KR20200063252A - 음향 정재파 공정에 사용하기 위한 입자 - Google Patents

음향 정재파 공정에 사용하기 위한 입자 Download PDF

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바트 립켄스
크리슈나 쿠마
루이 토스토스
토마스 제이. 케네디
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프로디자인 소닉스, 인크.
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Abstract

다양한 구성으로 사용되는 다양한 물질로 제조된 미세입자 및 나노입자는 개시된다. 이러한 입자는 또한 시스템 또는 숙주 해부적 조직의 분리, 구분, 분화, 변형 또는 여과에 사용되는 페이로드로서 다양한 타입의 물질을 함유할 수 있다. 상기 미세입자 및 나노입자는 다양한 공정에서 음향 정재파 또는 음향 진행파와 함께 활용된다.

Description

음향 정재파 공정에 사용하기 위한 입자
본 출원은, 2015년 6월 19일자로, 출원된 미국 가 특허출원 제62/182,009호의 우선권을 주장하여, 2016년 2월 25일자에 출원된, 미국 특허출원 제15/053,359호의 분할 출원인, 2017년 5월 26일자로 출원된 미국 특허출원 제15/606,962호의 일부 계속출원이다. 본 출원은 또한 2018년 1월 24일에 출원된, 미국 가 특허출원 제62/621,585호, 및 2018년 1월 2일자에 출원된, 미국 가 특허특허 제62/612,979호의 우선권을 주장한다. 상기 특허들의 전체적인 내용은 모두 여기에 참조로서 완전히 병합된다.
본 개시는, 표적 위치 (target location)에 미세입자 (microparticles) 및 나노입자 (nanoparticles)의 포획 (trapping), 농축 (concentration), 및/또는 수송 (transport)을 달성하기 위해, 진행파 (traveling wave) 및 정재파 (standing wave)를 포함하는, 초음파적으로 발생된 음향파 (acoustic waves)와 함께 사용될 수 있는, 마이크로미터 또는 나노미터 범위의 입자에 관한 것이다.
음향영동 (Acoustophoresis)은, 음향 정재파와 같은, 음향을 사용하여 물질을 분리하는 것이다. 음향 정재파는, 달리 음향 대비 계수 (contrast factor)로 알려진, 밀도 및/또는 압축성 (compressibility)을 포함하는, 음향에 의해 영향을 받을 수 있는 입자 및 유체의 파라미터에 차이가 있는 경우, 유체 내에 입자에 힘을 가할 수 있다. 정재파에서 압력 프로파일 (pressure profile)은, 정재파 안티-노드에서 국소 최대값 및 정재파 노드 (nodes)에서 국소 최소 압력 진폭의 구역을 함유한다. 이들의 밀도 및 압축성에 의존하여, 입자는 정재파의 노드 또는 안티-노드에서 포획될 수 있다. 일반적으로, 정재파의 주파수가 높을수록, 포획될 수 있는 입자는 더 작다.
예를 들어, 대략 마이크로미터의 구조 치수를 갖는, 마이크로 스케일에서, 종래의 음향영동 시스템은, 수 메가헤르츠 (megahertz)의 주파수에서 두께가 밀리미터 미만이고, 매우 낮은 유속 (예를 들어, ㎕/min)으로 작동하는, ½ 또는 ¼ 파장의 음향 챔버를 사용하는 경향이 있다. 이러한 시스템들은, 매우 낮은 레이놀즈 수 (Reynolds number), 층류 작동 (laminar flow operation), 및 최소 유체 동적 최적화 (dynamic optimization)로부터 이익을 얻기 때문에 확장할 수 없다.
거시적-규모 (macro-scale)에서, 평면 음향 정재파는 분리 공정에 사용되어 왔다. 그러나, 단일 평면파는, 입자 또는 2차 유체를 포획하는 경향이 있어, 일차 유체 (primary fluid)로부터의 분리가 평면 정재파를 턴 오프 (turning off)하거나 또는 제거하여 달성된다. 평면파는 또한, 평면파 및 평면파 에너지 자체를 발생시키는 것과 관련된 유체 내로 에너지 소산 (energy dissipation)으로 인해 파동이 전파되는 매체를 가열하는 경향이 있다. 평면 정재파의 제거는 연속 작동을 방해할 수 있다. 또한, 음향 평면 정재파를 발생시키는데 사용되는 전력량은, 폐기물 에너지 (waste energy)를 통해 일차 유체를 가열하는 경향이 있는데, 이는 처리되는 물질에 불리할 수 있다.
다양한 구체 예에서, 음향 정재파를 사용하여 숙주 (host) 또는 일차 유체 내에 입자를 원하는 위치로 이동시키는 방법은 여기에 개시된다. 입자는, 음향영동 장치 내에 배치되고, 초음파 변환기 (ultrasonic transducer)는, 상기 입자를 원하는 대로 농축, 포획, 및/또는 이동시키기 위해 사용된다. 입자는 또한 숙주 또는 일차 유체 내에 다른 입자 또는 세포와 상호작용하거나 또는 반응하는데 사용될 수 있다. 때때로, 입자의 구조는 음향파에 노출시 변화될 수 있다.
다양한 구체 예에서, 제1 위치에서 일차 유체 내에 입자를 농축시키는 방법은 개시되며, 상기 방법은: 상기 입자 및 일차 유체를 포함하는 유체 혼합물을 음향영동 장치를 통해 유동시키는 단계를 포함한다. 상기 음향영동 장치는: 상기 유체 혼합물이 흐르는 음향 챔버; 및 상기 음향 챔버 내에 음향파를 생성하도록 구동될 수 있는 압전 물질 (piezoelectric material)을 포함하는 초음파 변환기를 포함한다. 상기 초음파 변환기는 구동되어 음향파를 생성하고, 따라서, 정재파의 노드 및 안티노드에서 입자를 농축시키는데, 안티-노드에 대해 음의 대비 계수 및 노드에서 축적되는 양의 대비 계수 물질을 갖는다.
상기 음향파는 다-차원 (multi-dimensional) 음향 정재파, 평면 음향 정재파, 다-차원 음향 정재파와 평면 음향 정재파의 조합, 또는 음향 진행파일 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 입자는 페이로드 (payload)를 함유한다. 상기 페이로드는, 바이러스, 핵산, 사이토카인 (cytokine), 제약학적 분자, 액체, 기체, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 입자가 제1 위치로 이동한 후, 상기 페이로드는 방출될 수 있다.
상기 입자는 미세입자 또는 나노입자일 수 있다. 상기 입자는 고체, 다공질 (cellular), 중공 (hollow), 다층 또는 폼 (foam)일 수 있다.
입자는 하나 이상의 고분자 물질, 아이오노머 (ionomers), 세라믹, 또는 유리로 제조될 수 있다. 상기 고분자 물질의 예로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 디비닐벤젠, 폴리메틸 메타크릴레이트, 다당류, 폴리락트산 (PLA), 및 폴리(락트-코-글리콜산) (PLGA)을 포함한다.
입자는 또한 아가로스 (agarose) 및 폴리히알루론산으로부터 제조될 수 있다. 이들 입자는 생체 내에서 용해될 것이고, 따라서, 환자에게 유해한 문제를 일으키지 않는다.
입자는 다층의 고분자 물질로 형성될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 입자는 중공일 수 있고, 유리로 만들어질 수 있으며, 및/또는 유리의 외부 표면을 코팅하는 융삭 고분자 (ablative polymer)를 가질 수 있다. 융삭 고분자는, 항원, 항체, 또는 단백질로 관능화된 다당류일 수 있다.
다른 구체 예에서, 입자는: 액체 코어; 및 상기 액체 코어를 캡슐화하는 지질 쉘 (lipid shell)을 포함한다. 상기 액체 코어 내에 액체는 과불화탄소 (perfluorocarbon)를 포함할 수 있다. 상기 과불화탄소는, 퍼플루오로펜탄, 퍼플루오로헥산, 퍼플루오로옥탄, 퍼플루오로옥틸 브로마이드, 퍼플루오로디클로로옥탄, 또는 퍼플루오로데칼린일 수 있다.
상기 지질 쉘은, 디팔미토일포스파티딜콜린 (DPPC), 1,2-팔미토일-포스파티드산 (DPPA), 지질-폴리에틸렌 글리콜 콘쥬게이트 (conjugate), 또는 알부민과 지질의 복합체로부터 형성될 수 있다. 상기 지질 쉘은, 스트렙타비딘, 비오틴, 아비딘, 또는 항체로 관능화될 수 있다.
또한, 액체 코어; 및 상기 액체 코어를 캡슐화하는 지질 쉘을 포함하는 입자는 여기에 개시된다.
상기 액체 코어 내에 액체는 과불화탄소를 포함할 수 있다. 상기 과불화탄소는, 퍼플루오로펜탄, 퍼플루오로헥산, 퍼플루오로옥탄, 퍼플루오로옥틸 브로마이드, 퍼플루오로디클로로옥탄, 또는 퍼플루오로데칼린일 수 있다. 상기 지질 쉘은, 디팔미토일포스파티딜콜린 (DPPC), 1,2-팔미토일-포스파티드산 (DPPA), 지질-폴리에틸렌 글리콜 콘쥬게이트, 또는 알부민과 지질의 복합체로부터 형성될 수 있다. 상기 지질 쉘은, 스트렙타비딘, 비오틴, 아비딘, 또는 항체로 관능화될 수 있다.
음향 액적 기화 (acoustic droplet vaporization: ADV)로 알려진 공정은, 이러한 입자의 액체 코어의 상 변이 (phase shift)를 음향파를 사용하여 액체에서 기체로 발생시키는데 사용될 수 있다. 액체의 증기압은 온도의 함수이며, 반드시 액체 화학 (liquid chemistry)에 기초하는 것은 아니다. 체온 근처 또는 아래에서 정상적인 비등점을 갖는 임의의 액체는 이들 공정에 사용될 수 있다. 플루오르 카본은, 독성이 낮고 대비 계수가 높기 때문에 이러한 공정에 활용될 수 있다.
스페이서 (spacer)는, 입자와 항원, 항체, 또는 단백질 사이에 배치될 수 있다. 스페이서는 통상적으로 물질이 입자의 표면 상에 관능화된 분자에 결합할 때 입자로부터 하전된 간섭 (charged interference)을 덜 허용하는 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 분자이다.
이들 물질은 또한, 예를 들어, 세포 천공법 (sonoporation)에 의한, 세포의 형질도입에 활용될 수 있다. 기포는 세포벽 근처에서 음향적으로 공동화되고, 세포벽에서 통로를 개방하는데 기여하는 진동을 생성한다. 음향적으로 유도된 공동화를 통한 기포 붕괴는, 세포벽을 개방하는데 기여하는 유체의 분사 (jets)를 생성할 수 있다.
또 다른 구성에서, 이들 기포는 치료제를 함유할 수 있다. 따라서, 기포가 음향 자극 (acoustic excitement)을 통해 파괴될 때, 분사 물질은 치료제이고, 이러한 과정 동안 세포로 진입한다. 치료제는, 소분자 (small molecule), 큰 분자, 또는 표적 세포의 DNA를 변형 시키는데 활용되는 유전자 물질의 조각일 수 있다.
좀 더 일반적으로, 여기에 기재된 입자는, 입자가 음향파에 의해 충돌될 때 제2 물질로 변화를 일으키는 작용제 (agent)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 입자는, 음향영동 효율을 증가시키는 인자인, 제2 물질의 대비 계수를 증가시키는데 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 액체는, 세포 천공법과 같은 작업에서 세포 배리어 (cell barriers)를 변화시키기 위해 입자에 의해 전달될 수 있다.
또한, 물질의 중력 또는 부력 분리 및 수집 효율을 개선하기 위해 사용될 수 있는 물질 클러스터 (material clusters)를 발생시키기 위한 기술 및 장치는 여기에서 논의된다. 개선된 유체 역학을 사용하는 개선된, 연속적인, 음향영동 장치뿐만 아니라, 원하는 성능을 위한 장치의 제어에 대해서도 논의된다. 물질은, 예를 들어, 물질의 대비 계수를 포함하는, 음향파 및/또는 물질의 다양한 파라미터 및 특징에 의존하여, 음향파에 우선적으로 포획될 수 있어나 또는 음향파로부터/를 통해 방출될 수 있다.
이들 및 다른 비-제한적 특징은 이하 좀 더 구체적으로 설명된다.
이하는, 도면의 간단한 설명으로서, 여기에 개시된 대표적인 구체 예를 예시하기 위한 목적으로 제시되지만, 이를 제한하는 것은 아니다.
도 1은, 본 개시에 따른 입자의 현미경 사진이다.
도 2a는, 고체 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 2b는, 다공질 입자의 SEM 사진이다.
도 2c는, 중공 입자의 현미경 사진이다.
도 2d는, 고체 코어 및 외부층을 갖는 입자의 예시이다.
도 2e는, 코어 내에 물질을 갖는 중공 입자, 및 코어 내에서 물질을 방출하도록 융삭될 수 있는 외부층의 예시이다.
도 2f는, 페이로드, 및 상기 페이로드를 둘러싸는 쉘을 갖는 중공 입자의 예시이다.
도 3은, 액체 코어 및 지질 쉘을 포함하는 입자의 개략도이다.
도 4는, 서로 정렬/그룹화된 여러 입자의 개략도이다.
도 5a는, 초기 액적 및 NeutrAvidin®과 함께 배양한 후 액적에 대하여, 0.6 microns 내지 1.25 microns의 직경에 대한 입자 직경 대 입자의 수를 나타내는 그래프이다. y-축은 선형이고, 1.0x108의 간격으로 0에서 3.0x108까지 실행된다. x-축은 microns의 단위이며, 0.2의 간격으로 0.6에서 1.2까지 실행된다.
도 5b는, 초기 액적 및 NeutrAvidin®과 함께 배양한 후 액적에 대하여, 1.25 microns 내지 2.25 microns의 직경에 대한 입자 직경 대 입자의 수를 나타내는 그래프이다. y-축은 선형이고, 2.0x106의 간격으로 0에서 8.0x106까지 실행된다. x-축은 microns의 단위이며, 0.2의 간격으로 1.4에서 2.2까지 실행된다.
도 5b는, 본 개시에 따른 액적 크기 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 개시에 따른, 페이로드를 함유하는 입자를 제조하는 공정, 및 그 페이로드의 후속 방출을 예시한다.
도 7은, 본 개시에 따른 진행파의 묘사이다.
도 8은, 본 개시에 따른 정재파의 묘사이다.
도 9는, 본 개시의 방법이 사용될 수 있는 음향영동 장치의 정단면도이다.
도 10은, 도 9의 음향영동 장치의 외부 사시도이다.
도 11은, 본 개시의 초음파 변환기의 단면도이다. 상기 변환기 내에 에어 갭 (air gap)은 존재하고, 백킹층 (backing layer) 또는 웨어 플레이트 (wear plate)는 존재하지 않는다.
도 12는, 본 개시에 사용하기에 적합한 또 다른 초음파 변환기의 단면도이다. 에어 갭은 변환기 내에 존재하고, 백킹층 및 웨어 플레이트가 존재한다.
본 개시는, 다음의 바람직한 구체 예의 상세한 설명 및 그 안에 포함된 실시 예를 참조하면 좀 더 쉽게 이해될 수 있다. 다음의 명세서 및 청구범위에서, 언급은, 다음의 의미를 갖는 것으로 정의될 다수의 용어에 대해 만들어질 것이다.
비록 하기 상세한 설명에서 특정 용어가 명확성을 위해 사용되지만, 이들 용어는 도면에서 예시를 위해 선택된 구체 예들의 특정 구조만을 지칭하는 것으로 의도되며, 본 개시의 범주를 한정하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 이하, 도면 및 하기 상세한 설명에서, 유사한 숫자 표시는, 유사한 기능의 구성요소를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
단어의 단수 형태는, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은, 용어 "포함하는"은, "이루어진" 및 "필수적으로 이루어진" 구체 예를 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "포함하는", "포괄하는", "갖는", "갖다", "할 수 있다", "함유하는", 및 이들의 변형은, 명명된 성분/구성요소/단계들의 존재를 필요로 하고, 다른 성분/구성요소/단계들의 존재를 허용하는, 개방-형 전환 문구, 용어, 또는 단어인 것으로 의도된다. 그러나, 이러한 설명은 또한 열거된 성분/구성요소/단계들로 "이루어진" 및 "필수적으로 이루어진" 조성물, 물품, 또는 공정들을 설명하는 것으로 해석되어야 하며, 이는 이로부터 결과할 수 있는 불순물과 함께, 오직 명명된 성분/구성요소/단계의 존재를 허용하고, 다른 성분/구성요소/단계들을 배제한다.
본 출원의 명세서 및 청구범위의 숫자 값은, 동일한 수의 유효 숫자로 감소되는 경우 동일한 숫자 값 및 값을 결정하기 위해 본 출원에서 기재된 타입의 종래의 측정 기술의 실험 오차 미만 만큼 명시된 값과 다른 숫자 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
여기에 개시된 모든 범위는, 인용된 말단점을 포함하고, 독립적으로 조합가능하다 (예를 들어, "2 grams 내지 10 grams"의 범위는, 말단점인, 2 grams 및 10 grams, 및 모든 중간 값을 포함한다).
용어 "약"은, 그 값의 기본 기능을 변화시키지 않고, 변할 수 있는 임의의 숫자 값을 포함하는데 사용될 수 있다. 범위와 함께 사용되는 경우, "약"은 또한 2개의 말단점의 절대 값에 의해 한정된 범위를 개시하며, 예를 들어, "약 2 내지 약 4"는 또한 "2 내지 4"의 범위를 개시한다. 용어 "약"은, 표시된 수의 ±10%를 지칭할 수 있다.
값이 제1 임계값을 초과한다는 (또는 보다 많다는) 표현은, 그 값이 제1 임계값보다 약간 큰 제2 임계값, 예를 들어, 관련 시스템의 해상도에서 제1 임계값보다 더 높은 하나의 값인 제2 임계값을 충족하거나 초과한다는 표현에 상당한다. 값이 제1 임계값보다 미만이라는 (또는 내인) 표현은, 그 값이 제1 임계값보다 약간 낮은 제2 임계값, 예를 들어, 관련 시스템의 해상도에서 제1 임계값보다 더 낮은 하나의 값인 제2 임계값과 동일하거나 미만이라는 표현에 상당한다.
여기에 사용된 많은 용어는 상대적인 용어임을 유의해야 한다. 예를 들어, 용어 "상단" 및 "하단"은, 예를 들어, 위치에서 서로에 대해 상대적인데, 예를 들어, 상단 구성요소는, 지정된 방향에서 하단 구성요소보다 더 높은 고도에 위치하지만, 이러한 용어는, 장치가 뒤집히면, 변경될 수 있다. 용어 "입구" 및 "출구"는, 주어진 구조물에 대하여 그들을 통해 유동하는 유체와 관련이 있는데, 예를 들어, 유체는 유입구를 통해 구조물로 흐르고, 유출구를 통해 구조물 밖으로 흐른다. 용어 "업스트림" 및 "다운스트림"은, 유체가 다양한 구성요소를 통해 흐르는 방향과 관계가 있는데, 예를 들어, 유체는 다운스트림 구성요소를 통해 흐르기 전에 업스트림 구성요소를 통해 흐른다. 루프 (loop)에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소의 업스트림 및 다운스트림 모두인 것으로 기재될 수 있음에 유의해야 한다.
용어 "수평" 및 "수직"은, 절대 기준, 예를 들어, 지상 (ground level)에 대한 방향을 나타내는데 사용된다. 그러나, 이들 용어들은, 구조물들이 서로 절대적으로 평행하거나 또는 절대적으로 직각인 것을 요구하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 예를 들어, 제1 수직 구조물 및 제2 수직 구조물은, 반드시 서로 평행할 필요는 없다. 용어 "상부" 및 "하부" 또는 "기부 (base)"는, 절대 기준, 예를 들어, 지구의 표면과 관련하여 상부가 항상 하부/기부보다 더 높은 표면을 지칭하는 것으로 사용된다. 용어 "상향" 및 "하향"은, 또한 절대 기준과 관련이 있다; 상향은 항상 지구의 중력에 반대한다.
본 출원은 "동일한 자릿수"와 관련이 있다. 더 작은 숫자로 나눈 더 큰 숫자의 몫이 적어도 1이고 10보다 작은 값인 경우, 두 숫자는 동일한 자릿수이다.
용어 "바이러스"는, 또 다른 살아있는 세포 내에서만 복제할 수 있고, DNA 또는 RNA를 둘러싸고 포함하는 캡시드 (capsid), 및 몇몇 경우에, 상기 캡시드를 둘러싸는 지질막 (lipid envelope)으로부터 형성된 비리온 (virion)의 형태로 존재하는 감염체를 지칭한다.
용어 "결정"은, 압전 물질로서 사용되는 단결정 또는 다결정 물질을 지칭한다.
본 개시는 "미세입자"와 관련이 있다. 이 용어는 1 마이크로미터 (㎛) 내지 1000 ㎛의 평균 입자 직경을 갖는 입자를 지칭한다.
본 개시는, "나노입자"와 관련이 있다. 이 용어는 1 나노미터 (㎚) 내지 1000 ㎚ 미만의 평균 입자 직경을 갖는 입자를 지칭한다.
여기에서 논의된 물질 중 몇몇은, 평균 입자 직경을 갖는 것으로 기재된다. 평균 입자 직경은, 총 입자 수의 50% (부피 기준)의 누적 퍼센트가 달성되는 입자 직경으로 정의된다. 다시 말하면, 입자의 50%는, 평균 입자 크기보다 큰 직경을 가지며, 입자의 50%는 평균 입자 크기보다 작은 직경을 갖는다. 입자의 크기 분포는, 명시된 평균 입자 크기의 25% 및 75%에서 상부 및 하부 사분위수를 가지며, 모든 입자가 명시된 평균 입자 크기의 150% 미만인, 가우시안 분포 (Gaussian distribution)를 포함할 수 있다. 임의의 다른 타입의 분포는 제공되거나 사용될 수 있다. 입자는 반드시 구형일 필요가 없음에 주의된다. 비-구형 입자의 경우, 입자 직경은, 비-구형 입자와 동일한 부피를 갖는 구형 입자의 직경이다.
입자는 여기에서 "코어" 및 "쉘" 구조를 갖는 것으로 설명될 수 있다. 이러한 입자에서, 코어는 액체 또는 기체로 구성될 것이고, 쉘은 (코어에 비해) 상대적으로 단단한 물질의 하나 이상의 층으로 구성될 것이다. 쉘과 코어는 이들의 물질의 상에 의해 구별될 수 있다. 용어 "입자"는, 액체 또는 기체와 같은 유체에 현탁될 수 있고, 임의의 상, 예를 들어, 고체, 액체 또는 기체 및 이들의 조합일 수 있는 임의의 타입의 개별 구조를 지칭하는 것을 의미한다.
"유기" 및 "무기" 물질은 여기에서 언급된다. 본 개시의 목적을 위해, "유기" 물질은, 탄소 원자 (종종 다른 원자와 함께)로 구성되는 반면, "무기" 물질은 탄소 원자를 함유하지 않는다.
본 개시는, 특정 공정 단계에 대한 온도를 지칭할 수 있다. 본 개시에서, 온도는 보통 열원 (예를 들어, 가열로, 오븐)이 설정된 온도가 아니라, 언급된 물질에 의해 달성되는 온도를 지칭한다. 용어 "실온"은, 68℉ (20℃) 내지 77℉ (25℃)의 범위를 지칭한다.
본 개시는 음향영동 장치와 함께 사용되는 입자에 관한 것이다. 음향영동 장치는, 다양한 방식으로 사용될 수 있는 음향파를 발생시킨다. 예를 들어, 음향파는, 입자를 원하는 위치로 이동시키거나, 또는 입자의 특정 특성을 변화시키거나, 또는 입자와 (생물학적 세포와 같은) 다른 입자와의 반응을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 입자는, 원하는 대로의, 미세입자 또는 나노입자일 수 있다. 입자는, 여기에서 먼저 논의될 것이고, 그 다음 음향영동 장치 자체가 논의될 것이다. 음향영동 장치와 함께 입자를 사용하여 수행될 수 있는 다양한 방법 및 반응은 또한 논의될 것이다.
입자
위에서 논의된 바와 같이, 입자는 일반적으로 미세입자 또는 나노입자이다. 입자는, 도 1에서 참조 부호 100으로 나타낸 바와 같이, 형상이 구형일 수 있다. 그러나, 이들의 형상은 다를 수 있다. 예를 들어, 입자는 타원체이거나 또는 종축을 따라 길어질 수 있다.
입자는, 예를 들어, 고체, 다공질, 중공, 또는 폼일 수 있다. 고체 입자는, 어떤 공극 또는 공동을 함유하지 않으며, 고체 입자 (200)는, 도 2a에 예시된다. 다공질 입자는, 이의 내부에 공극/공동을 함유하고, 입자의 외부로부터 공극/공동으로의 통로 (개방-셀 (open-cell) 폼과 유사체)를 갖는다. 다공질 입자 (204)는, 외부로부터 볼 수 있는 공극/공동 (206)과 함께, 도 2b에 예시된다. 중공 입자는 도 2c에 예시된다. 중공 입자 (210)는, 고체 외부 표면 (214) 내에 하나 이상의 큰 공극 또는 공동 (212)을 갖는다. 폼은, 다수의 공극/공동을 함유하며, 각 공극은 고체 물질에 의해 완전히 둘러싸여 있다 (또한 폐쇄-셀 (closed-cell) 폼이라 함).
특정 구체 예에서, 입자는, 무기 물질, 유기 물질, 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 이러한 물질은, 고분자, 아이오노머, 세라믹, 유리, 및 다른 물질을 포함할 수 있다.
여기에서 논의된 입자의 제조에 활용될 수 있는 고분자는, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은, 폴리올레핀을 포함한다. 폴리에틸렌은, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 또는 초-고분자량 폴리에틸렌일 수 있다. 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 물질은, 퍼옥사이드 촉매, 지글러-나타 촉매 (Ziegler-Natta catalyst) 또는 메탈로센 촉매와 같은, 촉매로 중합될 수 있다.
입자의 제조에 활용될 수 있는 다른 고분자는, 폴리스티렌, 디비닐 벤젠, 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA), 아가로스 및 아가와 같은 다당류, 폴리락트산 (PLA), 및 폴리(락트-코-글리콜산) (PLGA)을 포함한다.
이들 고분자는, 입자, 미세입자 또는 나노입자의 대부분을 구성하는데 활용될 수 있다. 고분자는 또한 다중 층들 (예를 들어, 다층 입자)에서 여러 조합으로 입자를 제조하는데 활용될 수 있다. 다른 고분자들은 입자에 대한 원하는 효과를 얻는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 다른 층으로 입자를 제조하는 것은, 원하는 밀도 및 원하는 음향 대비 계수 모두를 얻거나, 또는 입자에 대한 원하는 거동 또는 상호작용을 얻는데 사용될 수 있다.
일례로서, 폴리스티렌 비드 (bead)는, 수성 현탁액에서 생성된 후, 그 다음 동결-건조되어 폼 입자를 얻을 수 있다. 동결-건조된 폼 입자가 물에 현탁되는 경우, 작은 기포가 이의 표면 상에 형성될 수 있어, 폼 입자의 표면 상에서 공동에 포획된 나노-기포 및 상대적으로 단단한 코어를 갖는 폼 입자를 결과한다.
또 다른 예로서, 폴리메틸 메타크릴레이트 코어는, 생물학적 세포와의 상호작용 또는 특수한 약물 전달을 위해 외부 표면을 형성하는 PLA 또는 PLGA 고분자로 코팅될 수 있다. 그 결과로 생긴 입자는, (폴리메틸 메타크릴레이트 코어의 구성에 따라) 고체 입자 또는 폼 입자로 고려될 수 있고, 복합 입자의 밀도 및 복합 입자에서 음속 (speed of sound)에 따라 음 또는 양의 대비 계수를 가질 수 있다. 이러한 예는, 도 2d에 예시된다. 입자 (220)는, PLA 또는 PLGA 코팅 (224)을 갖는 PMMA 코어 (222)를 갖는다.
또 다른 예로서, 입자의 외부층은 입자의 생물학적 상호작용/반응을 유발하는데 유용할 수 있다. 예를 들어, 외부층은, 입자가 친화성 결합에 사용되는 것을 가능하게 할 수 있다. 또 다른 예로서, 입자는 융삭 물질 (예를 들어, 용융 또는 용해되는 물질)로 제조된 외부층을 갖는 중공 입자일 수 있다. 이러한 구조는, 중공 입자의 코어에 보유된 물질이 특정 기간 또는 충분한 열 또는 다른 에너지에 노출된 후에 방출되는 것을 허용하여, 입자가 원하는 표적 또는 위치로 이동하는 것으로 가능하게 한다. 이러한 예는, 도 2e에 예시된다. 입자 (230)는, 융삭 물질로 만들어진 외부층 (234)을 갖는 코어 (232)를 갖는다. 물질 (236)는, 코어 내에 존재한다.
몇몇 구체 예에서, 입자의 음향 대비 계수는 변경될 수 있다. 예를 들어, 중공 유리 입자는, 항원 또는 항체 또는 다른 단백질 또는 생물학적 모이어티 (moieties)로 관능화된 다당류와 같은, 융삭 고분자로 코팅될 수 있다. 입자는, 제1 음향 대비 계수로 공정을 시작한 다음, 융삭 고분자의 제거에 의해 제2 음향 대비 계수로 변경될 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 본 개시의 입자는 양의 음향 대비 계수를 갖는다. 이러한 입자는, 음향 정재파의 노드에서 포획될 수 있다. 다른 구체 예에서, 본 개시의 입자는, 음의 음향 대비 계수를 갖는다. 이러한 입자들은 음향 정재파의 안티-노드에서 포획될 것이다. 공정 시스템 또는 생체에 있는 동안, 입자가 음향 대비 계수에서 변화하는 경우, 입자가 양의 대비 계수에서 음의 대비 계수로 변화하면, 입자는 그 다음 노드에서 안티-노드로 이동할 수 있으며, 입자가 음의 대비 계수에서 양의 대비 계수로 변화되는 경우는 그 반대이다.
몇몇 구체 예에서, 본 개시의 입자는 페이로드를 함유한다. 페이로드는, 입자에 의해 특별한 구역 또는 세포군 (cell population)으로 전달되는 1차, 2차, 3차 및/또는 그 이상의 물질을 포함할 수 있다. 페이로드로 전달될 수 있는 물질의 예로는, 바이러스, 핵산, 사이토카인 (예를 들어, 인터루킨), 제약학적 분자, 액체, 또는 기체, 또는 이러한 물질의 혼합물을 포함한다. 이러한 페이로드는 (음향 코-로케이션 (acoustic co-location)에 의해) 원하는 표적 또는 위치로 전달된 다음, 페이로드를 방출할 수 있다. 페이로드는 원하는 위치에서 표적에 영향을 미치는데, 예를 들어, 표적 물질의 형태학, 생화학 또는 기타 속성에서 변화를 유발한다. 이러한 예는, 도 2f에 예시된다. 입자 (240)는, 페이로드 (246)를 함유하는 코어 (244)를 둘러싸는 고체 쉘 (242)을 갖는, 중공이다.
부가적으로, 본 개시의 입자는 또한 자기, 전자기, 유전체, 초음파 또는 다른 타입의 에너지와 같은 외력에 의해 영향을 받을 수 있다. 외부 에너지원 (energy source)으로 입자에 영향을 미침으로써, 입자는, 특정 공정 단계들 (예를 들어, 친화력 결합), 또는 (예를 들어, 환자의 신체 내에 위치된 종양을 파괴하기 위해) 숙주의 해부적 조직 (host's anatomy)의 특이적 부분에 도달시 활성화될 수 있다.
몇몇 추가의 구체 예에서, 입자는 코어-쉘 구조이고, 액체 코어는 지질 쉘에 의해 캡슐화된다. 좀 더 특정 구체 예에서, 액체 코어 내에 액체는 과불화탄소 (PFC)이다. 본 개시에 사용된 바와 같은, 용어 "과불화탄소"는, 모든 수소 원자가 할로겐으로 대체되고, 할로겐 원자의 대부분이 불소 원자인 분자를 지칭한다. 본 개시의 목적을 위해, "할로겐"은 불소, 염소, 및 브롬을 지칭한다. PFCs의 구체적인 예로는, 퍼플루오로펜탄 (PFP), 퍼플루오로헥산 (PFH), 퍼플루오로옥탄 (PFO), 퍼플루오로옥틸 브로마이드 (PFOB, C8F17Br), 퍼플루오로디클로로옥탄 (PFDCO, C8F16Cl2), 또는 퍼플루오로데칼린 (PFD, C10F18)을 포함한다.
이러한 PFC 액체는 고유의 특성을 갖는다. PFC 액체는, 물보다 밀도가 높고, 표면 장력이 낮으며, 점도가 낮다. PFC 액체는 또한 산소 및 질소를 흡수하는 고용량 (high capacity)을 갖는다. 과불화탄소 액체는, 느린 음속을 가지며, 화학적으로 고도로 불활성이며, 생체적합성이다. 하기, 표 1은, 비교를 위해 다른 고분자와 함께, 입자에 사용될 수 있는 다양한 PFC 액체의 다양한 물리적 및 음향 특성을 나타낸다. PFC 액체의 압축성은 생물학적 세포에 비해 매우 높다는 점이 주의된다.
화합물 밀도
(kg/㎥)		 음속
(m/s)		 비등점
(℃)		 대비
계수		 비중
(g/㎖)		 표면 장력
(mN/m)		 압축성
PFP (퍼플루오로펜탄) 1600 477 29 -1.59 1.6 9 27.46x1010
PFH (퍼플루오로헥산) 1670 548 57 -1.44 1.63 12 19.93x1010
PFOB (퍼플루오로옥틸 브로마이드) 1920 630 141 -0.55 1.9 16 13.12x1010
PMMA 2700 0.299 1.18
폴리스티렌 2350 0.22 1.06
세포 1060 1600 3.68x1010
지질 쉘을 형성하는데 사용될 수 있는 지질의 구체적인 예로는, 디팔미토일포스파티딜콜린 (DPPC), 1,2-팔미토일-포스파티드산 (DPPA), 1,2-디팔미토일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민 (DPPE), 및 1,2-디스테아로일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민 (DSPE)을 포함한다. 이들 지질은 또한 지질-폴리에틸렌 글리콜 콘쥬게이트, 또는 알부민 (에를 들어, 소 혈청 알부민 또는 인간 혈청 알부민)과 지질의 복합체에 사용될 수 있다. 지질 쉘은, 스트렙타비딘, 비오틴, 아비딘, 항체, 또는 다른 관능화된 모이어 티로 관능화될 수 있다.
이러한 구조는 도 3에 예시된다. 입자 (300)는, 액체 코어 (304), 본 실시 예에서, 퍼플루오로헥산을 둘러싸는 지질 쉘 (302)로 제조된다. 쉘은 DPPA, DPPC, 또는 여기서 DSPE-PEG5000-BIOTIN으로 표지된, 관능화된 지질-글리콜 콘쥬게이트로 제조될 수 있다. 지질 쉘의 비오틴에 결합하는 아비딘 유도체 (306)는 또한 예시된다.
지질 쉘은 입자를 또 다른 분자에 부착시키고, 액체 코어의 보호를 위해 사용된다. 이들 지질-PFC 입자는, 초음파-유도 공동화 후 세포막의 투과성에서 일시적인 변화를 생성하면서, 세포 손상을 감소시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 이들은, 시험관 내 및 생체 내 모두에서, 유전자 물질의 조직-특이적 또는 부위-특이적 세포내 전달을 가능하게 할 수 있다. 이들은, 비-바이러스성 벡터 시스템으로서 사용하기 위해, 유전자 전달의 효능을 향상시키는데 사용될 수 있다.
일반적으로, PFC 액체 및 지질 용액은, 지질 쉘을 갖는 액체 코어를 만들기 위해 조합된다. PFC 액체는, 또 다른 용액에 분산되어 액적을 형성한다. 액적의 유착 (coalescing)을 방지하기 위해, 유화제는 용액에 첨가될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 인지질은, 유화제/계면활성제로 사용된다. PFC 액체는, 적용에 바람직한 액적의 크기에 따라 다른 방법에 의해 분산된다. 작은 나노미터-크기의 액적을 생성하기 위해, 초음파 교반은 사용될 수 있다. 더 큰 액적을 생성하기 위해, 바이알 세이커 (vial shaker)는 액체 혼합물을 교반하는데 사용될 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 지질 용액은 용액 중에 여러 다른 지질 물질로 이루어진다. 획득된 지질은, 약 -20℃의 냉동고에 저장된다. 이 온도에서, 지질은 고체 상태이다. 지질은 냉동고에서 꺼내어 사용하기 전에 실온에서 약 20 분 동안 방치할 수 있다. 이것은 지질을 겔 상태로 만들기 위해 수행된다. 지질이 일반적으로 물에 용해되지 않기 때문에, 프로필렌 글리콜은 이들을 용해시키는데 사용될 수 있다. 프로필렌 글리콜에 모든 지질을 한 번에 용해시키지 않는 것이 바람직한데, 이는 한 번에 모든 지질을 넣으면 용액에 백색 덩어리가 형성될 수 있기 때문이다. 각 지질 물질의 용해도는 비교되어야 하고, 최대 용해도를 갖는 지질 물질은, 프로필렌 글리콜 등에서 먼저 용해되어야 한다. 지질의 용해도가 용액의 온도의 함수이므로, 용액은 지질의 전이 온도 (transition temperature)보다 높은 온도에서 유지되어야 한다. 표 2는, 지질 조성물의 예이다.
지질
총 지질 농도 1 mg/ml
분자량 (gm) 몰 비 Avanti 카탈로그 정보 탄소의 수
DPPA 670.87 11 16
DPPC 734.04 82 16
DPPE-PEG-5000 5744 0 880200 16
DSPE-PEG-2000 2805.49 0 880120 18
DSPE-PEG-2000-비오틴 3070 0 880129 18
DSPE-PEG-5000-비오틴 5670 7 18
V (스톡 액체 부피), ㎖ DPPA (mg) DPPC (mg) DSPE-PEG-5000-비오틴 (mg)
10 0.69 5.61 3.70
20 1.38 11.22 7.40
30 2.06 16.84 11.10
40 2.75 22.45 14.80
50 3.44 28.06 18.50
60 4.13 33.67 22.20
70 4.82 39.28 25.90
80 5.50 44.89 29.60
90 6.19 50.51 33.30
100 6.88 56.12 37.00
110 7.57 61.73 40.70
120 8.26 67.34 44.40
지질 용액을 생성하는 대표적인 공정은 다음과 같다. 먼저, 프로필렌 글리콜은 혼합을 위한 지질 블렌드 (lipid blend)의 최대 전이 온도로 가열된다. 다음으로, 최대 용해도를 갖는 지질 물질은 가열된 프로필렌 글리콜에 첨가된다. 지질 물질 및 프로필렌 글리콜은 그 다음 욕조 초음파발생장치 (bath sonicator)에서 혼합된다. 순차적으로, 더 낮은 용해도의 지질은 욕조 초음파발생장치에서 프로필렌 글리콜 혼합물에 첨가된다.
글리세롤과 완충액의 혼합물은, 동시에 제조될 수 있다. 글리세롤 및 완충액은, 최대 전이 온도로 가열된다. 일단 지질-프로필렌 글리콜 용액이 초음파발생장치에서 (백색 덩어리가 없는) 반투명이면, 지질-글리콜 용액은 글리세롤-완충액과 혼합된다. 그 결과로 생긴 혼합물은, 3000 rpm에서 작동하는 균질화기로 균질화된다. 균질화는 약 1시간 동안 수행된다. 균질화 공정 동안, 온도는 지질의 최대 전이 온도에서 유지된다.
제조된 지질 용액은 여과되어 먼지, 용해되지 않은 지질 덩어리, 등과 같은, 임의의 가능한 오염원을 제거한다. 여과 공정은, 친수성 시린지 필터 (syringe filter)로 수행될 수 있다. 필터는, 사용하기 전에 동일한 온도 배치 (batch)에 담겨진다. 몇몇 구체 예에서, 2.0 micron 필터는 사용된다. 다른 구체 예에서, 0.8 micron 필터는 사용된다. 또 다른 구체 예에서, 0.45 micron 필터는 사용된다. 몇몇 구체 예들에서, 필터들의 조합은 사용될 수 있다.
지질 용액은 그 다음 좁은 용기 (narrow vessel)에서 PFC 액체와 혼합하여 코어-쉘 입자를 생성한다. PFC 액체는 먼저 용기에 넣고, 지질 용액은 맨 위에 부어진다. 더 작은 크기의 액적을 만들기 위해, 용기 내에 PFC 액체의 양은 최소화되어야 한다. PFC 액체 부피 대 지질 용액 부피의 비가 증가함에 따라, 형성된 액적의 크기는, 주어진 초음파처리 파워 (sonication power)에 대한 안정기에 도달할 때까지 증가한다. PFC 액체는, 이들이 낮은 표면 장력 값을 갖기 때문에 강도가 낮다는 점에 주의해야 한다. 따라서, 초음파처리 진폭은 적절하게 선택되어야 하고, 초음파의 입력은 연속 모드가 아닌 펄스 모드로 수행되어야 한다. 혼 초음파발생장치 (horn sonicator) 어셈블리의 팁은, 두 액체 용액의 경계면에 배치되어야 한다. 기포/폼의 형성을 피하기 위해, 혼은 용액 내부에 충분히 있어야 한다. 여기서, 목적은 액적 용액을 제조하는데 있고, 그래서 좁은 용기는 투명한 저온 욕조에 함침된다. 투명한 저온 욕조는, 예를 들어, 과포화된 염 용액을 제조한 다음, 염 용액을 -20℃의 냉동고에 저장하여 제조된다. 초음파처리는 더 작은 비드를 생성한다.
일 실시 예에서, 지질 용액은 약 1㎖ 프로필렌 글리콜 + 1㎖ 글리세롤 + 8㎖ 완충액 + 10mg의 지질 블렌드를 포함할 수 있다. 9㎖의 지질 용액은 약 1㎖의 PFC 용액과 조합될 수 있다. 지질-PFC 용액은 초음파처리될 수 있다. 0.5 inch 프로브 및 750 watt 초음파발생장치의 경우, 30% PFP를 활용하는 PFC 용액은, 약 15초의 총 초음파처리 시간이 도달될 때까지, 약 3초 온 (on) 및 약 10초 오프 (off)로 초음파처리된다. 40% PFH를 활용하는 PFC 용액은, 약 15초의 총 초음파처리 시간이 도달될 때까지, 약 3초 온 및 약 10초 오프로 초음파처리된다. 50% PFOB를 활용하는 PFC 용액은, 약 15초의 총 초음파처리 시간이 도달될 때까지, 약 3초 온 및 약 10초 오프로 초음파처리된다. 초음파처리는 액적 용액을 생성한다.
더 큰 크기의 액적을 제조하기 위해, PFC 액체의 양은 증가되고, 초음파발생장치의 전원 입력은 급격히 감소된다. 또 다른 비-제한적인 대표적인 구체 예에서, 500 microliters의 PFC 및 2 ㎖의 지질 용액은, 3 ㎖ 바이알에 넣어질 수 있다. 바이알은 그 다음 바이알 믹서에서 4800rpm으로 30초 동안 진탕될 수 있다. 제조된 액적 현탁액은, 약간의 미세기포를 가질 수 있다. 미세기포가 존재하는 경우에, 용액은 원심분리될 수 있다.
이러한 PFC-지질 입자의 결합 효율은 NeutrAvidin®을 액적 용액에 첨가하여 시험될 수 있다. NeutrAvidin®은, 대략 60,000 daltons의 질량을 갖는, 탈당화된 버전의 아비딘이다. 아비딘 자체와 마찬가지로, NeutrAvidin®은 비오틴에 대해 강한 친화력을 갖는 사량체이다 (Kd = 10-15 M). 탄수화물이 제거되기 때문에, 바람직하지 않은 렉틴 결합은, 검출할 수 없는 수준으로 감소되지만, 비오틴 결합 친화성은 유지된다. NeutrAvidin®은 또한 근-중성 (near-neutral) pI (pH 6.3)를 가져서, 음으로-하전된 세포 표면 또는 DNA/RNA와의 비-특이적 상호작용을 최소화시킨다. Neutravidin®은 여전히 유도체화 또는 컨쥬게이션을 위해 이용가능한 리신 잔기를 갖는다. 선택적으로, 결합 복합체가 존재하는 경우 (예를 들어, 아비딘-비오틴), 응집체는 형성될 수 있다. 이러한 응집 현상은, 액적 모집단을 더 큰 크기로 기울이는 하나의 방법일 수 있다. 이러한 메커니즘은, 도 4에 예시된다. 좌-측에 9개의 PFC-지질 입자 (300)는, 액체 쉘이 액체 PFH 코어를 둘러싸는 것으로, 예시된다. 지질은 비오틴 복합체 (306)를 포함한다. 아비딘 또는 유사한 분자에 노출시, 입자는 더 큰 입자 (310)로 응집된다.
한 실험에서, 5 ㎖의 액적 용액은 취해지고, 100 microliters의 5 mg/㎖ NeutrAvidin® 용액과 함께 배양된다. 이러한 조합 용액은 1시간 동안 방치하고, 원래의 액적 용액 및 NeutrAvidin®과 함께 배양된 액적 용액으로부터 크기 측정은 수행된다.
도 5a는, 0.6 microns 내지 1.25 microns의 크기를 갖는 액적의 크기 분포를 나타내는 그래프이다. 도 5b는, 1.25 microns 내지 2.25 microns의 크기를 갖는 액적의 크기 분포를 나타내는 그래프이다. 가는 선은 NeutrAvidin®이 첨가되지 않은 액적 용액에 대한 것이다. 더 두꺼운 선은 NeutrAvidin®과 함께 배양된 액적 용액에 대한 것이다. 여기서 알 수 있듯이, NeutrAvidin®이 첨가된 경우, 주어진 크기의 입자 수는 더 많거나, 또는 달리 말하면, 선은 우측으로 이동된다 (예를 들어, 더 큰 입자 크기).
고분자 입자는 또한 수성 상 및 불연속 단량체 상 (monomer phase)이 존재하는 연속 및 불연속 상 에멀젼 (phase emulsion)을 통해 생성될 수 있다. 에멀젼용 반응 용기는 또한 계면활성제 및 자유 라디칼 개시제를 함유할 수 있다. 에멀젼이 교반됨에 따라, 에멀젼은 가열되고, 자유 라디칼 개시제는 에멀젼에 도입된다. 이는 단량체 입자를 중합시켜 수성 상에서 중합된 미세입자의 미세입자 혼합물을 제공한다. 이러한 공정은 균일한 크기의 입자를 가능하게 한다. 이러한 공정의 예로는, 비-이온성 계면활성제인, 옥틸페놀 에톡실레이트와 함께 수성 상에 분산된 스티렌 단량체이며, 여기서, 에멀젼이 교반되고 가열되는 동안 벤조일 퍼옥사이드는 반응 용기에 도입된다.
미세입자는 또한 전기 수력학적 분무 (EHDS)의 기술을 사용하여 제조될 수 있으며, 여기서, 고분자 유체는 기체 혼합물로 분무되어, 액체 스트림의 분무화 (atomization)가 이것이 분무되는 동안 매우 미세한 입자 크기 발생을 가능하게 한다. 고분자는 이것이 분무 노즐로 도입되기 전에 안착될 수 있다. 또한, 고분자는, 분무 노즐 전에 혼합되고, 분무 노즐을 통해 기체 또는 기체 혼합물 내로 이동할 때 중합되는 이중 또는 다성분 혼합물의 반응 결과일 수 있다. 기체는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 기체일 수 있다. 기체 혼합물은 공기 또는 헬륨/산소 및 질소/산소 혼합물과 같은 기타 기체 블렌드일 수 있다. EHDS 시스템은 통상적으로 액체의 표면에 가해지는 전기력에 의해 유발된 물리적 공정이다.
미세입자 및 나노입자는 또한 고분자성 액체 또는 수성 또는 용매 베이스에 담지된 고분자성 액체의 간단한 분무 건조에 의해 제조될 수 있다.
입자가 사용되는 매체 또는 일차 유체는 또한 입자와 일차 유체 사이에 분화 (differentiation)를 증가시키기 위해 변경될 수 있다.
도 6은, Xu 등에 좀 더 상세히 기재된, 페이로드를 생성하고 미세입자/나노입자 내에 로딩하며, 상기 페이로드의 방출을 위한 대표적인 공정 (600)를 예시한다. "Hollow hierarchical hydroxyapatite/Au/polyelectrolyte hybrid microparticles for multi-responsive drug delivery," J. Mater. Chem. B. 2014, 2, 6500-6507는, 이의 전체적인 내용이 여기에 참조로서 병합된다. 먼저 단계 (602)에서, Na2CO3 및 Ca(NO3)2는 조합되어 CaCo3 주형 미세입자 (603)를 형성한다. 다음으로, (Ca10(PO4)6(OH)2, HAP) ("HAP") 코팅 (606)은 단계 (604)에서 수열 반응으로 CaCo3 코어 (603)에 적용된다. HAP는, 이의 생적합성 및 생분해성으로 인해 생의학 분야에서 널리 사용된다. HAP 층 (606)의 생성에 이어, CaCo3 코어 (603) 및 HAP 코팅 (606)을 갖는 입자는, 그 다음 고분자전해질 (polyelectrolytes: 608)을 혼입시키기 위해 층상 (layer-by-layer: LbL) 기술에 적용된다. 이러한 고분자전해질은, (지방족 폴리(우레탄-아민) (PUA) 및 나트륨 폴리(스티렌설포네이트) (PSS)를 포함한다. LbL 코팅 (605) 후에, 금 나노입자 (AuNP) (610)는, 정전기적 상호작용을 통해 미세입자에 로딩된다. AuNPs (610)는, 중공 입자 내로 로딩된 페이로드의 방출을 늦추는데 도움이 된다.
화학적 에칭 용액 단계 (611), 예를 들어, 아세트산으로 CaCo3 코어 (603)를 제거하여 중공 HAP 입자 (612)는 형성된다. 중공 HAP 입자 (612)는 그 다음 페이로드 전달을 위해 페이로드 (614)로 로딩된다. 로딩된 입자 (616)가 원하는 목적지에 도달하면, 페이로드 (614)는 중공 입자 담체 (612)로부터 방출될 수 있다. 페이로드 (614)의 방출/활성화 (620)는, 환경 온도, pH의 변화에 의해, 또는 근적외선 조사 (NIR)에 응답하여 촉진될 수 있다.
장치 및 시스템
일반적으로, 본 개시의 입자는 음향파로 조작될 수 있다. 미세입자 및 나노입자의 조작을 위해 활용될 수 있는 음향파는, 다차원 음향 정재파, 평면 정재파, 또는 다차원 음향 정재파와 평면파의 조합과 같은 음향 정재파일 수 있다.
도 7은 음향 진행파 (700)를 예시한다. 음향파는 매체에서 단열 압축 (adiabatic compression) 및 압축 해제를 통해 전파되는 종파 타입이다. 파동 (700)은 크레스트 (crest: 702)를 포함한다. 크레스트 (702)는 전파의 방향 (704)으로 이동한다.
음향 진행파 (700)는, 미세입자 및 나노입자의 대비 계수를, 이들이 음향 시스템에서 처리되는 경우, 변화시킬 수 있다. 다시 말해서, 진행 음향파에 의해 처리되는 미세입자 및 나노입자의 대비 계수는, 음향 정재파에 의해 처리되는 경우의 미세입자 및 나노입자와 다를 수 있다.
다수의 진행파의 조합은, 음향 정재파를 발생시켜 각 파동이 반대 방향으로 진행하는 경우 파동들의 중첩을 생성할 수 있다. 도 8은, 음향 정재파 (801)를 생성하는 음향 정재파 시스템 (800)을 예시한다. 시스템은 반사기 (804) 및 초음파 변환기 (802)로 구성된다. 통상적으로 수백 kHz 내지 수십 MHz 범위에서 여기 주파수 (Excitation frequencies)는 변환기 (802)에 의해 인가된다. 변환기 (802)와 반사기 (804) 사이에 하나 이상의 정재파는 생성된다. 정재파는, 주파수 및 강도가 같고, 반대 방향, 예를 들어, 변환기로부터 반사기로 및 그 반대로 진행하는 두 전파파 (propagating waves)의 합이다. 전파파는 서로 파괴적으로 간섭하여 정재파를 생성한다. 매체의 지점 (A)은 시간에 걸쳐 최대 양의 변위로부터 최대 음의 변위로 이동한다. 다이어그램 (diagram)은 정재파 패턴의 움직임의 1/2 사이클 만을 보여준다. 지점 (A)이 동일한 최대 양의 변위로 돌아간 다음, 위 및 아래 위치 사이에서 이의 앞뒤로 진동을 계속하면서 움직임은 계속 지속된다. 최대 변위를 갖는, 위치 (A)는, 안티-노드로 알려져 있다. 매체 상에 지점 (B)은 절대 이동하지 않는 지점인 것이 주의된다. 지점 (B)은 변위가 없는 지점이다. 이러한 지점은 노드로 알려져 있다.
전술된 입자 (806) (미세입자 또는 나노입자)를 운반하는 유체 매체는, 음향 챔버/음향 정재파 시스템 (800)을 통해 방향 (805)으로 흐를 수 있다. 생성된 정재파 (801)는 유체 흐름 (805)과 충돌하여 입자 (806)를 포획할 수 있다. 양의 대비 계수를 갖는 입자는, 압력 노드 (pressure node)에서 포획될 것이고, 음의 대비 계수를 갖는 입자는 안티-노드에서 포획될 것이다. 달리 말하면, 입자는 제1 위치 또는 원하는 위치에 농축된다. 입자가 페이로드를 운반하면, 상기 페이로드는 방출될 수 있다. 이러한 방출은, 예를 들어, 시간의 경과 (예를 들어, 쉘이 용해 또는 용융) 후에, 또는 외부 에너지원에 노출시, 또는 여기에서 앞서 기재된 바와 같이 발생할 수 있다.
여기에서 논의된 음향 장치는, 다중모드 또는 평면 모드에서 작동할 수 있다. 다중모드는, 3차원의 음향력 (acoustic forces)을 생성하는 음향 변환기에 의한 음향파의 발생을 지칭한다. 초음파일 수 있는, 다중모드 음향파는, 하나 이상의 음향 변환기에 의해 발생되며, 여기에서 종종 다-차원 또는 3-차원 음향 정재파로 지칭된다. 평면 모드는, 예를 들어, 전파의 방향을 따라 실질적으로 1차원으로 음향력을 생성하는 음향 변환기에 의한 음향파의 발생을 지칭한다. 평면 모드에서 발생되는, 초음파일 수 있는, 이러한 음향파는, 여기에서 종종 일-차원 음향 정재파로 지칭된다.
음향 장치는, 유체/입자 혼합물에서 벌크 음향파 (bulk acoustic waves)를 발생시키는데 사용될 수 있다. 벌크 음향파는, 유체의 부피를 통해 전파되며, 유체의 부피를 통해 전파되지 않고 변환기의 표면에서 작동하는 경향이 있는 표면 음향파와는 다르다.
음향 변환기는 압전 물질로 구성될 수 있다. 이러한 음향 변환기는, 평면 또는 다중모드 음향파를 발생시키기 위해 전기적으로 여기될 수 있다. 다중모드 음향파에 의해 발생된 3-차원 음향력은, 음향파 전파의 방향과 정렬되지 않은 방사력 또는 횡력 (lateral forces)을 포함한다. 횡력은 2차원으로 작용할 수 있다. 횡력은, 음향파 전파의 방향과 실질적으로 정렬되는, 다중모드 음향파에서 축력 (axial forces)에 부가된다. 횡력은 이러한 다중모드 음향파에 대한 축력과 동일한 차수일 수 있다. 다중모드 작동에서 여기된 음향 변환기는, 이의 표면에 정재파를 나타낼 수 있고, 이에 의해 다중모드 음향파를 발생시킨다. 변환기의 표면 상에 정재파는, 다중모드 음향파의 작동 모드와 관련될 수 있다. 음향 변환기가 전기적으로 여기되어 평면 음향파를 발생시키는 경우, 변환기의 표면은, 피스톤과 같은 작용을 나타낼 수 있고, 이에 의해 1-차원 음향 정재파를 발생시킨다. 평면 음향파와 비교하면, 다중모드 음향파는, 동일한 입력 전력으로 연속적으로 상당히 큰 입자 포획 활동을 나타낸다. 평면 및/또는 다-차원 음향 정재파를 발생시키기 위해 하나 이상의 음향 변환기는 사용될 수 있다. 몇몇 작동 모드에서, 다중모드 음향파는, 특정 크기의 입자를 억제하거나 또는 유지할 수 있는 계면 효과 (interface effect)를 발생시키는 반면, 작은 입자는 다중모드 음향파를 통해 흐를 수 있다. 몇몇 작동 모드에서, 평면파는, 입자 크기의 특징적인 특정 각도에서 입자를 편향시키는데 사용될 수 있다.
음향영동은 음향파를 사용한 물질의 분리이다. 여기에서 논의된 실행은, 유체 분산액으로부터 입자 분리에 대한 저-전력, 비-압력-강하 (no-pressure-drop), 비-막힘 (no-clog), 고체-상태 접근법을 제공한다. 입자에서 음향장 (acoustic field)의 산란은, 입자를 함께 끌어당기는 2차 음향력을 생성한다. 다중모드 작동은, 3-차원 포획장 (trapping field)로서 작용하는, 3-차원 음향 방사력을 결과한다. 음향 방사력은, 입자가 파장에 비해 작은 경우, 입자 부피 (예를 들어, 반경의 입방체)에 비례한다. 음향 방사력은, 주파수 및 음향 대비 계수에 비례한다. 음향 방사력은, 음향 에너지 (예를 들어, 음압 진폭의 제곱)로 크기 조정된다. 고조파 여기의 경우, 힘의 정현파 (sinusoidal) 공간 변화는, 입자를 정재파 내에 안정적인 위치로 유도하는 것이다. 입자에 가해지는 음향 방사력이 유체 항력 (drag force)과 부력/중력의 조합된 효과보다 강할 때, 입자는 음향 정재파 장 내에 포획된다. 포획된 입자에 대한 횡 및 축 음향력의 작용은, 임계 크기에 도달할 때, 숙주 유체보다 더 가벼운 입자에 대한 향상된 부력을 통해 상승하거나 또는 숙주 유체보다 더 무거운 입자에 대한 향상된 중력을 통해, 계속적으로 침강되는, 입자의 농축, 클러스터링, 군집, 응집 및/또는 합체를 통해 밀집된 클러스터의 형성을 결과한다. 부가적으로, 비에르크네스 힘 (Bjerknes forces)과 같은, 2차 입자-간 힘은 입자 응집을 돕는다.
이하 논의는, 음향영동의 목적을 위한 입자로 고려될 수 있는, 생물학적 세포에 관한 것이다. 대부분의 생물학적 세포 타입은, 이들이 현탁된 유체 매체보다 더 높은 밀도 및 더 낮은 압축성을 나타내어서, 세포와 매체 사이에 음향 대비 계수는 양의 값을 갖는다. 결과적으로, 축 음향 방사력 (ARF)은, 세포를 정재파 압력 노드로 향하게 유도한다. 음향 방사력의 축 구성요소는, 양의 대비 계수를 갖는, 세포를 압력 노드로 유도하는 반면, 음의 대조 계수를 갖는 세포 또는 다른 입자는 안티-노드로 유도된다. 음향 방사력의 방사상 또는 횡적 구성요소는 세포를 포획하는 힘이다. ARF의 방사상 또는 횡적 구성요소는, 유체 항력과 중력의 조합 효과보다 더 크다.
세포가 다-차원 초음파 정재파에 포획되는 경우, 세포에 대한 힘 균형은, 0으로 가정될 수 있고, 따라서, 횡적 음향 방사력 (FLRF)에 대한 수식은, FLRF = FD + FB이며, 여기서, FD는 항력이고, FB는 부력이다. 알려진 크기 및 물질 특성의 세포의 경우, 및 주어진 유속의 경우, 이러한 수학식은 횡적 음향 방사력의 크기를 추정하는데 사용될 수 있다.
음향 방사력을 계산하는데 사용되는 하나의 이론적 모델은, 고르 코프 (Gor'kov)에 의해 개발된 공식에 기초한다. 일차 음향 방사력 (FA)은, 음압 (p), 유체 입자 속도 (u), 세포 밀도 (ρp) 대 유체 밀도 (ρf)의 비, 유체 음속 (cf)에 대한 세포 음속 (cp)의 비, 및 생물학적 세포의 부피 (Vo)에 영향을 받는, 전계 전위 (U)의 함수, FA = -▽(U)로 정의된다.
고르 코프의 이론은, 유체 및 입자에서 음장의 파장에 비해 작은 입자 크기로 제한될 수 있으며, 이것은 또한 방사력에 대한 유체 및 입자의 점도의 영향을 고려하지 않을 수 있다. 부가적인 이론 및 수치 모델은, 파장에 대한 입자 크기에 관한 어떠한 제한 없이 입자에 대한 음향 방사력의 계산을 위해 개발되었다. 이러한 모델은 또한 유체 및 입자 점도의 영향을 포함하고, 따라서, 음향 방사력을 좀 더 정확하게 계산할 수 있다. 실행된 모델은, AIP Conference Proceedings, Vol. 1474-1, pp. 255-258 (2012)에 기재된 바와 같은 Yurii Ilinskii 및 Evgenia Zabolotskaya의 이론적 작업에 기초한다. 부가적인 인-하우스 모델은, 원통 (cylinder)과 매우 유사한, 정재파에서 포획된 입자의 "하키용 퍽 (hockey pucks)"과 같은, 원통형 형상의 물체에 대한 음향 포획력을 계산하기 위해 개발되었다.
바람직하게는, 초음파 변환기(들)은, 축력이 동반되도록 현탁된 입자들에 횡력을 가하는 유체 내에 다-차원 정재파를 발생시킨다. 문헌에 발표된 통상적인 결과는, 횡력이 축력보다 100배 더 작은 것으로 명시한다. 대조적으로, 본 출원에 개시된 기술은, 축력과 동일한 크기인 횡력을 제공한다. 그러나, 여기에서 더욱 기재되는 특정 구체 예에서, 장치는, 다-차원 음향 정재파를 생성하는 변환기 및 평면 음향 정재파를 생성하는 변환기를 모두 사용한다. 본 개시의 초음파 변환기(들)에 의해 발생된 총 음향 방사력 (ARF)의 횡력 구성요소는 중요하며, 최대 1 cm/s의 선형 속도에서 유체 항력을 극복하고, 밀집된 클러스터를 생성하기에 충분하며, 총 음향 방사력의 축력 구성요소와 동일한 크기 정도이다.
음향 정재파는, 직각 변환기에 의한 여기의 경우에서, 유체의 거의 직각 프리즘 부피를 차지하는 것으로 설명될 수 있는, 3-차원 음향장이다. 변환기는 이들 사이에 정재파의 발생을 가능하게 하기 위해 반사기 또는 경계를 향하도록 구성될 수 있다. 변환기는, 또 다른 변환기를 향하도록 구성될 수 있으며, 이들 변환기 모두는, 이들 사이에 정재파를 발생하도록 작동된다. 변환기는 진행파의 발생을 가능하게 하기 위해 음향 흡수성 물질을 향하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 직각 프리즘은, 변환기 및 반사기에 의해 한정된 2개의 대향면, 장치의 벽으로 구성된 대향면의 인접 쌍, 및 유동 채널 입구 및 출구를 한정할 수 있는 최종 대향면의 쌍을 포함한다. 변환기 및 반사기에 의해 발생된 음향파는, 유동 채널 입구 근처에, 예를 들어, 음향 정재파 장의 업스트림 면 근처에 위치된 계면 또는 배리어 영역 계면을 생성하여, "음향 배리어 (coustic barrier) 또는 에지 효과"를 발생시킨다. 이러한 위치는 또한 업스트림 계면 영역이라 지칭된다. 음향 배리어는, 높은 음향 대비 계수와 같은, 특정 특징을 가진 입자가, 예를 들어, 변환기 및 반사기에 의해 발생된 음향파를 통해 통과하는 것을 방지할 수 있다.
음향 배리어에 의해 보유 또는 차단된 입자는, 칼럼과 같은, 챔버에서 포착될 수 있거나, 또는 생물반응기와 같은, 홀딩 장치 (holding device)로 복귀될 수 있다. 순환 흐름 동작 (flow motion)은, 일차 재순환 스트림에 의해 음향 배리어 바로 옆에 발생될 수 있고, 시스템 효율을 개선시키기 위해 음향 챔버 기하학적 구조 변화로 최적화될 수 있다.
도 9 및 도 10은, 본 개시의 입자와 함께 사용될 수 있는 음향영동 장치의 도면이다. 도 9는, 정단면도이고, 도 10은 외부 사시도이다. 특히, 이러한 구체 예는, Class Ⅵ 물질 (예를 들어, 의료 장치 등급 HDPE)를 사용하여, 또는 심지어 단일 또는 용접된 사출 성형 부품으로서, 이것이 클린 가공 기술 (clean machining techniques)로 제작될 수 있도록 구체적으로 설계된다. 이러한 방식에서, 이러한 구체 예는, 감마-안정한 (gamma-stable) 일회용 장치의 예이다. 장치는, 미생물오염도를 제거하기 위해 세척한 다음, 감마선-조사 (일반적으로 25-40 kGy)되어, 관류 생물반응기에 존재하는 것과 같은, 건강한 세포 배양을 파괴할 수 있는 임의의 잠재적인 오염원을 살균시킨다.
먼저, 도 9를 참조하면, 본 장치 (700)에서, 입구 포트 (710) 및 수집 포트 (770)는, 장치의 상단부 (718) 또는 장치의 상단 벽 (776)에 모두 위치된다. 출구 포트 (730)는, 장치의 하단부 (716)에 위치된다. 여기서, 입구 포트 (710) 및 출구 포트 (730)는 장치의 제1 측면 (712)에 모두 있다. 입구 흐름 경로 (751)는, 입구 포트로부터 하단부를 향해 아래쪽으로 및 출구 포트를 지나서 이어지는 채널 (755)의 형태이며, 상기 채널은 음향 챔버 (750)로부터 분리된다 (여기서, 내벽 (756)에 의해 발생하는 분리). 유체는 채널에서 하향으로 흐른 다음, 음향 챔버 (750) 내로 상향으로 상승 할 것이다. 음향 챔버의 하부 벽 (720)은, 출구 포트 (730)를 향해 아래로 기울어지는 경 사진 평면 표면이다. 초음파 변환기 (760)의 위치는, 여기서, 장치의 상단부과 하단부 사이에, 2개의 정사각형으로 나타낸다. 수집 흐름 경로 (753)는 변환기 위에 위치된다.
이하, 도 10을 참조하면, 장치 (700)는 3-차원 직각 하우징 (706) 내에 형성된 것으로 나타낸다. 장치의 하단부 (716)의 출구 포트 (730)는 전면 벽 (775)에 위치됨을 알 수 있다. 다시, 수집 포트 (770) 및 입구 포트 (710)는 상부 벽 (776)에 위치된다. 투명한 물질로 만들어진 관찰 창 (viewing window: 708)은 전면 벽에 존재한다. 이러한 관찰 창을 통해, 초음파 변환기가 장치 하우징 (706)의 후면 벽 (778)에 장착되어 있음을 알 수 있다. 관찰 창은, 다-차원 음향 정재파를 발생시키는 반사기로서 작용한다.
장치 (700)는, 세포과 입자가 서로 반응을 유발하도록 사용될 수 있어, 음향파가 존재하는 변환기 (760) 주위의 구역에서 개략적으로 입자가 페이로드를 세포에 전달한다. 세포는 그 다음 출구 포트 (730)를 통해 배출되는 동안, 다른 유체는 수집 포트 (770)를 통해 배출될 수 있다.
입자는 또한 세포와 상호작용할 수 있고, 선택될 원하는 세포 및 입자의 표면 상에 관능화에 따라 음성 또는 양성 선택을 수행할 수 있다. 입자의 관능화된 부분은, 세포가 시스템에서 제거되거나 또는 보유될 수 있도록 표적 세포의 표면 상에 수용체와 결합할 것이다.
도 11은, 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 변환기 (81)의 단면도로서, 본 개시의 음향 필터링 장치에 사용된다. 변환기 (81)는, 디스크 또는 플레이트와 같은 형상이며, 알루미늄 하우징 (82)을 갖는다. 알루미늄 하우징은 상단부 및 하단부를 갖는다. 변환기 하우징은 또한, 의료 등급 HDPE와 같은, 플라스틱 또는 다른 금속으로 구성될 수 있다. 압전 소자 (piezoelectric element)는, 큰, 2가 금속 이온, 보통 납 또는 바륨, 및 O2- 이온의 격자에서, 작은, 4가 금속 이온, 보통로 티타늄 또는 지르코늄으로 각각 이루어진, 페로브스카이트 세라믹 (perovskite ceramic)의 덩어리이다. 본 실시 예에서, PZT (납 지르코네이트 티타네이트) 압전 소자 (86)는, 변환기의 하단부를 한정하고, 하우징의 하단부의 외부로부터 노출된다. 압전 소자는, 작은 탄성층 (98), 예를 들어, 압전 소자와 하우징 사이에 위치된, 에폭시, 실리콘 또는 유사한 물질에 의해 이의 주변부 상에서 지지된다. 달리 말하면, 웨어 플레이트 또는 백킹 물질은 존재하지 않는다. 그러나, 몇몇 구체 예에서, 음향 정재파가 발생되는 유체로부터 압전 소자를 분리하는 플라스틱 또는 다른 물질의 층은 존재한다. 압전 소자/결정은, (노출된) 외부 표면 및 내부 표면을 갖는다. 특정 구체 예에서, 압전 소자/결정은 불규칙 다각형이고, 또 다른 구체 예에서, 비대칭 불규칙 다각형이다.
나사 (88)는, 하우징의 알루미늄 상판 (82a)을 나사산을 통해 하우징의 몸체 (82b)에 부착시킨다. 상판은 변환기에 전력을 공급하기 위한 커넥터 (84)를 포함한다. PZT 압전 소자 (86)의 상부 표면은, 절연 물질 (94)에 의해 분리된, 양극 (90) 및 음극 (92)에 연결된다. 전극들은, 은 또는 니켈과 같은, 어떤 전도성 물질로 제조될 수 있다. 전력은, 압전 소자 상에 전극을 통해 PZT 압전 소자 (86)에 제공된다. 압전 소자 (86)가 백킹층 또는 에폭시층을 갖지 않는 점은 주의된다. 달리 말하면, 알루미늄 상판 (82a)과 압전 소자 (86) 사이에 변환기에 내부 부피 또는 에어 갭 (87)은 존재한다 (예를 들어, 하우징은 비어 있다). (내부 표면 상에) 최소 백킹 (58) 및/또는 (외부 표면 상에) 웨어 플레이트 (50)는, 몇몇 구체 예들에서, 도 12에서 볼 수 있듯이, 제공될 수 있다.
변환기 디자인은, 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 통상적인 변환기는, 세라믹 압전 소자가 백킹층 및 웨어 플레이트에 결합된 층상 구조물이다. 변환기가 정재파에 의해 나타나는 높은 기계적 임피던스 (impedance)로 부하받기 때문에, 웨어 플레이트에 대한 전통적인 설계 지침, 예를 들어, 정재파 적용을 위한 반 파장 두께 또는 방사선 적용을 위한 1/4 파장 두께, 및 제조 방법은, 적절하지 않을 수 있다. 오히려, 본 개시의 하나의 구체 예에서, 변환기는 웨어 플레이트 또는 백킹을 갖지 않아, 압전 소자가 높은 Q-팩터 (Q-factor)를 갖는 이의 고유모드 (eigenmodes) 중 하나로, 또는 여러 고유모드의 조합으로 진동할 수있게 한다. 진동 세라믹 압전 소자/디스크는, 유체 세포를 통해 흐르는 유체에 직접 노출된다.
백킹의 제거 (예를 들어, 공기로 백킹된 압전 소자)는, 세라믹 압전 소자가 댐핑 (damping)이 거의 없는 고차의 진동 모드 (예를 들어, 고차 모달 변위 (modal displacement))에서 진동을 가능하게 한다. 백킹을 갖는 압전 소자를 구비한 변환기에서, 압전 소자는, 피스톤과 같이, 좀 더 균일한 변위로 진동한다. 백킹의 제거는, 압전 소자가 비-균일 변위 모드에서 진동을 가능하게 한다. 압전 소자의 모드 형상이 높을수록, 압전 소자는 더 많은 노드 라인을 갖는다. 노드에 대한 포획 라인의 상관관계가 반드시 일대일이 아닐지라도, 압전 소자의 고차 모달 변위는, 더 많은 포획 라인을 생성하며, 더 높은 주파수에서 압전 소자의 구동은, 더 많은 포획 라인을 생성하지 않을 것이다.
반사기는, 패싯형 반사기 (faceted reflector)와 같은, 비평면 타입일 수 있다. 반사기는 또한 평면 또는 비평면 표면을 가질 수 있는 또 다른 변환기일 수 있다. 몇몇 실시 예에서, 2개의 대향 변환기는, 이들 사이에 음향 정재파와 같은, 음향파를 발생시키는데 사용된다.
본 개시의 음향 필터링 장치의 몇몇 구체 예에서, 압전 소자는, 압전 소자의 Q-팩터에 최소로 영향 (예를 들어, 5% 미만)을 미치는 백킹을 가질 수 있다. 백킹은, 압전 소자가 고차 모드 형상에서 진동을 가능하게 하고, 압전 소자에 대한 약간의 기계적 지지를 여전히 제공하면서 높은 Q-팩터를 유지하는, 발사 나무 (balsa wood), 폼, 또는 코르크와 같은, 실질적으로 음향적 투과성 물질로 제조될 수 있다. 백킹층은 고체일 수 있거나, 또는 층을 관통하는 구멍을 갖는 격자일 수 있어서, 격자가 특정한 고차 진동 모드에서 진동 압전 소자의 노드를 뒤따라서, 압전 소자의 나머지가 자유롭게 진동하는 것을 가능하게 하면서 노드 위치에서 지지를 제공한다. 격자 작업 또는 음향적 투과성 물질의 목표는, 압전 소자의 Q-팩터를 낮추지 않거나 또는 특정 모드 형상의 여기를 방해하지 않고 지지를 제공하는 것이다.
압전 소자를 유체와 직접 접촉시키는 배치는 또한, 에폭시층 및 웨어 플레이트의 댐핑 및 에너지 흡수 효과를 피하여 높은 Q-팩터에 기여한다. 변환기(들)의 다른 구체 예는, 납을 함유하는, PZT가 숙주 유체와 접촉하는 것을 방지하기 위해 웨어 플레이트 또는 웨어 표면을 가질 수 있다. 이것은, 예를 들어, 혈액 분리, 생물약제 관류 (biopharmaceutical perfusion), 또는 포유동물 세포의 유가-식 여과 (fed-batch filtration)와 같은, 생물학적 적용에서 바람직할 수 있다. 이러한 적용들은, 크롬, 전해 니켈, 또는 무전해 니켈과 같은, 웨어층을 사용할 수 있다. 화학적 증착은, 폴리(p-자일릴렌) (예를 들어, 파릴렌) 또는 또 다른 고분자의 층을 적용하는데 사용될 수 있다. 실리콘 또는 폴리우레탄과 같은 유기 및 생체적합성 코팅은 또한 웨어 표면으로 사용할 수 있다. PEEK 필름과 같은, 박막은 또한 유체에 노출된 변환기 표면의 커버로서 생체적합성 물질의 장점으로 사용될 수 있다. 하나의 구체 예에서, PEEK 필름은, 감압 접착제 (PSA)를 사용하여 압전-물질의 겉면에 부착된다. 기타 필름들도 사용될 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 유/수 에멀젼 스플리팅 (oil/water emulsion splitting)과 같은 적용 및 관류와 같은 다른 적용에서, 초음파 변환기는 공칭 2MHz 공명 주파수를 갖는다. 각 변환기는 3 GPM의 유속에서 액적 포획을 위해 약 28 W의 전력을 소비할 수 있다. 이는 0.25 kW hr/㎥의 에너지 비용으로 전환된다. 이것은 이 기술의 에너지 비용이 매우 낮음을 나타낸다. 각 변환기는, 증폭기를 포함할 수 있는, 전용 드라이버 (dedicated driver)에 의해 전력이 공급되고 제어될 수 있거나, 또는 다수의 변환기가 단일 드라이버에 의해 구동될 수 있다. 다른 구체 예에서, 초음파 변환기는, 예를 들어, 1"x1" 치수를 갖는, 정사각 압전 소자를 사용한다. 선택적으로, 초음파 변환기는, 예를 들어, 1"x2.5" 치수의 직각 압전 소자를 사용할 수 있다. 변환기당 전력 손실은, 충분한 음향 포획력을 얻기 위해 음향 정재파 스팬 (standing wave span)의 인치당 및 1"x1" 변환기 단-면적당 10 W이다. 중간 스케일 시스템의 4" 스팬의 경우, 각 1"x1" 정사각 변환기는 40W를 소비한다. 더 큰 1"x2.5" 직각 변환기는, 중간 스케일 시스템에서 100W를 사용한다. 3개의 1"x1" 정사각 변환기의 어레이는, 총 120W를 소비하고, 2개의 1"x2.5" 변환기의 어레이는 약 200W를 소비한다. 밀접하게 이격된 변환기의 어레이는, 기술의 대안적인 잠재적 구체 예를 나타낸다. 변환기 크기, 형상, 수, 및 위치는, 원하는 다-차원 음향 정재파 패턴을 발생시키기 위해 원하는 대로 변경될 수 있다.
변환기의 크기, 형상, 및 두께는, 여기의 다른 주파수에서 변환기 변위를 결정하여, 결국 분리 효율에 영향을 미친다. 통상적으로, 변환기는 두께 공명 주파수 (반 파장) 근처의 주파수에서 작동한다. 변환기 변위의 구배는, 통상적으로 세포/생분자에 대한 더 많은 포획 위치를 결과한다. 고차 모달 변위는, 모든 방향에서 음장 내에 강한 구배를 갖는 3-차원 음향 정재파를 발생시키고, 이에 의해 모든 방향에서 동일하게 강한 음향 방사력을 생성하여, 다수의 포획 라인으로 이어지며, 여기서, 포획 라인의 수는 변환기의 특정 모드 형상과 관련이 있다.
변환기에 의해 발생된 음향 방사력의 횡력은, 결정이 균일한 변위를 갖는 피스톤으로서 효과적으로 움직이는 진동의 형태와 달리, 고차 모드 형상으로 변환기를 구동하여 증가될 수 있다. 음압은 변환기의 구동 전압에 비례한다. 전력은 전압의 제곱에 비례한다. 변환기는, 통상적으로 z-축에 전기장 및 z-축에 일차 변위를 갖는, 얇은 압전판이다. 변환기는 통상적으로 일측에서 공기 (예를 들어, 변환기 내에 에어 갭)에 의해 및 다른 측에서 세포 배양 배지의 유체 혼합물에 의해 연결된다. 상기 판에서 발생된 파동의 타입은 복합 파동 (composite waves)으로 알려져 있다. 압전판에서 복합 파동의 서브세트는, 누설 대칭 (또한 압축 또는 확장이라 함) 램파 (Lamb waves)와 유사하다. 상기 판의 압전 성질은, 통상적으로 대칭 램파의 여기를 결과한다. 상기 파는 이들이 수층 (water layer)으로 방사되기 때문에 누출되며, 이는 수층에 음향 정재파의 발생을 결과한다. 램파는, 이의 표면 상에 응력이 없는 조건으로 무한 범위의 얇은 판에 존재한다. 본 구체 예의 변환기가 본질적으로 유한하기 때문에, 실제 모달 변위는 더 복잡하다.
변환기는, 압전 소자가 일반식의 고차 모드 (m, n)로 진동하도록 구동되며, 여기서, m 및 n은 독립적으로 1 이상이다. 일반적으로, 변환기는 (2,2)보다 더 고차 모드에서 진동할 것이다. 고차 모드는, 더 많은 노드와 안티노드를 생성할 것이며, 정재파의 방향뿐만 아니라 횡방향으로, 모든 방향에서 음장 내에 강한 기울기에 의해 특징화된, 수층에 3-차원 정재파를 결과한다. 결과적으로, 음향 구배는 횡방향에서 더 강한 포집력을 결과한다.
구체 예들에서, 변환기를 구동하는 전압 신호는, 정현파, 정사각, 톱니, 펄스, 또는 삼각 파형을 가질 수 있으며; 50kHz 내지 10MHz의 주파수를 갖는다. 전압 신호는, 펄스 폭 변조로 구동할 수 있어, 임의의 원하는 파형을 생성한다. 전압 신호는 또한 스트리밍 (streaming)을 제거하기 위해 진폭 또는 주파수 변조 시작/정지 성능을 가질 수 있다.
변환기는, 정재파 방향에서 및 정재파 방향에 직교하는 방향 모두에 동일한 크기 정도의 음향 방사력을 발생시키는 압력 장을 생성하는데 사용된다. 힘이 거의 동일한 크기 정도인 경우, 0.1 microns 내지 300 microns 크기의 입자는, "포획 라인"을 향해 좀 더 효과적으로 이동할 것이어서, 입자들은 압력 장을 통해 통과하지 않을 것이고, 필터링 장치의 수집 포트를 통해 계속 빠져나갈 것이다. 대신에, 입자는 음향 챔버 내에 잔류하여 생물반응기로 다시 재순환될 것이다.
생물학적 적용에서, 시스템의 모든 부품들 (예를 들어, 생물반응기, 음향 필터링 장치, 이를 유체적으로 연결하는 튜브, 등)은, 서로 분리될 수 있고, 일회용일 수 있다. 음향영동 분리장치는, 세포의 생존력을 저하시키지 않으면서 CHO 세포의 더 나은 분리를 가능하게 하여, 원심분리기 및 필터보다 개선된 성능을 제공할 수 있다. 변환기는 또한 CHO 세포의 응집으로 인한 막힘을 방지하거나 제거하기 위해 빠른 압력 변화를 생성하도록 구동될 수 있다. 변환기의 주파수는 또한 주어진 전력에 대한 최적의 효과를 얻기 위해 변화될 수 있다.
여기에 기재된 기술 및 실행은, 통합된 연속 자동화된 생물공정 (bioprocessing)에 대해 사용될 수 있다. 비-제한적인 실시 예로서, CHO mAb 공정은, 여기에 기재된 기술 및 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 생물공정과 관련된 몇몇 또는 모든 유닛 (units)에 제어는 분산될 수 있다. 스크린 디스플레이, 제어 피드백 (control feedbacks), 보고, 상태 보고 및 기타 정보 전달의 형태일 수 있는, 생물공정의 개요를 가능하게 하기 위해 유닛으로부터의 피드백은 제공될 수 있다. 분산 처리는, 예를 들어, 유닛 간의 단계를 조정하고, 배치 실행 제어 (batch executive control)를 제공하여, 원하는 공정 제어를 달성하는데 높은 유연성을 가능하게 한다.
생물공정은, 상업적으로 이용가능한 구성요소로 달성될 수 있고, 100% 세포 보유를 얻을 수 있다. 커패시턴스 신호 (capacitance signal)에 기초한 외부 세포 블리드 (cell bleed)를 통해 세포 밀도는 제어될 수 있다. 음향파 시스템을 활용하는 관류 장치는, 생체적합성 물질로 실행될 수 있으며, 감마 멸균된 (gamma sterilized) 및 일회용 구성요소를 포함할 수 있다. 공정 시스템은 또한, 비침습적이며, 고점도 유체로 작동할 수 있는, 초음파 흐름 측정을 가능하게 한다. 상기 시스템은, 제어를 위해 간단한 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI) 및 일회용 멸균 커넥터로 실행될 수 있다.
음향파 시스템은, 음향 챔버 아래로 유도되는 스위핑 흐름 (sweeping flow)을 포함한다. 음향 정재파는, 유체 내에 미세입자에 대한 배리어으로서 작용할 수 있어, 정화된 스트림이 통과 및 추출되는 것을 가능하게 한다. 재순환 루프 (recirculation loop)는, 높은 유체 속도 및 낮은 전단 속도로 실행될 수 있다. 음향장을 통한 유체 속도는, 재순환 루프를 통한 유체 속도보다 낮을 수 있으며, 이는 낮은 전단력으로 분리를 개선시키는데 도움이 될 수 있다.
세포의 양성 및 음성 선택 (negative selection)은 또한 다양한 입자를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, TCR 양성 T 세포의 음성 선택은, 관능화된 입자가 TCR 양성 T 세포와 결합하여 TCR 양성 T 세포가 시스템으로부터 제거되는 과정이다. TCR 양성 T 세포는, 키메라 항원 수용체 T 세포 요법 (CAR-T)과 같은, 공정에 유해하다.
양성 선택 공정은 또한 변형된 T-세포가 적절히 관능화된 입자에 의해 선택되어서 이들이 세포 배양으로부터 도태되고, 그 다음 세포 치료에 나중에 활용되는 특정 세포에 대해 활용될 수 있다.
위에서 논의된 방법, 시스템, 및 장치는 예이다. 다양한 구성들은, 다양한 절차 또는 구성요소를 적절하게 생략, 대체, 또는 추가할 수 있다. 예를 들어, 선택적인 구성에서, 방법은 기재된 것과 다른 순서로 수행될 수 있고, 다양한 단계들은 추가, 생략, 또는 조합될 수 있다. 또한, 특정 구성과 관련하여 기재된 특색은, 다양한 다른 구성에서 조합될 수 있다. 구성의 다른 관점들 및 요소들은, 유사한 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 기술은 발전하고, 따라서, 많은 요소들은 예이며, 본 개시 또는 청구범위의 범주를 제한하지 않는다.
(실행을 포함하는) 대표 구성의 철저한 이해를 제공하기 위해 구체적인 세부 사항은 상세한 설명에 제공된다. 그러나, 이러한 구체적인 세부 사항 없이 구성들은 실시될 수 있다. 예를 들어, 공지된 공정, 구조, 및 기술은, 구성을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 불필요한 세부 사항 없이 나타낸다. 이러한 설명은 대표 구성만을 제공하며, 청구범위의 범주, 적용성, 또는 구성을 제한하지 않는다. 오히려, 구성들의 전술한 상세한 설명은, 기재된 기술을 실행하기 위한 상세한 설명을 제공한다. 본 개시의 사상 또는 범주를 벗어나지 않으면서 요소들의 기능 및 배열에서 다양한 변화는 만들어질 수 있다.
또한, 구성들은, 흐름도 또는 블록도로 도시된 공정로서 설명될 수 있다. 비록 각각이 순차적인 공정로서 작동들을 기재될 수 있지만, 많은 작동들은, 병렬적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 부가적으로, 작동의 순서는 재배열될 수 있다. 공정은, 도면에 포함되지 않은 부가적인 단계 또는 기능들을 가질 수 있다.
몇 가지 대표 구성을 기재하였지만, 본 개시의 사상을 벗어나지 않고 다양한 변경, 대안적인 구조물, 및 등가물은 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 요소들은 더 큰 시스템의 구성요소일 수 있으며, 여기서, 다른 구조 또는 공정들이 본 개시의 적용보다 우선하거나 또는 다른 방식으로 변경될 수 있다. 또한, 상기 요소들이 고려되기 전, 동안, 또는 후에, 다수의 작동들은 착수될 수 있다. 따라서, 상기 설명은 청구범위의 범주를 한정하지 않는다.

Claims (23)

  1. 제1 위치에서 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 입자 및 일차 유체를 포함하는 유체 혼합물이 흐르는 음향 챔버; 및
    상기 음향 챔버 내에 음향파를 생성하도록 구동될 수 있는 압전 물질을 포함하는 초음파 변환기를 포함하는, 음향영동 장치를 통해,
    상기 유체 혼합물을 유동시키는 단계; 및
    상기 음향파를 생성하기 위해 상기 초음파 변환기를 구동하는 단계를 포함하며,
    여기서, 상기 음향파는 상기 제1 위치에서 입자를 농축시키는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 음향파는, 다-차원 음향 정재파, 평면 음향 정재파, 다-차원 음향 정재파와 평면 음향 정재파의 조합, 또는 음향 진행파인, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는, 페이로드를 함유하는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 페이로드는, 바이러스, 핵산, 사이토카인, 제약학적 분자, 액체, 기체, 또는 이들의 혼합물인, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 위치에서 입자로부터 페이로드를 방출하는 단계를 더욱 포함하는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는, 고체, 다공질, 중공, 또는 폼인, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는, 하나 이상의 고분자 물질, 아이오노머, 세라믹, 또는 유리로 제조되는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 하나 이상의 고분자 물질은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 디비닐벤젠, 폴리메틸 메타크릴레이트, 다당류, 폴리락트산 (PLA), 및 폴리(락트-코-글리콜산 (PLGA))으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는, 다층의 고분자 물질로 형성되는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는 중공이고, 유리로 만들어지며, 유리의 외부 표면을 코팅하는 융삭 고분자를 갖는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 융삭 고분자는, 항원, 항체, 또는 단백질로 관능화된 다당류인, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는:
    액체 코어; 및
    상기 액체 코어를 캡슐화하는 지질 쉘을 포함하는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 액체 코어 내에 액체는 과불화탄소를 포함하는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 과불화탄소는, 퍼플루오로펜탄, 퍼플루오로헥산, 퍼플루오로옥탄, 퍼플루오로옥틸 브로마이드, 퍼플루오로디클로로옥탄, 또는 퍼플루오로데칼린인, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 지질 쉘은, 디팔미토일포스파티딜콜린 (DPPC), 1,2-팔미토일-포스파티드산 (DPPA), 지질-폴리에틸렌 글리콜 콘쥬게이트, 또는 지질과 알부민과의 복합체로부터 형성되는, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 지질 쉘은, 스트렙타비딘, 비오틴, 아비딘, 또는 항체로 관능화된, 일차 유체 내에 입자를 농축하는 방법.
  17. 액체 코어; 및
    상기 액체 코어를 캡슐화하는 지질 쉘을 포함하는, 입자.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 액체 코어 내에 액체는 과불화탄소를 포함하는, 입자.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 과불화탄소는, 퍼플루오로펜탄, 퍼플루오로헥산, 퍼플루오로옥탄, 퍼플루오로옥틸 브로마이드, 퍼플루오로디클로로옥탄, 또는 퍼플루오로데칼린인, 입자.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 지질 쉘은, 디팔미토일포스파티딜콜린 (DPPC), 1,2-팔미토일-포스파티드산 (DPPA), 지질-폴리에틸렌 글리콜 콘쥬게이트, 또는 지질과 알부민과의 복합체로부터 형성되는, 입자.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 지질 쉘은, 스트렙타비딘, 비오틴, 아비딘, 또는 항체로 관능화된, 입자.
  22. 유체로부터 표적 입자를 분리하는 방법으로서, 상기 방법은:
    챔버 내로 유체 내에 관능화된 입자를 수용하는 단계;
    상기 챔버 내로 표적 입자를 수용하는 단계;
    상기 표적 입자를 관능화된 입자와 결합시키는 단계; 및
    상기 챔버에 음향파를 적용하여 상기 음향파에 의해 수집될 또는 차단될 상기 관능화된 입자에 영향을 미치는, 음향파를 적용하는 단계를 포함하는, 유체로부터 표적 입자를 분리하는 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 관능화된 입자는, 퍼플루오로펜탄, 퍼플루오로헥산, 퍼플루오로옥탄, 퍼플루오로옥틸 브로마이드, 퍼플루오로디클로로옥탄, 또는 퍼플루오로데칼린 중 하나 이상인 과불화탄소를 포함하는, 유체로부터 표적 입자를 분리하는 방법.
KR1020207014816A 2018-01-02 2018-12-03 음향 정재파 공정에 사용하기 위한 입자 KR20200063252A (ko)

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US201862612979P 2018-01-02 2018-01-02
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