KR20170135800A - A method and a device for cell lysis using piezoelectric energy - Google Patents

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KR20170135800A
KR20170135800A KR1020170161926A KR20170161926A KR20170135800A KR 20170135800 A KR20170135800 A KR 20170135800A KR 1020170161926 A KR1020170161926 A KR 1020170161926A KR 20170161926 A KR20170161926 A KR 20170161926A KR 20170135800 A KR20170135800 A KR 20170135800A
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이성호
박상덕
백승호
조정산
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한국생산기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a cytolysis method using piezoelectric energy, and a device therefor. More specifically, the present invention relates to a cytolysis method, and a device therefor. To this end, a cell-containing fluid is injected into a microchannel having a piezoelectric layer at an outer wall or a lower portion, and then is allowed to pass through the microchannel while vibration is generated through application of alternating current to the piezoelectric layer. Since vibration energy in the piezoelectric layer is evenly delivered to the fluid in the microchannel, it is possible to efficiently break cell walls.

Description

압전 에너지를 이용한 세포 용해 방법 및 장치{A method and a device for cell lysis using piezoelectric energy}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method and a device for cell lysis using piezoelectric energy,

본 발명은 압전 에너지를 이용한 세포 용해 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a cell dissolving method and apparatus using piezoelectric energy.

압전기(piezoelectricity)란 기계적 일그러짐을 가함으로써 유전 분극을 일으키는 현상을 말한다. 1차 압전 효과라고도 하며, 역으로 전계를 가하여 일그러짐을 일으키는 현상을 역압전 효과 또는 2차 압전 효과라고 한다. 후자는 전기 일그러짐이지만, 역압전 효과는 전계 E의 1차 함수가 되며, E²에 비례하는 순수한 전기 일그러짐과 구분할 때도 있다.The term "piezoelectricity" refers to the phenomenon of causing dielectric polarization by applying mechanical strain. The first piezoelectric effect is also referred to as a reverse piezoelectric effect, or a phenomenon in which an electric field is applied to cause distortion, is called a second piezoelectric effect. The latter is electrical distortion, but the inverse piezoelectric effect is a linear function of electric field E, sometimes distinguishing it from pure electrical distortion proportional to E².

압전기의 원리는 crystal 구조로 인한 강유전체(ferroelectric)와 crystal 구조의 대칭성이 없어지는 경우로 구분되며 먼저, crystal 구조로 인한 강유전체(ferroelectric) 원리는 다음과 같다. 물질의 자성(magnetic property)에 관련하여 강자성체(ferromagnetic) 물질이 있는 것처럼, 전기전도성(electric property)에도 강유전체(ferroelectric) 물질이 있다. 이것은 강한 외부 전기장을 가한 경우에 분극 되었다가 외부 전기장을 없애도 분극 현상이 그대로 유지되는 성질이다. 즉, crystal구조의 특이성 때문에 그 자체로 분극 된 상태를 유지하는 것이다. 또한, 강유전체 물질은 압전성(piezoelectric) 물질이기도 하다. 그 이유는 기계적인 압력에 의하여 물질의 형상이 변하는 경우에 전기적 극성이 변하기 때문이다. 예를 들어, 압축되는 경우에는 단위 부피 당 분자 즉, 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 갖는 개수가 늘어나므로 극성이 증가한다. 다음으로 crystal 구조의 대칭성이 없어지는 경우 원리는 다음과 같다. 강유전체 물질이 아니더라도 압력을 가하면 극성을 갖게 되는 물질이 있는데 자연적으로 존재하는 압전성(piezoelectric) 물질인 Quartz(SiO2)가 이런 경우이다. 보통 상태의 결정 구조는 대칭적이어서 전기적으로 중성이지만 압력이 가해지면 결정 구조의 모양이 바뀌고 쌍극자 모멘트가 생기고 따라서 극성을 가지게 된다. The principle of the piezoelectric is divided into ferroelectric due to the crystal structure and a case where the symmetry of the crystal structure is lost. First, the ferroelectric principle due to the crystal structure is as follows. There is also a ferroelectric material in the electric property, just as there is a ferromagnetic material in relation to the magnetic properties of the material. This is a property that polarization is applied when a strong external electric field is applied and polarization is maintained even if an external electric field is removed. That is, it maintains its polarized state because of the specificity of the crystal structure. The ferroelectric material is also a piezoelectric material. This is because the electrical polarity changes when the shape of the material changes due to mechanical pressure. For example, when compressed, the number of molecules having a dipole moment per unit volume is increased, so that the polarity increases. Next, when the symmetry of the crystal structure disappears, the principle is as follows. Quartz (SiO 2 ), a piezoelectric material that exists naturally, is a case in which there is a ferroelectric substance that is polarized when a pressure is applied even if it is not a ferroelectric substance. The crystal structure in the normal state is symmetrical and electrically neutral, but when pressure is applied, the shape of the crystal structure changes and dipole moments are generated and thus polarized.

한편, 실제 세포를 분석하기 위해서는 다양한 생물학적 처리공정이 필요하다. 우선 세포를 배양시키고 여기에 화학 및 기계적 자극을 주고 일정 기간 동안 배양한 다음 트립신(trypsin) 등을 사용하여 세포를 분리한다. 이후 연구 목적에 적합한 세포를 선택하고 이후 세포막을 제거하는 세포 용해(cell lysis)를 실시하여 세포 내부 물질이 세포 밖으로 노출되도록 한다. 그 다음, 상기 세포 내부 물질을 따로 분리하고, 여기서 연구에 필요한 DNA, RNA 및 단백질 등을 얻은 다음 다양한 측정장비를 이용하여 분자 수준에서 분석하는 것이 세포 관련 연구의 주된 공정이다.On the other hand, various biological treatment processes are required to analyze actual cells. First, the cells are cultured, chemically and mechanically stimulated and cultured for a certain period of time, and then trypsin or the like is used to separate the cells. Then, cells suitable for the purpose of the study are selected, and cell lysis is then performed to remove the cell membrane, thereby exposing the intracellular substance to the outside of the cell. Then, the above-mentioned intracellular substances are separated, and the DNA, RNA and protein necessary for the study are obtained, and then analyzed at the molecular level using various measuring equipment.

이러한 배경 하에, 본 발명자들은 압전 물질의 진동 에너지를 사용하여 유체를 진동시킴으로써 유체 내에 함유되어 있는 세포벽을 효율적으로 깰 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Under these circumstances, the inventors of the present invention confirmed that the vibrating energy of the piezoelectric material can be used to vibrate the fluid, thereby effectively breaking the cell wall contained in the fluid, and the present invention has been accomplished.

따라서, 본 발명의 목적은 효율적인 세포 용해 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an efficient cell lysis method and an apparatus therefor.

본 발명의 제1양태는 외벽 또는 하부에 압전층을 구비하는 마이크로채널에 세포를 함유하는 유체를 주입하는 단계(단계 1); 및 상기 압전층에 교류 전류를 인가하여 진동을 발생시키면서 상기 세포를 함유하는 유체를 마이크로채널을 통해 통과시키는 단계(단계 2)를 포함하는 세포 용해 방법을 제공한다.In a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a microelectronic device, comprising the steps of: (1) injecting a fluid containing cells into a microchannel having a piezoelectric layer on an outer wall or a lower portion thereof; And a step (step 2) of passing a fluid containing the cell through a microchannel while generating vibration by applying an alternating current to the piezoelectric layer.

본 발명의 제2양태는 세포를 함유하는 유체를 주입하기 위한 주입구; 상기 주입구와 연결되며, 외벽 또는 하부에 압전층을 구비하는 마이크로채널; 상기 압전층에 교류 전류를 인가하는 전극; 및 상기 마이크로채널과 연결되며, 마이크로채널을 통과한 세포 내부 물질 함유 유체가 회수되는 출구를 포함하는 세포 용해 장치를 제공한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of producing a cell, comprising: an injection port for injecting a fluid containing cells; A microchannel connected to the injection port and having a piezoelectric layer on an outer wall or a lower portion thereof; An electrode for applying an alternating current to the piezoelectric layer; And an outlet connected to the microchannel and through which an intracellular substance-containing fluid having passed through the microchannel is recovered.

본 발명의 제3양태는 상기 제2양태에 따른 세포 용해 장치; 및 상기 세포 용해 장치로부터 회수되는 세포 내부 물질 함유 유체를 분석하는 수단;을 포함하는 세포 용해 및 세포 분석 일체형 장치를 제공한다.A third aspect of the present invention is the cytolytic device according to the second aspect; And means for analyzing the fluid contained in the cell, which is recovered from the cell dissolving apparatus.

이하 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

종래 세포 용해 방법으로는 광학적(optical), 기계적(mechanical), 음향학적(acoustic), 전기적(electrical), 및 화학적(chemical) 방식이 있다. 이중 음향학적 세포 용해는 세포 용액 또는 현탁액을 초음파 수조에 위치한 챔버 내에 놓고 초음파를 가하여 세포를 파괴하는 방식이다. 초음파를 이용한 세포 파괴는, 초음파의 에너지 분포를 균일하게 형성하기 어렵기 때문에 일관성있는 결과를 얻기 어려우며, 세포 파괴에 많은 시간이 소요된다는 단점이 존재한다.Conventional cell dissolution methods include optical, mechanical, acoustic, electrical, and chemical methods. Double acoustic cell lysis is a method in which a cell solution or suspension is placed in a chamber placed in an ultrasonic bath and ultrasound is applied to destroy cells. Cell destruction using ultrasound is difficult to uniformly form an energy distribution of ultrasonic waves, so it is difficult to obtain consistent results, and there is a disadvantage that it takes much time to destroy cells.

본 발명에서는 외벽 또는 하부에 압전층을 구비하는 마이크로채널에 세포를 함유하는 유체를 주입하고 상기 압전층에 교류 전류를 인가하여 진동을 발생시키면서 상기 세포를 함유하는 유체를 마이크로채널을 통해 통과시킴으로써 압전층의 진동 에너지를 마이크로채널 내부의 유체에 균일하게 전달하여 효율적으로 세포벽을 깰 수 있는 세포 용해 방법을 제공할 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명은 이에 기초한다.In the present invention, a fluid containing a cell is injected into a microchannel having a piezoelectric layer on an outer wall or a lower portion thereof, an alternating current is applied to the piezoelectric layer to generate vibration, and a fluid containing the cell is passed through the microchannel, It is possible to provide a cell dissolving method capable of efficiently breaking the cell wall by uniformly transferring the vibration energy of the layer to the fluid inside the microchannel. The present invention is based on this.

본 발명의 세포 용해 방법은 외벽 또는 하부에 압전층을 구비하는 마이크로채널에 세포를 함유하는 유체를 주입하는 단계(단계 1); 및 상기 압전층에 교류 전류를 인가하여 진동을 발생시키면서 상기 세포를 함유하는 유체를 마이크로채널을 통해 통과시키는 단계(단계 2)를 포함할 수 있다.The cell dissolving method of the present invention includes the steps of injecting a fluid containing cells into a microchannel having a piezoelectric layer on an outer wall or a lower portion thereof (step 1); And passing the fluid containing the cells through a microchannel while generating vibration by applying an alternating current to the piezoelectric layer (step 2).

또한, 본 발명의 세포 용해 방법은 상기 단계 2) 이후에 마이크로채널을 통과한, 세포 내부 물질 함유 유체를 회수하는 단계(단계 3)를 추가로 포함할 수 있다.Further, the cell lysis method of the present invention may further include a step (step 3) of recovering the fluid containing the intracellular substance that has passed through the microchannel after the step 2).

또한, 본 발명에서는 세포를 함유하는 유체를 주입하기 위한 주입구; 상기 주입구와 연결되며, 외벽 또는 하부에 압전층을 구비하는 마이크로채널; 상기 압전층에 교류 전류를 인가하는 전극; 및 상기 마이크로채널과 연결되며, 마이크로채널을 통과한 세포 내부 물질 함유 유체가 회수되는 출구를 포함하는 세포 용해 장치를 제공할 수 있다.According to another aspect of the present invention, A microchannel connected to the injection port and having a piezoelectric layer on an outer wall or a lower portion thereof; An electrode for applying an alternating current to the piezoelectric layer; And an outlet connected to the microchannel and through which the fluid containing the intracellular substance that has passed through the microchannel is recovered.

본 발명에서 사용되는 용어, "마이크로채널(microchannel)"은 1 mm 이하의 마이크로 수준의 폭을 가지며 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공하는 채널을 의미한다.As used herein, the term "microchannel" refers to a channel that has a micro-level width of 1 mm or less and provides a passageway through which fluid can flow.

본 발명에서, 상기 마이크로채널의 폭은 바람직하기로 0.1 ㎛ 내지 10 ㎜, 더욱 바람직하기로 1 ㎛ 내지 1 ㎜, 더욱더 바람직하기로 50 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 만일 상기 마이크로채널의 폭이 0.1 ㎛ 미만이면 유체가 흐르기 어려울 수 있고 10 ㎜ 초과이면 유체의 흐름 속도 제어가 어렵거나 진동 에너지의 균일한 발생이 어려울 수 있다.In the present invention, the width of the microchannel may preferably be 0.1 μm to 10 mm, more preferably 1 μm to 1 mm, and still more preferably 50 μm to 500 μm. If the width of the microchannel is less than 0.1 탆, the fluid may be difficult to flow. If the width of the microchannel is more than 10 탆, it may be difficult to control the flow rate of the fluid or uniformly generate the vibration energy.

본 발명에서, 상기 마이크로채널의 길이는 바람직하기로 10 ㎜ 내지 1000 ㎜, 더욱 바람직하기로 100 ㎜ 내지 700 ㎜일 수 있다. 상기 마이크로채널의 길이 범위에서 효율적인 세포 용해가 가능할 수 있다.In the present invention, the length of the microchannel may preferably be 10 mm to 1000 mm, more preferably 100 mm to 700 mm. Efficient cell lysis in the length range of the microchannel may be possible.

본 발명에서 사용되는 용어, "압전층"은 압전 특성을 발휘하는 층을 의미한다. 상기 압전층의 재료로는 단결정, 다결정 세라믹스, 고분자재료, 박막재료, 또는 다결정재료와 고분자 재료를 복합화한 복합재료가 있다.The term "piezoelectric layer" used in the present invention means a layer exhibiting piezoelectric characteristics. The piezoelectric layer may be made of a single crystal, a polycrystalline ceramic, a polymeric material, a thin film material, or a composite material obtained by compounding a polycrystalline material and a polymeric material.

구체적으로, 단결정 압전재료로는 α-AlPO4, α-SiO2, LiTaO3, LiNbO3, SrxBayNb2O8, Pb5-Ge3O11, Tb2(MoO4)3, Li2B4O7, CdS, ZnO, Bi12SiO20, Bi12GeO20, PZN-PT[Pb(Zn2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], PMN-PT[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], 트리글리신 설페이트(triglycine sulfate, TGS) 등이 있으며, 다결정 압전재료로는 PZT(lead zirconate titanate, PbZrO3-PbTiO3)계, PT(PbTiO3)계, PZT-복합 페로브스카이트(PZT-Complex Perovskite)계, BaTiO3 등이 있다. 또한, 박막 압전재료로는 ZnO, CdS, AlN 등이 있고, 고분자 압전재료로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌[poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE)], 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-테트라플루오로에틸렌[poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene), P(VDF-TeFE)] 등이 있으며, 복합 압전재료로는 PZT-PVDF, PZT-실리콘 고무(PZT-Silicon Rubber), PZT-에폭시(PZT-Epoxy), PZT-발포 우레탄 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.Specifically, as the single crystal piezoelectric material, α-AlPO 4 , α-SiO 2 , LiTaO 3 , LiNbO 3 , SrxBayNb 2 O 8 , Pb 5 -Ge 3 O 11 , Tb 2 (MoO 4 ) 3 , Li 2 B 4 O 7 , CdS, ZnO, Bi 12 SiO 20 , Bi 12 GeO 20 , PZN-PT [Pb (Zn 2/3 Nb 1/3 ) O 3 -PbTiO 3 ], PMN-PT [Pb (Mg 2/3 Nb 1 / 3) O 3 -PbTiO 3] , tree glycine sulfate (triglycine sulfate, TGS) and the like, with poly-crystalline piezoelectric material is PZT (lead zirconate titanate, PbZrO 3 -PbTiO 3) based, PT (PbTiO 3) based, PZT - complex perovskite (PZT-complex perovskite) system, and BaTiO 3 . Examples of the thin film piezoelectric material include ZnO, CdS, and AlN. Examples of the piezoelectric material include polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (vinylidene fluoride-co-trifluroethylene [ poly (vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene), P (VDF-TeFE)], and the like, Examples of the composite piezoelectric material include PZT-PVDF, PZT-silicone rubber (PZT-silicone rubber), PZT-epoxy (PZT-Epoxy), and PZT-foamed urethane. These materials may be used alone or as a mixture thereof.

단결정 압전재료로 널리 사용되는 수정(α-SiO2)은 공진주파수의 대역폭이 좁고 온도계수가 매우 작으므로 신호주파수를 발생하는 오실레이터(oscillator) 소자로 사용되며, 가격이 비싸고 전기기계결합계수가 작은 단점이 있어 응용분야가 제한된다. LiNbO3와 LiTaO3 단결정 압전재료와 ZnO 박막 압전재료 등은 탄성표면파(SAW : Surface Acoustic Wave) 필터로 응용되고 있으며, AlN, ZnO 등 박막 압전재료는 새롭게 연구되고 있는 GHz 대역 FBAR(Film Bulk Acoustic wave Resonator) Bandpass Filter 재료로 응용되고 있다. 다결정 압전재료인 PZT계 세라믹스는 가공성이나 제반 압전특성이 우수하고 가격이 저렴하여 초음파 진동자, 필터, 레조네이터, 착화소자 및 센서 등에 가장 널리 응용되고 있다. 또한 고분자 압전재료와 PZT계의 복합 압전재료는 재료의 특성상 시트 형태로 가공이 쉽기 때문에 각종 키보드나 수중 음향부품, 의료용 탐촉자 등에 주로 응용되고 있다.The quartz crystal (α-SiO 2 ) widely used as a single crystal piezoelectric material is used as an oscillator element that generates a signal frequency because the bandwidth of the resonant frequency is narrow and the temperature coefficient is very small. It is disadvantageous in that the price is high and the electromechanical coupling coefficient is small Which limits the application area. LiNbO 3 and LiTaO 3 single crystal piezoelectric materials and ZnO thin film piezoelectric materials have been applied as SAW (Surface Acoustic Wave) filters. Thin film piezoelectric materials such as AlN and ZnO have been studied in the newly developed FBAR (Film Bulk Acoustic wave Resonator) bandpass filter material. PZT ceramics, which is a polycrystalline piezoelectric material, is most widely applied to ultrasonic vibrators, filters, resonators, ignition devices and sensors because of its excellent processability and various piezoelectric characteristics and low cost. Polymer piezoelectric materials and PZT composite piezoelectric materials are mainly applied to various keyboards, underwater acoustic parts, and medical transducers because they are easy to process into sheet form due to the characteristics of materials.

본 발명의 일 실시예에서는 압전층의 재료로서 PVDF를 사용하였다. 고분자 압전재료 중의 하나인 PVDF는 석영보다 몇 배나 큰 압전효과를 나타낸다. 물질의 결정구조에 의해 압전효과가 나타나는 세라믹스와 다르게, PVDF는 전기장이 걸리면 중합체 내부에서 긴 사슬형태의 분자들이 서로 인력과 척력을 작용하면서 압전효과가 나타난다. 또한, PVDF는 부식에 강할 뿐만 아니라 열적 안정성, 화학적 저항성 등의 뛰어난 재료적 우수성을 가지고 있다.In one embodiment of the present invention, PVDF was used as the material of the piezoelectric layer. PVDF, one of the polymer piezoelectric materials, exhibits piezoelectric effects several times larger than quartz. Unlike ceramics, which exhibit piezoelectric effects due to the crystal structure of the material, PVDF exhibits piezoelectric effects when elongated chains of molecules interact with each other by attracting and repelling each other when an electric field is applied. In addition, PVDF is not only resistant to corrosion, but also has superior material properties such as thermal stability and chemical resistance.

본 발명에서, 상기 압전층의 두께는 바람직하기로 1 ㎚ 내지 10 ㎛, 더욱 바람직하기로 10 ㎚ 내지 5 ㎛일 수 있다. 만일 상기 압전층의 두께가 1 ㎚ 미만이면 압전 특성이 떨어질 수 있고 마이크로채널의 폭에 제한이 있어 압전층의 두께는 10 ㎛ 초과이기 어려울 수 있다.In the present invention, the thickness of the piezoelectric layer may preferably be 1 nm to 10 占 퐉, and more preferably 10 nm to 5 占 퐉. If the thickness of the piezoelectric layer is less than 1 nm, the piezoelectric characteristics may deteriorate and the width of the microchannel may be limited, so that the thickness of the piezoelectric layer may not be more than 10 탆.

본 발명에서, 상기 압전층은 교류 전류가 인가됨에 따라 진동을 발생시킬 수 있다. 즉, 역압전 효과에 의해 압전층에 가해진 전기적 자극이 기계적 일그러짐을 일으키는 현상인 진동을 발생시킬 수 있다. 압전층에 공명을 줄 수 있는 교류 전류를 넣어주면, 압전층은 전체적으로 진동하기 시작한다. 상기 압전층의 진동에 의해 마이크로채널 내의 유체가 진동하게 되어 유체 내에 함유되어 있는 세포의 세포벽이 깨지고 세포 내의 세포 내부 물질이 외부로 노출될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 압전층의 진동 에너지를 사용하여 세포 내부 물질을 함유하는 유체 형태의 검체를 효율적으로 제조할 수 있으며 세포 내부 물질의 손상을 최소화할 수 있어 검체 분석 효율을 높일 수 있다.In the present invention, the piezoelectric layer can generate vibration when an alternating current is applied. That is, the electrical stimulation applied to the piezoelectric layer by the inverse piezoelectric effect can cause vibration, which is a phenomenon that causes mechanical distortion. If an alternating current is applied to the piezoelectric layer to give resonance, the piezoelectric layer starts vibrating as a whole. The fluid in the microchannel vibrates due to the vibration of the piezoelectric layer, so that the cell walls of the cells contained in the fluid are broken and the intracellular substances in the cells can be exposed to the outside. That is, in the present invention, it is possible to efficiently prepare a fluid type specimen containing the intracellular substance by using the vibration energy of the piezoelectric layer, minimize the damage of the intracellular substance, and improve the specimen analysis efficiency.

본 발명에서 사용되는 용어, "교류 전류(alternating current, AC)"는 시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류를 의미한다.As used herein, the term "alternating current (AC)" refers to a current whose magnitude and direction change periodically with time.

본 발명에서, 상기 교류 전류의 주파수는 바람직하기로 100 Hz 내지 900 kHz일 수 있다. 상기 주파수 범위에서 세포 내부 물질을 손상시키지 않으면서 세포벽을 효율적으로 깰 수 있다.In the present invention, the frequency of the alternating current may preferably be 100 Hz to 900 kHz. It is possible to efficiently break the cell wall without damaging intracellular material in the frequency range.

본 발명에서, 상기 세포 내부 물질은 DNA, RNA, 단백질 또는 이의 혼합물일 수 있다.In the present invention, the intracellular substance may be DNA, RNA, protein, or a mixture thereof.

본 발명의 세포 용해 장치에서, 상기 전극은 외부의 교류 전원과 연결되어 교류 전류를 발생시킬 수 있다.In the cell dissolving apparatus of the present invention, the electrode may be connected to an external AC power source to generate an AC current.

구체적인 일 양태로서, 본 발명의 세포 용해 장치의 구조는 도 1에 도시된 바와 같다(전극 미도시).As a specific embodiment, the structure of the cell lysis apparatus of the present invention is as shown in Fig. 1 (not shown in the drawings).

본 발명의 세포 용해 장치는 압전 탄성파 에너지 밀도를 최대화하는 압전 구조를 가지도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 전극의 배열을 조절하여 압전 탄성파 에너지 밀도를 최대화시킬 수 있다.The cell dissolving apparatus of the present invention can be designed to have a piezoelectric structure that maximizes the piezoelectric acoustic wave energy density. For example, the arrangement of the electrodes can be adjusted to maximize the piezoelectric acoustic wave energy density.

또한, 본 발명은 상기 세포 용해 장치; 및 상기 세포 용해 장치로부터 회수되는 세포 내부 물질 함유 유체를 분석하는 수단;을 포함하는 세포 용해 및 세포 분석 일체형 장치를 제공할 수 있다.The present invention also relates to the aforementioned cell lysis device; And means for analyzing the cell-containing substance-containing fluid recovered from the cell dissolving apparatus.

본 발명에서, 상기 세포 용해 장치로부터 회수되는 세포 내부 물질 함유 유체를 분석하는 수단은 통상의 세포 내부 물질을 분석하는 수단일 수 있다.In the present invention, the means for analyzing the intracellular substance-containing fluid recovered from the cytolytic device may be a means for analyzing ordinary intracellular substances.

구체적인 일 양태로서, 상기 세포 용해 및 세포 분석 일체형 장치의 구조는 도 2에 나타낸 바와 같다. 도 2에서 검체가 세포 용해 및 세포 분석 일체형 장치의 상부에 위치하는 세포 용해 장치에 투입되어 세포 용해 과정을 거친 후 핵산이 고정되어 있는 세포 내부 물질을 분석하는 수단 내로 유입되고, 이후 웰간 유체 이송 구조를 통해 세포 내부 물질 중 분석 대상이 되는 물질이 상응하는 핵산에 반응하도록 한 다음, 최종적으로 핵산이 고정된 웰로부터 분석 시료를 추출하고 이를 PCR 등의 방법으로 분석할 수 있다.As a specific embodiment, the structure of the cell lysis and cell analysis integrated device is as shown in Fig. In FIG. 2, the specimen is introduced into a cell dissolving apparatus located at the upper part of the cell dissolution and cell analysis integrated device, and after the cell dissolution process, the nucleic acid is introduced into the means for analyzing the intracellular substance immobilized with the nucleic acid, A substance to be analyzed among the intracellular substances is allowed to react with the corresponding nucleic acid, and finally, an analytical sample is extracted from the well to which the nucleic acid is immobilized and analyzed by PCR or the like.

본 발명에서는 상기 일체형 장치를 사용함으로써, 상기 세포 용해 장치를 사용하여 회수된 세포 내부 물질이 함유된 유체를 검체로 하고, 상기 검체를 통상의 세포 내부 물질을 분석하는 수단에 도입하여 세포 내부 물질을 분석함으로써 세포 용해와 분석을 하나의 장치 내에서 수행할 수 있다.In the present invention, by using the integrated device, the fluid containing the intracellular substance recovered by using the cell lysis apparatus is used as a specimen, and the specimen is introduced into a means for analyzing a normal intracellular substance, By analyzing, cell lysis and analysis can be performed in one device.

본 발명은 외벽 또는 하부에 압전층을 구비하는 마이크로채널에 세포를 함유하는 유체를 주입하고 상기 압전층에 교류 전류를 인가하여 진동을 발생시키면서 상기 세포를 함유하는 유체를 마이크로채널을 통해 통과시킴으로써 압전층의 진동 에너지를 마이크로채널 내부의 유체에 균일하게 전달하여 효율적으로 세포벽을 깰 수 있는 세포 용해 방법 및 장치를 제공할 수 있다. 본 발명의 세포 용해 방법 및 장치는 세포 내부 물질의 손상을 줄여 검체 분석 효율을 높일 수 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric element, which comprises injecting a fluid containing a cell into a microchannel having a piezoelectric layer on an outer wall or a lower portion thereof and applying an alternating current to the piezoelectric layer to generate vibration, The present invention can provide a cell dissolution method and apparatus capable of effectively breaking the cell wall by uniformly transferring the vibration energy of the layer to the fluid inside the microchannel. The cell dissolution method and apparatus of the present invention can reduce the damage of intracellular substances and improve sample analysis efficiency.

도 1은 본 발명의 일 양태로서 세포 용해 장치의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 양태로서 세포 용해 및 세포 분석 일체형 장치의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 제작된 세포 용해 장치의 모습을 나타낸 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 schematically shows the structure of a cell dissolving device as one embodiment of the present invention. FIG.
2 schematically shows the structure of a cell lysis and cell analysis integrated device as one aspect of the present invention.
FIG. 3 shows a cell dissolving apparatus actually manufactured according to an embodiment of the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These embodiments are only for describing the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예Example 1: 본 발명의 세포 용해 장치 제작 1: Production of cell dissolving apparatus of the present invention

도 1에 도시된 바와 같이 세포를 함유하는 유체를 주입하기 위한 주입구; 상기 주입구와 연결되며, 외벽 또는 하부에 압전층을 구비하는 마이크로채널; 상기 압전층에 교류 전류를 인가하는 전극; 및 상기 마이크로채널과 연결되며, 마이크로채널을 통과한 세포 내부 물질 함유 유체가 회수되는 출구를 포함하는 세포 용해 장치를 제작하였다(전극 미도시). 이때 마이크로채널의 폭은 100 ㎛로 하고, 길이는 480 ㎜로 하였다. 또한, 압전층의 재료로서 PVDF를 사용하고, 압전층의 두께는 1 ㎛로 하였다. 이때 세포 용해 장치의 재질은 압전층을 제외하고 폴리카보네이트를 사용하였다. 전극으로는 크롬을 사용하였다.An injection port for injecting a fluid containing cells as shown in Fig. 1; A microchannel connected to the injection port and having a piezoelectric layer on an outer wall or a lower portion thereof; An electrode for applying an alternating current to the piezoelectric layer; And an outlet connected to the microchannel and through which the fluid containing the intracellular substance that has passed through the microchannel is recovered (not shown in the drawings). At this time, the width of the microchannel was 100 μm and the length was 480 mm. Further, PVDF was used as a material of the piezoelectric layer, and the thickness of the piezoelectric layer was 1 占 퐉. At this time, polycarbonate was used as the material of the cell dissolving apparatus except for the piezoelectric layer. Chromium was used as an electrode.

실제 제작된 세포 용해 장치를 도 3에 나타내었다.The actual cell lysing apparatus is shown in Fig.

실시예Example 2: 본 발명의 세포 용해 장치를 이용한 세포 용해 2: Cell lysis using the cell lysis apparatus of the present invention

상기 실시예 1에서 제작한 세포 용해 장치를 이용하여 세포 용해를 수행하였다.Cell lysis was performed using the cell lysis apparatus prepared in Example 1 above.

구체적으로, 세포 용해 장치의 주입구에 세포(SiHa, 한국세포주은행)를 함유하는 유체를 주입하고, 전극을 외부의 교류 전원과 연결시켜 교류 전류를 발생시키고 이로 인하여 압전층의 진동이 일어나게 하면서 마이크로채널을 통해 상기 세포를 함유하는 유체를 통과시켰다. 세포 용해 장치의 출구로부터 유체를 회수하였다. 상기 압전층에 인가하는 교류 전류의 주파수는 10 kHz로 하였다.Specifically, a fluid containing cells (SiHa, Korean Cell Line Bank) is injected into an inlet of a cell dissolving apparatus, and an electrode is connected to an external AC power source to generate an alternating current. As a result, vibration of the piezoelectric layer occurs, Lt; RTI ID = 0.0 > cells. ≪ / RTI > The fluid was withdrawn from the outlet of the cell lysis device. The frequency of the alternating current applied to the piezoelectric layer was 10 kHz.

실시예Example 3: 본 발명의 세포 용해 장치를 이용한 세포 분석 3: Cell analysis using the cell lysis apparatus of the present invention

도 2에 도시된 바와 같은 세포 용해 및 세포 분석 일체형 장치의 상부에 위치하는 세포 용해 장치에 세포(SiHa, 한국세포주은행)를 함유하는 유체를 투입하고 전극을 외부의 교류 전원과 연결시켜 10 kHz의 주파수를 갖는 교류 전류를 발생시키고 이를 통해 압전층의 진동이 일어나게 하면서 마이크로채널을 통해 상기 세포를 함유하는 유체를 통과시킨 다음 상기 유체가 핵산이 고정되어 있는 세포 내부 물질을 분석하는 수단 내로 유입되게 하였다. 이후 웰간 유체 이송 구조를 통해 세포 내부 물질 중 분석 대상이 되는 물질이 상응하는 핵산에 반응하도록 한 다음, 최종적으로 핵산이 고정된 웰로부터 분석 시료를 추출하고 이를 PCR로 분석하였다.2, a fluid containing cells (SiHa, Korean Cell Line Bank) was put into a cell dissolving apparatus located at the upper part of the cell dissolution and cell analysis integrated device as shown in FIG. 2, and the electrode was connected to an external AC power source, Generating an alternating current having a frequency through which the fluid containing the cells is passed through the microchannel while causing the vibrations of the piezoelectric layer to pass therethrough and then flowing into the means for analyzing the intracellular material to which the nucleic acid is immobilized . Subsequently, through the well-to-be fluid transfer structure, the substance to be analyzed among the intracellular substances was allowed to react with the corresponding nucleic acid, and finally the analytical sample was extracted from the well to which the nucleic acid was immobilized and analyzed by PCR.

Claims (9)

세포 용해 방법으로서,
외벽 및/또는 하부에 압전재료만으로 두께 1 ㎚ 내지 10 ㎛로 구성된 압전층을 구비하고, 압전층에 주파수가 100 Hz 내지 900 kHz인 교류 전류 인가시 발생되는 진동에너지가 마이크로채널 내부의 유체에 균일하게 전달되어 유체 내 세포의 세포벽을 깰 수 있도록 폭이 1 ㎛ 내지 1 ㎜로 조절된 마이크로채널에 세포를 함유하는 유체를 주입하는 단계(단계 1); 및
상기 압전층에 주파수가 100 Hz 내지 900 kHz인 교류 전류를 인가하여 진동을 발생시키면서 상기 세포를 함유하는 유체를 마이크로채널을 통해 통과시켜, 세포 용해시키는 단계(단계 2);를 포함하는 것인, 방법.
As a cell lysis method,
And a piezoelectric layer having a thickness of 1 nm to 10 占 퐉 only on the outer wall and / or the lower portion and made of only piezoelectric material, wherein vibration energy generated when alternating current having a frequency of 100 Hz to 900 kHz is applied to the piezoelectric layer, Injecting a fluid containing cells into a microchannel having a width of 1 탆 to 1 탆 so as to break the cell walls of the cells in the fluid (step 1); And
And a step (2) of passing a fluid containing the cell through a microchannel and causing cell lysis by applying an alternating current having a frequency of 100 Hz to 900 kHz to the piezoelectric layer to generate vibration, Way.
제1항에 있어서, 마이크로채널을 통과한, 세포 내부 물질 함유 유체를 회수하는 단계(단계 3)를 추가로 포함하는 것이 특징인 방법.2. The method of claim 1, further comprising the step of recovering an intracellular material-containing fluid (step 3) that has passed through the microchannel. 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널의 길이는 10 ㎜ 내지 1000 ㎜인 것이 특징인 방법.The method of claim 1, wherein the microchannel has a length of 10 mm to 1000 mm. 제1항에 있어서, 상기 압전층을 구성하는 압전재료는 α-AlPO4, α-SiO2, LiTaO3, LiNbO3, SrxBayNb2O8, Pb5-Ge3O11, Tb2(MoO4)3, Li2B4O7, CdS, ZnO, Bi12SiO20, Bi12GeO20, PZN-PT[Pb(Zn2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], PMN-PT[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], 트리글리신 설페이트(triglycine sulfate, TGS), PZT(lead zirconate titanate, PbZrO3-PbTiO3), PT(PbTiO3), PZT-복합 페로브스카이트(PZT-Complex Perovskite), BaTiO3, ZnO, CdS, AlN, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌[poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE)], 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-테트라플루오로에틸렌[poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene), P(VDF-TeFE)], PZT-PVDF, PZT-실리콘 고무(PZT-Silicon Rubber), PZT-에폭시(PZT-Epoxy), PZT-발포 우레탄, 또는 이의 혼합물로 형성되는 것이 특징인 방법.The method of claim 1, wherein the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer is α-AlPO 4, α-SiO 2, LiTaO 3, LiNbO 3, SrxBayNb 2 O 8, Pb 5 -Ge 3 O 11, Tb 2 (MoO 4) 3, Li 2 B 4 O 7 , CdS, ZnO, Bi 12 SiO 20, Bi 12 GeO 20, PZN-PT [Pb (Zn 2/3 Nb 1/3) O 3 -PbTiO 3], PMN-PT [Pb (Mg 2/3 Nb 1/3 ) O 3 -PbTiO 3 ], triglycine sulfate (TGS), lead zirconate titanate, PbZrO 3 -PbTiO 3 , PT (PbTiO 3 ) (PZT-Complex Perovskite), BaTiO 3 , ZnO, CdS, AlN, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride- (VDF-TeFE), PZT-PVDF, PZT-PVDF, PZT-PVDF, - It is formed of silicone rubber (PZT-Silicon Rubber), PZT-Epoxy (PZT-Epoxy), PZT-foamed urethane or mixture thereof Way. 제2항에 있어서, 상기 세포 내부 물질은 DNA, RNA, 단백질 또는 이의 혼합물인 것이 특징인 방법.3. The method of claim 2, wherein the intracellular material is DNA, RNA, protein, or a mixture thereof. 세포 용해 장치로서,
세포를 함유하는 유체를 주입하기 위한 주입구;
상기 주입구와 연결되며,
외벽 또는 하부에 압전재료만으로 두께 1 ㎚ 내지 10 ㎛로 구성된 압전층을 구비하고, 압전층에 주파수가 100 Hz 내지 900 kHz인 교류 전류 인가시 발생되는 진동에너지가 마이크로채널 내부의 유체에 균일하게 전달되어 유체 내 세포의 세포벽을 깰 수 있도록 폭이 1 ㎛ 내지 1 ㎜로 조절된 마이크로채널;
진동을 발생시킬 수 있도록 상기 압전층에 주파수가 100 Hz 내지 900 kHz인 교류 전류를 인가하는 전극; 및
상기 마이크로채널과 연결되며, 마이크로채널을 통과한 세포 내부 물질 함유 유체가 회수되는 출구;를 포함하는 것인, 장치.
As a cell dissolving apparatus,
An injection port for injecting a fluid containing cells;
And a control unit connected to the injection port,
And a piezoelectric layer having a thickness of 1 nm to 10 占 퐉 only on the outer wall or the lower portion and made of piezoelectric material only and the vibration energy generated when an alternating current having a frequency of 100 Hz to 900 kHz is applied to the piezoelectric layer uniformly A microchannel having a width of 1 占 퐉 to 1 mm so as to break the cell walls of the cells in the fluid;
An electrode for applying an alternating current having a frequency of 100 Hz to 900 kHz to the piezoelectric layer so as to generate vibration; And
And an outlet connected to the microchannel and through which the intracellular substance-containing fluid having passed through the microchannel is withdrawn.
제6항에 있어서, 상기 마이크로채널의 길이는 10 ㎜ 내지 1000 ㎜인 것이 특징인 장치.7. The apparatus of claim 6, wherein the microchannel has a length of 10 mm to 1000 mm. 제6항에 있어서, 상기 전극은 외부의 교류 전원과 연결되어 교류 전류를 발생시키는 것이 특징인 장치.7. The apparatus of claim 6, wherein the electrode is connected to an external AC power source to generate an AC current. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 세포 용해 장치; 및 상기 세포 용해 장치로부터 회수되는 세포 내부 물질 함유 유체를 분석하는 수단;을 포함하는 세포 용해 및 세포 분석 일체형 장치.
9. A cell lysing apparatus according to any one of claims 6 to 8; And means for analyzing an intracellular substance-containing fluid recovered from the cell dissolving apparatus.
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