KR20190087842A - 손가락 구동을 기반 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩 시스템 및 그 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 손가락 구동 기반 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩 시스템 및 그의 용도에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 손가락 구동으로 발생하는 압력을 이용한 공압밸브와 공압챔버들의 작동을 통해 미세유체를 손쉽게 제어할 수 있는 랩온어칩 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 랩온어칩 시스템은 사용자의 손가락 작동 특성에 영향을 받지 않으면서도, 손가락 구동에 따른 압력으로 미세유체를 이동시켜 간단하게 랩온어칩 시스템을 구동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 압력챔버와 미세유체 이동부가 서로 분리되어 압력챔버의 위치에 상관없이 미세유체 채널을 집적할 수 있어 다중 유체 분석에 유용하다.

Description

손가락 구동을 기반 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩 시스템 및 그 용도{Lab-on-a-chip System using Microfluid Control based on the Finger Actuation and Uses Thereof}

본 발명은 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩 시스템 및 그의 용도에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 외부 압력을 이용한 공압밸브와 작동챔버의 작동을 통해 미세유체를 손쉽게 제어할 수 있는 랩온어칩 시스템에 관한 것이다.

미세유체 제어기술을 이용한 랩온어칩 시스템은 실험실에서 주로 사용하는 부피가 크고 값비싼 장비들의 기능을 손가락 크기만 한 칩 위에 구현함으로써, 실험실에서 필요로 하는 다양한 전처리 및 분석을 단시간 내에 효율적으로 수행할 수 있도록 한다(Curtis et al., Lab Chip. Vol. 7, pp. 41-57, 2007). 하지만, 일반적인 랩온어칩 시스템을 구동하기 위해서는 사용방법이 복잡하며 값비싼 유체구동펌프를 필요로 한다. 이로 인해, 수많은 장점을 가지는 랩온어칩 시스템이 널리 사용되지 못하고 있다.

이러한 랩온어칩 시스템의 문제점들을 해결하기 위해서, 종이섬유 및 미세구조의 모세관 현상을 이용하거나, 다공성 물질인 PDMS(polydimethylsiloxane)의 가스제거 과정을 이용한 미세유체의 구동을 통해 랩온어칩 시스템을 구현하기도 하였다. 그러나, 느린 미세유체의 구동속도로 인해 랩온어칩 시스템을 이용한 분석시간이 길어진다는 한계점이 있다. 또한, 종이섬유 및 미세구조로 인해 큰 크기의 세포들을 이용한 분석이 제한되기도 한다.

한편, 인간이 취할 수 있는 가장 간단한 동작 중 하나인 손가락 작동을 이용한 미세유체구동을 통해 포도당 검사, 혈액형 검사, 항생제 내성 검사, 미세액적 생성 등과 같은 다양한 랩온어칩 시스템이 보고되었다(US 2016-0109467, Xu K et al., Lab Chip., Vol. 15, pp. 867-76, 2015, Glynn MT et al., Lab Chip. Vol. 14, pp. 2844-51, 2014).

상기 리포트에는 단순히 손가락 작동으로 미세유체 채널 내에 압력을 가하여 미세유체를 일시적으로 구동시키기도 하였고, 공압밸브들을 이용하여 연속적인 미세유체의 구동을 가능하게하기도 하였다. 이와 같이 미세유체를 간단하게 구동시킴으로써 다양한 랩온어칩 시스템들을 구현하였지만, 손가락 작동을 통한 정교한 조절이 힘들기 때문에 사용자들의 다양한 손가락 작동 특성에 따라 미세유체의 특성이 영향을 받게 되는 단점이 있었다.

즉 사용자들의 다양한 손가락 작동 특성을 고려하여 정교하고 표준화된 지침을 제공하는 데에 한계가 있다. 더불어, 손가락 작동을 이용해 압력을 가하는 압력 챔버가 미세유체 채널과 직접적으로 연결되어 있기 때문에, 미세유체 채널들의 집적을 통한 랩온어칩 시스템을 설계할 때 압력챔버의 위치를 고려해야한다. 따라서, 미세유체 채널들의 집적이 제한된다는 한계점이 있다. 추가적으로 압력챔버 내부로 흘러들어온 유체로 인해, 손가락 작동에 영향을 미칠 수 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 손가락 작동 특성에 영향을 받지 않고 균일한 압력으로 미세유체를 이동시킬 수 있는 랩온어칩 시스템을 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 유체가 이동하는 이동부와 공압채널을 폴리머 박막으로 분리할 경우, 손가락 작동 특성에 영향을 받지 않고 미세유체를 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 미세유체 채널이 압력챔버와 직접 연결되지 않아, 미세유체가 압력챔버로 역류하지 않아 미세유체 채널을 다양한 형태로 집적할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

본 배경기술 부분에 기재된 상기 정보는 오직 본 발명의 배경에 대한 이해를 향상시키기 위한 것이며, 이에 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 있어 이미 알려진 선행기술을 형성하는 정보를 포함하지 않을 수 있다.

본 발명의 목적은 사용자의 손가락 작동 특성에 영향을 받지 않는 손가락 구동 기반 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 시스템을 이용한 미세유체 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상기 시스템을 하나의 유체 구동 유닛으로 포함하는 다중 유체 분석용 랩온어칩 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유체가 이동하는 이동부(1200); 외부압력에 의해 구동되는 압력챔버(1100); 압축된 공기가 이동하는 공압채널(1000); 유체를 주입하는 주입부(100); 유체를 배출하는 배출부(200); 및 공압 배출부(900);를 포함하고, 상기 이동부와 공압채널은 폴리머 박막(900)에 의해 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 상기 랩온어칩의 압력챔버에 외부압력을 가하는 단계; (b) 외부압력이 가해진 상태에서 공압 배출부를 막는 단계; (c) 상기 (a) 단계에서 가해진 외부압력을 제거하는 단계; (d) 시료를 주입부에 주입하는 단계; 및 (e) 압력챔버에 외부압력을 가했다 제거하는 단계;를 포함하는 랩온어칩의 미세유체 제어방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 랩온어칩을 한 종류의 유체를 구동시키기 위한 유체 구동 유닛으로 포함하고, 상기 유체 구동 유닛이 복수개 연결되어 있는 다중 유체 분석용 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩을 제공한다.

본 발명에 따른 랩온어칩 시스템은 사용자의 손가락 작동 특성에 영향을 받지 않으면서도, 손가락 구동에 따른 압력으로 미세유체를 이동시켜 간단하게 랩온어칩 시스템을 구동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 압력챔버와 미세유체 이동부가 서로 분리되어 압력챔버의 위치에 상관없이 미세유체 채널을 집적할 수 있어 다중 유체 분석에 유용하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템의 부품도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템의 손가락 구동에 따른 유체이동을 모사한 개략도로서, 왼쪽 패널은 손가락을 눌러 압력챔버에 압력을 가했을 때, 랩온어칩의 상태 및 유체의 이동을 나타낸 것이고, 오른쪽 패널은 손가락을 떼 압력챔버의 압력을 감소시켰을 때, 랩온어칩의 상태 및 유체의 이동을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템에서 손가락 구동을 이용한 미세유체 제어 방법에 대한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템의 구동 특성을 평가한 것으로 (A)는 압력챔버의 눌러진 깊이에 따른 미세유체의 이동량을 측정한 그래프이고, (B)는 압력을 4번 가하였을 때, 압력을 가하는 시간 간격에 따른 미세유체의 이동량을 측정한 그래프이며, (C)는 여러 사람의 4번의 손가락 구동에 따른 미세유체의 이동량을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템에서 유체의 양을 조절한 결과에 대한 것으로, (A)는 작동 챔버의 지름 및 압력챔버에 가하는 압력 회수에 따라 이동한 미세유체의 양을 측정한 그래프이며, (B)는 계산된 작동챔버의 부피와 실제로 측정한 유체의 양을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템의 한 가지 활용예로서 제작한 시료 혼합용 랩온어칩 시스템을 개시한 것으로, (A)는 시료 혼합용 랩온어칩 시스템의 개략도를 나타낸 것이고, (B)는 작동 챔버의 지름 비율에 따른 혼합 용액의 비율을 측정한 결과이며, (C)는 예측값과 실제 측정값을 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템의 한 가지 활용예로서 제작한 대장균 검출용 랩온어칩 시스템을 개시한 것으로, (A)는 기질이 대장균 내부의 효소에 의해 대사되어 색깔이 변화는 과정을 묘사한 것이고, (B)는 본 발명의 일 실시예에서 제작한 4개의 유체 구동 유닛 및 2개의 압력챔버를 이용한 대장균 검출용 랩온어칩 시스템을 묘사한 개략도이며, (C)는 대장균 농도별 반응 기질의 색깔변화를 반응챔버에서 관찰한 결과이고, (D)는 이를 그래프로 표시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템의 한 가지 활용예로서 제작한 혈액 교차적합 시험용 랩온어칩 시스템으로, (A)는 4개의 유체 구동 유닛 및 2개의 압력챔버를 이용하여, 공혈자와 수혈자의 혈액을 각각 혈장과 혈구로 분리하여 반응 챔버에서 반응시켜 결과를 관찰할 수 있는 시스템의 개략도이고, (B)는 실제로 제작한 랩온어칩 시스템이며, (C)는 공혈자와 수혈자의 혈액을 주입한 다음, 혈구와 혈장을 분리하는 멤브레인을 설치한 부분의 부품도를 나타낸 것이다.
도 10은 상기 시스템을 이용하여 실제 환자의 혈액형 조합을 테스트한 결과와 기존의 방법을 이용한 결과를 비교한 것으로, 혈액 응고 반응이 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩온어칩 시스템의 한 가지 활용예로서 제작한 핵산 추출용 랩온어칩 시스템으로, 4개의 유체 구동 유닛 및 3개의 압력챔버와 글래스 비드가 들어있는 반응부를 포함하는 핵산 추출용 랩온어칩 시스템을 타나낸 것이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

본 발명에서는 손가락 구동 특성에 영향을 받지 않고, 압력챔버와 미세유체 이동부가 직접적으로 연결되지 않는 랩온어칩 시스템의 효율을 확인하고자 하였다.

본 발명에서는, 미세유체 이동부; 작동챔버; 조절밸브; 및 압력챔버를 포함하는 제1기판과 공압채널을 포함하는 제2기판 사이를 폴리머 박막으로 분리할 경우, 손가락 구동 특성에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 미세유체 이동부와 압축된 공기가 이동하는 공압채널이 직접 연결되지 않아 미세유체 이동부의 집적이 자유롭게 이루어질 수 있다는 것을 확인하였다.

즉, 본 발명의 일 실시예에서는 유체를 주입하는 주입부; 유체가 이동하는 제1,2 이동부; 유체의 이동을 조절하는 제1,2 공압밸브; 유체를 이동시키는 작동챔버; 손가락에 의해 구동되는 압력챔버; 공압 배출부; 및 유체를 배출하는 배출부를 포함하는 제1 기판; 압축된 공기가 이동하는 공압채널을 포함하는 제2기판; 및 상기 제1,2 기판 사이에 삽입된 PDMS 박막을 포함하는 랩온어칩 시스템에서, 상기 제1밸브 및 작동챔버에만 공압채널을 연결할 경우, 미세유체의 이동을 손가락 구동 특성에 영향 받지 않으면서 제어 할 수 있다는 것을 확인하였다(도 1).

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 유체가 이동하는 이동부(1200); 외부압력에 의해 구동되는 압력챔버(1100); 압축된 공기가 이동하는 공압채널(1000); 유체를 주입하는 주입부(100); 유체를 배출하는 배출부(200); 및 공압 배출부(900);를 포함하고, 상기 이동부와 공압채널은 폴리머 박막(900)에 의해 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 외부압력은 압력챔버에 압력을 가할 수 있는 방법이면 제한없이 이용가능하나, 바람직하게는 손가락으로 누르는 압력인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 이동부는 제1, 2 이동부, 유체의 이동을 조절하는 제1, 2 공압밸브; 및 유체를 이동시키는 작동챔버; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 압력챔버는 이동부 또는 공압채널의 위치와는 상관 없이 외부 압력을 가할 수 있는 위치에 존재하면 작동할 수 있으며, 바람직하게는 상기 랩온어칩 시스템의 상부 기판에 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 랩온어칩 시스템을 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에서 고안한 랩온어칩 시스템의 가장 기본적인 구조를 나타내는 모식도로서, 하나의 압력챔버에 의해 미세유체의 이동을 제어할 수 있는 시스템을 나타낸다.

도 2는 본 발명에서 고안한 랩온어칩 시스템의 가장 기본적인 구조의 부품도로서 각 부품의 상세한 설명은 하기와 같다. 또한 도 2에 개시된 바와 같이, 본원 발명의 랩온어칩은 미세유체가 이동하는 이동부와 압축된 공기가 이동하는 공압채널이 폴리머 박막에 의해 분리가 되기만 하면, 상기 이동부와 공압채널의 위/아래 위치는 서로 바뀔수 있다는 것은 당업자에게 자명한 것이다.

상기 주입부(100)는 시료를 주입하는 부위로, 미세유체를 이용한 분석/분리 시스템에 사용할 수 있는 시료면 모두 이용가능하며, 상기 주입부는 시료 분리용 멤브레인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 랩온어칩 시스템을 혈액 교차 적합시험에 이용할 경우, 공혈자와 수혈자의 혈장 및 혈구를 분리해야 한다. 이럴 경우, 상기 주입부(100)는 혈액 분리용 막을 추가로 포함하여, 미세유체 이동부로 이동하기 전에 혈액을 혈장 및 혈구로 분리할 수 있다.

상기 배출부(200)는 분석/분리가 완료된 시료를 배출하는 용도로 이용되며, 가장 간단한 구조에서는 단순한 배출부로 이용되지만, 다중 유체 분석에서는 배출부가 다른 구조의 주입부로 이용될 수 있다.

상기 공압 배출부(300)은 상기 압력챔버(1100)를 손가락으로 눌렀을 때, 상기 공압채널(1000)에 남아있던 공기를 배출하는 것으로 본 발명의 랩온어칩 시스템을 처음 가동할 때, 공기를 배출한 다음, 연속 가동할 때는 폐쇄하여 추가적인 공기 유입을 막는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제1 공압밸브(400) 및 상기 제1 이동부(500)는 미세유체가 주입부를 통해 주입된 다음, 상기 작동챔버(600)로 이동하는 단계를 조절하는 것으로, 제1 공압밸브와 작동챔버(600)는 공압채널(1000)의 압력 변화에 의해 직접적으로 제어될 수 있어, 손가락 구동에 의해 직접적으로 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제 1 이동부는 시료 전처리 및 분석 기능을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제2 공압밸브(700) 및 상기 제2 이동부(800)는 작동챔버를 지난 미세유체의 배출부까지의 이동을 제어하는 것으로, 제2 공압밸브는 공압채널과 직접적으로 연결되어 있지 않으며, 제 1 공앱밸브와 작동챔버의 작동에 의한 미세유체 이동부의 압력변화에 따라 폴리머 박막(900)에 의해 개폐가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 이동부는 시료 전처리 및 분석 기능을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 기판은 상기 기판은 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리에틸렌설폰(PES)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 폴리머는 미세유체 장치에 적용되는 폴리머이면 모두 이용가능 하나, 바람직하게는 고무, 선상저밀도폴리에틸렌(LLD-PE) 및 플로디메틸실로산(PDMS)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

도 3은 본 발명에서 고안한 랩온어칩 시스템의 작동 기작을 설명한 도면으로, 왼쪽 패널은 손가락으로 압력챔버(1100)를 눌렀을 때, 일어나는 변화를 나타낸 것이다. 압력챔버를 손가락으로 눌러서 압력을 가하게 되면, 공압채널을 통해 압력이 제1 공압밸브(400) 및 작동챔버(600)로 전달되어, 제1 이동부에 있는 미세유체의 이동을 차단하게 되고, 제2 공압밸브(700)는 열린 상태가 되어, 작동챔버와 제2 이동부(800)에 있는 미세유체를 배출하게 된다.

오른쪽 패널은 손가락을 땠을 때, 일어나는 변화를 나타낸 것이다. 손가락을 때면, 공압채널의 증가했던 압력이 감소하여 제1 공압채널 및 작동챔버가 원상복귀되어, 작동챔버의 부피에 해당하는 미세유체가 주입부로부터 제1 이동부를 지나서 작동챔버까지 이동할 수 있게 된다. 이를 반복함으로써 미세유체의 이동을 제어하는 것이다.

도 4는 상기 미세유체 제어 방법을 단계별로 나타낸 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 장치의 초기 상태에는 (1) 과 같이 폴리머 박막에 공압이 가해지지 않기 때문에, 수평상태를 유지하고 있다. 그러나, 디바이스 작동을 위해서는 초기상태에 폴리머 박막이 (2) 와 같이 공압채널의 감소한 압력으로 인해 공압채널 쪽으로 변형된 상태를 유지해야 한다. (2) 와 같은 상태를 유지하기 위해 압력챔버를 손가락으로 눌러 공압채널의 공기를 빼낸 다음에, 공압 배출부를 아크릴 블록으로 막는다. 이후에 시료를 로딩하고 압력챔버의 손가락 구동을 반복하여 미세유체의 이동을 제어하게 된다.

즉, 단계 (2)가 본 발명에 따른 장치가 작동하게 되는 기본 상태이며, 이 때부터 도 3의 방법으로 제1,2 공압밸브, 작동챔버 및 제1,2 이동부가 압력챔버 및 공압채널에 의해 조절되게 되는 것이다.

본 발명에 따른 랩온어칩 시스템은 압력챔버가 눌러지는 깊이나, 횟수, 손가락 구동 특성에 영향을 받지 않으며 동일한 효과를 나타낼 뿐만 아니라(도 5), 시스템에서 이동하는 미세유체의 양을 작동챔버의 지름을 변경하여 손쉽게 조절할 수 있다(도 6).

본 발명에 있어서, 상기 제1 공압밸브(400)와 작동챔버(600)는 상기 폴리머 박막(900)을 사이에 두고 상기 공압채널(1000)에 의해 상기 압력챔버(1100)와 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 공압채널(1000)의 압력은 외부압력에 의한 상기 압력챔버(1100)의 변형으로 인해 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 공압밸브는 상기 압력챔버(1100)와 연결된 상기 공압채널(1000)에 의해 작동되는 폴리머 박막(900)에 의해 개폐되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 작동챔버(600)는 상기 압력챔버(1100)와 연결된 상기 공압채널(1000)의 압력에 따라 작동되는 상기 폴리머 박막(900)에 의해 압축 및 감압 되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 작동챔버(600)는 상기 제1,2 이동부(500, 800) 및 상기 공압채널(1000)의 높이에 해당하는 부피만큼 압축 및 감압 되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1, 2 이동부 및 상기 공압채널의 높이는 기판에 새겨질 수 있는 높이이면 제한없이 이용가능하나 바람직하게는 0.001 ~ 1mm인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 공압밸브(700)는 상기 작동챔버(600)의 압축 및 감압과 상기 제1 공압밸브(400)의 개폐에 따라 조절되는, 작동챔버의 압력에 따라 개폐되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 상기 랩온어칩의 압력챔버에 외부압력을 가하는 단계; (b) 외부압력이 가해진 상태에서 공압 배출부를 막는 단계; (c) 상기 (a) 단계에서 가해진 외부압력을 제거하는 단계; (d) 시료를 주입부에 주입하는 단계; 및 (e) 압력챔버에 외부압력을 가했다 제거하는 단계;를 포함하는 랩온어칩의 미세유체 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 (e) 단계는 배출부로 유체가 배출될 때까지 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 랩온어칩 시스템을 하나의 유체 구동 유닛으로 활용하여 다중 유체 분석용 랩온어칩 시스템을 구축할 수 있는지를 확인하고자 하였다.

즉 본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 랩온어칩 시스템을 하나의 유체 구동 유닛으로 하고, 희석액을 주입하는 제1 유체 구동 유닛 및 샘플을 주입하는 제2 유체 구동 유닛을 포함하고, 이들의 배출부를 하나로 묶으면서 하나의 압력 챔버에 의해 상기 시스템이 조절되는 미세 유체 혼합장치를 개발하여 그 효과를 확인하였다(도 7).

본 발명의 또 다른 실시예에서는 두 개의 압력챔버에 의해 각각 독립적으로 조절되는 4개의 유체 구동유닛을 이용하여 대장균을 검출할 수 있는 랩온어칩 시스템을 개발하였다(도 8).

본 발명의 또 다른 실시예에서는 하나의 압력챔버에 의해 조절되는 4개의 유체 구동 유닛을 이용하여 혈액 교차 적합 시험용 랩온어칩 시스템을 개발하였다(도 9).

본 발명의 또 다른 실시예에서는 세 개의 압력챔버에 의해 조절되는 4개의 유체 구동 유닛을 이용하여 핵산을 추출할 수 있는 랩온어칩 시스템을 개발하였다(도 10).

따라서, 본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 랩온어칩을 한 종류의 유체를 구동시키기 위한 유체 구동 유닛으로 포함하고, 상기 유체 구동 유닛이 복수개 연결되어 있는 다중 유체 분석용 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛은 하나의 배출부를 가지도록 연결되어 있는 것을 특징으로할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛은 하나의 압력챔버에 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛은 복수개의 압력챔버를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛에 연결된 배출부는 다른 압력챔버에 의해 작동되는 유체 구동 유닛의 주입부와 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 유체 구동 유닛은 복수개의 배출부를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛은 제2 이동부에 복수개의 압력챔버들에 의해 작동되는 복수개의 공압밸브가 연결되어 있어 압력챔버의 조절을 통해 유체를 특정 배출부로 이동시키도록 되어있는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1. 랩온어칩 시스템 기본 장치 성능 확인

1-1. 랩온어칩 시스템 기본 장치 제작

두께가 약 3mm인 폴리다이메틸실록산(poly(dimethylsiloxane), PDMS) 레이어 2개와 그 사이에 약 25μm 두께의 PDMS 막을 삽입하여 랩온어칩 시스템 기본 장치를 제작하였다. PDMS 레이어의 주형은 포토리소그래피로 제작하였으며, 공압밸브의 구조물이 PDMS 막에 달라 붙는 것을 방지하기 위하여 SU-8 2005(Microchem Corp., MA, USA)를 실리콘 웨이퍼에 5 μm 두께로 코팅하였다. 그 다음, SU-8 2100을 코팅하여 95μm 두께를 수득하고, PDMS 전구체와 큐어링 에이전트를 10:1의 비율로 섞어서, SU-8 몰드에 주입하였다. 150 ℃에서 10분간 가열한 다음, PDMS 레이어를 SU-8 몰드에서 분리하여 수득하였다. PDMS 막은 실리콘 웨이퍼에 PDMS 전구체와 큐어링 에이전트를 10:1의 비율로 섞은 혼합액을 스핀 코팅(1500rpm 60초)한 다음 150℃에서 10분간 가열하여 수득하였다.

1분간 PDMS 레이어와 막에 산소 플라즈마를 처리한 다음, 65℃에서 10분간 배양하여 서로 접착시켰다. 먼저 미세유체 이동부; 작동챔버; 공압밸브; 및 압력챔버가가 포함된 PDMS 레이어와 실리콘 웨이퍼 위에 있는 PDMS 막을 결합시킨 다음, 결합체를 실리콘 웨이퍼에서 제거하고, 이를 공압채널이 포함된 PDMS 레이어와 결합시켰다.

1-2. 랩온어칩 시스템 기본 장치 성능 확인

실시에 1-1에서 제작한 장치의 성능이 손가락 작동의 특성에 의해 영향을 받지 않는지 확인하기 위하여, 압력챔버가 눌러진 깊이에 따라 구동되는 유체의 부피를 측정한 결과, 도 5A에 개시된 바와 같이, 디바이스의 작동을 위해 공압채널의 공기를 빼내는 과정에서 눌려진 압력챔버의 깊이보다 깊게 누르기만 한다면, 일정한 양의 유체가 구동되는 것을 확인할 수 있었다.

또한 압력챔버를 누르는 시간간격에 관계없이 일정한 양의 유체를 구동시키는 것을 확인하였으며(도 5B), 여러 사람들이 장치를 사용할 경우, 장치의 성능에 어떠한 영향을 미치는지도 확인한 결과, 장치가 이동시키는 유체의 양에 큰 차이가 없다는 것을 확인하였다(도 5C).

장치를 통해 이동 가능한 유체의 양은 작동 챔버의 부피에 해당하므로, 장치를 통해 이동시킬 수 있는 유체의 양은 작동 챔버의 지름, 또는 압력챔버를 누르는 횟수에 따라 조절할 수 있을 것으로 예상하여 이를 확인한 결과, 도 6A 그래프에 개시된 바와 같이, 작동챔버의 지름 및 압력챔버를 누르는 횟수에 따라 이동한 유체의 양이 달라지는 것을 확인하였으며, 도 6B 그래프에 개시된 바와 같이 계산된 작동챔버의 부피와 실험적으로 얻어진 값 (구동된 유체의 양/디바이스 작동) 이 비슷함을 확인할 수 있다.

실시예 2. 랩온어칩 시스템을 이용한 다중 유체 분석 장치 성능 확인

2-1. 시료 혼합용 장치 제작 및 성능 확인

실시예 1의 방법으로 제작한 장치의 경우, 유체구동을 위한 다수개의 작동챔버와 공압밸브를 하나의 압력챔버에 연결함으로써, 하나의 압력챔버를 통해 여러가지 시료들을 동시에 구동시켜 원하는 비율로 혼합할 수 있다.

제작한 장치로 시료를 혼합한 결과 도 7B에서 개시된 바와 같이, 작동챔버의 지름 비율에 따라서 시료가 희석되는 것을 확인할 수 있었다. 실제 희석된 시료의 농도는 작동챔버의 지름 비율을 통해 예측했던 희석농도와 거의 일치하는 것 또한 확인할 수 있었다(도 7C).

2-2. 대장균 검출용 장치 제작 및 성능 확인

대표적인 식중독균중 하나인 E. Coli O157:H7 을 분해하면, 내부에 있던 β-galactosidase라는 효소가 배출되는데, 이 효소와 CPRG라는 효소가 반응하게 되면, 원래 노란색을 띄던 CPRG가 효소에 의해 붉은색을 띄는 CPR로 변환되어, E. Coli O157:H7 를 검출할 수 있다(도 8A).

이를 본 발명의 손가락 구동에 의한 미세유체 제어방법을 이용하여 구현하기 위해 도 8B에 개시된 장치를 디자인 하여, 실시예 1의 방법으로 제작하였다.

먼저 압력챔버 1을 이용해서 E. Coli O157:H7 과 라이시스 버퍼를 섞어준 후에 10분 동안 배양하여 E. Coli O157:H7을 분해한 다음, 압력챔버 2를 이용해서 CPRG와 E. Coli O157:H7이 분해된 용액을 섞어주어 반응시킨 후에 반응챔버의 색을 관찰한 결과, 대장균의 농도에 따라, 색깔이 변하는 것을 확인할 수 있었다(도 8C, D).

2-3. 혈액 교차적합 시험 장치 제작 및 성능 확인

혈액교차적합시험은 수혈자와 공혈자의 혈액사이에 나타날 수 있는 용혈성 수혈 부작용을 최종 확인하는 검사로 공혈자의 혈구와 수혈자의 혈장을 반응시켜 확인하는 major test와 공혈자의 혈장과 수혈자의 혈구를 반응시켜 확인하는 minor test로 이루어져 있다.

기존의 혈액교차적합시험은 숙련된 전문가를 필요로하는 복잡한 과정과, 원심분리기와 같은 고가의 장비를 필요로 하기 때문에, 최대한 빠른 수혈을 필요로 하는 응급환자의 경우 기존의 방법을 통해 교차적합시험을 수행하기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 개발 도상국들과 같이 열악한 환경에서 수혈을 필요로 하는 경우에도, 기존의 방법을 통해 혈액교차적합시험을 수행하기 힘들다.

도 9A에 개시된 바와 같이 본 발명의 방법으로 상기 실험을 수행할 수 있는 장치를 디자인 하였다. 혈장분리용 비대칭 멤브레인을 내재시켜, 공혈자와 수혈자의 혈장이 자연적으로 분리될 수 있게 하였다. 이후에 압력챔버를 이용해서 분리된 각각의 혈장이 각각의 혈액과 교차 반응할 수 있도록 하였다.

도 9B는 실제로 완성된 장치의 사진이다. 혈액교차적합시험을 위해서는 수혈자와 공혈자의 혈액을 혈장과 혈구로 분리해야 하는데, 이를 위해 시중에서 구할 수 있는 혈장 분리용 비대칭 멤브레인을 부분적으로 압착시켜 도 9C에 개시된 바와 같이 양면테이프를 이용하여 디바이스에 내재시켰다.

실제 환자들의 혈액형 조합을 이용하여, 교차적합시험의 4가지 가능한 가능성에 대하여, 기존의 방법을 이용한 교차적합시험 (Off-chip) 과 본 발명에서 제안한 칩을 이용한 교차적합시험 (On-Chip)의 결과를 비교한 결과, 도 10에 개시된 바와 같이 기존의 방법과 비교했을 때, 원심분리기도 사용하지 않았고, 파이펫팅도 필요 없으며, 소량의 혈액 (50 μL) 을 이용하여 손가락 작동만을 통해 10분 내로 신속하게 교차적합시험 결과를 확인할 수 있다

2-4. 핵산 추출 장치 제작

복잡한 과정을 거치는 핵산 추출을 손가락 구동만으로 수행하기 위하여 도 11A에 개시된 바와 같은 장치를 설계하였다. 상기 핵산 추출 장치는 총 3개의 압력챔버로 구성되어 있다.

압력챔버 1을 누르면 병원균을 분해하고, 추출된 내부의 핵산을 글래스비드 챔버(glass bead chamber)에 있는 글래스 비드의 표면에 흡착시키고, 압력챔버 2를 누르면, 세척버퍼가 글래스 비드 표면에 흡착된 핵산을 제외한 불순물들을 씻어내며, 압력챔버 3을 누르면, 추출된 핵산들이 원하는 배출부로 용출되도록 설계하였다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

100: 주입부
200: 배출부
300: 공압 배출부
400: 제1 공압밸브
500: 제1 이동부
600: 작동챔버
700: 제2 공압밸브
800: 제2 이동부
900: 폴리머 박막
1000: 공압채널
1100: 압력챔버
1200: 이동부

Claims (19)

1. 유체가 이동하는 이동부(1200); 외부압력에 의해 구동되는 압력챔버(1100); 압축된 공기가 이동하는 공압채널(1000); 유체를 주입하는 주입부(100); 유체를 배출하는 배출부(200); 및 공압 배출부(900);를 포함하고,
   상기 이동부와 공압채널은 폴리머 박막(900)에 의해 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 이동부는 제1, 2 이동부, 유체의 이동을 조절하는 제1, 2 공압밸브; 및 유체를 이동시키는 작동챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 공압밸브와 작동챔버는 상기 폴리머 박막을 사이에 두고 상기 공압채널에 의해 상기 압력챔버와 연결된 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 공압채널의 압력은 외부압력에 의한 압력챔버의 변형으로 인해 조절되는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
5. 제2항에 있어서, 상기 제1 이동부와 제2 이동부는 시료 전처리 및 분석 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
6. 제2항에 있어서, 상기 제1 공압밸브는 상기 압력챔버와 연결된 공압채널에 의해 작동되는 폴리머 박막에 의해 개폐되는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
7. 제2항에 있어서, 상기 작동챔버는 상기 압력챔버와 연결된 공압채널에 의해 작동되는 상기 폴리머 박막에 의해 압축 및 감압 되는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 작동챔버는 상기 제1,2 이동부 및 상기 공압채널의 높이에 해당하는 부피만큼 압축 및 감압 되는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
9. 제2항에 있어서, 상기 제2 공압밸브는 상기 작동챔버의 압축 및 감압과 상기 제1 공압밸브의 개폐에 따라 조절되는, 상기 작동챔버의 압력에 따라 개폐되는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
   
10. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 박막은 고무, 선상저밀도폴리에틸렌(LLD-PE) 및 플로디메틸실로산(PDMS)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
    
11. 제1항에 있어서, 상기 주입부는 시료 분리용 멤브레인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
    
12. (a) 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 랩온어칩의 압력챔버에 외부압력을 가하는 단계;
    (b) 외부압력이 가해진 상태에서 공압 배출부를 막는 단계;
    (c) 상기 (a) 단계에서 가해진 외부압력을 제거하는 단계;
    (d) 시료를 주입부에 주입하는 단계;
    (e) 압력챔버에 외부압력을 가했다 제거하는 단계;
    를 포함하는 랩온어칩의 미세유체 제어방법.
    
13. 제12항에 있어서, 상기 (e) 단계는 배출부로 특정 양의 유체가 배출될 때까지 반복하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩의 미세유체 제어방법.
    
14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 랩온어칩을 한 종류의 유체를 구동시키기 위한 유체 구동 유닛으로 포함하고, 상기 유체 구동 유닛이 복수개 연결되어 있는 다중 유체 분석용 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
    
15. 제14항에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛은 하나의 배출부를 가지도록 연결되며, 다른 압력챔버에 의해 작동되는 유체 구동 유닛의 주입부와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 다중 유체 분석용 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
    
16. 제14항에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛은 하나의 압력챔버에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 다중 유체 분석용 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
    
17. 제14항에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛은 복수개의 압력챔버를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 유체 분석용 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
    
18. 제14항에 있어서, 상기 유체 구동 유닛은 복수개의 배출부를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 유체 분석용 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.
    
19. 제14항에 있어서, 상기 복수개의 유체 구동 유닛은 제 2 이동부에 복수개의 압력챔버들에 의해 작동되는 복수개의 공압밸브가 연결되어 있어 압력챔버의 조절을 통해 유체를 특정 배출부로 이동시키도록 되어있는 것을 특징으로 하는 다중 유체 분석용 미세유체 제어를 이용한 랩온어칩.

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