KR20220148588A - Particle separating device - Google Patents

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Abstract

Disclosed in the present invention is a particle separating device. The particle separating device of the present invention comprises: an inlet part formed in a base part for fluids containing particles of different sizes to be introduced; a channel part connected to the inlet part and spirally formed inside the base part; and a plurality of discharge parts branching from the channel part for the separated particles to be discharged while flowing along the channel part, wherein the cross-section of the channel part is characterized in that the height increases from the inner surface to the outer surface, and the upper and lower surfaces are formed symmetrically with respect to a horizontal plane.

Description

입자분리소자{PARTICLE SEPARATING DEVICE}Particle Separation Device {PARTICLE SEPARATING DEVICE}

본 발명은 입자분리소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입자의 분리 효율와 입자의 분리 해상도를 향상시키고, 전단응력이 상대적으로 작게 형성될 수 있는 입자분리소자에 관한 것이다.The present invention relates to a particle separation device, and more particularly, to a particle separation device capable of improving particle separation efficiency and particle separation resolution, and having a relatively small shear stress.

일반적으로 관성 집중(inertial focusing)은 입자나 세포 분리, 정렬, 혼합, 그리고 분석과 같은 분야에 미세입자를 조작하는데 사용된다. 관선 집중을 이용한 입자분리소자는 사각형 채널에서의 관성 집중을 이용하여 입자를 분리한다. 그러나 사각형 채널은 입자 크기에 따라 집중점(focusing position)의 위치가 크게 차이 나지않아 입자 분리가 쉽지 않은 문제점이 있다. In general, inertial focusing is used to manipulate microparticles in fields such as particle or cell separation, sorting, mixing, and analysis. A particle separation device using tube line concentration separates particles by using inertial concentration in a rectangular channel. However, the rectangular channel has a problem in that it is not easy to separate particles because the position of the focusing position does not differ significantly depending on the particle size.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2017-0083410호(2017. 07. 18 공개, 발명의 명칭: 동축류에서의 관성 집중 현상을 이용한 입자 분리 방법)에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Application Laid-Open No. 2017-0083410 (published on July 18, 2017, title of the invention: particle separation method using inertial concentration in coaxial flow).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 입자의 분리 효율와 입자의 분리 해상도를 향상시키고, 전단응력이 상대적으로 작게 형성될 수 있는 입자분리소자를 제공하는 것이다.The present invention was created to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide a particle separation device capable of improving particle separation efficiency and particle separation resolution, and having a relatively small shear stress.

본 발명에 따른 입자분리소자는: 서로 다른 크기의 입자가 함유된 유체가 유입되도록 베이스부에 형성되는 유입부; 상기 유입부에 연결되고, 상기 베이스부의 내부에 나선형으로 형성되는 채널부; 및 상기 채널부를 따라 유동되면서 분리된 입자가 배출되도록 상기 채널부에서 분기되는 복수의 배출부를 포함하고, 상기 채널부의 단면은 내측면부에서 외측면부로 갈수록 높이가 증가되고, 수평면을 기준으로 상면부와 하면부가 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 한다.A particle separation device according to the present invention includes: an inlet portion formed in the base portion so that a fluid containing particles of different sizes is introduced; a channel part connected to the inlet part and spirally formed inside the base part; and a plurality of discharge portions branching from the channel portion so that particles separated while flowing along the channel portion are discharged, wherein the cross-section of the channel portion increases in height from the inner surface portion to the outer surface portion, and the upper surface portion and the horizontal plane It is characterized in that the lower surface is formed symmetrically.

상기 채널부의 단면은 상기 상면부와 상기 하면부가 동일한 각도로 경사지게 형성되는 등변 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다.A cross section of the channel portion may be formed in an isosceles trapezoidal shape in which the upper surface portion and the lower surface portion are inclined at the same angle.

상기 채널부는 상기 유입부를 중심으로 나선형으로 형성될 수 있다.The channel part may be formed in a spiral shape around the inlet part.

상기 채널부는 수평면과 평행하게 배치될 수 있다.The channel part may be disposed parallel to a horizontal plane.

상기 입자분리소자는 복수의 상기 배출부와 상기 채널부 사이에 배치되고, 상기 채널부의 폭보다 넓게 형성되는 확관부를 더 포함할 수 있다.The particle separation device may further include an expanding pipe portion disposed between the plurality of discharge portions and the channel portion, and formed wider than the channel portion.

상기 채널부를 따라 유동되는 입자들 중 상대적으로 큰 입자는 관성 양력에 의해 상기 채널부의 내측면 측으로 분리되고, 상기 채널부를 따라 유동되는 입자들 중 상대적으로 작은 입자는 딘 항력에 의해 상기 채널부의 외측면 측으로 밀려나면서 분리될 수 있다.Among the particles flowing along the channel part, relatively large particles are separated toward the inner surface of the channel part by the inertial lift force, and relatively small particles among the particles flowing along the channel part are separated by the Dean drag force on the outer surface of the channel part. It can be separated by being pushed to the side.

본 발명에 따르면, 수평면을 기준으로 채널부의 상면부와 하면부가 대칭되게 형성되므로, 채널부의 상측과 하측에 동일한 크기와 형태의 딘 와류가 형성되며, 딘 와류 중심이 외측면부에 가깝게 된다. 따라서, 채널부(130)에서 큰 입자와 작은 입자 사이의 거리가 멀어지게 되므로, 서로 크기가 다른 입자들의 분리 효율과 분리 해상도가 현저히 향상될 수 있다. According to the present invention, since the upper and lower surfaces of the channel part are symmetrically formed with respect to the horizontal plane, Dean vortices of the same size and shape are formed on the upper and lower sides of the channel part, and the Dean vortex center is close to the outer surface part. Accordingly, since the distance between the large particles and the small particles increases in the channel unit 130 , separation efficiency and separation resolution of particles having different sizes may be remarkably improved.

또한, 본 발명에 따르면, 채널부가 내측면부에서 외측면부로 갈수록 높이가 증가되고 대칭되게 형성되므로, 채널부의 폭방향을 기준으로 채널부의 비대칭성이 극대화될 수 있다. 따라서, 입자의 분리 효율과 분리 해상도를 높일 수 있고, 기존에 분리하기 어려웠던 크기의 입자들을 용이하게 분리할 수 있다.Further, according to the present invention, since the height of the channel portion increases from the inner surface portion to the outer surface portion and is formed symmetrically, the asymmetry of the channel portion with respect to the width direction of the channel portion may be maximized. Accordingly, it is possible to increase the separation efficiency and separation resolution of particles, and to easily separate particles having a size that was difficult to separate in the past.

또한, 본 발명에 따르면, 채널부 내에서 더욱 강한 딘 와류를 형성하며, 높은 유속에서도 전단응력이 상대적으로 낮게 형성되므로, 전단응력에 취약한 세포들을 효율적으로 분리할 수 있다.In addition, according to the present invention, a stronger Dean vortex is formed in the channel portion, and since the shear stress is relatively low even at a high flow rate, it is possible to efficiently separate cells vulnerable to shear stress.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자에서 채널부의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자에서 배출부의 구조를 도시한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 서로 다른 크기의 입자가 혼합된 상태를 도시한 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 서로 다른 크기의 입자가 분리된 상태를 도시한 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 분리된 입자가 복수의 배출부로 배출되는 상태를 도시한 확대도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 관성 양력과 딘 항력이 작용하는 상태를 도시한 확대도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부, 직사각형 채널부, 사다리꼴 채널부에서 유동장 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부, 직사각형 채널부, 사다리꼴 채널부에서 분리된 입자들이 배출부에 배출된 상태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부, 직사각형 채널부, 사다리꼴 채널부에서 입자의 분리 효율을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 유량에 따른 입자들의 유동 궤적을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 분리된 입자들이 유량에 따라 배출부에 배출된 상태를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 유량에 따른 입자의 분리 효율을 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 암세포의 크기별 유동 궤적을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 유량에 따른 암세포의 분리 효율을 도시한 도면이다.1 is a perspective view showing a particle separation device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a structure of a channel portion in a particle separation device according to an embodiment of the present invention.
3 is an enlarged view showing the structure of the discharge unit in the particle separation device according to an embodiment of the present invention.
4 is an enlarged view illustrating a state in which particles of different sizes are mixed in a channel portion of a particle separation device according to an embodiment of the present invention.
5 is an enlarged view illustrating a state in which particles of different sizes are separated from a channel portion of a particle separation device according to an embodiment of the present invention.
6 is an enlarged view illustrating a state in which particles separated from a channel portion of a particle separation device are discharged to a plurality of discharge portions according to an embodiment of the present invention.
7 is an enlarged view illustrating a state in which the inertial lift force and the Dean drag force act in the channel portion of the particle separation device according to an embodiment of the present invention.
8 is a view illustrating flow field simulation results in a channel portion, a rectangular channel portion, and a trapezoidal channel portion of the particle separation device according to an embodiment of the present invention.
9 is a view illustrating a state in which particles separated from the channel part, the rectangular channel part, and the trapezoidal channel part of the particle separation device according to an embodiment of the present invention are discharged to the discharge part.
10 is a graph showing the separation efficiency of particles in the channel portion, the rectangular channel portion, and the trapezoidal channel portion of the particle separation device according to an embodiment of the present invention.
11 is a view illustrating a flow trajectory of particles according to a flow rate in a channel portion of a particle separation device according to an embodiment of the present invention.
12 is a view showing a state in which particles separated from the channel part of the particle separation device according to an embodiment of the present invention are discharged to the discharge part according to the flow rate.
13 is a graph showing the separation efficiency of particles according to the flow rate in the channel portion of the particle separation device according to an embodiment of the present invention.
14 is a diagram illustrating flow trajectories for each size of cancer cells in a channel portion of a particle separation device according to an embodiment of the present invention.
15 is a view showing the separation efficiency of cancer cells according to the flow rate in the channel portion of the particle separation device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 입자분리소자의 일 실시예를 설명한다. 입자분리소자를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, an embodiment of a particle separation device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the process of explaining the particle separation device, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자에서 채널부의 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자에서 배출부의 구조를 도시한 확대도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 서로 다른 크기의 입자가 혼합된 상태를 도시한 확대도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 서로 다른 크기의 입자가 분리된 상태를 도시한 확대도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 분리된 입자가 복수의 배출부로 배출되는 상태를 도시한 확대도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 관성 양력과 딘 항력이 작용하는 상태를 도시한 확대도이다.1 is a perspective view showing a particle separation device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing the structure of a channel part in a particle separation device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a view of the present invention It is an enlarged view showing the structure of the discharge part in the particle separation device according to an embodiment, and FIG. 4 is an enlarged view showing a state in which particles of different sizes are mixed in the channel part of the particle separation device according to an embodiment of the present invention. 5 is an enlarged view illustrating a state in which particles of different sizes are separated from the channel part of the particle separation device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is particle separation according to an embodiment of the present invention. It is an enlarged view showing a state in which particles separated from the channel part of the device are discharged to a plurality of discharge parts, and FIG. 7 is a state in which inertial lift and Dean drag force act in the channel part of the particle separation device according to an embodiment of the present invention. is an enlarged view showing

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자(100)는 유입부(120), 채널부(130) 및 복수의 배출부(140)를 포함한다.1 to 7 , the particle separation device 100 according to an embodiment of the present invention includes an inlet 120 , a channel 130 , and a plurality of outlets 140 .

베이스부(110)는 평판 형태로 형성된다. 베이스부(110)의 내부에는 삼차원 프린팅을 이용하여 유입부(120), 채널부(130) 및 복수의 배출부(140)를 형성할 수 있다.The base part 110 is formed in a flat plate shape. The inlet part 120 , the channel part 130 , and the plurality of outlet parts 140 may be formed inside the base part 110 using three-dimensional printing.

유입부(120)는 서로 다른 크기의 입자가 함유된 유체가 유입되도록 베이스부(110)에 형성된다. 유입부(120)에는 유체가 공급되는 주입관부(101)가 연결된다.The inlet part 120 is formed in the base part 110 so that a fluid containing particles of different sizes is introduced. The inlet part 120 is connected to the injection pipe part 101 to which the fluid is supplied.

채널부(130)는 유입부(120)에 연결되고, 베이스부(110)의 내부에 나선형으로 형성된다. 이때, 채널부(130)는 유입부(120)를 중심으로 나선형으로 형성된다. 또한, 채널부(130)는 수평면과 평행하게 배치된다. 채널부(130)의 단면은 내측면부(131)에서 외측면부(132)로 갈수록 높이가 증가되고, 수평면을 기준으로 상면부(133)와 하면부(134)가 대칭되게 형성된다. 이때, 채널부(130)는 폭이 대략 500um, 내측면부(131)의 높이가 대략 100um, 외측면부(132)의 높이가 대략 240um 정도로 형성될 수 있다. 여기서, 내측면부(131)는 나선형 채널부(130)에서 유입부(120) 측에 위치되는 측벽이고, 외측면부(132)는 나선형 채널부(130)에서 유입부(120)의 반대측에 위치되는 측벽을 의미한다.The channel part 130 is connected to the inlet part 120 and is spirally formed inside the base part 110 . In this case, the channel part 130 is formed in a spiral shape around the inlet part 120 . In addition, the channel unit 130 is disposed parallel to the horizontal plane. The cross section of the channel portion 130 increases in height from the inner surface portion 131 to the outer surface portion 132 , and the upper surface portion 133 and the lower surface portion 134 are symmetrically formed with respect to a horizontal plane. In this case, the channel portion 130 may have a width of about 500 μm, a height of the inner surface portion 131 of about 100 μm, and a height of the outer surface portion 132 of about 240 μm. Here, the inner surface portion 131 is a side wall positioned on the inlet portion 120 side in the spiral channel portion 130 , and the outer surface portion 132 is located on the opposite side of the inlet portion 120 in the spiral channel portion 130 . I mean sidewall.

복수의 배출부(140)는 채널부(130)를 따라 유동되면서 분리된 입자가 배출되도록 채널부(130)에서 분기된다. 복수의 배출부(140)는 채널부(130)의 입자 배출측에서 2-10개 정도 분기될 수 있다. 복수의 배출부(140)에는 각각 배출관부(103)가 연결된다. 채널부(130)의 내측면부(131)에 가장 가까운 배출부(141)를 Inner Outlet, 채널부(130)의 중간에 위치된 배출부(142)를 Mid Outlet, 채널부(130)의 외측면부(132)에 가장 가까운 배출부(143)를 Outer Outlet라고 한다.The plurality of discharge units 140 are branched from the channel unit 130 so that particles separated while flowing along the channel unit 130 are discharged. The plurality of discharge units 140 may be branched from 2 to 10 on the particle discharge side of the channel unit 130 . A discharge pipe unit 103 is connected to each of the plurality of discharge units 140 . The outlet 141 closest to the inner surface 131 of the channel 130 is the Inner Outlet, the outlet 142 located in the middle of the channel 130 is the Mid Outlet, and the outer surface of the channel 130 is The outlet 143 closest to the 132 is called an Outer Outlet.

주입관부(101)가 유입부(120)에 유체를 주입하면, 유입부(120)의 유체는 채널부(130)를 따라 나선형으로 유동된다. 이때, 채널부(130)에는 내측면부(131) 측으로 입자가 유지하려고 하는 관성 양력(Inertial lift force)과, 외측면부(132) 측으로 입자를 밀어내는 딘 항력(Dean drag force)이 작용한다. 이러한 두 힘의 균형으로 인하여 평형점이 생기게 되며, 서로 다른 크기의 입자들은 서로 다른 평형점을 가지게 된다. 또한, 채널부(130)는 수평면을 기준으로 채널부(130)의 상면부(133)와 하면부(134)가 대칭되게 형성되므로, 채널부(130)의 상측과 하측에 동일한 크기와 형태의 딘 와류(Dean vortex)가 형성되며, 딘 와류 중심(Dean vortex core)에 상대적으로 작은 입자들이 위치하게 된다. 한 쌍의 딘 와류는 거의 동일한 크기와 속도로 형성된다. When the injection pipe 101 injects the fluid into the inlet 120 , the fluid in the inlet 120 helically flows along the channel 130 . At this time, an inertial lift force that the particles try to maintain toward the inner surface portion 131 and Dean drag force that pushes the particles toward the outer surface portion 132 act on the channel portion 130 . Due to the balance of these two forces, an equilibrium point is created, and particles of different sizes have different equilibrium points. In addition, since the upper surface part 133 and the lower surface part 134 of the channel part 130 are symmetrically formed with respect to the horizontal plane, the channel part 130 has the same size and shape on the upper and lower sides of the channel part 130 . A Dean vortex is formed, and relatively small particles are located in the Dean vortex core. A pair of Dean vortices are formed with approximately the same size and velocity.

관성 양력은 입자 직경의 4승에 비례하고, 딘 항력은 입자 직경에 비례한다. 따라서, 큰 입자들은 관성 양력에 지배적이기 때문에 딘 와류와는 거의 관계없이 채널부(130)의 채널부(130)의 내측면 측에 위치되고, 상대적으로 작은 입자들은 딘 와류의 속도가 클수록 딘 와류 중심에 위치할 가능성이 커지게 된다. 또한, 채널부(130)의 상측과 하측에 형성된 한 쌍의 딘 와류에 의해 딘 와류 중심이 외측면부(132) 측에 가깝게 위치하고, 딘 와류 중심이 채널부(130)에서 외측면부(132) 측에 위치할수록 큰 입자와 작은 입자의 거리가 증가하게 된다. 따라서, 채널부(130)에서 큰 입자와 작은 입자 사이의 거리가 멀어지게 되므로, 서로 크기가 다른 입자들의 분리 효율과 분리 해상도가 현저히 향상될 수 있다.Inertial lift is proportional to the fourth power of the particle diameter, and Dean drag is proportional to the particle diameter. Accordingly, large particles are located on the inner side of the channel portion 130 of the channel portion 130 irrespective of the Dean vortex because they are dominant in the inertial lift force, and relatively small particles are located on the inner side of the channel portion 130 as the speed of the Dean vortex increases. more likely to be centrally located. In addition, the center of the Dean vortex is located close to the side of the outer surface 132 by a pair of Dean vortex formed on the upper side and the lower side of the channel part 130 , and the center of the Dean vortex is located from the channel part 130 to the outer surface part 132 side. The distance between large particles and small particles increases as they are located. Accordingly, since the distance between the large particles and the small particles increases in the channel unit 130 , separation efficiency and separation resolution of particles having different sizes may be remarkably improved.

딘 항력(FD)과 관성 양력(FL)에 관한 수식은 아래와 같다.The formulas for the Dean drag force (F D ) and the inertial lift force (F L ) are as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, De는 딘 넘버(Dean number), ap는 입자 크기, G는 포아즈이유의 흐름(Poiseuille flow), CL은 양력 계수이다. Here, De is the Dean number, a p is the particle size, G is the Poiseuille flow, and C L is the lift coefficient.

채널부(130)의 단면은 상면부(133)와 하면부(134)가 동일한 각도로 경사지게 형성되는 등변 사다리꼴 형태로 형성된다. 이때, 채널부(130)가 등변 사다리꼴 형태로 형성되므로, 수평면을 기준으로 채널부(130)의 상면부(133)와 하면부(134)가 대칭된 경사각으로 형성된다. 채널부(130)의 상측과 하측에 동일한 크기와 형태의 딘 와류(Dean vortex)가 형성되며, 딘 와류 중심(Dean vortex core)에 상대적으로 작은 입자들이 위치하게 된다. 또한, 채널부(130)의 상측과 하측에 형성된 한 쌍의 딘 와류에 의해 딘 와류 중심이 외측면부(132) 측에 가깝게 위치하고, 딘 와류 중심이 채널부(130)에서 외측면부(132) 측에 위치할수록 큰 입자와 작은 입자의 거리가 증가하게 된다. 따라서, 같은 유량 조건이 주어졌을 때에, 등변 사다리꼴 형태의 채널부(130)에서 딘 와류의 속도가 가장 크게 형성될 수 있다.The cross-section of the channel portion 130 is formed in an isosceles trapezoidal shape in which the upper surface portion 133 and the lower surface portion 134 are inclined at the same angle. At this time, since the channel portion 130 is formed in an isosceles trapezoidal shape, the upper surface portion 133 and the lower surface portion 134 of the channel portion 130 are formed at a symmetrical inclination angle with respect to the horizontal plane. Dean vortexes of the same size and shape are formed on the upper and lower sides of the channel unit 130 , and relatively small particles are located in the Dean vortex core. In addition, the center of the Dean vortex is located close to the side of the outer surface 132 by a pair of Dean vortex formed on the upper side and the lower side of the channel part 130 , and the center of the Dean vortex is located from the channel part 130 to the outer surface part 132 side. The distance between large particles and small particles increases as they are located. Therefore, when the same flow rate condition is given, the velocity of the Dean vortex may be the largest in the channel portion 130 of the isosceles trapezoidal shape.

이러한 채널부(130)의 상면부(133)와 하면부(134)는 미세하게 라운드지게 형성될 수 있다. 또한, 채널부(130)의 내측면부(131)와 외측면부(132)도 미세하게 라운드지게 형성될 수 있다.The upper surface portion 133 and the lower surface portion 134 of the channel portion 130 may be formed to be minutely rounded. In addition, the inner surface portion 131 and the outer surface portion 132 of the channel portion 130 may also be formed to be minutely rounded.

입자분리소자(100)는 복수의 배출부(140)와 채널부(130) 사이에 배치되고, 채널부(130)의 폭보다 넓게 형성되는 확관부(150)를 더 포함한다. 확관부(150)의 단면은 직사각 형태로 형성될 수 있다. 이때, 채널부(130)의 상측과 하측에 형성된 한 쌍의 딘 와류에 의해 딘 와류 중심이 외측면부(132) 측에 가깝게 위치함으로써 큰 입자와 작은 입자의 거리가 증가하게 된다. 따라서, 채널부(130)에서 분리된 큰 입자와 작은 입자는 확관부(150)에 진입하면서 더욱 거리가 멀어지게 되므로, 입자의 분리 효율이 더욱 증가될 수 있다.The particle separation device 100 is disposed between the plurality of discharge portions 140 and the channel portion 130 , and further includes an expanding tube portion 150 formed to be wider than the width of the channel portion 130 . The cross section of the expansion tube 150 may be formed in a rectangular shape. At this time, since the center of the Dean vortex is located close to the side of the outer surface part 132 by the pair of Dean vortices formed on the upper and lower sides of the channel part 130 , the distance between the large particles and the small particles increases. Accordingly, since the large particles and small particles separated in the channel part 130 become more distant as they enter the expansion tube 150 , the separation efficiency of the particles can be further increased.

상기한 채널부(130)는 내측면부(131)에서 외측면부(132)로 갈수록 높이가 증가되고 대칭되게 형성되므로, 채널부(130)의 폭방향을 기준으로 채널부(130)의 비대칭성이 극대화된다. 따라서, 채널부(130)의 단면이 직사각형 구조에 비해 더 큰 딘 와류를 형성할 수 있고, 딘 와류 중심을 채널부(130)의 외측면부(132)에 가장 가깝게 위치되게 할 수 있다. 이를 통해 입자 분리 효율을 향상시킬 수 있고, 입자 분리 해상도를 높일 수 있다. 따라서, 기존에 분리하기 어려웠던 크기의 입자들을 용이하게 분리할 수 있다.Since the above-described channel portion 130 increases in height from the inner surface portion 131 to the outer surface portion 132 and is formed symmetrically, the asymmetry of the channel portion 130 with respect to the width direction of the channel portion 130 is reduced. is maximized Accordingly, the cross-section of the channel part 130 may form a larger Dean vortex compared to the rectangular structure, and the center of the Dean vortex may be positioned closest to the outer surface part 132 of the channel part 130 . Through this, particle separation efficiency can be improved, and particle separation resolution can be increased. Accordingly, it is possible to easily separate particles having a size that was difficult to separate in the prior art.

본 발명에 따른 입자분리소자(100)는 채널부(130)의 높이와 폭을 조절하여 nm 단위 입자뿐만 아니라 mm 단위의 입자를 분리할 수 있으므로, 생물학, 의학뿐만 아니라 환경 분와와 같은 다양한 분야에도 응용이 가능하다. 또한, 등변 사다리꼴 형태의 채널부(130)는 채널부(130) 내에서 더욱 강한 딘 와류를 형성하며, 높은 유속에서도 전단응력이 상대적으로 낮게 형성되므로, 전단응력에 취약한 희귀세포들을 효율적으로 분리할 수 있다. The particle separation device 100 according to the present invention can separate not only the nm-unit particles but also the mm-unit particles by adjusting the height and width of the channel unit 130, so that it can be used in various fields such as biology and medicine as well as environmental divisions. application is possible. In addition, the equilateral trapezoidal channel portion 130 forms a stronger Dean vortex within the channel portion 130, and since the shear stress is relatively low even at a high flow rate, it is possible to efficiently separate rare cells vulnerable to shear stress. can

다음으로, 기존의 미소유체소자와 본 발명에 따른 미소유체소자를 유동해석 프로그램을 이용하여 시험한 결과에 관해 설명하기로 한다.Next, the results of testing the existing microfluidic device and the microfluidic device according to the present invention using a flow analysis program will be described.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부, 직사각형 채널부, 사다리꼴 채널부에서 유동장 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.8 is a view illustrating flow field simulation results in a channel portion, a rectangular channel portion, and a trapezoidal channel portion of the particle separation device according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 도 8(a)는 직사각형 채널부(130), 도 8(b)는 사다리꼴 채널부, 도 8(c)는 본 발명에 따른 등변 사다리꼴 채널부를 나타낸다.Referring to FIG. 8, FIG. 8(a) shows a rectangular channel part 130, FIG. 8(b) shows a trapezoidal channel part, and FIG. 8(c) shows an equilateral trapezoidal channel part according to the present invention.

유동장의 상측과 하측에 딘 와류가 형성되며, 딘 와류의 중심에는 작은 입자들이 위치하게 된다. 큰 입자들은 관성 양력에 의해 채널부(130)의 내측면부(131)에 위치되고, 작은 입자들은 딘 와류에 의해 채널부(130)의 외측면부(132) 측에 위치되는 것을 알 수 있다. 같은 유량 조건이 주어졌을 때에, 딘 와류 중심과 외측면부(132) 사이의 거리는 직사각형 채널부에서 가장 멀리 위치되고, 사다리꼴 채널부에서 2번째 멀리 위치되며, 본 발명에 따른 등변 사다리꼴의 채널부(130)에서는 가장 가깝게 위치되는 것을 알 수 있다(LR>LT>LI). 또한, 동일한 유량 조건 하에서, 본 발명에 따른 등변 사다리꼴 형태의 채널부(130)가 직사각형 채널부와 사다리꼴 채널부에 비해 딘 와류 속도가 가장 크게 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서, 서로 크기가 다른 입자들을 분리하기 위해서는 본 발명에 따른 등변 사다리꼴 형태의 채널부(130)가 가장 유리하다는 것을 알 수 있다.Dean vortices are formed on the upper and lower sides of the flow field, and small particles are located at the center of the Dean vortex. It can be seen that the large particles are located on the inner side 131 of the channel unit 130 by the inertial lift force, and the small particles are located on the outer side 132 side of the channel unit 130 due to the Dean vortex. Given the same flow rate conditions, the distance between the center of the Dean vortex and the outer surface portion 132 is the furthest from the rectangular channel portion, and the second farthest from the trapezoidal channel portion, and the isosceles trapezoidal channel portion 130 according to the present invention. ), it can be seen that they are located closest to each other (L R >L T >L I ). In addition, it can be seen that, under the same flow rate conditions, the Dean vortex velocity is the largest in the channel portion 130 of the isosceles trapezoidal shape according to the present invention compared to the rectangular channel portion and the trapezoidal channel portion. Therefore, it can be seen that the channel portion 130 of the equilateral trapezoidal shape according to the present invention is most advantageous in order to separate particles having different sizes.

또한, 상기한 3개의 채널부(130)에서 미소입자 또는 세포가 받게 될 전단응력(shear stress)를 분석해 본 결과는 다음과 같다. 이 시험은 물의 밀도(ρ)는 1000kg/m2, 동적 점성(μ)은 10-3kg/ms의 조건 하에서 이루어졌다. In addition, the results of analyzing the shear stress to be received by the microparticles or cells in the three channel units 130 are as follows. This test was conducted under the conditions of water density (ρ) of 1000 kg/m2 and dynamic viscosity (μ) of 10-3 kg/ms.

직사각형 채널부는 3.31mL/min, 사다리꼴 채널부는 2.63mL/min, 등변 사다리꼴 채널부(130)는 2.5mL/min일 때에, 3개의 채널부(130)에서 동일한 유동장 크기를 형성하였다. 이 처럼 본 발명에 따른 등변 사다리꼴 채널부(130)에서 전단응력의 크기가 가장 낮다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 등변 사다리꼴 채널부(130)에서 세포를 분리할 때에, 최소한의 전단응력으로 분리할 수 있으므로, 세포의 생존율을 높게 유지하고, 세포에 손상을 주지 않고 분리할 수 있다. When the rectangular channel portion was 3.31 mL/min, the trapezoidal channel portion was 2.63 mL/min, and the equilateral trapezoidal channel portion 130 was 2.5 mL/min, the same flow field size was formed in the three channel portions 130 . As such, it was found that the magnitude of the shear stress was the lowest in the equilateral trapezoidal channel part 130 according to the present invention. Therefore, when the cells are separated from the equilateral trapezoidal channel unit 130 according to the present invention, since the cells can be separated with a minimum shear stress, the cell viability can be maintained high and the cells can be separated without damage.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부, 직사각형 채널부, 사다리꼴 채널부에서 분리된 입자들이 배출부에 배출된 상태를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부, 직사각형 채널부, 사다리꼴 채널부에서 입자의 분리 효율을 도시한 그래프이다.9 is a view showing a state in which particles separated from the channel part, the rectangular channel part, and the trapezoidal channel part of the particle separation device according to an embodiment of the present invention are discharged to the discharge part, and FIG. 10 is an embodiment of the present invention It is a graph showing the separation efficiency of particles in the channel portion, the rectangular channel portion, and the trapezoidal channel portion of the particle separation device according to the example.

도 9 및 도 10을 참조하면, 유동장이 5mL/min인 조건에서, 본 발명에 따른 등변 사다리꼴 형태의 채널부(130)는 다른 2개의 채널부에 비해 입자들의 분리 효율이 현저히 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한, 입자의 크기에 따른 분리 해상도(Purity) 역시 본 발명에 따른 채널부(130)에서 가장 높다는 것을 알 수 있다.9 and 10 , it can be seen that, under the condition that the flow field is 5 mL/min, the equilateral trapezoidal channel portion 130 according to the present invention significantly improves the separation efficiency of particles compared to the other two channel portions. there was. In addition, it can be seen that the separation resolution (Purity) according to the size of the particles is also the highest in the channel unit 130 according to the present invention.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 유량에 따른 입자들의 유동 궤적을 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 분리된 입자들이 유량에 따라 배출부에 배출된 상태를 도시한 도면이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 유량에 따른 입자의 분리 효율을 도시한 그래프이다.11 is a view showing the flow trajectory of particles according to the flow rate in the channel part of the particle separation device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a view showing separation in the channel part of the particle separation device according to an embodiment of the present invention. It is a view showing a state in which the particles are discharged to the discharge unit according to the flow rate, and FIG. 13 is a graph showing the separation efficiency of the particles according to the flow rate in the channel portion of the particle separation device according to an embodiment of the present invention.

도 11 내지 도 13를 참조하면, 23um 크기의 폴리에틸렌 입자와 50um 크기의 폴리에틸렌 입자가 다른 유량 조건에서 분리되는 시험 결과는 다음과 같다. 도 11에서 파란선은 큰 입자의 유동 궤적, 빨간선은 작은 입자의 유동 궤적을 나타낸다. 본 발명에 따른 채널부(130)의 분리 해상도를 보면, 5mL/min의 유동장이 미소입자를 분리하기 위한 최적의 유속이라는 것을 알 수 있다. 최적의 유속은 입자의 크기와 채널부(130)의 크기 등에 따라 변경될 수 있다. 11 to 13 , the test results in which polyethylene particles of 23 μm and 50 μm are separated under different flow rate conditions are as follows. In FIG. 11 , a blue line indicates a flow trajectory of large particles, and a red line indicates a flow trajectory of small particles. Looking at the separation resolution of the channel unit 130 according to the present invention, it can be seen that a flow field of 5 mL/min is an optimal flow rate for separating micro particles. The optimal flow rate may be changed according to the size of the particles and the size of the channel unit 130 .

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 암세포의 크기별 유동 궤적을 도시한 도면이고, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자분리소자의 채널부에서 유량에 따른 암세포의 분리 효율을 도시한 도면이다.14 is a view showing flow trajectories for each size of cancer cells in the channel portion of the particle separation device according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a diagram showing the separation efficiency of cancer cells.

도 14 및 도 15를 참조하면, 빨간선은 약 20um 크기의 정상 암세포의 유동 궤적, 파란선은 40um 크기의 거대 암세포의 유동 궤적을 나타낸다. 항암제 내성 유방암 세포는 20um에서 55um까지 다양한 크기를 가지고 있으며, 이 중 40um 이상의 유방암 세포에서 항암제 내성을 보이기 때문에 40um 이상의 세포만을 따로 분리하였다. 거대 암세포와 정상 암세포 그룹을 4mL/min의 유량에 주입하였을 때에, 거대 암세포와 정상 암세포가 분리되었으며, 대략 90% 정도의 분리 해상도를 나타내었다. 또한, 세포의 생존율을 생존 염색 키트(live/dead staining kit)을 이용하여 분석한 결과, 암세포들의 생존율도 거의 100% 유지되는 것을 알 수 있었다.14 and 15 , the red line indicates the flow trajectory of normal cancer cells with a size of about 20 μm, and the blue line indicates the flow trajectory of large cancer cells with a size of 40 μm. Anticancer drug-resistant breast cancer cells have various sizes from 20um to 55um, and among them, breast cancer cells over 40um show resistance to anticancer drugs, so only cells over 40um were separately isolated. When the large cancer cells and the normal cancer cell groups were injected at a flow rate of 4 mL/min, the large cancer cells and the normal cancer cells were separated, and the separation resolution was approximately 90%. In addition, as a result of analyzing the viability of cells using a live/dead staining kit, it was found that the viability of cancer cells was also maintained at almost 100%.

이를 통해, 본 발명에 따른 입자분리소자는 세포 분리와 같은 생물학, 의약 분야 등에 응용될 수 있음을 알 수 있다. 또한, nm 크기의 입자로부터 mm 크기의 입자까지 다양한 크기의 입자를 분리할 수 있으므로, 다양한 분야에 범용 플랫폼으로 이용이 가능하다.Through this, it can be seen that the particle separation device according to the present invention can be applied to biology such as cell separation, medicine, and the like. In addition, since it is possible to separate particles of various sizes from nm-sized particles to mm-sized particles, it can be used as a general-purpose platform in various fields.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those of ordinary skill in the art to which various modifications and equivalent other embodiments are possible. will understand

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the claims.

100: 입자분리소자 101: 주입관부
103: 배출관부 110: 베이스부
120: 유입부 130: 채널부
131: 내측면부 132: 외측면부
133: 상면부 134: 하면부
140: 배출부 150: 확관부100: particle separation element 101: injection pipe part
103: discharge pipe 110: base part
120: inlet 130: channel unit
131: inner surface portion 132: outer surface portion
133: upper surface portion 134: lower surface portion
140: discharge unit 150: expansion pipe

Claims (6)

서로 다른 크기의 입자가 함유된 유체가 유입되도록 베이스부에 형성되는 유입부;
상기 유입부에 연결되고, 상기 베이스부의 내부에 나선형으로 형성되는 채널부; 및
상기 채널부를 따라 유동되면서 분리된 입자가 배출되도록 상기 채널부에서 분기되는 복수의 배출부를 포함하고,
상기 채널부의 단면은 내측면부에서 외측면부로 갈수록 높이가 증가되고, 수평면을 기준으로 상면부와 하면부가 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 입자분리소자.
an inlet portion formed in the base portion to introduce a fluid containing particles of different sizes;
a channel part connected to the inlet part and spirally formed inside the base part; and
and a plurality of discharge units branched from the channel unit so that particles separated while flowing along the channel unit are discharged;
The cross-section of the channel portion increases in height from the inner surface portion to the outer surface portion, and the upper surface portion and the lower surface portion are symmetrically formed with respect to a horizontal plane.
 제1항에 있어서,
상기 채널부의 단면은 상기 상면부와 상기 하면부가 동일한 각도로 경사지게 형성되는 등변 사다리꼴 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 입자분리소자.
The method of claim 1,
The cross-section of the channel portion is a particle separation device, characterized in that the upper surface portion and the lower surface portion is formed in an isosceles trapezoidal shape formed to be inclined at the same angle.
 제1항에 있어서,
상기 채널부는 상기 유입부를 중심으로 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 입자분리소자.
The method of claim 1,
The particle separation device, characterized in that the channel portion is formed spirally around the inlet portion.
 제1항에 있어서,
상기 채널부는 수평면과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 입자분리소자.
The method of claim 1,
The channel portion is a particle separation device, characterized in that disposed parallel to the horizontal plane.
 제1항에 있어서,
복수의 상기 배출부와 상기 채널부 사이에 배치되고, 상기 채널부의 폭보다 넓게 형성되는 확관부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자분리소자.
The method of claim 1,
Particle separation device disposed between the plurality of discharge parts and the channel part, and further comprising an expanding pipe part formed wider than a width of the channel part.
 제1항에 있어서,
상기 채널부를 따라 유동되는 입자들 중 상대적으로 큰 입자는 관성 양력에 의해 상기 채널부의 내측면 측으로 분리되고,
상기 채널부를 따라 유동되는 입자들 중 상대적으로 작은 입자는 딘 항력에 의해 상기 채널부의 외측면 측으로 밀려나면서 분리되는 것을 특징으로 하는 입자분리소자.The method of claim 1,
Among the particles flowing along the channel part, relatively large particles are separated toward the inner side of the channel part by the inertial lift force,
Relatively small particles among the particles flowing along the channel part are separated while being pushed toward the outer surface of the channel part by Dean's drag force.
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