlet of the first side channel and the second side channel and the outlet between the second side channel and the bridge channel. A method for measuring multiple biological properties of blood based on.
상기 측정대상유체는 주기적인 펄스 형태로 주입구에 주입하고, 기준유체는 일정하게 유량제어를 하여 주입구에 주입하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.10. The method of claim 9,
Wherein the fluid to be measured is injected into the injection port in the form of a periodic pulse and the reference fluid is injected into the injection port with constant flow rate control.
상기 제1 및 제2 사이드채널의 배출구과 제2 사이드채널과 브리지채널 사이의 배출구의 개방 및 폐쇄는 밸브에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.10. The method of claim 9,
Wherein the opening and closing of the outlet between the outlet of the first and second side channels and the second side channel and the bridge channel is made by a valve.
상기 측정대상유체는 혈액을 사용하고, 기준유체는 식염수를 사용하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.12. The method according to any one of claims 9 to 11,
Wherein the fluid to be measured is blood, and the reference fluid is saline.
상기 제1 사이드채널의 주입구에 배치된 마이크로 필터에 의해 적혈구만 주입되고, 상기 제2 사이드채널의 주입구에 배치된 마이크로 필터에 의해 식염수의 오염물을 제거하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.13. The method of claim 12,
Wherein only the red blood cells are injected by the micro filter disposed at the inlet of the first side channel and the contaminants of the saline solution are removed by the micro filter disposed at the inlet of the second side channel Methods for measuring multiple biological values of blood.
상기 혈액의 다중 생물성치를 측정하는 단계는,
상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널 및 브리지채널 사이의 배출구는 개방하고, 제2 사이드채널의 배출구는 주기적으로 개방 및 폐쇄한 이후, 상기 제1 사이드채널의 변형성 챔버 내로 유입되는 혈액의 유속(<U>1) 정보를 이용하여 혈액 체적을 계산하고, 이를 통해 적혈구의 변형성을 정량화하고, 적혈구 응집성을 측정하며,
상기 제1 사이드채널과 제2 사이드채널 및 브리지채널 사이의 배출구는 폐쇄하고, 제2 사이드채널의 배출구는 개방한 이후, 혈액의 점탄성과 점성을 측정하도록 한 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.13. The method of claim 12,
Wherein the step of measuring the multi-biological value of the blood comprises:
Wherein the outlet of the first side channel and the second side channel and the bridge channel is open and the outlet of the second side channel is periodically opened and closed after which the flow rate of blood entering the deformable chamber of the first side channel <U> 1 ) Calculate blood volume using information, quantify red cell deformity, measure red cell cohesiveness,
Wherein the outlet of the second side channel is closed and the outlet of the second side channel is opened to measure the viscoelasticity and viscosity of the blood. Methods for measuring multiple biological properties of a blood sample.
혈액의 상기 적혈구 변형성 측정은 변형성 챔버 입구의 임의의 위치에 특정관심영역(ROI)을 설정하고, 마이크로-PIV(Particle Image Velocimetry)로 측정된 혈액의 유속 정보를 이용하여 특정시간(ts=10 min) 동안에 상기 변형성 챔버 내로 주입되는 혈액의 체적(VDC)을 계산하고 비교함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.15. The method of claim 14,
The erythrocyte deformability measurement of the blood is performed by setting a specific region of interest (ROI) at an arbitrary position in the deformable chamber entrance and measuring the blood flow velocity at a specific time (t s = 10) using the blood flow velocity information measured by micro-PIV (Particle Image Velocimetry) (V DC ) of the blood injected into the deformable chamber during a predetermined period of time (min).
혈액의 상기 적혈구 응집성 측정은 제2 사이드채널의 점성 챔버 내의 특정관심영역(ROI) 내의 이미지 강도(<I>) 변화를 모니터링함으로써 적혈구 응집성을 평가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.15. The method of claim 14,
Wherein the measurement of erythrocyte cohesion of the blood is performed by evaluating erythrocyte cohesiveness by monitoring image intensity (< I >) change in a particular region of interest (ROI) within the viscous chamber of the second side channel. Methods for measuring multiple biological values of blood.
상기 적혈구 응집성은 시간에 증가에 따른 이미지 강도의 변화율(Slope=ΔI/Δt), 이미지 강도의 최소값 기준을 일정시간(ts=100s) 동안 적분한 값(ALow=I0*ts), 100 초 동안 이미지 강도를 적분한 값에서 ALow를 뺀 값(AUpp=-ALow), ARatio= AUpp/ALow의 4가지 특성치에 의해 정량화하는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.17. The method of claim 16,
The erythrocyte cohesiveness is a value (A Low = I 0 * t s ) obtained by integrating the rate of change of the image intensity with time (Slope =? I /? T), the minimum value standard of the image intensity for a certain period of time (t s = A value obtained by subtracting A Low from the value obtained by integrating image intensity for 100 seconds (A Upp = -A Low ), and A Ratio = A Upp / A Low . A method for measuring multiple biological properties of blood based on a microfluidic device.
상기 혈액의 점탄성 측정은 제1 사이드채널 상단부의 특정관심영역(ROI)의 유속(<U>u)을 측정하고, 과도응답에 따른 시정수를 측정함으로써 혈액의 점탄성을 정량화하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법. 15. The method of claim 14,
The viscoelasticity measurement of the blood is performed by measuring the flow rate (< u > u) of a specific region of interest (ROI) at the upper side of the first side channel and quantifying the viscoelasticity of the blood by measuring the time constant according to the transient response A method for measuring multiple biological properties of blood based on a microfluidic device.
상기 혈액의 점성 측정은 제2 사이드채널의 점성 챔버 내에 혈액이 채워진 채널의 개수(NBlood)를 측정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체소자를 기반으로 한 혈액의 다중생물성치 측정방법.15. The method of claim 14,
Wherein the viscosity measurement of the blood is performed by measuring the number of blood-filled channels (N Blood ) in the viscous chamber of the second side channel.
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