KR20210103248A

KR20210103248A - 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법

Info

Publication number: KR20210103248A
Application number: KR1020200017763A
Authority: KR
Inventors: 전누리; 박도현
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-08-23
Also published as: KR102374148B1

Abstract

본 발명은 미세유체 디바이스에 주입과 흡인을 반복하면서 신속하고 정밀하게 미세유체 패터닝할 수 있는 개방형 미세유체 디바이스 내에서 유체를 패터닝하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법은 서로 다른 높이를 갖고 유체 주입부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조, 레일 구조와 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양액의 주입이 가능한 배양액 저장부를 갖는 챔버부를 포함하여 개방형 구조로 형성되는 미세유체 디바이스를 준비하는 미세유체 디바이스 준비단계, 레일 구조의 유체 주입라인을 통해 유체를 주입하여 레일 구조의 하부에서 배양액 저장부와의 연통라인을 격리하는 레일 구조 유체 충진단계, 그리고 레일 구조에 주입된 유체를 레일 구조의 유체 흡인부를 통해 흡인하며 레일 구조 일부의 하부에 미세유체 패터닝 격벽으로 둘러싸인 빈 공간을 형성하는 미세유체 패터닝 격벽 형성단계를 포함한다.

Description

미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법{ASPIRATION MEDIATED MICROLIQUID PATTERNING METHOD WITHIN A MICROFLUIDIC DEVICE}

본 발명은 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법에 관한 것이다.

미세유체 디바이스(microfluidic device)는 3차원 세포 공배양을 통한 장기모사칩(organ-on-a-chip) 개발을 포함한 생물, 화학 등 다양한 연구분야에 활용되고 있다. 장기모사칩은 인체의 장기를 구성하는 특징적인 세포들을 배양하여 해당 장기의 및 역학, 생리적 기능을 모방하는 기술이다. 이러한 칩을 이용하여 물리, 화학적 자극에 대한 세포반응 메커니즘을 연구할 수 있고, 신약 개발 중 전임상 단계에서 약물의 성능 및 독성을 평가할 수 있는 모델로 활용될 가능성을 갖고 있다.

장기모사칩에서 인체와 유사한 환경을 모사는 데에는 장기를 구성하는 여러 세포의 공배양이 핵심적인 역할을 하는데 미세유체 디바이스 내 구조가 장기와 유사한 세포의 배치를 돕는 역할을 한다. 미세유체 디바이스를 이용한 세포 공배양과 관련하여, 한국특허출원 제10-2012-0040613호는 생체 외 혈관 생성장치를 제공한다. 상기 ‘613 특허는 미세유체 패터닝을 위한 복수개의 미세유체 채널이 특정 간격으로 반복되는 미세 기둥에 의해 분리되며, 상기 미세 기둥 사이의 좁은 틈으로 유체가 쉽게 이동하지 않는 성질을 이용하여 복수개의 미세유체 채널에 각각 다른 세포를 포함한 하이드로젤을 패터닝할 수 있다. 이러한 미세 기둥의 좁은 틈에서의 터짐 압력(bursting pressure)을 이용한 패터닝 방법은 주입 압력이 터짐 압력보다 작아야 하기 때문에 실험자의 숙련도에 따라 패터닝 성공률이 상이하다. 또한 표면이 소수성 성질을 가져야 하기 때문에 일반적으로 PDMS(polydimethylsiloxane)으로 제작되는데 PDMS는 대량생산에 적합하지 않다는 단점이 있다. 이와 같이, 종래 기술에 따른 미세유체 디바이스는 대량생산에 부적합하거나 실험자간 오차가 커 다수의 실험 결과물을 확보하는데 수율 및 효율에 제한이 있다.

한국특허출원 제10-2012-0040613호

본 발명은 미세유체 디바이스에 주입과 흡인을 반복하면서 신속하고 정밀하게 미세유체 패터닝할 수 있는 개방형 미세유체 디바이스 내에서 유체를 패터닝하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 패터닝 방법을 이용하여 이종 세포의 공동 배양하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법은 서로 다른 높이를 갖고 유체 주입부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조, 레일 구조와 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양액의 주입이 가능한 배양액 저장부를 포함하여 개방형 구조로 형성되는 미세유체 디바이스를 준비하는 미세유체 디바이스 준비단계, 레일 구조의 유체 주입부를 통해 유체를 주입하여 레일 구조의 하부에서 배양액 저장부와 연통라인을 격리하는 유체 충진단계, 그리고 레일 구조 하부에 주입된 유체를 레일 구조의 유체 흡인부를 통해 흡인하여 레일 구조 일부의 하부에 미세유체 패터닝 격벽으로 둘러 싸인 빈 공간을 형성하는 미세유체 패터닝 격벽 형성단계를 포함한다.

여기서, 레일 구조는 챔버부의 밑면을 기준으로 제1 높이를 갖는 제1 레일, 그리고 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖고 제1 레일의 폭방향 양측에서 제1 채널의 길이방향을 따라 구비되는 제2 레일을 포함할 수 있다. 제1 레일은 길이방향을 따라 양측에 개구부를 갖고 유체 주입부 또는 유체 흡인부로 선택적으로 사용될 수 있다.

미세유체 패터닝 격벽 형성단계에서 제1 레일 하부에 위치한 유체는 유체 흡인부를 통해 흡인되고 제2 레일에 위치한 유체는 잔류하여 미세유체 패터닝 격벽을 형성하여 결과적으로 제1 레일 하부에 제1 레일과 패터닝 격벽, 바닥 면으로 둘러싸진 채널을 형성할 수 있다. 여기서, 제2 레일 하부의 액체가 흡인되지 않고 제1 레일 하부의 액체만 흡인되도록 하는 조건은 레일 구조 하부에 충진된 액체가 갖는 공기-액체 계면들의 임계 모세관 압력간의 비교를 통해 결정된다.

미세유체 디바이스는 적어도 유체와 접하는 면이 친수성 소재로 형성될 수 있다.

본 발명의 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 이용하면 레일 구조를 포함한 개방형 미세유체 디바이스에서 레일 구조의 아래에 충분히 주입된 유체가 흡인될 시 모세관력이 강하게 작용하는 부분에만 유체를 패터닝 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 레일 구조는 챔버부의 하부에 구비된 바닥부로부터 높이 방향을 따라 이격된 길이가 짧은 제2 레일이 상대적으로 바닥부로부터 이격된 길이가 긴 제1 레일을 둘러싸고 있는 형태로 형성되므로, 제1 레일에 위치한 개구부를 통해 유체가 주입되었다 흡인될 시 제2 레일의 아래에만 유체를 패터닝 할 수 있다.

본 발명의 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 이용하면 파이펫으로 과량의 유체를 흡인한 뒤 여러 개의 미세유체 디바이스에 주입과 흡인을 반복하면서 신속하고 정밀하게 미세유체를 패터닝 할 수 있다.

또한, 제2 레일이 복수개의 제1 레일을 둘러 싸고 있을 시 개구부의 크기 조절을 통하여 한 번의 하이드로젤 용액의 흡인으로 복수개의 미세유체 채널을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법은 미세유체 디바이스를 이용한 실험의 효율성을 극대화 시킬 수 있으며, 특히 다종 세포의 공배양에 효과적으로 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 패터닝을 위한 미세유체 디바이스의 기본 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 미세유체 패터닝에 영향을 미치는 레일 구조의 변수들을 도시한 도면이다.
도 4는 각 계면의 임계 모세관 압력의 상대적인 크기에 따른 패터닝 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 기본 레일 구조에서 앞서 구한 각 계면의 임계 모세관 압력으로 패터닝에 성공하는 이론적 치수 조건(연두색 영역)과 실패하는 이론적 치수 조건(분홍색 영역)을 도시한 도면이다. 초록색 점과 빨간색 표시는 각각 실험적인 성공 및 실패 조건을 나타낸다.
도 6은 한 번의 하이드로젤 용액의 흡인으로 복수개의 미세유체 채널을 형성할 수 있는 개방형 미세유체 디바이스를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 미세유체 디바이스에서 한번의 흡인을 통해 복수개의 미세유체 채널을 형성하는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 혈관 생성 능력 비교를 위한 개방형 미세유체 디바이스를 도시한 도면이다.
도 9는 혈관 생성 능력 비교의 실시 예를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 관심 관찰 영역(region of interest, ROI)의 세포 별 혈관 생성 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 도 10의 이미지 분석을 통한 세포 별 혈관 생성 능력을 정량적으로 도시한 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 패터닝 방법을 수행할 수 있는 기본적인 형태의 미세유체 디바이스(100)를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스(100)는 서로 다른 높이를 갖고 유체 주입부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조(120), 레일 구조(120)와 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양액의 주입이 가능한 배양액 저장부(130)를 갖는 챔버부(110)를 포함하여 개방형 구조로 형성될 수 있다. 레일 구조(120)는 챔버부(110)의 외벽을 형성하는 웰 벽과 연결될 수 있다. 웰 벽은 바닥부(112)와 부착되어 레일 구조(120)을 지지하는 기능 및 세포 배양시 배양액을 채울 수 있는 배양액 저장부(130)를 제공할 수 있다. 챔버부(110)와 바닥부(112)는 필요에 따라 일체로 형성될 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스(100)는 적어도 유체와 접하는 면이 친수성 표면을 갖도록 친수성 소재로 형성될 수 있다. 여기서, 유체는 하이드로젤 용액을 포함할 수 있다. 레일 구조(120)는 챔버부(110)의 밑면을 기준으로 제1 높이를 갖는 제1 레일(122), 그리고 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖고 제1 레일(122)의 폭방향 양측에서 제1 레일(122)의 길이 방향을 따라 구비되는 제2 레일(124)을 포함할 수 있다. 레일 구조(120)는 바닥부(112)로부터 이격된 길이가 짧은 제2 레일(124)이 상대적으로 바닥부(112)로부터 이격된 길이가 긴 제1 레일(122)을 둘러싸고 있는 형태로 형성될 수 있다. 레일 구조(120)는 제1 레일(122)을 둘러싼 제2 레일(124)을 포함할 수 있다. 제1 레일(122)은 길이방향을 따라 양측에 개구부(126)를 갖고 유체 주입부 또는 유체 흡인부로 선택적으로 활용될 수 있다. 여기서, 개구부(126)는 제1 개구(126a)와 제2 개구(126b)를 포함할 수 있다. 다만, 제1 개구(126a)와 제2 개구(126b)는 위치상 구분한 것이며, 필요에 따라 제1 개구(126a)와 제2 개구(126b)의 기능은 상호 치환될 수도 있다. 예를 들어, 유체가 유입되거나 흡인되는 개구부(126)를 제1 개구(126a), 공기가 흡인되는 개구부(126)를 제2 개구(126b)로 구분할 수 있다. 따라서, 별도의 한정이 없는 한 어느 하나의 개구부(126)를 통해 유체가 유입될 수 있다. 그리고 어느 하나의 개구부(126)를 통해 유체가 흡인되는 경우, 반대편의 다른 하나의 개구부(126)를 통해 공기가 유입되는 것으로 설명될 수 있다. 이러한 측면에서 제1 레일(122)에 위치한 제1 개구(126a)를 통해 유체가 주입되었다 흡인될 시 제2 레일(124)의 아래에만 유체를 패터닝 할 수 있다. 한편, 제2 레일(124)이 복수개의 제1 레일(122)을 둘러 싸고 있을 시 개구부(126)의 크기 조절을 통하여 한 번의 하이드로젤 용액의 흡인으로 복수개의 빈 공간을 형성할 수 있다. 하이드로젤 용액으로 패터닝 할 경우 복수개의 빈 공간은 하이드로젤 격벽과 제1 레일(122), 바닥부(112)로 둘러 싸인 미세유체 채널을 형성한다. 따라서, 미세유체 디바이스(100)를 이용한 실험의 효율성을 극대화 시킬 수 있다. 특히 다종 세포의 공배양에 효과적으로 이용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 패터닝 방법의 과정을 순차적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법은 미세유체 디바이스 준비단계(S210), 레일 구조 하부 유체 충진단계(S220), 유체 흡인단계(S230), 그리고 미세유체 패터닝 격벽 형성단계(S240)를 포함한다.

미세유체 디바이스 준비단계(S210)는 서로 다른 높이를 갖고 유체부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조(120), 레일 구조(120)과 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양액의 주입이 가능한 배양액 저장부(130)를 갖는 챔버부(110)를 포함하여 개방형 구조로 형성되는 미세유체 디바이스(100)를 준비하는 단계이다.

레일 구조 유체 충진단계(S220)는 레일 구조(120)의 유체 주입부를 통해 유체를 주입하여 레일 구조(120)의 하부에서 배양액 저장부(130)와의 연통라인을 격리하는 단계이다.

유체 흡인 단계(S230)는 레일 구조(120)에 주입된 유체를 레일 구조(120)의 유체 흡인부를 통해 흡인하는 단계이다. 유체 흡인 단계는 미세유체 패터닝 격벽 형성단계와 하나의 단계로 연속하여 구현될 수 있다.

미세유체 패터닝 격벽 형성단계(S240)는 제1 레일 하부는 비워지고 제 2레일의 하부에 액체가 남아 제1 레일의 하부가 새로운 유로가 될 수 있도록 격벽(140)을 형성하는 단계이다. 미세유체 패터닝 격벽 형성단계(S240)에서 제1 레일(122)에 주입된 유체는 유체 흡인부를 통해 흡인되고 제2 레일(124)에 주입된 유체는 기설정 형상으로 잔류하여 미세유체 패터닝 격벽(140)을 형성할 수 있다. 상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법을 이용하면 레일 구조(120)를 포함한 개방형 미세유체 디바이스(100)에서 레일 구조(120)의 아래에 충분히 주입된 유체가 흡인될 시 모세관력이 강하게 작용하는 부분에만 유체를 패터닝 할 수 있다. 미세유체 디바이스(100)가 여러 개가 준비된 상태이면 파이펫으로 과량의 유체를 흡인한 뒤 여러 개의 미세유체 디바이스(100)에 유체의 주입과 흡인을 반복하면서 신속하고 정밀하게 미세유체 패터닝을 형성할 수 있다.

제1 레일(122)에 있는 제1 개구(126a)를 통해 유체를 주입하여 레일 구조(120) 아래에 유체를 채운 뒤 흡인하면 빨아들이는 반대편 개구부(126)인 제2 개구(126b)로 공기가 들어오면서 제1 레일(122)의 아래 공간이 비워진다. 좀 더 구체적으로 제2 레일(124) 아래에만 유체가 패터닝 되는 이유를 설명한다. 레일 구조(120)의 아래에 유체를 충분히 채우면 유체-기체 계면은 제2 레일(124) 아래의 측면과 주입하는 제1 개구(126a)의 반대편 제2 개구(126b)에 생성된다. 이후 유체를 흡인하면 유체의 부피가 감소하면서 계면들은 모양을 바꾸다가 각 계면이 가질 수 있는 임계의 모세관 압력을 넘어서면 계면이 이동한다. 모세관 압력은 표면장력계수(γ)와 곡률(κ)의 곱으로 표현되는 영-라플라스 식(Δp=γκ=γ(1/R₁+1/R₂))으로 계산할 수 있다. 그리고 한 계면이 가질 수 있는 최대의 모세관 압력은 표면에 친수 처리를 했기 때문에 계면이 오목한 모양으로 반원 형태일 때(곡률반경(R)이 가장 작은 때)로 가정할 수 있다. 제2 레일(124) 아래의 측면에서 생기는 계면의 임계 모세관 압력(

)은 수학식 1로 표현할 수 있다.

[수학식 1]

Δp=γ(2cos

/h+1/η)

여기서,

는 접촉각, h는 제2 레일(124)의 높이, η는 레일 길이방향의 곡률반경을 나타낸다.

h<<η 이고 친수 표면이기 때문에

~0°이므로 제2 레일(124) 아래의 임계 모세관 압력(

)은 수학식 2로 간략히 표현할 수 있다.

[수학식 2]

같은 논리로 빨아들이는 반대편 개구부(126)에 생기는 계면의 임계 모세관 압력(

)은

으로 표현된다. 이 두 임계 압력의 상대적인 크기에 의해 이동하는 계면이 결정된다.

일 경우 개구부(126)쪽 계면이 이동하면서 제1 레일(122)의 아래쪽에 새로운 계면이 형성된다.

제1 레일(122) 아래쪽의 새로운 계면 역시 영-라플라스 식으로 계산될 수 있으며, 제1 레일(122) 아래의 임계 모세관 압력(

)은 수학식 3으로 표현된다.

[수학식 3]

)

여기서,

은 제1 레일(122)의 폭,

는 제1 레일(122)의 높이를 나타낸다.

제1 레일(122) 아래의 계면과 제2 레일(124) 아래 측면 계면의 임계 모세관 압력의 상대적 크기에 의해 이동하는 계면이 결정된다.

일때, 제1 레일(122) 아래의 계면이 빨아들이는 개구부(126)까지 이동하여 공기가 빨리기 시작하면 유체의 부피 감소는 종료되고 결국 제2 레일(124)의 아래에만 유체가 남는다.

도 3은 미세유체 패터닝에 영향을 미치는 레일 구조의 변수들을 나타내며 도 4는 각 계면의 임계 모세관 압력의 상대적인 크기에 따른 패터닝 결과를 보여준다. 도 4를 참조하면, 왼쪽 열은 제2 레일(124) 아래의 임계 모세관 압력(

)이 가장 큰 경우로, 제2 레일(124)의 아래쪽에 유체가 계속 남아있는다. 이와는 달리, 가운데 열은 빨아들이는 반대편 개구부(126)에서 기체가 들어오지 못하고 제2 레일(124) 아래의 계면이 이동하면서 패터닝에 실패하는 경우를 나타낸다. 그리고 오른쪽 열은 반대편 개구부(126)에서 기체가 들어오기는 했지만 제1 레일(122) 아래 계면의 임계 모세관 압력이 더 커서 제2 레일(124) 아래의 계면이 이동하여 패터닝에 실패한 경우를 보여준다.

도 5는 길이가 5 mm, 폭이 1 mm 인 기본 레일 구조에서 앞서 구한 각 계면의 임계 모세관 압력으로 패터닝에 성공하는 치수 조건과 실패하는 치수 조건을 보여준다. 위 그래프는 제2 레일 아래 측면에 있는 계면과 빨아들이는 반대편 개구부에 있는 계면에서의 패터닝을 위한 치수 조건을 나타낸다.

일 때_,즉,

을 기준으로 이론적 경계가 나누어지고 실제 실험에서는 대체로 만족하는 것을 확인하였다. 아래 그래프는 제2 레일 아래 측면에 있는 계면과 제1 레일 아래에 있는 계면에서의 패터닝을 위한 치수 조건을 나타낸다.

일 때, 즉

)을 기준으로 이론적 경계가 나누어지고 실제 실험에서도 일치하는 경향을 확인하였다.

이러한 디자인 법칙을 활용하면 도 6과 같이 레일 구조에서 한 번의 흡인으로 여러 개의 끊어진 유체 채널을 형성할 수 있다. 도 6은 ‘S’, ‘N’, ‘U’ 모양의 3개의 제1 레일이 직사각형 모양의 제2 레일에 둘러싸여 있는 개방형 미세유체 디바이스이며 빨아들이는 개구부를 제외하고 나머지 개구부의 크기가 S1부터 U1까지 갈수록 작아지는 형태이다. 이러한 구조에서 유체를 레일의 아래에 충분히 채웠다가 빨아들이면 도 7과 같이 개구부가 큰 개구부에서부터 기체가 유입되면서 순차적으로 채널을 형성한다.

상기한 바와 같이 미세유체 디바이스 내 흡인 기반의 하이드로젤 패터닝 방법은 임계 모세관 압력의 크기가 작은 계면부터 이동하는 현상을 이용하여 제2 레일의 아래에만 유체를 패터닝할 수 있다. 그리고 하이드로젤 솔루션을 패터닝할 경우 새로운 채널이 형성되어 다른 유체를 주입할 수 있다. 또한 한 번의 흡인으로 여러 개의 채널을 형성할 수 있다.

이와 같은 패터닝 방법을 이용하여 다종세포의 공배양 실험에 활용한 미세유체 디바이스의 구조도는 도 8과 같다. 도 8을 참조하면, 5 mm x 5 mm 의 바닥부로부터 75 μm 떨어져 있는 제2 레일(low rail)에 바닥부로부터 250 μm 떨어져 있는 4 개의 제1 레일(high rail)이 둘러싸여 있는 형태로, 외곽에 위치한 개구부를 통해 하이드로젤 용액을 주입했다가 흡인하면 4개의 미세유체 채널을 형성할 수 있다.

도 9는 다종세포 공배양을 통해 여러 세포의 혈관 생성 능력을 비교한 실시 예를 보여준다. 제2 레일의 아래에 혈관 세포를 하이드로젤에 섞어 패터닝하고 패터닝된 하이드로젤 격벽에 의해 생성된 4개의 채널에 혈관 생성 능력을 비교하고자 하는 각각 다른 세포를 하이드로젤에 섞어 주입하여 5일간 배양한 뒤 혈관 세포를 염색하여 이미징하였다. 좌측 상단의 채널에는 폐 섬유아세포(lung fibroblast, LF)를, 우측 상단 채널에는 교모세포종 세포주인 U87MG를, 좌측 하단 채널에는 폐암 세포주인 H1299, 우측 하단 채널에는 세포가 없는 하이드로젤을 주입하였다. 혈관 생성 능력을 비교하고자 하는 세포들이 주입된 채널 주변에 관심 영역(region of interest)을 설정하였다.

도 10은 도 9의 관심 관찰 영역(region of interest, ROI)의 세포 별 혈관 생성 결과를 도시한 도면이며, 도 11은 도 10의 이미지 분석을 통한 세포 별 혈관 생성 능력을 정량적으로 도시한 도면이다. 도 10은 여러 세포 별 관심 영역 내의 혈관 생성 결과를 나타낸다. 관심 영역 내의 혈관의 면적을 정량화하여 도 11과 같이 세포 별로 혈관 생성 능력을 비교할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 제시한 미세유체 패터닝 방법은 레일 구조(120) 아래에 유체를 주입했다 흡인하는 방법을 사용하여 유체가 주입되었다 흡인될 시 제2 레일의 아래에만 유체를 패터닝 할 수 있다. 이러한 미세유체 패터닝 방법은 레일 구조(120)의 아래를 채웠을 때 생성되는 유체-공기 계면들의 상대적인 최대 모세관 압력의 크기에 따라 패터닝 결과가 결정될 수 있다. 유체-공기 계면에서 일반 실험실용 마이크로 파이펫을 사용할 경우 그 파이펫이 가할 수 있는 압력 범위 안에서는 파이펫에 의한 흡인 압력의 영향이 미미하여 최초 주입된 양과 관계 없이 최종적으로는 계면의 역학관계에 의해 일정한 볼륨이 남는다. 반면에 마이크로웰과 결합된 미세유체 채널에 유체를 패터닝 하기 위해 마이크로웰의 내측 모서리에 유체를 주입하여 패터닝했던 방법은 파이펫이 주입하는 유체의 부피가 일정하지 않을 경우 레일 구조에 패터닝 되는 유체의 양도 일정하지 않게 된다. 따라서, 정량의 부피를 주입하여야 하기 때문에 파이펫의 정확도가 떨어질 경우 부피 차이에 따라 하이드로젤 계면의 모양이 달라져 공배양 시 상이한 결과를 얻을 수 있다. 일반 파이펫 사용시 다수의 디바이스에 주입하기 위해서는 정량의 유체를 흡인했다가 주입하는 것을 반복해야 한다. 하지만 본 발명의 실시예에서 사용한 방법은 유체를 과주입하였다가 흡인하여 일정한 양만 남도록 하기 때문에 사용하는 파이펫의 정확도와 관계 없이 일정한 부피의 유체를 패터닝할 수 있다. 이러한 장점 덕분에 다수의 미세유체 디바이스를 채울 수 있는 만큼의 하이드로젤을 흡인한 뒤 각 미세유체 디바이스의 모든 레일 구조(120)에 주입했다 흡인을 반복하여 빠르게 패터닝할 수 있다. 하이드로젤의 특성상 시간이 지남에 따라 점차 경화하고, 이에 따라 성질이 민감하게 달라지기 때문에 신속하게 모든 미세유체 디바이스를 채움으로써 한 동일 실험 내 패터닝된 하이드로젤 간의 물리적 성질의 편차를 최소화할 수 있다.

또한 모서리에 주입하는 방법은 파이펫의 말단을 고정할 수 없기 때문에 일정하지 않은 패터닝 위치, 유체 주입 중 흔들림 등 패터닝의 정확도를 떨어뜨리는 요소들을 갖고 있다. 본 발명의 실시예는 개구부가 정해져 있기 때문에 사용자로 하여금 정확한 패터닝 위치와 유체 주입 및 흡인시 안정성을 제공할 수 있다.

종래 친수성 표면을 활용한 미세유체 패터닝 방법은 마이크로웰의 모서리를 통해 유체를 흘려 보내 결과적으로 레일의 아래쪽에 유체를 패터닝하는 방법이었다. 따라서 미세유체 패터닝을 위해서는 마이크로웰의 내측 모서리 경로가 하나 이상의 폐곡선을 형성하여야 한다. 하지만 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 패터닝 방법은 레일 구조(120)가 마이크로웰의 모서리 경로와 무관하게 위치할 수 있기 때문에 미세유체 디바이스 설계시 구조의 자유도가 더 높다는 장점이 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100 ; 미세유체 디바이스 110 ; 챔버부
112 ; 바닥부 120 ; 레일 구조
122 ; 제1 레일 124 ; 제2 레일
126 ; 개구부 126a ; 제1 개구
126b ; 제2 개구 130 ; 배양액 저장부
140 ; 미세유체 패터닝 격벽

Claims

서로 다른 높이를 갖고 유체 주입부와 유체 흡인부를 포함하는 레일 구조, 상기 레일 구조와 하부 연통라인으로 연결되며 세포배양을 위한 배양물질의 주입이 가능한 배양액 저장부를 갖는 챔버부를 포함하여 개방형 구조로 형성되는 미세유체 디바이스를 준비하는 미세유체 디바이스 준비단계,
상기 레일 구조의 유체 주입부를 통해 유체를 주입하여 상기 레일 구조의 하부에 액체를 채우는 레일 구조 유체 충진단계, 그리고
상기 레일 구조에 주입된 유체를 상기 레일 구조의 유체 흡인부를 통해 흡인하여 레일 구조 일부의 하부에 패터닝 된 액체 격벽으로 둘러싸인 빈 공간을 형성하는 미세유체 패터닝 격벽 형성단계
를 포함하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
제1항에서,
상기 레일 구조는
상기 챔버부의 밑면을 기준으로 제1 높이를 갖는 제1 레일, 그리고
상기 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖고 상기 제1 레일의 폭방향 양측에서 상기 제1 레일의 길이방향을 따라 구비되는 제2 레일을 포함하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
제2항에서,
상기 제1 레일은
길이방향을 따라 양측에 개구부를 갖고 상기 유체 주입부 또는 상기 유체 흡인부로 선택적으로 활용되는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
제3항에서,
상기 미세유체 패터닝 격벽 형성단계에서 상기 유체 흡인부를 통해 흡인할 시 상기 제1 레일 하부에 위치한 유체는 흡인되고 상기 제2 레일 하부에 위치한 유체는 잔류하여 미세유체 패터닝 격벽을 형성하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
제4항에서,
상기 미세유체 패터닝 격벽을 형성하는 조건은 상기 레일 구조 하부에 주입된 액체의 기체-액체 계면의 상대적인 임계 모세관 압력의 크기에 의해 결정되며, 상기 모세관 압력(Δp)은 수학식 (1)로 표현하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
수학식(1)
Δp=γκ
여기서, γ는 표면장력, κ는 기체-액체 계면의 곡률
제5항에서,
상기 제2 레일 아래의 임계 모세관 압력(
)은 수학식 (2)로 표현하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
수학식(2)

여기서
는 접촉각, h는 제2 채널의 높이, η는 채널 길이방향의 곡률반경
제5항에서,
상기 개구부의 임계 모세관 압력(
)은 수학식 (4)로 표현하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
수학식(4)

여기서,
는 개구부의 지름
제5항에서,
상기 제1 레일 아래의 임계 모세관 압력(
)은 수학식 (3)로 표현하는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
수학식(3)

)
여기서,
은 제1 레일의 폭,
는 제1 레일의 높이
제5항에서,
상기 미세유체 패터닝 격벽을 형성하는 조건은 상기 제2 레일 아래 계면의 임계 모세관 압력(
)이 상기 개구부 계면의 임계 모세관 압력(
)과 상기 제1 레일 아래 계면의 임계 모세관 압력
보다 큰 경우인 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.
제1항에서,
상기 미세유체 디바이스는 적어도 상기 유체와 접하는 면이 친수성 소재로 형성되는 미세유체 디바이스 내 흡인 기반 미세유체 패터닝 방법.