KR20220004107A

KR20220004107A - 마이크로입자 및 세포 패턴화를 위한 임의 형상화, 깊은 하위파장 음향 조작

Info

Publication number: KR20220004107A
Application number: KR1020217037920A
Authority: KR
Inventors: 페이 유 이. 치우; 콴-웬 텅; 벤자민 엠. 우
Original assignee: 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2022-01-11
Also published as: US20220203359A1; CN113826229A; JP2022529525A; CA3137717A1; WO2020219831A1

Abstract

본 발명은 고해상도의 임의의 형상의 에너지 전위 우물을 합성할 수 있는 근접장 음향 플랫폼에 관한 것이다. 얇은 점탄성 멤브레인은 플랫폼에서 선택적으로 구조적 진동을 억제하여 깊은 하위파장 척도에서 음향 파면을 변조하는 데 사용된다. 이 새로운 음향 파면 변조 메커니즘은 복합 생물학적 제품 제조에 강력하다.

Description

마이크로입자 및 세포 패턴화를 위한 임의 형상화, 깊은 하위파장 음향 조작

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2019년 4월 24일에 출원된 미국 가특허출원 제62/837,768호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.

연방 지원 연구 또는 개발에 관한 진술

이 발명은 National Science Foundation의 과제 제1711507호에 따라 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가지고 있다.

마이크로미터에서 센티미터까지의 규모로 생물학적 개체를 조작하는 방법은 세포-세포 상호작용 연구를 포함한 많은 생물의학 응용의 기초이다(Nilsson J 등, Analytica chimica acta, 649(2), 141-157; Sun J 등, Biomaterials, 35(10), 3273-3280), single-cell analysis (Wood DK 등, Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(22), 10008-10013; Collins DJ 등, Lab on a Chip, 15(17), 3439-3459), drug development (Kang L 등, Drug discovery today, 13(1-2), 1-13), point-of-care diagnostics (Gervais L 등, Advanced materials, 23(24), H151-H176; Taller D 등, Lab on a Chip, 15(7), 1656-1666; Xiao Y 등, PloS one, 11(4), e0154640), and tissue engineering (Puleo CM 등, Tissue engineering, 13(12), 2839-2854; Jamilpour N 등, ACS Biomaterials Science & Engineering, 2019). 광학(Hu W 등, Lab on a Chip, 13(12), 2285-2291; Zhong MC 등, Nature communications, 4, 1768; Ashkin A 등, Nature, 330(6150), 769; Zhang H 등, Journal of the Royal Society interface, 5(24), 671-690), 자기 (Lim B 등, Nature communications, 5, 3846), 및 동전기 (Ho CT 등, Lab on a Chip, 13(18), 3578-3587; Chiang MY 등, Science advances, 2(10), e1600964; Cheng IF 등, Biomicrofluidics, 1(2), 021503) 힘을 효율적으로 사용하는 종래의 방법은 다용도이지만, 다양한 결함을 제기한다. 광학적 힘은 조작된 물체의 정확한 3차원(3D) 제어를 제공할 수 있지만 처리량이 낮다. 자력은 널리 적용되지만 세포 기능 및 다운스트림 분석을 방해할 수 있는 자성 입자의 추가 라벨링이 필요하다. 유전영동 및 전기삼투와 같은 동전기에 기반한 다른 접근법은 구현하기 쉽지만 버퍼 비호환성 및 조작된 샘플을 손상시킬 수 있는 전기 간섭으로 인해 문제가 발생한다. 3D 프린팅(Chia HN 등, Journal of bio engineering, 9(1), 4; Panwar A 등, Molecules, 21(6), 685)은 복합 패턴화 프로파일을 형성하는 또 다른 수단을 제공하지만 인쇄된 물체를 정밀하게 제어할 수 없어서 해상도를 제한한다. 반면에 음향적 힘은 비침습적이고 라벨이 없으며 생체 적합성 조작을 위한 잠재적인 방법을 제공한다.

음향 조작은 과거에 뛰어난 생체 적합성과 서브마이크로미터에서 수 밀리미터에 이르는 크기의 물체를 제어할 수 있는 강도로 인해 많은 관심을 끌었다. 주변 매질로부터 밀도와 압축성이 다른 입자는 균일하지 않은 음향장 분포로 인해 발생하는 순 음향 방사력(ARF)을 경험하여 낮은 위치 또는 높은 포텐셜 에너지 영역으로 이동한다. 파장(D<< λ)보다 훨씬 작은 크기의 입자에 대해, ARF는 다음 표현에 의해 근사화될 수 있다(Bruus H, Lab on a Chip, 12(6), 1014-1021):

(방정식 1)

(방정식 2)

(방정식 3)

(방정식 4).

여기서 F ^rad 는 ARF이고, U ^rad 는 음향 포텐셜 에너지이고, a는 입자 반경이고, p 및 v는 입자에서의 1차 음압 및 속도이다. 재료 압축성 κ 및 밀도 σ는 입자 및 주변 매질에 대해 각각 'p' 및 'o'가 아래 첨자로 붙는다. 자주 사용되는 두 가지 기존 음향 메커니즘인 벌크 음향파 (BAW) (Raeymaekers B 등, Journal of Applied Physics, 109(1), 014317; Leibacher I 등, Lab on a Chip, 15(13), 2896-2905; Hammarstrφm B 등, Lab on a Chip, 12(21), 4296-4304; Castro A 등, Ultrasonics, 66, 166-171) 및 표면 음향파 (SAW)는 불균일한 음향장을 생성하기 위해 적용되었다(Collins DJ 등, Nature communications, 6, 8686; Ding X 등, Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(28), 11105-11109; Guo F 등, Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(6), 1522-1527; Tay AK 등, Lab on a Chip, 15(12), 2533-2537; Destgeer G 등, Lab on a Chip, 15(13), 2722-2738; Lin SCS 등, Lab on a Chip, 12(16), 2766-2770; Yeo LY 등, Biomicrofluidics, 3(1), 012002; Chen Y 등, ACS nano, 7(4), 3306-3314; Ding X 등, Lab on a Chip, 12(14), 2491-2497; Bian Y 등, Microfluidics and nanofluidics, 21(8), 132; Rezk AR 등, Advanced Materials, 28(10), 2088-2088; Kang B 등, Nature communications, 9(1), 5402). BAW에서, 실리콘 또는 유리 미세 유체 챔버와 같은 음향적으로 단단한 구조는 공명 공동을 형성하도록 제작된다. 공동의 특정 음향 모드와 일치하는 음향 주파수는 불균일한 장을 형성하는 이러한 구조에서 정재파를 여기시키기 위해 선택된다. 그러나 이러한 메커니즘은 입자 패턴화 프로파일을 파장의 절반(1/2λ)보다 작은 공간 해상도로 단순하고 주기적으로 제한한다. 음향 주파수를 증가시켜 해상도를 향상시킬 수 있지만 높은 에너지 감쇠로 인한 상당한 가열은 생물학적 개체를 조작하는 동안 심각한 문제를 일으킬 수 있다. SAW에서, 정재파는 압전 기판에 제작된 상호교차 변환기 (IDT) 쌍을 구현하여 생성할 수 있다. 챔버로 누출되는 반대 전파 SAW는 정재파를 형성하여 불균일한 필드를 생성할 수 있다. IDT에 인가되는 전기 신호의 위상과 주파수를 조정하여 동적 패턴화를 달성할 수 있다. 그럼에도 불구하고 정재파의 특성으로 인해 SAW는 일반적으로 대칭인 제한된 패턴화 프로파일과 유사한 문제에 직면한다. 또한 유체로의 에너지 전달로 인한 SAW의 급격한 감쇠는 넓은 영역의 패턴화를 어렵게 만들고; 일반적인 SAW 디바이스는 1 mm × 1 mm보다 큰 영역에서 작동할 수 없다(Collins DJ 등, Nature Communications, 6, 8686).

따라서, 넓은 영역에 걸쳐 고해상도의 임의의 형상화 포텐셜 에너지 우물을 생성할 수 있는 음향 접근법이 당업계에 필요하다. 본 발명은 이러한 미충족 요구를 충족시킨다.

일 양태에서, 본 발명은 입자를 조작하기 위한 순응성 멤브레인 음향 패턴화 디바이스에 관한 것으로, 상기 디바이스는 압전 층; 상기 압전 층의 최상부에 배치된 복수의 공동을 포함하는 패턴화 층으로서, 상기 공동의 각각은 상기 패턴화 층의 최상부 표면과 동일 평면 상에 있는 멤브레인에 의해 덮힌 패턴화 층; 상기 패턴화 층의 최상부에 배치된 유체 층; 유체에 액침된 복수의 입자; 상기 유체 층의 최상부에 배치된 커버 층; 및 발진 주파수에서 상기 압전 층을 작동시키도록 구성된 발진 전원을 포함한다.

일 구현예에서, 압전 층은 납 지르코네이트 티테이트(PZT), 바륨 티타네이트, 및 비스무트 나트륨 티타네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함한다. 일 구현예에서, 압전 층은 약 100 μm 내지 1000 μm의 두께를 갖는다. 일 구현예에서, 패턴화 층은 플라스틱, 중합체, 고무, 겔, 실리콘, 및 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함한다. 일 구현예에서, 패턴화 층은 약 10 μm 내지 50 μm의 두께를 갖는다. 일 구현예에서, 멤브레인은 약 1 μm 내지 5 μm의 두께를 갖는다. 일 구현예에서, 멤브레인은 불투수성 코팅, 소수성 코팅, 친수성 코팅, 또는 기능화 코팅으로 이루어진 군으로부터 선택된 코팅을 추가로 포함한다. 일 구현예에서, 상기 유체 층은 물, 세포 배양 배지, 혈액, 혈청, 및 완충 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 입자는 비드, 나노입자, 마이크로입자, 세포, 기포, 미생물, 핵산, 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일 구현예에서, 공동은 기체, 유체, 또는 공기를 포함한다.

일 구현예에서, 디바이스는 발진 전원에 전기적으로 연결되고 발진 주파수를 변조하도록 구성된 제어기를 추가로 포함한다. 일 구현예에서, 디바이스는 온도 조절기, 및 온도 센서를 추가로 포함하고, 상기 온도 조절기는 디바이스의 온도를 유지하도록 구성된다.

다른 양태에서, 본 발명은 하기의 단계들을 포함하는, 유체에서 입자를 조작하는 방법에 관한 것이다: 압전 층 및 상기 압전 층의 최상부에 배치된 패턴화 층을 포함하는 순응성 멤브레인 음향 패턴화 (CMAP) 플랫폼을 제공하는 단계로서, 상기 패턴화 층은 적어도 하나의 공기 공동을 포함하고, 각각의 공기 공동은 상기 패턴화 층의 최상부 표면과 동일 평면 상에 있는 멤브레인으로 덮힌 단계; 상기 패턴화 층의 최상부에 복수의 입자 및 유체를 위치시키는 단계; 상기 유체 층의 최상부에 커버 층을 위치시키는 단계; 상기 패턴화 층, 유체 층, 및 커버 층을 통해 위쪽으로 이동하는 발진 주파수에서 음향파를 생성하는 기계적 진동으로 변환된 전기 신호를 상기 압전 층에 전달하는 단계; 및 복수의 입자가 각각의 적어도 하나의 공기 공동의 멤브레인 상에 축적되고 멤브레인에 일치하도록, 상기 패턴화 층 및 적어도 하나의 공기 공동을 통한 음향파 전파의 차이에 의해 적어도 하나의 공기 공동의 각각 위에 근접장 음향 전위 우물을 형성하는 단계.

일 구현예에서, 상기 패턴화 층, 공기 공동 및 멤브레인은 마스터 몰드로부터의 성형, 사출 성형, 스탬핑, 에칭 또는 3D 프린팅에 의해 형성된다. 일 구현예에서, 상기 전기 신호는 제어기에 전기적으로 연결된 발진 전원에 의해 제공된다. 일 구현예에서, 상기 발진 주파수는 1 MHz 내지 5 MHz이다. 일 구현예에서, 상기 발진 주파수는 약 3 MHz이다.

일 구현예에서, 방법은 상기 플랫폼의 온도를 유지하는 단계를 추가로 포함한다. 일 구현예에서, 상기 유체는 물, 세포 배양 배지, 혈액, 혈청, 및 완충 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일 구현예에서, 상기 복수의 입자는 비드, 나노입자, 마이크로입자, 세포, 기포, 미생물, 핵산, 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택된다.

본 발명의 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 도면에 도시된 구현예의 정확한 배열 및 수단으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 임의의 형상화 깊은 하위파장 입자 패터닝을 가능하게 하는 예시적인 순응성 멤브레인 음향 패턴화 (CMAP) 디바이스 플랫폼을 도시한다. (도 1a) 장치 어셈블리는 전원으로 PZT 기판, 공기 내장 PDMS 구조의 재부착을 허용하는 유리 중간체, 및 공기 공동을 사용하여 음향 진행파에 들어오는 것을 선택적으로 차단하는 PDMS 구조로 구성된다. (도 1b) PDMS 구조 바로 위에 생성된 음향 방사 전위 필드 분포의 대표적인 개략도가 도시된다. (도 1c) 어셈블리의 단면도는 PDMS 구조의 벌크 및 멤브레인 영역뿐만 아니라 파동 전파를 감쇠하고 챔버로의 파동 반사를 방지하도록 설계된 PDMS 캡슐화를 도시한다.
도 2는 입자의 패턴화를 합성하는 예시적인 방법의 순서도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 PDMS의 물질 특성 변화의 효과를 조사하는 음향-구조 상호작용 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 진동 동안, 챔버 유체를 연결하는 공기 내장 PDMS 구조의 표면은 구조의 E'가 100 MPa에서 0.1 MPa로 감소할 때 더 부드러운 프로파일(도 3a) 및 저차 구조 진동 모드를 보여준다. 이것은 특히 멤브레인 영역에서 두드러진다. (도 3b) E'의 이러한 변화는 벌크 위의 유체의 위쪽 변위가 유체를 아래쪽으로 이동하여 변형하는 멤브레인을 향하게 하도록 위의 유체에 대한 멤브레인의 순응성을 유발하며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. PDMS 구조 바로 위의 생성된 음향 전위 랜드스케이프(landscape)는 물에서 10 μm 폴리스티렌 비드(도 3c) 및 10 μm 다공성 PDMS 비드(도 3d)에 대해 시뮬레이션된다. 폴리스티렌 비드의 경우, E'가 높으면 벌크 및 멤브레인 영역 모두에 걸쳐 여러 개의 전위 우물이 생성되고 E'가 낮으면 멤브레인 영역에 맞는 전위 우물이 생성되고; 모든 최소 전위 우물은 멤브레인 가장자리에서 생성된다. 반대로, 압축률이 높은 다공성 PDMS 비드는 잠재적 프로파일을 되돌리고 전반적으로 더 연질 전위 랜드스케이프(landscape)를 만든다.
도 4a 및 도 4b는 도 3c의 수득한 음향 전위 프로파일에 대한 기여 요인을 분석한 결과를 도시한다. 방사 전위 방정식 2의 압력 항

(도 4a)은 멤브레인 영역 외부의 최대 압력에서 중앙의 최소 압력으로 감소하도록 조사된 E'의 전체 범위에 걸쳐 동일한 경향을 나타낸다. 한편, 방정식 2의 속도 항

(도 4b)은 가장 큰 진폭이 발생하는 멤브레인 영역의 가장자리를 제외하고 E'의 범위에 걸친 변화를 보여준다. E'가 높을수록 속도 항의 변동이 강해진다. 모든 경우에, 최대 속도 진폭은 멤브레인 가장자리에서 발생한다. 복사 전위 프로파일에 대한 이러한 용어의 상대적인 기여는 입자의 특성을 나타내지만 본원에 포함되지 않는 f₁ 및 f₂ 인자를 고려해야 한다는 점이다.
도 5a 내지 도 5d는 다양한 공기 공동 폭을 갖는 부드러운 공기 내장 PDMS 구조의 시뮬레이션된 표면 변위의 결과를 도시한다. 벌크에서 멤브레인 영역으로의 파동 감쇠의 길이를 결정하기 위해, 도 3a 내지 도 3d의 시뮬레이션 모델에 따라 0.1 MPa의 E'의 구조를 가정하여 25 μm 내지 500 μm의 상이한 폭의 공기 공동을 탐색하였다 (도 5a - 도 5d). 결과는 멤브레인 크기에 관계없이 벌크에서 전파되는 파동이 ~10 μm에서 감쇠한다는 것을 보여준다.
도 6a 내지 도 6d는 3MHz에서 사인파 여기의 상이한 위상을 통해 순환하는 경질 및 연질, 공기 내장 PDMS 구조의 수직 표면 변위의 레이저 도플러 속도계(LDV) 측정의 결과를 도시한다. 다양한 표면 진동 패턴을 나타내는 높고 낮은 E'의 경질 및 연질 PDMS는 동심성 고리 구조를 사용하여 설명된다(도 6a). 제작된 샘플의 SEM 단면(도 6b)이 도시된다. 여기 동안, 두 PDMS 구조(도 6c, 도 6d) 사이의 표면 프로파일은 중심 멤브레인에서 현저하게 다르다. 경질 PDMS 구조는 고차 구조의 진동 모드를 생성할 뿐만 아니라 벌크에 비해 멤브레인 진동의 더 큰 영역을 생성한다. 스케일 바, 50 μm.
도 7a 내지 도 7d는 동심성 고리 형상의 경질 및 연질 공기 내장 PDMS 구조를 사용하여 수중 패턴화 마이크로입자의 결과를 도시한다. 경질 및 연질 PDMS 조성물은 비교를 위해 동심성 고리 구조를 제조하는 데 사용된다. 경질 PDMS 구조(도 7a)는 벌크 및 멤브레인 영역에 걸쳐 10μm 폴리스티렌 비드의 다중 패턴을 유도한다. 연질 PDMS 구조(도 7b, 도 7c)는 공기 공동의 형상을 정확하게 따르는 깨끗한 패터닝 프로파일을 가능하게 한다. 낮은 농도에서(도 7b), 비드는 가장 낮은 전위 우물이 있는 막의 가장자리와 정렬된다. 고농도에서(도 7c), 처음에 가장자리에 포획된 비드가 가장자리가 보유할 수 있는 것보다 더 많은 비드가 있는 멤브레인 영역으로 밀려났다. 혼합물에서(도 7d), 폴리스티렌 및 다공성 PDMS 비드는 각각 도 3c 및 도 3d에서 시뮬레이션된 전위 랜드스케이프(landscape)에 상응하는 저압 및 고압의 위치로 이동한다. 부유 멤브레인 아래에 물방울이 형성됨에 주목한다. 스케일 바, 50 μm.
도 8a 내지 도 8c는 숫자 형상의 연질의 공기 내장 PDMS 구조를 사용하여 물 중 패턴화 마이크로입자의 결과 및 해당 음압 시뮬레이션을 도시한다. 연질 PDMS는 10μm 폴리스티렌 비드의 정확하고 임의적인 패턴화를 가능하게 한다(도 8a). PDMS 구조 바로 위에 있는 패턴화 프로파일과 시뮬레이션된 압력 랜드스케이프(landscape)(도 8b) 모두에 빨간색 원으로 표시된 추가 추적이 있지만, 트래핑은 시뮬레이션과 밀접하게 일치한다. 시뮬레이션은 도 3a 내지 도 3d에서 전술한 음향-구조 상호작용 모델과 유사하게, 내장 공기 공동을 갖는 최상부 유체 및 바닥 PDMS로 구성된 3-D 모델 기하학(도 8c)을 사용하여 수행된다. 스케일 바, 70 μm.
도 9a 내지 도 9d는 숫자 형상의 연질 공기 매립 PDMS 구조를 사용하여 DMEM에서 HeLa 세포의 패턴화 및 생존력 평가의 결과를 도시한다. (도 9a) 도 8a의 폴리스티렌 비드와 유사하게, HeLa 세포는 연질 PDMS를 사용하여 임의의 형상으로 패턴화될 수 있다. 그러나 PZT의 발열로 인해, CMAP 장치 플랫폼은 T.E. 냉각기에서 작동되어 챔버 온도를 유지하고; 시간 함수로서의 온도(도 9b)가 측정되고, 결과는 대략 22℃에서 정상 상태를 나타낸다. (도 9C) 3 MHz의 인가된 주파수와 5 Vrms의 전압에서 장치에서 연속 작동 5분 후, 세포는 94.52%에서 대조군과 유사한 96.73%의 생존력을 보여준다. (도 9d) 또한, 대조군 및 실험군 둘 다로부터의 세포가 2일 기간(48시간)에 걸쳐 3배 초과 증식하여, CMAP 플랫폼의 생체적합성을 입증하였다. 스케일 바, 70 μm. (*** 측정된 시도의 수, n = 3).

정의

본 발명의 도면 및 설명은 본 발명의 명확한 이해와 관련된 요소를 예시하기 위해 단순화되었으며 명료함을 위해 본 기술 분야에서 일반적으로 발견되는 많은 다른 요소를 제거한 것으로 이해되어야 한다. 당업자는 다른 요소 및/또는 단계가 본 발명을 구현하는데 바람직하고/하거나 요구된다는 것을 인식할 수 있다. 그러나, 그러한 요소 및 단계는 당업계에 잘 알려져 있고, 본 발명의 더 나은 이해를 용이하게 하지 않기 때문에 이러한 요소 및 단계에 대한 논의는 본원에 제공되지 않는다. 본 명세서의 개시는 당업자에게 공지된 그러한 요소 및 방법에 대한 모든 그러한 변형 및 수정에 관한 것이다.

다른 곳에 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 관련 기술 분야의 숙련자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기재된 것과 유사하거나 동등한 임의의 방법 및 물질이 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 바람직한 방법 및 물질이 기재되어 있다.

본원에서 사용된 바와 같이, 다음 용어 각각은 이 섹션에서 관련된 의미를 갖는다.

관사 "a" 및 "an"은 본원에서 관사의 문법적 대상 중 하나 또는 하나 이상(즉, 적어도 하나)을 지칭하는 데 사용된다. 예로서, "요소"는 하나의 요소 또는 하나 초과의 요소를 의미한다.

양, 시간적 지속시간 등과 같은 측정 가능한 값을 언급할 때 본원에서 사용되는 "약"은 이러한 변형이 적절하므로 지정된 값에서 ±20%, ±10%, ±5%, ±1% 및 ±0.1%의 변동을 포함하는 것을 의미한다.

본 개시 전반에 걸쳐, 본 발명의 다양한 측면이 범위 형식으로 제시될 수 있다. 범위 형식의 설명은 단지 편의와 간결함을 위한 것이며 본 발명의 범위에 대한 융통성 없는 제한으로 해석되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 따라서 범위의 설명은 구체적으로 개시된 모든 가능한 하위범위 뿐만 아니라 그 범위 내의 개별 수치 값을 갖는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 1에서 6과 같은 범위의 설명은 구체적으로 개시된 하위범위 예컨대 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 6, 3 내지 6 등, 뿐만 아니라 범위 내의 개별 숫자, 예를 들어, 1, 2, 2.7, 3, 4, 5, 5.3, 6, 및 그 사이의 전체 및 부분 증분을 갖는 것으로 간주되어야 한다. 이것은 범위의 폭에 관계없이 적용된다.

순응성 멤브레인 음향 패턴화 (CMAP) 플랫폼

액체에서 미세 물체의 복합 패턴화는 많은 생물 의학 응용 분야에서 중요하다. 기존의 신화 중 음향 접근법은 생체 적합성이 우수하지만 본질적으로 정재파의 특성과 유체와 구조적 진동 간의 결합으로 인해 저해상도에서 주기적 패턴을 생성하는 데 한계가 있다. 본 발명은 고해상도의 임의의 형상화 에너지 전위 우물을 합성할 수 있는 순응성 멤브레인 음향 패턴화 (CMAP) 플랫폼을 제공한다. 얇은 점탄성 멤브레인은 플랫폼에서 선택적으로 구조적 진동을 억제하여 깊은 하위파장 척도에서 음향 파면을 변조하는 데 사용된다. 음향 여기를 사용하여 음향 여기 파장의 10분의 1의 라인(line) 분해능을 가진 마이크로입자 및 세포의 임의 패턴화를 달성할 수 있다. 3 x 3 mm²만큼 작은 영역에서 대규모 병렬 패턴화도 가능하다. 이 새로운 음향 파면 변조 메커니즘은 복합 생물학적 제품 제조에 강력하다.

이제 도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 예시적인 CMAP 플랫폼(100)이 도시된다. 플랫폼(100)은 평면 압전 층(102), 패턴화 층(104), 유체 층(110), 및 커버 층(114)을 포함한다. 압전 층(102)은 교류 신호를 압전 층(102)에 공급하는 함수 발생기와 같은 제어기에 의해 제어되는 전력 증폭기와 같은 발진 전원에 전기적으로 연결된 평면 층이다. 압전 층(102)은 플랫폼(100)의 각 층을 통해 이동하는 발진 주파수에서 음향파를 생성하는 기계적 진동으로 전압을 변환한다. 압전 층(102)은 납 지르코네이트 티테이트(PZT), 바륨 티타네이트, 비스무트 나트륨 티타네이트 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 압전 재료로 구성될 수 있다. 압전 층(102)은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 압전 층(102)은 약 100 μm 내지 1000 μm의 두께를 가질 수 있다.

패턴화 층(104)은 압전 층(102)의 최상부에 배치된 평면 층이다. 도 1a 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 패턴화 층(104)은 복수의 공동(106)을 포함하고, 각각의 공동(106)은 원하는 패턴의 형상으로 형성된다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 패턴화 층(104)은 복수의 공동(106)을 포함하고, 각각은 수치 형상으로 형성되며, 수치 형상은 탑-다운 뷰(top-down view)에서 명백하다. 각각의 공동(106)은 기체, 유체 또는 공기의 부피가 각각의 공동(106) 내에 함유되도록 패턴화 층(104)의 최상부 표면과 동일 평면 상에 있는 멤브레인(108)에 의해 덮인다. 패턴화 층(104) 및 멤브레인(108)은 각각 플라스틱, 중합체, 고무, 겔, 실리콘, 폴리디메틸실록산(PDMS) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 재료로 구축될 수 있다. 패턴화 층(104) 및 멤브레인(108)은 각각 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 패턴화 층(104)은 약 10 μm 내지 50 μm의 두께를 가질 수 있고, 멤브레인(108)은 약 1 μm 내지 5 μm의 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 멤브레인(108)은 코팅을 추가로 포함할 수 있다. 코팅은 불투수성 코팅, 소수성 코팅, 친수성 코팅, 또는 기능화 코팅을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.

유체 층(110)은 패턴화 층(104) 및 멤브레인(108)의 최상부에 배치된다. 유체 층(110)은 물, 세포 배양 배지, 혈액, 혈청, 완충 용액, 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 유체를 포함할 수 있다. 유체 층(110)은 약 0.5cm 내지 5cm의 높이 또는 깊이와 같은 임의의 적절한 높이 또는 깊이를 가질 수 있다. 유체 층(110)은 패턴화 층(104)의 공동(106)에 의해 형성된 형상으로 패턴화되기를 원하는 복수의 입자(112)를 포함한다. 입자(112)는 비드, 나노입자, 마이크로입자, 세포, 기포, 미생물, 핵산, 단백질 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 원하는 입자를 포함할 수 있다.

커버 층(114)은 유체 층(110)의 최상부에 배치된 평면 층이다. 커버 층(114)은 파동 반사를 최소화하기 위해 음향파를 감쇠하고 유체 층(110)을 둘러싸는 역할을 한다. 커버 층(114)은 플라스틱, 폴리머, 고무, 겔, 실리콘, PDMS 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 커버 층(114)은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 커버 층(114)은 약 0.5cm 내지 5cm의 두께를 가질 수 있다.

특정 구현예에서, 패턴화 층(104), 멤브레인(108), 및 커버 층(114)은 각각 동일한 재료로 구성된다. 일부 구현예에서, 패턴화 층(104), 멤브레인(108), 및 커버 층(114)은 각각 유체 층(110)의 음향 임피던스와 실질적으로 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료로 구성된다. 일부 구현예에서, 패턴화 층(104), 멤브레인(108), 유체 층(110), 및 커버 층(114) 각각의 음향 임피던스는 서로의 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 또는 1% 이내이다.

도시되지는 않았지만, 플랫폼(100)은 압전 층(102), 패턴화 층(104), 유체 층(110), 및 커버 층(114) 각각에 맞는 크기의 하우징을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 하우징은 유체가 하우징 내에 수용되어 유체 층(110)을 형성할 수 있도록 측벽을 포함한다. 일부 구현예에서, 하우징은 패턴화 층(104) 및 커버층(114) 각각이 하우징의 내측 내에서 동일한 평면 상에 안착되도록 패턴화 층(104) 및 커버층(114)의 수평 표면적 및 형상에 매칭되는 내부 수평 표면적 및 형상을 포함한다. 일부 구현예에서, 플랫폼(100)은 압전 층(102)과 패턴화 층(104) 사이에 배치된 중간 층(116)을 추가로 포함한다. 중간 층(116)은 사용 및 세척의 용이성을 위해 압전 층(102)과 패턴화 층(104) 사이의 물리적 장벽으로서 제공될 수 있어, 하나 이상의 패턴화 층(104)이 압전 층(102)을 오염시키지 않고 교체될 수 있다. 일부 구현예에서, 하우징의 바닥 표면은 중간 층(116)을 형성한다. 중간 층(116)은 유리, 금속, 플라스틱, 세라믹 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 중간 층(116)은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 중간 층(116)은 약 100 μm 내지 1000 μm의 두께를 가질 수 있다.

플랫폼(100)은 임의의 원하는 변형이 가능하다. 예를 들어, 일부 구현예에서 플랫폼(100)은 각각 열전 냉각기 및 열전쌍과 같은 온도 조절기 및 센서를 추가로 포함한다. 온도 조절기는 특정 적용에 대해 플랫폼(100)(예를 들어, 패턴층(104) 및 유체 층(110))의 온도를 유지하기 위해 제공될 수 있으며, 온도 센서는 플랫폼(100)의 온도를 모니터링하기 위해 제공될 수 있다.

음향 조작 패턴화 방법

본 발명은 또한 입자의 패턴화를 합성하기 위해 본원에 기재된 CMAP 플랫폼을 사용하는 방법을 제공한다. 이제 도 2를 참조하면, 예시적인 방법(200)이 도시된다. 방법(200)은 단계(202)로 시작하며, 순응성 멤브레인 음향 패턴화 (CMAP) 플랫폼이 제공되고, 플랫폼은 압전 층 및 압전 층의 최상부에 배치된 패턴화 층을 포함하고, 상기 패턴화 층은 적어도 하나의 공기 공동을 포함하고, 각각의 공기 공동은 패턴화 층의 최상부 표면과 동일 평면 상에 있는 멤브레인으로 덮인다. 단계(204)에서, 복수의 입자 및 유체가 패턴화 층의 최상부에 위치되어 유체 층을 형성한다. 단계(206)에서, 커버 층이 유체 층의 최상부에 위치된다. 단계 208에서, 전기 신호는 압전 층으로 전달되고 패턴화 층, 유체 층 및 커버 층을 통해 위쪽으로 이동하는 발진 주파수에서 음향파를 생성하는 기계적 진동으로 변환된다. 단계(210)에서, 패턴화 층과 적어도 하나의 공기 공동을 통한 음향파 전파의 차이는 적어도 하나의 공기 공동의 각각 위에 근접장 음향파 전위 우물을 형성하여, 복수의 입자가 적어도 하나의 공기 공동 각각의 멤브레인 상에 축적되고 일치하도록 한다.

패턴화 층은 당업계에서 일반적으로 사용되는 임의의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 다양한 구현예에서, 공동 및 멤브레인을 갖는 패턴화 층은 (마스터 몰드를 이용한 것과 같은) 성형, 사출 성형, 스탬핑, 에칭, 3D 프린팅 또는 다른 형태의 적층 제조 등을 사용하여 구축될 수 있다.

전기 신호는 함수 발생기와 같은 제어기에 연결된 전력 증폭기와 같은 발진 전원에 의해 제공될 수 있다. 전기 신호는 발진 주파수의 관점에서 기재될 수 있다. 예를 들어, 발진 주파수는 약 1 MHz 내지 5 MHz일 수 있다. 일부 구현예에서, 발진 주파수는 약 3 MHz이다. 일부 구현예에서, 방법은 플랫폼의 온도를 유지하는 단계를 추가로 포함한다. 온도 조절기를 사용하여 온도를 유지하고 온도 센서를 사용하여 모니터링할 수 있다.

실험예

본 발명은 하기 실험예를 참조하여 더욱 상세하게 기재된다. 이러한 실시예는 설명의 목적으로만 제공되며 달리 명시되지 않는 한 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 본 발명은 하기 실시예로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 여기에 제공된 교시의 결과로서 명백해지는 임의의 및 모든 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

추가 설명 없이, 당업자는 선행 기술 및 하기 예시적인 실시예를 사용하여 본 발명의 화합물을 제조 및 활용하고 청구된 방법을 실시할 수 있다고 여겨진다. 따라서, 다음의 실시예는 본 발명의 예시적인 구현예를 구체적으로 지적하고, 본 개시내용의 나머지 부분을 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

실시예 1: 마이크로입자 및 세포 패턴화를 위한 임의 형상화, 깊은 하위파장 음향 조작

미세 물체의 복합 패턴화를 가능하게 하는 방법은 많은 생물 의학 응용 분야에서 중요하다. 최근 몇 년 동안, 음향 조작은 우수한 생체 적합성을 위해 생물학적 샘플을 패턴화하는 유망한 접근법으로 부각되었다. 그러나 현재의 음향 기술은 복합 패턴을 형성하는 데 있어 큰 기술적 장벽에 부딪혀 단순하고 주기적으로 물체를 조립하는 데 한계가 있다. 다른 물리적 방법과 달리, 임의의 형상화 패턴은 표면 음향파(SAW) 또는 벌크 음향파(BAW)를 기반으로 하는 현재 기술을 사용하여 얻을 수 없다. 이러한 장벽은 기본 메커니즘과 내부의 결합된 유체 구조적 진동인 정재파 특성에서 비롯된다.

본 연구는 현재 기술의 기술적 장벽을 극복하는 새로운 음향 조작 원리를 보여주고 기존 음향 기술로는 실현할 수 없는 고해상도 임의 형상화 복합 패턴을 형성하는 능력을 처음으로 제공한다. 순응성 멤브레인 음향 패턴화 (CMAP)이라고 하는 이 원리는 탄성중합체에 내장된 음향 진행파와 공기 공동을 활용하여 패턴화를 위한 근접장 전위 랜드스케이프(landscape)를 생성한다. 공동 주변에 형성된 순응성 멤브레인과 탄성중합체의 점탄성 특성이 결합되어 임의의 구조적 진동을 효과적으로 억제하고 고차 모드 패턴을 제거한다. 결과적으로, CMAP의 표면에 임의 형상화 음향 전위 랜드스케이프(landscape)를 구현하여 공동의 형상과 거의 동일한 복합 패턴을 생성할 수 있다.

음향 조작 분야와 조직 공학 분야에서 CMAP의 잠재력은 엄청나다. CMAP은 생물학적 세포를 포함한 마이크로스케일 물체를 조작하여 고해상도의 임의 형상화 복합 어셈블리를 형성할 수 있는 가장 유능한 음향 기술이다. 또한 CMAP 플랫폼 설계 및 제작의 단순성으로 인해 관련 분야의 연구자들이 이 도구를 광범위한 영향에 쉽게 적용할 수 있다.

이제 방법과 재료가 기재된다.

디바이스 설계 및 조립

도 1a 내지 도 1c의 CMAP 디바이스는 PZT 기판(납 지르코네이트 티타네이트), 소다석회 유리, 최상부 및 바닥 PDMS 구조로 구성된다. APC International Ltd.의 3 cm x 1 cm x 0.05 cm (L x W x H) 및 재료 유형 841의 PZT는 디바이스 전체에 음향 진행파를 생성한다. 최상단에는, 2 cm x 2 cm x 0.1 cm (L x W x H) 치수의 Corning(모델 2947-75x50)의 소다석회 유리 슬라이드가 에폭시를 사용하여 부착되어 있다. 유리를 사용하면 PZT 기판을 재사용할 수 있도록 하는 연질의 공기 내장 PDMS 구조를 쉽게 다시 부착할 수 있다. 연질 PDMS 구조는 4 대 1의 중량 대 중량 비율로 Sylgard 527과 184의 혼합물을 사용하여 표준 PDMS 복제 성형(Friend J 등, Biomicrofluidics, 4(2), 026502)과 유사한 방식으로 제작된다. 마스터 몰드는 내장된 공기 공동을 형상화하는 실리콘 웨이퍼에 패턴화된 MicroChem Corp의 SU-8 3025 미세 구조 포토리소그래피로 구성된다. 성형 공정은 마스터 몰드를 Sylgard 혼합물로 덮은 다음 알루미늄 블록(~7,500g)을 얹은 또 다른 유리 슬라이드를 사용하여 스탬핑하여 수행된다. 그 결과 미세구조에 ~ 2㎛ 두께의 메니스커스가 형성되어 PDMS 멤브레인이 된다(도 6b의 SEM 이미지 참조). 연질 PDMS 구조의 경우, 혼합물의 경화는 실온에서 수행된다. 실험에서도 입증된 경질 PDMS 구조의 경우, 70℃의 오븐에서 4시간 동안 경화된 순수 Sylgard 184를 사용함으로써 성형 공정이 다르다. 그 후, 연질/경질 PDMS 구조가 디바이스의 유리 층으로 이전된다. 그런 다음 마이크로입자 또는 생물학적 개체를 구조에 피펫으로 옮기고 두꺼운 PDMS로 캡슐화한다. 디바이스 챔버 내부의 파동 반사를 최소화하기 위해, Sylgard 184의 PDMS가 물에 대한 음향 임피던스에 가까운 캡슐화로 사용된다. 또한, 캡슐화 두께는 1 cm로 설계되어 3 MHz의 동작 주파수에서 충분한 파동 에너지 감쇠가 가능하여 주변 공기와 디바이스 사이의 인터페이스에서 반사를 방지한다 (Tsou JK 등, Ultrasound in medicine & biology, 34(6), 963-972; Nama N 등, Lab on a Chip, 15(12), 2700-2709).

설정 및 작동

CMAP 디바이스를 사용하기 위한 완전한 설정은 전력 증폭기(ENI 모델 2100L), 함수 발생기(Agilent 모델 33220A), T.E. 냉각기(T.E. Technology Model CP-031HT), 초장거리 작동 거리 현미경 렌즈(20x Mitutoyo Plan Apo), 직립 현미경(Zeiss Model Axioskop 2 FS) 및 장착형 녹화 카메라(Zeiss Model AxioCam mRm)를 수반한다. PZT 기판의 표면은 와이어 본딩되고 A.C. 신호를 공급하기 위해 함수 발생기에 의해 제어되는 전력 증폭기에 전기적으로 연결된다. 신호를 수신하면, PZT는 사인파 전압을 기계적 진동으로 변환하여 디바이스 전체에 음향 진행파를 생성한다. 과도한 PZT 가열로 인한 세포 손상을 방지하기 위해 디바이스를 T.E. 12℃로 설정된 냉각기에서 작동시킨다. 디바이스 챔버의 온도를 모니터링하기 위해, PDMS 캡슐화를 통해 열전쌍(Omega OM-74)을 삽입하고 챔버에 물만 넣은 상태에서 실험을 다시 실행하였고; 결과는 37℃의 인큐베이션 온도 이하에서 안정화를 보여 장기 작동에 적합함을 시사한다. 전체 어셈블리는 Zeiss Axioskop에 장착된 Mitutoyo 현미경 렌즈 아래에 위치한다. 그런 다음 명확한 시각화를 허용하는 PDMS 캡슐화를 통해 패턴화 공정을 관찰하고 동반된 Zeiss AxioCam을 사용하여 기록한다.

음향-구조 상호작용 시뮬레이션

유한 요소(F.E.) 솔버 COMSOL Multiphysics 5.3을 사용하는 음향 구조 모듈은 여기 시 챔버 유체와 상호 작용하는 연질/경질 공기 내장 PDMS 구조의 결과로 음향 전위 랜드스케이프(landscape)를 연구하기 위해 구현된다. 도 3b는 물 및 PDMS가 각각 시뮬레이션된 최상부 유체 및 바닥 고체로 구성된 2D 모델 형상을 제공하고; 고체의 중심은 공기 공동을 나타내는 빈 공간이다. 고체의 바닥 경계는 y 방향으로 규정된 변위를 사용하여 여기되어 두께를 따라 PZT의 진동 모드를 시뮬레이션한다. PDMS의 경우와 같이 고체의 구조적 감쇠를 설명하기 위해 임의의 등방성 손실 계수(0.2)가 시뮬레이션에 포함된다. 결과적으로 유체의 총 음압은 유체와 고체 사이의 계면에서 음향-구조 상호작용을 해결하는 F.E. 솔버뿐만 아니라 유체에서 비점성 운동량 보존 방정식(오일러 방정식) 및 질량 보존 방정식(연속 방정식)에 의해 계산된다. 시뮬레이션은 등엔트로피 열역학적 과정이 있는 고전적인 압력 음향을 가정하고 시간-조파를 가정한다. 조파 음향장의 경우, 여기서 는 각 주파수(rad/s)이다. 고조파 음향장의 경우,

여기서 ω는 rad/s 단위의 각 주파수이다. 시뮬레이션은 방정식 2를 사용하여 생성된 음향 전위 랜드스케이프(landscape)(도 3c, 도 3d, 도 4a, 및 도 4b)의 후가공을 가능하게 할 뿐만 아니라, 각각의 E' 및 멤브레인 크기의 함수로서 챔버 유체의 1차 속도 (도 3a) 및 고체의 표면 프로파일 (도 3b, 도 5a 내지 도 5e)의 연구를 가능하게 한다.

음압 시뮬레이션

유한 요소(F.E.) 솔버 COMSOL Multiphysics 5.3을 사용하는 음압 모듈은 디바이스 챔버 내부의 압력 프로파일을 시뮬레이션하기 위해 구현된다. 도 8c의 3-D 모델 기하학은 도 3a의 2-D 모델을 모방하지만, 바닥 고체는 고체 역학보다는 유체로 취급된다. 이 대체는 파동 전파를 시뮬레이션하기 위해 재료의 임피던스(음속 및 밀도로 주어짐)만 고려함으로써 음향-구조 상호작용과 관련된 추가 컴퓨팅 성능뿐만 아니라 물리적 복잡성을 제거한다. 연질 PDMS 구조의 경우 음속과 밀도의 임의 값이 사용된다. y축 방향의 수직 변위는 PZT 여기의 방향을 시뮬레이션하여 고체의 바닥에 지정된다. 평면파 복사는 최상부 유체의 경계 주위에 모두 상정되어 나가는 평면파가 최소한의 반사로 모델링 영역을 떠날 수 있도록 한다.

PDMS 멤브레인의 두께 측정

제작된 PDMS 구조를 절단하여 멤브레인의 단면을 드러내고 SEM을 사용하여 3개의 멤브레인을 검사한다. 측정된 두께는 1.09 μm, 1.14 μm, 1.33 μm이며 평균 두께는 약 2.18 μm이다. 단순화를 위해, 시뮬레이션에서 2 μm의 멤브레인 두께를 상정한다.

폴리스티렌 비드

1 μm 및 10 μm 형광 녹색 폴리스티렌 비드 모두 미국 Thermo Fisher Scientific에서 얻는다.

미세다공성 PDMS 비드 제작

경화제를 10:1로 포함하는 Sylgard 184(Dow Corning Co.)를 사용하는 미경화 PDMS를 1:100 질량비로 DI 수 중 도데실 설페이트 나트륨 염 용액과 혼합하였다. 볼텍스 믹서를 사용하여 물 내의 PDMS 용액의 혼합물은 다양한 크기의 PDMS 구형 액적을 생성하였다. 그 후, 그 혼합물을 70℃의 오븐 안에서 2시간 동안 경화시켰다. 그 다음, 고형화된 미세다공성 PDMS 비드를 40 μm 나일론 메쉬의 멸균 세포 스트레이너(Fisher Scientific)를 사용하여 여과하였다.

HeLa 세포 배양

HeLa 세포(American Type Culture Collection, ATCC)는 10% (vol/vol) 우태 혈청 (FBS, Thermo Scientific), 1% 페니실린/스트렙토마이신 (Mediatech), 및 1% 나트륨 피루베이트 (Corning)가 보충된 둘베코 변형 필수 배지 (DMEM, Corning)에서 유지되었다. HeLa 세포는 37℃ 및 5% CO₂의 인큐베이터에 보관되었다.

이제 결과가 기재된다.

CMAP의 작동 원리

순응성 멤브레인 음향 패턴화 (CMAP)는 조작된 멤브레인 근처에 깊은 하위-파장 분할, 임의로 형상화된 음향 전위 우물을 생성할 수 있는 디바이스 플랫폼이다. 이러한 전위 랜드스케이프(landscape)는 도 1a 내지 도 1c에 예시된 바와 같이 압전 세라믹 PZT (납 지르코네이트 티타네이트)를 사용하여 생성된 여기 음향 진행파에 의해 파장보다 훨씬 작은 크기의 원하는 형태의 공기 공동을 통과하고 연질 점탄성 폴리디메틸실록산 (PDMS) 구조에 내장되어 실현된다. 음향 임피던스가 PDMS/물 계면에서의 파동 반사를 최소화할 수 있는 주변 유체(물)의 음향 임피던스에 가깝기 때문에 PDMS가 선택된다(Leibacher I 등, Lab on a Chip, 14(3), 463-470). 공기 공동은 대부분의 파동이 반사될 수 있는 대부분의 재료에 대해 음향 임피던스 차이가 크기 때문에 활용된다(Lee JH 등, Ocean Engineering, 103, 160-170). 결과적으로, 공동의 크기와 일치하는 공간 해상도로 공기 공동 바로 위에 근접장 음향 전위 우물이 형성된다. 수층 위의 두꺼운 PDMS 층은 음향파가 반사되는 것을 방지하기 위해 전파 흡수 매체 역할을 한다.

기존의 음향 패턴화에서 직면한 한 가지 주요 과제는 디바이스 구조의 설계를 복잡하게 만드는 결합된 유체 및 구조적 진동이다. CMAP 플랫폼을 사용하면 구조로 인한 진동의 영향을 최소화할 수 있으며, 그렇지 않으면 의도한 음향장을 간섭할 수 있으며 궁극적으로 간단한 압력파 전파 모델을 사용하여 입자 패턴화의 형상을 예측할 수 있다. 이 혁신은 얇고 유연한 점탄성 PDMS 멤브레인을 통합하여 공기 공동과 상기 챔버 유체를 연결하여 수행할 수 있다. 압력파가 공기 내장 PDMS 구조를 통해 전파될 때, 벌크의 진동은 두 가지 주요 특성으로 인해 짧은 거리 내에서 멤브레인으로 감쇠한다. 한 가지 특징은 높은 주파수에서 유체 덩어리를 구동하고 이동시키기에 충분한 강성을 갖지 않는 멤브레인의 얇음 및 순응성이다. 두 번째 특성은 진동 에너지가 멤브레인 영역에 축적되는 것을 방지하는 고주파에서 구조의 물질 감쇠에서 비롯된다. 따라서 멤브레인 영역 위의 유체 압력은 벌크를 통해 유체로 전파되는 파동에 따라 크게 변동하지 않으며 벌크 영역에 비해 상대적으로 일정한 수준을 유지한다. 이것은 멤브레인 위에 낮은 음압 영역을 만들고 벌크와 멤브레인 영역 사이에 압력 구배를 설정한다. 이 근접장 압력 영역은 어떤 크기와 기하학으로도 제작할 수 있는 공기 공동에서 얻은 멤브레인 영역에 의존하기 때문에, 파장보다 훨씬 작은 공간 해상도로 임의 형상화 입자 패턴화를 실현할 수 있다. 또한 동일한 작동 원리를 사용하여 대면적 패턴화를 달성할 수 있고; PZT 기판이 균일한 강도의 평면 음향파를 생성한다는 사실 때문에, 최대 작동 영역은 PZT의 사용 가능한 크기에 의해서만 제한된다. 요약하면, CMAP의 음향 전위 랜드스케이프(landscape)는 정재파의 형성에 의존하지 않고 구조 유도 진동으로 인한 랜드스케이프(landscape) 교란을 최소화할 수 있기 때문에, 전위 우물의 형상은 단순히 공기 공동의 형태를 반영한다.

CMAP의 작동 원리를 정량적으로 이해하기 위해, PDMS의 물질 특성과 구조 유도 진동에 대한 영향 간의 관계를 수치 시뮬레이션을 사용하여 연구하였다. COMSOL 음향-구조 상호작용 모델은 도 3a 내지 도 3d에서 나타낸 바와 같이 구현된다. 모델 기하학은 위의 비압축성 유체(물)와 접하는 2 μm의 부유 멤브레인을 남기는 PDMS 구조에 내장된 50 μm 너비의 공기 공동을 고려한다. 관계 η_s= E"/E' (여기서 E'는 동적 저장 계수, E"는 동적 손실 계수, η_s는 구조적 감쇠를 설명하는 PDMS 구조의 등방성 손실 계수임)는 3MHz에서 사인파 주파수에서 탐구된다. 간단하게 하기 위해, η_s는 모듈러스가 변화하는 동안 상수(0.2)로 가정한다. 도 3a는 유체와 접하는 PDMS 표면의 수직 변위를 조사한다. 100 MPa에서 높은 E'의 구조에서 강한 멤브레인 진동이 관찰된다. 이것은 벌크로부터의 구조 유도 진동이 멤브레인 가장자리에서 짧은 거리에서 실질적으로 감쇠하여 멤브레인을 비교적 평평하고 매끄럽게 만드는 0.1MPa에서 낮은 E'의 경우와 반대이다. 멤브레인의 유연도 및 명도는 여기의 여러 단계를 순환할 때 물의 움직임을 따라갈 수 있도록 한다(도 3b). 이상적인 작동 조건에서, 음향파가 패턴화된 PDMS 구조를 통과할 때, 멤브레인과 벌크의 표면 진동 운동은 반대 방향이거나 위상이 달라야 한다. 벌크 위의 물이 위상 90도에서 위쪽으로 변위될 때, 발달된 압력은 물을 아래쪽으로 밀어내고, 질량 보존

을 충족하기 위해 멤브레인을 변형시키는 것은, 음향 파장(d<<λ)보다 훨씬 짧은 길이 규모에서 발생하기 때문이다. 벌크 위의 물이 위상 270도에서 아래쪽으로 이동할 때, 멤브레인 위의 물은 벌크 영역으로 다시 흐른다. 이러한 왕복 유체 운동은 사인파 여기에서 반복된다.

음향 방사 전위 랜드스케이프(landscape)는 방정식 2로 PDMS-유체 계면 근처의 결과 수압 및 속도 필드를 식으로 계산하여 추정된다. 10 μm 폴리스티렌 비드

(Muller PB 등, Lab on a Chip, 12(22), 4617-4627)의 경우, 100MPa에서 E'의 공기 내장 PDMS 구조 위 5 μm에서의 전위 프로파일(도 3c)은 멤브레인 및 벌크 모두에 걸쳐 다중 준안정 웰로 이어지는 강한 변화를 나타낸다. 반면, 0.1 MPa에서 E'의 구조에 대한 전위 프로파일은 멤브레인 영역에서만 생성된 웰이 있는 훨씬 더 매끄러운 랜드스케이프(landscape)를 보여주므로, 공기 공동의 패턴과 일치하는 비드의 패턴 형상을 가능하게 한다. 방정식 2의 섭동 압력 항이 약하고 속도 항이 이러한 영역에서 우세하기 때문에 최소 전위 우물은 중심보다는 멤브레인 가장자리에서 발생하였다. 전위 프로파일에서 압력 및 속도 항의 상대적인 기여는 에너지 밀도 플롯,

및

(도 4a 및 도 4b에 표시됨), 및 입자 특성 계수(물 내의 폴리스티렌 비드에 대한 f₁=0.454 및 f₂ =0.024)와의 곱으로 더 잘 설명될 수 있다. f₂에 비해 f₁ 계수가 크면, 압력 항이 멤브레인을 제외한 대부분의 영역에서 지배적일 수 있다. 도 3c의 멤브레인 영역에서 전위 프로파일의 변동은 주로 속도 항에 기인한다. 그럼에도 불구하고, 0.1 MPa에서 E' 구조의 경우에 대해 시뮬레이션된 전위 프로파일에서, 비드가 멤브레인 가장자리에서 축적되기 시작한 다음 벌크에서 더 많은 비드가 채워짐에 따라 결국 중심으로 이동하는 것으로 예측할 수 있다.

반대로, 물보다 훨씬 더 큰 압축성을 나타내는 공기로 채워진 미세다공성 PDMS 비드의 경우 방정식 1b에서 속도 항의 기여는 무시할 수 있다. PDMS의 음속은 다공성이 0에서 30%까지 다양할 때 1000 m/s에서 40 m/s로 빠르게 떨어질 수 있는 것으로 나타났다(Kovalenko A 등, Soft matter, 13(25), 4526-4532).

의 관계를 기반으로 하며, 여기서 c는 음속이며, 다공성 PDMS의 높은 압축성은 f₁ 계수가 f₂보다 수십 배 더 클 수 있다. 도 3d는 물에서 10 μm 미세다공성 PDMS 비드의 패턴화를 위한 PDMS 구조 위 5 μm에서 시뮬레이션된 전위 프로파일을 보여준다

. PDMS의 압축성은 도 3c의 프로파일을 되돌리고 공기 공동 외부의 고압 영역에서 비드를 트래핑하게 한다.

시뮬레이션된 대로, 순응하는 점탄성 PDMS 멤브레인은 벌크에서 멤브레인 영역으로 전파되는 구조 유도 진동을 효과적으로 제한한다. 이 고유한 기능으로 인해 전파 길이보다 큰 크기의 멤브레인을 CMAP에서 임의의 패턴화에 사용할 수 있다. 도 5에서, 벌크의 진동은 멤브레인 폭에 관계없이 PDMS 멤브레인(0.1MPa에서 E')의 가장자리에서 ~10 μm에서 감쇠한다. 바꾸어 말하면, 원하는 전위 랜드스케이프(landscape)를 생성하기 위한 설계 프로세스는 기존의 음향 디바이스에 직면하는 유체 구조 상호 작용 및 음향 모드의 복합 분석을 우회하여 크게 단순화된다.

시뮬레이션 결과를 평가하기 위해, 서로 다른 영률 E의 두 가지 유형의 PDMS를 사용하여 CMAP 플랫폼을 제작하여, 공기 내장 점탄성 구조를 형성한 다음 표면에 대해 레이저 도플러 진동계 (LDV) 측정을 수행하였다. 첫 번째 유형은 ~1750kPa의 E를 생산하기 위해 Sylgard 184(Dow Corning Co.)를 사용하여 제조업체의 지침에 따라 합성되었으며, 두 번째 유형은 4:1의 중량비로 Sylgard 527(Dow Corning Co.)과 184의 혼합물로서 합성되었고, ~250kPa의 E를 생성한다(Palchesko RN 등, PloS one, 7(12), e51499). 이들은 정적 계수이지만 E의 감소는 동적 계수 E' 및 E" 모두의 감소를 동반한다(Hanoosh WS 등, Malaysian Polymer Journal, 4(2), 52-61). 따라서 두 조성물은 각각 100 MPa 및 0.1 MPa에서 E'의 시뮬레이션된 경우를 나타내는 경질 및 연질 공기 내장 PDMS 구조가 되었다. PDMS 구조(동심원 링의 배열)를 나타내는 개략도(도 6a)는 제작된 샘플의 SEM(주사 전자 현미경검사) 단면(도 6b)과 함께 표시된다. 시뮬레이션에 설정된 것과 유사한 작동 조건에서 유도되면, 경질 및 연질 PDMS 구조(도 6c 및 도 6d)의 표면 수직 변위는 음향 여기 주기에 걸쳐 측정된다. 경질 PDMS 구조의 경우, 위상 90 및 270도에서의 표면 프로파일은 50-100 MPa에서 E'에 대한 시뮬레이션 결과와 유사한 고차 구조적 진동 모드를 자극하는 멤브레인의 중심으로 깊숙이 전파되는 구조적 섭동을 보여준다 (도 3c). 그러나 동일한 위상의 연질 PDMS 구조의 경우, 멤브레인 중앙의 변위 프로파일은 매끄럽고 0.1-1 MPa 범위에서 시뮬레이션된 E'의 변위 프로파일과 유사하다 (도 3a). 여기서 주목해야 할 것은, 동적 계수와 정적 계수의 차이 외에도, PDMS 두께의 변화가 기계적 특성을 수정할 수 있다는 것이다(Xu W 등, Langmuir, 27(13), 8470-8477).

마이크로입자의 임의 패턴화

임의의 입자 패턴화는 각각 달성가능한 파장 크기와 제한된 주기적 음향 전위 랜드스케이프(landscape)에 의해 패턴화 해상도와 프로파일이 제한되는 음향 유체학 분야의 주요 문제였다. 패턴화의 영역 역시 SAW의 경우와 같이 디바이스 표면을 가로질러 전파의 약화로 인해 제한된다. 대안적으로, 여기에 기재된 CMAP 플랫폼을 사용하는 새로운 음향 패턴화 메커니즘은 이러한 문제를 극복한다. 도 7a내지 도 7d에 도시된 바와 같이, 3MHz의 작동 주파수 및 5Vrms의 전압에서 이전의 경질 및 연질 공기 내장 PDMS 동심성 고리 구조를 사용하여 수중 10 μm 폴리스티렌 비드를 패턴화하였다. 두 구조 모두 멤브레인/공기 공동의 형태에 부합하는 패터닝을 보여주지만, 도 7a의 경질 PDMS 구조는 벌크 영역에서 추가적인 트래핑 프로파일을 나타낸다. 이것은 100 MPa에서 높은 E'의 PDMS 구조가 벌크 영역에서 여분의 준안정 전위 우물을 생성한다는 시뮬레이션(도 3c)에 의해 예시되며, 이는 멤브레인 가장자리에서 ~20 μm 떨어진 곳에서 생성된 추가 우물을 보여주는 실험 결과(도 7a)에 부합한다. 이에 반해, 도 7b 내지 도 7d의 연성 PDMS 구조는 멤브레인 가장자리에서만 트래핑 프로파일을 나타낸다. 0.1 MPa에서 낮은 E'의 시뮬레이션된 PDMS 구조(도 3c)에 대해, 멤브레인으로의 파동 전파의 효과적인 감쇠는 전위 우물이 생성되는 곳에서만 상기 유체 운동에 대한 멤브레인 순응도를 제공한다. 낮은 농도의 비드(도 7b)에서, 트래핑은 이전에 설명된 바와 같이 가장 낮은 음향 전위가 존재하는 멤브레인 가장자리에서 시작되었다. 이러한 트래핑은 3 Х 3 mm²에 걸쳐 반복되는 동심원 링 패턴을 통해 실현되었다. 또한 인접 링 사이의 비드 라이닝에서 관찰할 수 있듯이, 적용된 음향 파장(~500 μm)보다 10배 낮은 50 μm의 공간 해상도이 달성되었다. 이는 다른 기존 음향 접근법과 비교하여 CMAP의 고해상도 기능을 나타낸다. 더 높은 농도에서(도 7c), 초기에 멤브레인의 가장자리에 포획된 비드가 중앙으로 밀려나서 전체 멤브레인 공간을 채웠다. 폴리스티렌과 미세다공성 PDMS 비드의 혼합물의 패턴화(도 7d)는 또는 입증되고; 결과는 PDMS 비드가 폴리스티렌 비드와 달리 고압 영역에서 축적된다는 시뮬레이션을 확인한다. 전반적으로 경질 PDMS가 아닌 연질 PDMS를 공기 내장 구조로 사용하면, 임의의 패턴화의 깨끗한 프로파일이 생성된다.

임의의 패턴화에서 CMAP의 능력을 추가로 평가하기 위해, 숫자로 구성된 또 다른 연질 공기 내장 PDMS 구조 세트를 제작하였다. 고농도에서(도 8a), 물 내의 10 μm 폴리스티렌 비드가 멤브레인 영역을 완전히 채웠지만, 문자 "1", "6" 및 "8"에서 특히 눈에 띄는 추가 흔적이 있다. 이것은 벌크 영역의 크기가 음향 파장을 초과할 때 인접한 공기 공동 사이의 파동 간섭 때문이다. 빨간색 원으로 표시된 이러한 추적은 발생한 모든 디바이스 현상 중에서 압력 측면만 고려한 음압 시뮬레이션(도 8b)에 의해 잘 포착되고; 유체 구조 상호 작용의 효과는 고려되지 않았다. 암청색은 가장 낮은 음향 전위 영역을 반영하는 가장 낮은 절대 압력 값을 나타낸다. 도 8c는 시뮬레이션에 사용된 3차원 모델 기하학을 도시하고; 형상은 제작된 연질 PDMS 구조에 따라 실제 치수로 구성된다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과가 매우 유사하다는 것은 임의의 음향 전위 프로파일을 형성하는 디바이스를 설계하기 위해 CMAP 메커니즘을 사용하는 단순성을 반영한다.

생물학적 세포의 임의 패턴화

폴리스티렌 비드와 유사하게, 세포의 패턴화는 연질의 공기 내장 PDMS 구조의 표면 변위뿐만 아니라 입자 및 주변 환경의 밀도 및 압축성에 따라 크게 달라지며, 이는 음향 전위 랜드스케이프(landscape)를 발생시킨다. HeLa 세포는 CMAP 플랫폼의 생체 적합성을 증명하기 위해 본원에서 선택된다. DMEM의 전형적인 세포(유방 세포의 경우와 같이

)(Hartono D 등, Lab on a Chip, 11(23), 4072-4080)는 물 속의 폴리스티렌 비드와 같은 특성을 가지므로, 동일한 연질 PDMS 구조를 사용하여 형성된 전위 랜드스케이프(landscape)는 거의 동일해야 한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 숫자 형태의 HeLa 세포의 패턴화는 도 8a의 폴리스티렌 비드의 패턴화와 유사하다.

세포 패턴화에 대한 수많은 음향 접근법은 세포 생존력 및 증식을 결정하는 데 평가되었으며 MHz 차수 음향 분야의 이전 접근법은 생체 적합성이 있는 것으로 입증되었다(Ding X 등, Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(28), 11105-11109, Evander M 등, Analytical chemistry, 79(7), 2984-2991, Bazou D 등, Toxicology in Vitro, 22(5), 1321-1331, Leibacher I 등, Microfluidics 및 Nanofluidics, 19(4), 923-933). 유사한 MHz 작동 순서의 CMAP 디바이스 플랫폼은 비슷한 결과를 제공한다. CMAP 디바이스 플랫폼의 열 축적으로 인한 잠재적인 열 손상을 방지하기 위해, 디바이스는 12℃로 설정된 T.E. 냉각기로 작동되어 챔버 온도를 제어한다. 도 9b는 3MHz의 동작 주파수 및 5Vrms의 전압에서 시간의 함수로서의 온도를 도시한다. 작동은 정상 상태(~22℃)에 도달하기까지 약 5분이 소요되며, 이는 37℃에서 세포 인큐베이션보다 낮은 온도이다. 또한, 제조사의 프로토콜에 따라 트립판 블루(ATCC) 및 혈구계(Hausser Scientific Reichert Bright-Line)를 사용한 세포 수를 사용한 생존력 평가를 동일한 실험 조건에서 5분 동안 장치에서 작동하는 HeLa 세포에 대해 수행되고; 결과는 94.52%에서 대조군의 것과 비교하여 96.73%에서 유사한 수준의 생존력을 나타낸다(도 9c). 셀 증식에 대한 평가도 유망한 결과를 보여준다. 실험 후, 세포의 일부를 48시간 동안 인큐베이션하였다(1일차부터 3일차까지). 혈구계를 사용하여, 실험 및 대조군 모두에 대해 1일차 및 3일차에 세포 밀도를 근사화하였고, 이는 모두 3배 이상 증가를 나타낸다(도 7d). 증가는 대략 24시간인 HeLa 세포 배가 시간에 해당한다(Boisvert FM 등, Molecular & Cellular Proteomics, 11(3), M111-011429).

CMAP 플랫폼은 깊은 파장 이하의 마이크로입자 및 생물학적 개체의 임의 형상화 패턴화를 실현하는 강력한 도구이다. 이는 구조 유도 진동의 영향을 최소화하고 의도한 음향 전위 랜드스케이프(landscape)를 상쇄하지 않고 주변 유체 움직임에 적응하는 부유하고 얇고 유연한 PDMS 멤브레인을 사용하여 달성된다. 멤브레인은 임의의 형상화 패턴이 가능하도록 하는 임의의 기하학적 구조일 수 있다. 또한 PZT와 연질 공기 내장 PDMS 구조는 기본 음향 작동 원리를 기반으로 더 넓은 영역의 패턴화를 위해 확장할 수 있다.

여기서 주목해야 할 점은 방정식 2의 ARF는 실제 응용에서 일반적으로 결합되는 속도 및 압력 항을 모두 포함하기 때문에 두 항을 모두 활용하여 음향 패터닝에 최적화된 장치를 설계하기 어렵다는 점이다. CMAP 플랫폼은 주로 압력 항에 기반한 음향 패턴화를 위해 설계되었다. 밀도는 비슷하지만 물에 대한 압축성이 다른 (f1 >> f2) 폴리스티렌 비드와 같은 마이크로입자 및 대부분의 생물학적 물체는 CMAP 디바이스에서 패턴화하기에 이상적인 물체이다. 물과의 밀도 차이가 큰 금속 입자 또는 기포와 같은 입자의 경우 속도 항이 지배적일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 입자에 의해 형성된 패턴은 공동 가장자리가 도 4b에 도시된 바와 같이 최대 속도가 위치하는 곳이므로 공기 공동의 형태와 일치해야 한다.

음향 스트리밍 힘인 ASF(Bruus H, Lab on a Chip, 12(1), 20-28)가 ARF의 균형을 잡고 패턴화를 방해하도록 유도될 수 있지만, 실험 결과는, 동작 주파수가 3MHz 이상이고 입자 크기가 10μm 이상일 때 ARF가 구동력임을 시사한다. 작업이 시작될 때, 스트리밍 와류는 원형 멤브레인의 중심에서만 관찰되고 가장자리 근처에서 ~25 μm까지 약하게 확장된다. 다른 한편으로는, 디바이스 전체에 퍼져 있던 10 μm 폴리스티렌 비드는 멤브레인 가장자리로 이동하여 1 μm 비드로 표시된 것처럼 나중에 유체의 대량 이동에도 불구하고 단단히 갇히게 된다. 이 강력한 트래핑 효과는 10 μm 비드의 패턴화에 대한 ARF의 지배적인 강도를 의미한다. 관찰된 벌크 이동 현상은 PZT에서 발생하는 열로 인해 상부 PDMS 덮개가 열적으로 팽창함에 따라 챔버의 체적 변화로 인해 유발되는 전체 흐름이라고 할 수 있다. 상부 PDMS 덮개(~1 cm)가 바닥의 연질 공기 내장 PDMS 구조(~27 μm)보다 상당히 두꺼우므로, 부피 변화는 덮개의 팽창으로 인해 주로 발생해야 한다. 10 μm 폴리스티렌 비드와 HeLa 세포는 각각 공기 공동 외부에서 떠내려가지만, 이것은 구멍 위의 전위 우물이 유지할 수 있는 것에 대한 과도한 목표이다. ASF는 멤브레인 가장자리 근처에서만 효과적이기 때문에 이러한 이동은 주로 전역 흐름에 의해 발생한다. 이동은 공동 외부에 과도한 표적 없이 전반적으로 더 깨끗한 패턴화 프로파일로 이어지기 때문에 유리하다. 이미지의 흐려짐은 PDMS의 열 팽창으로 인해 현미경 초점에 영향을 미치는 구조적 변형을 일으킬 수 있다. 전체적인 흐름 외에도, 10 μm 비드 및 HeLa 세포의 패턴화는 도 8b에서 시뮬레이션된 압력 분포에 대한 순응성을 나타내어 음향 스트리밍의 중요성을 더욱 무시한다.

3 MHz는 음향 스트리밍 흐름을 억제하기에 충분히 높은 값이고 추가 음향 가열을 피하기에 충분히 낮은 값이기 때문에 작동 주파수로 선택되었다. 예를 들어, 작동 주파수를 0.5 MHz로 낮추면 10 μm 폴리스티렌 비드가 1 μm 비드의 유선을 따라 멤브레인 가장자리 근처에서 소용돌이 형태로 순환할 수 있다. 이는 불안정한 패턴화 및 원하는 프로파일 달성의 어려움을 초래한다. 다른 한편으로는, 더 높은 주파수에서 작동하면 스트리밍 흐름을 최소화할 수 있지만 PDMS에서 더 큰 에너지 감쇠를 동반하므로 관리해야 하는 추가 열 발생이 수반된다 (Tsou JK 등, Ultrasound in Medicine & Biological, 34(6), 963-972).

CMAP 플랫폼은 패턴화의 돌파구를 제공하기 위해 순응하는 점탄성 PDMS 멤브레인에 의존하지만 멤브레인은 너무 얇아서(~2 μm) 위의 유체가 통과할 수 있다. 이것은 도 7a 내지 도 7d에 도시된 바와 같이 멤브레인 영역 아래의 유체 액적에 의해 명백하다. 이전 문헌에서는 PDMS가 본질적으로 다공성이어서 물 분자가 확산될 수 있음이 입증되었다(Verneuil E 등, EPL (Europhysics Letters), 68(3), 412; Randall GC 등, Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(31), 10813-10818). 디바이스 작동 중 추가적인 음향 진동을 고려하면, 유체가 액적을 생성하는 얇은 막을 통해 침투했을 수 있다. 액적의 축적은 또한 입자 패턴화에 영향을 미칠 수 있고; 충분한 액적이 축적되면(예를 들어, 공기 공동 채우기), 멤브레인이 더 이상 유체와 호환되지 않고 패턴화 프로파일이 왜곡된다. 이러한 문제를 방지하기 위해 박막 코팅 또는 표면 처리를 적용하여 멤브레인의 순응성을 유지하면서 수분 침투를 방지할 수 있다.

본원에 인용된 각각의 모든 특허, 특허 출원 및 간행물의 개시 내용은 그 전체가 참고로 여기에 포함된다. 본 발명이 특정 구현예를 참조하여 개시되었지만, 본 발명의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 다른 구현예 및 변형이 당업자에 의해 고안될 수 있음이 명백하다. 첨부된 청구범위는 이러한 모든 구현예 및 등가 변형을 포함하는 것으로 해석되도록 의도된다.

Claims

입자를 조작하기 위한 순응성 멤브레인 음향 패턴화 디바이스로서,
압전 층;
상기 압전 층의 최상부에 배치된 복수의 공동을 포함하는 패턴화 층으로서, 상기 공동의 각각은 상기 패턴화 층의 최상부 표면과 동일 평면 상에 있는 멤브레인에 의해 덮힌 패턴화 층;
상기 패턴화 층의 최상부에 배치된 유체 층;
유체에 액침된 복수의 입자;
상기 유체 층의 최상부에 배치된 커버 층; 및
발진 주파수에서 상기 압전 층을 작동시키도록 구성된 발진 전원을 포함하는, 패턴화 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 압전 층은 납 지르코네이트 티테이트 (PZT), 바륨 티타네이트, 및 비스무트 나트륨 티타네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 압전 층은 약 100 μm 내지 1000 μm의 두께를 갖는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 패턴화 층은 플라스틱, 중합체, 고무, 겔, 실리콘, 및 폴리디메틸실록산(PDMS)로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 패턴화 층은 약 10 μm 내지 50 μm의 두께를 갖는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 약 1 μm 내지 5 μm의 두께를 갖는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 불투수성 코팅, 소수성 코팅, 친수성 코팅, 또는 기능화 코팅으로 이루어진 군으로부터 선택된 코팅을 추가로 포함하는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 유체 층은 물, 세포 배양 배지, 혈액, 혈청, 및 완충 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 입자는 비드, 나노입자, 마이크로입자, 세포, 기포, 미생물, 핵산, 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택된, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 공동은 기체, 유체, 또는 공기를 포함하는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 발진 전원에 전기적으로 연결되고 상기 발진 주파수를 변조하도록 구성된 제어기를 추가로 포함하는, 디바이스.
제1항에 있어서, 온도 조절기, 및 온도 센서를 추가로 포함하고, 상기 온도 조절기는 디바이스의 온도를 유지하도록 구성되는, 디바이스.
유체에서 입자를 조작하는 방법으로서,
압전 층 및 상기 압전 층의 최상부에 배치된 패턴화 층을 포함하는 순응성 멤브레인 음향 패턴화 (CMAP) 플랫폼을 제공하는 단계로서, 상기 패턴화 층은 적어도 하나의 공기 공동을 포함하고, 각각의 공기 공동은 상기 패턴화 층의 최상부 표면과 동일 평면 상에 있는 멤브레인으로 덮인 단계;
상기 패턴화 층의 최상부에 복수의 입자 및 유체를 위치시키는 단계;
상기 유체 층의 최상부에 커버 층을 위치시키는 단계;
상기 패턴화 층, 유체 층, 및 커버 층을 통해 위쪽으로 이동하는 발진 주파수에서 음향파를 생성하는 기계적 진동으로 변환된 전기 신호를 상기 압전 층에 전달하는 단계; 및
복수의 입자가 각각의 적어도 하나의 공기 공동의 멤브레인 상에 축적되고 멤브레인에 일치하도록, 상기 패턴화 층 및 적어도 하나의 공기 공동을 통한 음향파 전파의 차이에 의해 적어도 하나의 공기 공동의 각각 위에 근접장 음향 전위 우물을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
제13항에 있어서, 상기 패턴화 층, 공기 공동, 및 멤브레인은 마스터 몰드로부터의 성형, 사출 성형, 스탬핑, 에칭 또는 3D 프린팅에 의해 형성되는, 방법.
제13항에 있어서, 상기 전기 신호는 제어기에 전기적으로 연결된 발진 전원에 의해 제공되는, 방법.
제13항에 있어서, 상기 발진 주파수는 1 MHz 내지 5 MHz인, 방법.
제15항에 있어서, 상기 발진 주파수는 약 3 MHz인, 방법.
제13항에 있어서, 상기 플랫폼의 온도를 유지하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제13항에 있어서, 상기 유체는 물, 세포 배양 배지, 혈액, 혈청, 및 완충 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된, 방법.
제13항에 있어서, 상기 복수의 입자는 비드, 나노입자, 마이크로입자, 세포, 기포, 미생물, 핵산, 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택된, 방법.