KR20240042957A - Blood separation bio-chip for Point-of-care testing - Google Patents
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Abstract
본 발명은 현장진단을 위한 혈액 분리 바이오칩에 관한 것으로, 구체적으로는 혈액의 혈구(cell)와 혈장(plasma)을 분리하는 구조를 설계하고 미세유로 패터닝 공정기술을 적용하여 정밀한 혈액 이송을 위한 구조 및 소재 기술이 포함된 현장진단을 위한 일체형 구조의 혈액 분리 바이오칩에 관한 것이다.
구체적으로는 바이오칩의 체망구조부에서 혈액을 1차 분리하고 초미세다공성필름부에서 2차 분리한 후, 공급유로를 거쳐 즉시 시약챔버부에 직접 또는 브릿지 형상의 연결다리 구조 방식으로 이송되는 현장진단을 위한 일체형 구조의 혈액 분리 바이오칩에 관한 것이다.The present invention relates to a blood separation biochip for on-site diagnosis. Specifically, it designs a structure to separate blood cells and plasma and applies microchannel patterning process technology to create a structure and structure for precise blood transport. This is about a blood separation biochip with an integrated structure for on-site diagnosis that includes material technology.
Specifically, on-site diagnosis where blood is first separated in the sieve structure of the biochip and secondly separated in the ultra-fine porous film section, and then immediately transferred to the reagent chamber through the supply channel directly or through a bridge-shaped connecting bridge structure. This relates to a blood separation biochip with an integrated structure for
Description
본 발명은 현장진단을 위한 혈액 분리 바이오칩에 관한 것으로, 구체적으로는 혈액의 혈구(cell)와 혈장(plasma)을 분리하는 구조를 설계하고 미세유로 패터닝 공정기술을 적용하여 정밀한 혈액 이송을 위한 구조 및 소재 기술이 포함된 현장진단을 위한 일체형 구조의 혈액 분리 바이오칩에 관한 것이다. The present invention relates to a blood separation biochip for on-site diagnosis. Specifically, it designs a structure to separate blood cells and plasma and applies microchannel patterning process technology to create a structure and structure for precise blood transport. This is about a blood separation biochip with an integrated structure for on-site diagnosis that includes material technology.
구체적으로는 바이오칩의 체망구조부에서 혈액을 1차 분리하고 초미세다공성필름부에서 2차 분리한 후, 공급유로를 거쳐 즉시 시약챔버부에 직접 또는 브릿지 형상의 연결다리 구조 방식으로 이송되는 현장진단을 위한 일체형 구조의 혈액 분리 바이오칩에 관한 것이다.Specifically, blood is first separated in the sieve structure part of the biochip and secondaryly separated in the ultra-fine porous film part, and then immediately transferred to the reagent chamber part through the supply channel directly or through a bridge-shaped connecting bridge structure for on-site diagnosis. This relates to a blood separation biochip with an integrated structure for
과학기술의 발달과 더불어 삶의 질에 대한 관심이 증대되면서, 인간의 질병 진단 및 예방의 중요성이 날로 확대되고 있다. 인간의 질병을 진단하거나 분석하기 위해서 특히 혈액 측정에 대한 필요성이 증대되고 있다.As interest in quality of life increases along with the development of science and technology, the importance of diagnosing and preventing human diseases is expanding day by day. The need for blood measurement is increasing, especially to diagnose or analyze human diseases.
혈액은 몸 전체를 순환하면서 각종 장기들을 거치며 몸의 건강 상태에 대한 중요한 정보를 담고 있으므로, 이를 이용한 다양한 혈액검사 기술들이 개발되어 건강검진 필수 항목으로 인식되고 있다.Blood circulates throughout the body, passes through various organs, and contains important information about the body's health, so various blood test technologies using it have been developed and are recognized as an essential item for health checkups.
최근 혈액 검사기술의 트렌드는, 병원에서 채혈하고 이를 검사실에 보내어 한참 뒤에 결과를 받아보는 것이 아니라, 당뇨 측정기와 같이 휴대용으로 개발되어 가정에서 간단하면서도 즉시 결과를 볼 수 있도록 개발되고 있다. The recent trend in blood testing technology is that, rather than collecting blood at a hospital and sending it to a laboratory to receive the results a long time later, it is being developed as a portable device like a diabetes meter so that you can see the results simply and immediately at home.
혈액은 백혈구, 적혈구 등의 혈구 부분과 혈장 부분으로 구성이 되어 있으며, 각각은 다른 유형의 검사에 사용되며, 혈구로부터는 HbA1c나 헤모글로빈 수치 등을 알 수 있고, 혈장으로부터는 콜레스테롤, 글루코오스, 간수치, 신장수치 등 대부분의 다양한 건강정보를 알 수 있다. 혈구와 혈장의 비율은 사람마다 다르며, 따로 분리된 후, 측정해야만 각 성분에 들어있는 측정항목의 양을 정확하게 파악할 수 있으며, 혈구와 혈장이 섞여 있는 상태에서는 측정시스템에 교란을 야기하여 정확한 검사를 어렵게 할 수 있다. Blood is composed of a blood cell portion such as white blood cells and red blood cells and a plasma portion, each of which is used for different types of tests. Blood cells can be used to determine HbA1c or hemoglobin levels, and plasma can be used to determine cholesterol, glucose, liver levels, etc. You can find most of the various health information, including kidney values. The ratio of blood cells and plasma varies from person to person, and the amount of measurement items contained in each component can be accurately determined only after separation and measurement. When blood cells and plasma are mixed, it causes disturbance in the measurement system, making accurate testing difficult. can do.
보통 혈구와 혈장 분리를 위해 검사실에서는 원심분리기를 사용한다. 반면 휴대용 기기에서는 크기와 전력사용량 면에서 제한이 있고, 손끝 모세혈 채혈로 받은 혈액이 매우 미세한 양(5~70ul)이므로, 일반적인 방법으로는 혈구와 혈장을 분리하기 어려운 실정이다. A centrifuge is usually used in laboratories to separate blood cells and plasma. On the other hand, portable devices have limitations in terms of size and power usage, and the blood received through fingertip capillary blood collection is a very small amount (5~70ul), so it is difficult to separate blood cells and plasma using general methods.
마이크로플루이딕스(Microfluidics)는 마이크로수준에서 유체의 흐름을 조절하는 방법, 장치, 및 시스템 제작 기술이다. 이 시스템은 상기와 같은 미세유체의 특성을 이용하여 다양한 생명현상에 대한 연구에 응용할 수 있는 장점이 있다.Microfluidics is a technique for manufacturing methods, devices, and systems that regulate the flow of fluids at the micro level. This system has the advantage of being applicable to research on various biological phenomena by utilizing the above-mentioned characteristics of microfluidics.
특히 이 연구 분야는 2000년대 초반 DNA에 기반한 생체 반응 알고리즘을 획득한 게놈 프로젝트(Genome project) 이후, 생체 구현 바이오칩 분야에서 큰 발전을 이루어 오고 있으며, 다양한 기술 데이터에 기반한 분자 진단과 혈액 진단 등의 체외 진단 기법들이 개발되었다.In particular, this field of research has made great progress in the field of living biochips since the Genome project, which acquired a DNA-based biological response algorithm in the early 2000s, and in vitro diagnostics such as molecular and blood diagnostics based on various technical data. Diagnostic techniques have been developed.
그러나 기존의 Lab on a chip 제조 기술은, PDMS 같은 실리콘과 플라스틱 사출 또는 가공 소재나 공정들을 이용하여 제작하였으며(특허문헌 1 참조), 이러한 소재들은 상/하판의 접합 공정이 난해하며, 일부 열적 변형에 취약하고 유체 오염이 발생하기 쉬운 구조를 가지고 있다. However, the existing Lab on a chip manufacturing technology is manufactured using silicon and plastic injection or processing materials or processes such as PDMS (see Patent Document 1), and these materials have a difficult joining process of the upper and lower plates and are subject to some thermal deformation. It has a structure that is vulnerable to fluid contamination.
유체 분석 카트리지의 경우(특허문헌 2, 3 참조), 하우징과 검사부를 각각 제작하여, 양면테이프를 통해 결합시키는 방식으로 부착시 분리된 혈액이 결함부에서 누액되어 검출시약부까지 이송이 안되거나, 시약부 챔버를 모두 채우기에 혈액이 부족하여 부정확한 진단결과를 발생할 수 있다. 또한 시약값의 중대한 불량을 발생할 수 있어 하우징과 검사부를 개별로 각각 제품이 나누어 조립되는 방식은 단점이 될 수 있다.In the case of a fluid analysis cartridge (see Patent Documents 2 and 3), the housing and the inspection unit are manufactured separately and joined together through double-sided tape. When attached, the separated blood leaks from the defective part and cannot be transported to the detection reagent unit. Inaccurate diagnosis results may occur if there is not enough blood to fill all of the reagent chambers. In addition, the method of assembling the housing and inspection part separately can be a disadvantage as serious defects in reagent values can occur.
따라서 초정밀 미세유체 기술 기반의 새로운 혈액 분리 구조의 고분자 칩을 개발하기 위하여, 정밀한 유로 패터닝 공정을 적용한 혈장 분리 및 이송을 위한 최적의 혈액분리 기반기술이 요구되고 있다.Therefore, in order to develop a polymer chip with a new blood separation structure based on ultra-precision microfluidic technology, an optimal blood separation-based technology for plasma separation and transport using a precise channel patterning process is required.
본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예는 혈액의 혈구와 혈장을 분리하고 이송하는 새로운 일체형 구조의 바이오칩을 제공하고자 한다.The present invention was developed to solve the above problems, and an embodiment of the present invention seeks to provide a biochip with a new integrated structure that separates and transports blood cells and plasma.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 혈액의 혈구와 혈장을 분리하는 현장진단용 바이오칩에 있어서, 혈액 샘플이 유입되는 입구를 포함하는 공급홀(100); 일정한 압력을 가하여 상기 공급홀을 통해 혈액을 통과시켜 1차 분리하는 구조를 가진 체망구조부(200); 상기 체망구조부에 의해 1차 분리된 혈액을 추가로 2차 분리하는 초미세다공필름부(300); 상기 초미세다공필름부로부터 수직 투과되어 최종 분리된 혈액내 혈장이 패턴메인홀(401)에서 수평 이송되는 미세유로(402)가 설계된 직사각형 타입의 패턴가공형상부(400); 상기 패턴가공형상부의 미세유로를 거쳐 이송된 혈액을 검사하는 시약챔버부(500); 상기 혈액이 원활히 이송되어 검사가 수행될 수 있도록 외부에서 진공을 걸어주는 석션부(600);를 포함하는 일체형 구조를 가진 바이오칩을 제공한다.In order to solve the above problem, the present invention provides a biochip for point-of-care diagnosis that separates blood cells and plasma, including a supply hole 100 including an inlet through which a blood sample flows; A sieve structure unit (200) having a structure for primary separation by applying a certain pressure to allow blood to pass through the supply hole; An ultra-fine porous film unit (300) that further separates the blood primarily separated by the sieve structure unit for a second time; A rectangular-type pattern processing portion 400 designed with a micro-channel 402 through which the final separated blood plasma, which permeates vertically from the ultra-fine porous film portion, is horizontally transferred from the pattern main hole 401; A reagent chamber unit 500 that tests blood transported through the micro-channel of the pattern processing shape part; A biochip having an integrated structure including a suction unit 600 that applies a vacuum from the outside so that the blood can be smoothly transported and the test can be performed is provided.
또한 혈액의 혈구와 혈장을 분리하는 현장진단용 바이오칩에 있어서, 혈액 샘플이 유입되는 입구를 포함하는 공급홀(100); 일정한 압력을 가하여 상기 공급홀을 통해 혈액을 통과시켜 1차 분리하는 체망구조부(200); 상기 체망구조부에 의해 1차 분리된 혈액을 추가로 2차 분리하는 초미세다공필름부(300); 상기 초미세다공필름부로부터 수직 투과되어 최종 분리된 혈액내 혈장이 브릿지 형상(∩)의 연결다리부(333)를 거쳐 패턴메인홀(401)로 수직 이송된 후, 이어서 수평 이송되는 공급유로(402)가 설계된 직사각형 타입의 패턴가공형상부(400); 상기 패턴가공형상부의 공급유로를 거쳐 이송된 혈액을 검사하는 시약챔버부(500); 상기 혈액이 원할히 이송되어 검사가 수행될 수 있도록 외부에서 진공을 걸어주는 석션부(600);를 포함하는 일체형 구조를 가진 바이오칩을 제공한다.In addition, in the biochip for point-of-care diagnosis that separates blood cells and plasma, the supply hole 100 includes an inlet through which a blood sample flows; A sieve structure unit (200) that first separates the blood by passing it through the supply hole by applying a certain pressure; An ultra-fine porous film unit (300) that further separates the blood primarily separated by the sieve structure unit for a second time; The plasma in the blood that permeates vertically from the ultra-fine porous film portion and is finally separated is vertically transferred to the pattern main hole 401 through the bridge-shaped (∩) connecting leg portion 333, and is then transferred horizontally to the supply channel ( 402) designed rectangular type pattern processing shape portion 400; A reagent chamber unit 500 that tests blood transferred through the supply passage of the pattern processing shape unit; A biochip having an integrated structure including a suction unit 600 that applies a vacuum from the outside so that the blood can be smoothly transported and the test can be performed is provided.
상기 체망구조부(200)는 서로 엉킨 구조의 섬유 매트릭스 형태이고, 재질은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프타레이트(PET), 및 셀룰로우즈(cellulose)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 수지와 유리섬유(G/F)가 포함된 것을 특징으로 한다.The mesh structure 200 is in the form of a fiber matrix with a tangled structure, and is made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), and cellulose. It is characterized in that it contains any one resin selected from the group consisting of and glass fiber (G/F).
상기 초미세다공필름부(300)는 1.0um 이하의 초미세다공유로와 0.03T-0.1T의 두께를 가진 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.The ultra-fine porous film unit 300 is made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), and polyethylene terephthalate ( It is characterized by using a material selected from the group consisting of PET).
상기 패턴가공형성부(400)는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 소재로 제조된 필름으로 이루어지고, 상기 바이오칩 상부(10)와 하부(20)사이에 삽입되어 하나의 독립된 구조(island structure)로 위치한 것을 특징으로 한다.The pattern processing forming part 400 is made of a film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF), and is inserted between the upper part 10 and the lower part 20 of the biochip. It is characterized by being located as an island structure.
상술한 바와 같이, 본 발명을 통해 개발 제조된 바이오칩은, 일체형 구조로 이루어져 있으므로 누액으로 인한 검사용 혈액량의 부족 때문에 발생할 수 있는 검사결과 값의 오류가 개선할 수 있는 효과가 있다.As described above, the biochip developed and manufactured through the present invention has an integrated structure, so it has the effect of improving errors in test results that may occur due to insufficient blood volume for testing due to leakage.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분리된 혈장의 회수율과 분리율은 비교군에 비해서 우수하였고 통상적인 테스트 기준을 모두 만족하는 결과를 보여준다. 따라서 본 발명의 새로운 분리 구조로 인해 시약챔버부까지 누액(leakage)없이 혈액 검체를 전달할 수 있고 극소량의 검체로도 충분히 시약챔버부에 충전되는 효과가 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the recovery and separation rates of separated plasma were superior to those of the comparison group and showed results that satisfied all common test standards. Therefore, the new separation structure of the present invention allows the blood sample to be delivered to the reagent chamber without leakage, and has the effect of sufficiently filling the reagent chamber even with a very small amount of sample.
또한 본 발명은 석션방식을 이용하기 때문에, 혈액 분리 및 이송에 가해지는 압력이 균일하면서도 안정적으로 유지되므로, 소량의 혈액을 이용하는 현장에서 즉시 검사가 필요한 진단 분야에 쉽게 적용할 수 있다.In addition, because the present invention uses a suction method, the pressure applied to separate and transport blood is maintained uniformly and stably, so it can be easily applied to diagnostic fields that require immediate testing in the field using a small amount of blood.
도 1은 종래기술의 일 실시예에 따른 유체 분석 카트리지를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩을 도시한 사시도와 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 바이오칩을 도시한 사시도와 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 바이오칩의 혈액 분리 및 이동에 따른 미세유로 흐름에 대한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩에 주입하는 혈액량에 따라 분리된 혈장의 회수율을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 분리된 혈장의 용혈 Lysis 분석결과를 비교한 그래프이다. 1 is a diagram illustrating a fluid analysis cartridge according to an embodiment of the prior art.
Figure 2 is a perspective view and cross-sectional view showing a biochip according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a perspective view and cross-sectional view showing a biochip according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram of the microchannel flow according to blood separation and movement in the biochip according to the present invention.
Figure 5 is a graph measuring the recovery rate of separated plasma according to the amount of blood injected into the biochip according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph comparing the results of hemolysis lysis analysis of plasma separated according to the present invention.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.
또한 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. Additionally, terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their common or dictionary meanings, and the inventor must appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It should be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done.
도 1은 종래기술의 일 실시예에 따른 유체 분석 카트리지의 전체 외관도가 도시되어 있으며, 카트리지를 지지하는 하우징(110)과 유체와 시약이 만나 반응이 일어나는 검사부(120)로 나누어 결합된 구조로 이루어져 있다. Figure 1 shows the overall appearance of a fluid analysis cartridge according to an embodiment of the prior art, and is divided into a housing 110 that supports the cartridge and an inspection unit 120 where a fluid and a reagent meet and react. consist of.
즉 하우징과 검사부를 각각 제작하여, 양면테이프를 통해 결합시키는 방식이므로 부착시 분리된 혈액이 결함부에서 누액되어 검출시약부까지 이송이 안되거나, 시약챔버부를 모두 채우기에 혈액이 부족하여 부정확한 진단결과를 발생할 수 있어서, 각각 제품이 나누어 조립되는 방식은 상기와 같은 문제점이 있을 수 있다.In other words, since the housing and inspection part are manufactured separately and connected through double-sided tape, the separated blood leaks from the defective part when attached and cannot be transported to the detection reagent part, or there is not enough blood to fill the entire reagent chamber, resulting in inaccurate diagnosis. As the result may occur, the method in which each product is divided and assembled may have the problems described above.
또한 상기 카트리지는 하우징 상단으로 혈액을 주입한 이후에 혈액을 분리 및 이송하는 것으로, 단지 상단부에서만 일정한 압력을 가하여 압력에 의해 혈액을 움직여 분리 또는 이송하는 방식이다. In addition, the cartridge separates and transfers blood after injecting it into the upper part of the housing. It applies a certain pressure only to the upper part and moves the blood by pressure to separate or transfer it.
이는 하우징 상단의 압력을 가하기 위해서는 특별한 가압 기구물, 예를 들면 플런저(Plunger)를 접촉 안착시켜 압력을 가하는 방식이므로, 플런저가 접촉하는 부분에 표면손상이나 찍힘 등이 있다면 가압 압력은 누출되어 혈액에 충분한 압력이 전달되지 못하게 되고, 결국 혈액 분리에 이상 현상이 발생하거나 혈액 이송이 원활하지 못해 불량을 유발할 수도 있다.This is a method of applying pressure by contacting and seating a special pressurizing device, for example, a plunger, to apply pressure to the top of the housing. Therefore, if there is surface damage or dents in the area where the plunger contacts, the pressurized pressure may leak and not be sufficient for the blood. Pressure cannot be transmitted, which may eventually lead to abnormalities in blood separation or poor blood transfer, which may cause defects.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩은 일체형 구조를 제공한다. 도 2와 3을 참조하면, 상부(10)과 하부(20)사이에 직사각형 타입의 패턴가공형상부(400)가 삽입되어 일체형 구조를 이루고 있으며, 시약챔버부(500) 하단에서 진공을 걸어줄 수 있는 석션부(600)를 설계하여 충분한 압력이 전달될 수 있도록 구조를 제작하였다.Accordingly, the biochip according to one embodiment of the present invention provides an integrated structure. Referring to Figures 2 and 3, a rectangular pattern processing portion 400 is inserted between the upper part 10 and the lower part 20 to form an integrated structure, and a vacuum is applied at the bottom of the reagent chamber part 500. The suction part 600 was designed and the structure was manufactured so that sufficient pressure could be transmitted.
또한 상부(10)의 상단에는 혈액 샘플을 유입되는 입구를 포함하는 공급홀(100)이 구비된다. 이는 도 2에 도시된 바와 같이 원형의 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 다각형의 형상도 가능하다. 사용자는 분석 대상인 혈액 샘플을 피펫이나 스포이드 등의 도구를 이용하여 공급홀에 떨어뜨릴 수 있다.Additionally, a supply hole 100 including an inlet through which a blood sample flows is provided at the top of the upper portion 10. It may be formed in a circular shape as shown in FIG. 2, but is not limited to this and may also have a polygonal shape. The user can drop the blood sample to be analyzed into the supply hole using a tool such as a pipette or dropper.
공급홀을 통해 혈액이 유입되고 접촉하므로, 상부(10)의 재질은 성형이 용이하고 화학적이나 생물학적으로 비활성인 수지를 선택하는 것이 바람직하다. Since blood flows in and comes into contact with the supply hole, it is desirable to select a material for the upper part 10 that is easy to mold and is chemically or biologically inert.
예를 들어, 상부(10)는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리다이메틸실록산(PDMS), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합제(ABS) 등이 선택될 수 있다. 하부(20)의 재질도 상부(10)와 동일하게 선택할 수 있다.For example, the upper part 10 is made of polyethylene such as linear low-density polyethylene (LLDPE), low-density polyethylene (LDPE), medium-density polyethylene (MDPE), and high-density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), and polyvinyl alcohol (PVA). , polymethyl methacrylate (PMMA), polydimethylsiloxane (PDMS), polycarbonate (PC), acrylonitrile butadiene styrene copolymer (ABS), etc. may be selected. The material of the lower part (20) can be selected the same as that of the upper part (10).
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩을 도시한 단면도가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 일정한 압력을 가하여 상기 공급홀을 통해 혈액을 통과시켜 1차 분리하는 체망구조부(200)와 상기 체망구조부에 의해 1차 분리된 혈액을 추가로 2차 분리하는 초미세다공필름부(300)를 거치면, 혈구는 걸러지고 혈장만 패턴메인홀(401)로 수직 투과하여 분리된다. Figure 2 shows a cross-sectional view showing a biochip according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 2, a sieve mesh structure 200 that first separates the blood by passing it through the supply hole by applying a certain pressure, and an ultra-fine sieve structure that further separates the blood primarily separated by the sieve mesh structure for a second time. Passing through the porous film unit 300, blood cells are filtered out and only plasma passes vertically through the pattern main hole 401 and is separated.
이때 공급홀에 유입되는 혈액의 점도와 밀도 등의 특성을 고려하여 적정한 혈액량을 초기에 주입할 때 일정한 압력이 필요하며, 체망구조부와 초미세다공필름부의 특성을 감안한다면 정확한 분리와 원할한 이송을 위해서 일정한 압력을 지속적으로 유지해 줄 필요가 있다.At this time, considering the characteristics such as viscosity and density of the blood flowing into the supply hole, a constant pressure is required when initially injecting an appropriate amount of blood, and taking into account the characteristics of the mesh structure and ultra-fine porous film section, accurate separation and smooth transfer are possible. For this, it is necessary to continuously maintain a certain pressure.
상기 체망구조부는 서로 엉킨 구조의 섬유 매트릭스 형태이고, 재질은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프타레이트(PET), 및 셀룰로우즈(cellulose)로 이루이진 그룹에서 선택된 어느 하나의 수지와 유리섬유(G/F)가 포함된다. 엉킨 구조의 섬유와 섬유 사이의 생성되는 다양한 크기의 간격을 통해 혈액을 통과시켜 분리하는 구조이다. The mesh structure is in the form of a fiber matrix with a tangled structure, and is made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), and cellulose. It includes any one resin selected from the group and glass fiber (G/F). It is a structure that separates the tangled fibers by passing blood through gaps of various sizes created between the fibers.
상기 초미세다공필름부는 1.0um 이하의 초미세 다공유로와 0.03T-0.1T의 두께를 가진 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 재질을 사용한다. 상기 초미세 다공유로를 통과하는 혈액의 흐름은 압력, 전기장, 표면장력 등에 의해 적극적으로 유도할 수 있으며, 연속유동을 위해서 공기압을 이용하는 것이 제조 및 운영 면에서 용이하다.The ultra-fine porous film part is made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), and polyethylene terephthalate (PET) with an ultra-fine porous channel of 1.0 um or less and a thickness of 0.03T-0.1T. Use one material selected from the group. The flow of blood passing through the ultrafine porous channel can be actively induced by pressure, electric field, surface tension, etc., and using air pressure for continuous flow is easy in terms of manufacturing and operation.
상기 체망구조부와 초미세다공필름부로 이루어진 이중층 구조부를 통해서 혈액 샘플을 수직으로 분리 여과시키면, 그 기능이 더 강화되고 투과 안정성 역시 향상되는 효과가 있다.If the blood sample is vertically separated and filtered through the double-layer structure consisting of the sieve mesh structure and the ultra-fine porous film portion, the function is further strengthened and the permeation stability is also improved.
또한 2차 분리 후, 혈장은 공급유로(402)를 통해 수평 이동되며, 상기 공급유로를 포함한 직사각형 타입의 패턴가공형상부(400)는 상기 바이오칩 상부(10)와 하부(20)사이에 삽입되어 하나의 독립된 구조(island structure)로 설계된다. 이때 상부와 하부의 접합에는 감압성 접착제(PSA)가 사용될 수 있다. In addition, after the secondary separation, the plasma is moved horizontally through the supply channel 402, and the rectangular patterned shape part 400 including the supply channel is inserted between the upper part 10 and the lower part 20 of the biochip. It is designed as an island structure. At this time, pressure sensitive adhesive (PSA) may be used to join the upper and lower parts.
이때 공급유로는 1um 내지 500um의 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 필요에 따라 두 개 이상의 공급유로가 설계될 수도 있다.At this time, the supply passage may be formed to have a width of 1 μm to 500 μm. Two or more supply channels may be designed as needed.
상기 패턴가공형성부는 소수성과 흡습성을 동시에 가진 소재를 사용하며, 예를 들어 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)로 제조된 필름 또는 시트가 바람직하다. 시트라는 용어는 필름이라는 용어와 상호 교환이 가능하게 사용되고, 형성된 패턴을 포함하는 층을 말한다. The pattern processing forming part uses a material that is both hydrophobic and hygroscopic, for example, a film or sheet made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF) is preferable. The term sheet is used interchangeably with the term film and refers to a layer containing a formed pattern.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이오칩은 상기 패턴가공형상부의 공급유로를 거쳐 수평으로 이송된 혈액을 검사하는 시약챔버부(500)를 포함하고, 상기 혈액이 원할히 이송되어 검사가 수행될 수 있도록 외부에서 진공을 걸어주는 원형모양의 석션부(600);를 포함하고 있다.As shown in FIG. 2, the biochip of the present invention includes a reagent chamber unit 500 for testing blood horizontally transferred through the supply passage of the pattern processing shape part, and the blood can be smoothly transferred to perform the test. It includes a circular-shaped suction part 600 that applies a vacuum from the outside to allow the vacuum to be removed.
즉 시약챔버부에서는 이송된 혈액 샘플(특히 혈장)과 시약이 반응하여 발색 또는 변색하는 정도를 광학적으로 검출하여 수치화할 수 있다. 상기 수치를 통해 혈액 내의 특정 성분의 존재 여부 또는 특정 성분의 비율 등을 확인할 수 있다. 여기서 시약챔버부에 대응되는 영역은 원형 또는 사각형 등으로 형성될 수 있으며, 그 개수는 3개 이상이면 충분하고 이에 한정되는 것은 아니다.That is, in the reagent chamber portion, the degree of color development or discoloration caused by the reaction between the transported blood sample (especially plasma) and the reagent can be optically detected and quantified. Through the above values, it is possible to check the presence or proportion of a specific component in the blood. Here, the area corresponding to the reagent chamber part may be formed in a circular or square shape, and the number of areas corresponding to the reagent chamber part may be three or more, but is not limited thereto.
석션부는 상부 상단에 돌출 형성된 원형 구조이며, 이는 공급홀에 단순 압력만으로는 가압력이 부족하여 혈액 분리와 이송에 일부 문제점이 발생할 수 있으므로, 이를 보완적으로 해결하는 역할을 해준다. The suction part is a circular structure protruding from the top of the upper part. This serves as a complementary solution to the problem that some problems may occur in blood separation and transport due to insufficient pressing force through simple pressure on the supply hole.
한편 수직구조의 공급홀(100), 체망구조부(200), 초미세다공필름부(300)를 거쳐 분리되는 혈액이, 바로 직선 공급유로로 수평 이동되는 과정에서, 접점상의 누액이 발생하는 경우가 가끔 발생한다. 이는 공급되는 혈액 샘플량과 가압기의 압력과의 관계에서 기인할 수 있다. On the other hand, in the process where the blood separated through the vertical supply hole 100, the mesh structure 200, and the ultra-fine porous film part 300 moves horizontally into the straight supply channel, leakage occurs at the contact point. Occasionally occurs. This may be due to the relationship between the amount of blood sample supplied and the pressure of the pressurizer.
이에 상기 문제점을 보완하기 위해서 본 발명은 브릿지 형상(∩)의 연결다리부(333)를 가진 일체형 구조를 가진 바이오칩을 제공한다. 도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 바이오칩을 도시한 사시도와 단면도이다. Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention provides a biochip having an integrated structure with a bridge-shaped (∩) connecting leg portion 333. Figure 3 is a perspective view and cross-sectional view showing a biochip according to another embodiment of the present invention.
이는 체망구조부(200)와 초미세다공성필름부(300)를 수직 투과하여 분리된 혈액내 혈장을 연결다리부(333)를 거쳐 수평 이동시키는, 특별한 유체 분리 및 이동 메카니즘을 적용한 것이다. 수직 투과한 유체를 브릿지방식으로 수식 상승시킨 후 다시 수평으로 이동하는 굴곡진 흐름을 유도하게 한다. 이때 외부에서 진공을 걸어주는 석션부(600)가 매우 중요하다. This applies a special fluid separation and movement mechanism that horizontally moves the separated blood plasma through the sieve mesh structure 200 and the ultra-fine porous film 300 through the connecting bridge 333. The vertically transmitted fluid is raised in a bridge manner and then a curved flow is induced that moves horizontally again. At this time, the suction unit 600 that applies vacuum from the outside is very important.
따라서 브릿지 형상 구조가 유체(혈액) 이동의 중간에 존재함으로 인해, 패턴메인홀(401)의 위치에 차이가 생기게 되고, 차지하는 공간도 명확하게 구분되므로, 압력이 균일하게 유지될 수 있는 장점이 있다. 이러한 브릿지 구조 설계로 인해, 단순 가압으로 발생하는 누액 및 불완전한 혈액 분리의 문제점이 보완될 수 있다.Therefore, because the bridge-shaped structure exists in the middle of the fluid (blood) movement, a difference occurs in the position of the pattern main hole 401, and the occupied space is clearly distinguished, so there is an advantage in that the pressure can be maintained uniformly. . Due to this bridge structure design, the problems of leakage and incomplete blood separation that occur due to simple pressurization can be corrected.
이에 본 발명의 바이오칩이 누액없이 혈액을 분리하고 이송할 수 있다는 점을 확인하고자 혈장회수율과 혈장분리율을 평가하였다. Accordingly, the plasma recovery rate and plasma separation rate were evaluated to confirm that the biochip of the present invention can separate and transport blood without leakage.
실험예 1. 혈장회수율 평가Experimental Example 1. Evaluation of plasma recovery rate
우선 혈액검사에 필요한 최소량을 측정하기 위해 개발한 혈액분리 바이오칩에 혈액 검체를 주입하여 분리구조를 통과한 혈장회수량을 측정하였다.First, a blood sample was injected into the blood separation biochip developed to measure the minimum amount required for a blood test, and the amount of plasma recovered that passed through the separation structure was measured.
혈액분리칩의 패턴가공형상부는 제외된 상부의 이중층 구조부에 혈액 전혈 검체를 초기에 40ul 주입하고 5ul씩 순차적으로 증가시켜 70ul 까지 주입하여 혈장 분리된 상태(정성분석)와 양(정량분석)을 확인하였다. Initially, 40ul of whole blood sample was injected into the upper double-layer structure excluding the patterned shape of the blood separation chip, and then sequentially increased by 5ul to inject up to 70ul to confirm the separated state (qualitative analysis) and amount (quantitative analysis) of plasma. did.
그 결과 50ul 주입시 18ul가 분리되고, 60ul 주입시 26ul가 분리되며, 70ul 주입시 31ul의 분리량이 측정되었다. 또 검체 주입후, 혈장의 분리는 확인되었으며, 시약챔버까지 이송됨을 확인하였다(도 4 참조). 혈장회수량이 칩의 전체 미세유로 및 챔버와 공차를 고려한 이론적 체적값을 통해 비교 확인하여 필요한 혈액량을 분석하였고, 이때 분리검체 밀도(density)를 순수 물 기준을 동일하게 적용하여 1g/ml 로 적용하여 혈장분리 후, 미세저울로 무게를 측정한 것이다.As a result, 18ul was separated when 50ul was injected, 26ul was separated when 60ul was injected, and 31ul was measured when 70ul was injected. In addition, after sample injection, separation of plasma was confirmed and it was confirmed that it was transported to the reagent chamber (see Figure 4). The required blood volume was analyzed by comparing the amount of plasma recovery with the theoretical volume value considering the entire microchannel and chamber of the chip and tolerances. At this time, the density of the separated sample was applied to 1g/ml by applying the same pure water standard. After plasma separation, the weight was measured using a microbalance.
결국 미세유로 내부 체적 기준을 고려할 때 분리칩에 필요한 혈액량은 60ul이하가 바람직하다고 판단되어, 주입량 60ul에 대하여 혈장회수량이 26ul로 측정되었다면, 혈장회수율은 (26ul/60ul)×100=43.3%임을 알 수 있다(도 5 참조). 이 수치는 통상적인 테스트 기준인 40% 이상을 만족하는 결과이다. 즉 본 발명의 혈장회수율은 우수하다고 할 수 있다.In the end, considering the standards for the internal volume of the microchannel, it was determined that the blood volume required for the separation chip was less than 60ul. If the plasma recovery was measured to be 26ul for an injection volume of 60ul, the plasma recovery rate was (26ul/60ul) x 100 = 43.3%. It can be seen (see Figure 5). This figure satisfies the typical test standard of more than 40%. In other words, it can be said that the plasma recovery rate of the present invention is excellent.
실험예 2. 용혈 Lysis 평가분석Experimental Example 2. Hemolysis Lysis Evaluation Analysis
혈액검체의 혈장을 분리하여 분리시 적혈구의 파괴로 인한 시료 오염정도를 확인하기 위해 분리된 혈장의 용혈 Lysis 분석을 수행하였다. 즉 제조한 혈액분리 바이오칩에 혈액 검체를 적용하여 혈장의 분리 상태와 분리 후 시약챔버로의 이송 상태를 확인하여 혈장 분리율을 평가하였다. Hemolysis Lysis analysis of the separated plasma was performed to determine the degree of sample contamination due to destruction of red blood cells during separation of the plasma from the blood sample. That is, the plasma separation rate was evaluated by applying a blood sample to the manufactured blood separation biochip and confirming the state of plasma separation and transfer to the reagent chamber after separation.
혈액검체를 원심분리하여 얻은 혈장 샘플(비교군, control)과 본 발명의 혈액분리구조를 통과한 혈장 샘플을 분광기를 이용하여 540nm 파장에서 흡광도를 측정하여 비교군을 100%로 환산하여 비교군 대비 10%이하의 차이를 보이는지 확인하였고, 그 결과 비교군(control) 흡광도 0.022142, 분리칩 샘플 흡광도 0.023637로 측정되었다(한국나노기술원, Cary 5000 UV-vis-NIR-Spectrometer로 측정).The absorbance of the plasma sample (comparison group, control) obtained by centrifuging the blood sample and the plasma sample that passed through the blood separation structure of the present invention was measured at a wavelength of 540 nm using a spectrometer, and the comparison group was converted to 100% and compared to the comparison group. It was checked whether there was a difference of less than 10%, and as a result, the absorbance of the control group (control) was 0.022142 and the absorbance of the separation chip sample was measured at 0.023637 (measured with a Cary 5000 UV-vis-NIR-Spectrometer, Korea Institute of Nanotechnology).
각각 OD평균값을 통해 흡광도 absorption intensity(%)를 구하기 위해 비교군(control)을 100%로 환산하여 샘플과 비교할 시 6.75%의 차이를 보였으며, 이는 용혈 Lysis인 hemolysis Intensity가 비교군(control) 0%일 때 분리칩으로 혈장분리한 샘플은 6.75%이라는 것을 의미한다(도 6 및 표 1 참조), 이는 통상적인 테스트 기준인 10% 이하를 만족하는 결과이다. 즉 본 발명의 분리효율에 대한 실험결과는 우수하다고 할 수 있다.In order to obtain the absorbance intensity absorption (%) through each OD average value, the comparison group (control) was converted to 100% and compared with the sample, a difference of 6.75% was seen, which means that the hemolysis intensity, which is hemolysis lysis, was 0 in the control group (control). % means that the sample separated from plasma using the separation chip is 6.75% (see Figure 6 and Table 1), which is a result that satisfies the typical test standard of 10% or less. In other words, the experimental results regarding the separation efficiency of the present invention can be said to be excellent.
본 발명은 혈액내 혈장 분리를 위한 수직 구조 및 브릿지 방식의 이송구조를 설계하였는바, 이러한 구조는 시약챔버부까지 누액(leakage)없이 혈액 검체를 전달할 수 있고 극소량의 검체로도 충분히 시약챔버부에 충전됨을 확인할 수 있어, 향후 현장에서 신속하게 검사하고 판단할 필요가 있는 POCT(point-of-care testing) 분야에 활용이 커질 것으로 예상된다.The present invention has designed a vertical structure and a bridge-type transport structure for separating plasma from blood. This structure can deliver blood samples to the reagent chamber without leakage, and even a very small amount of sample can be sufficiently transported to the reagent chamber. Since charging can be confirmed, its use is expected to increase in the future in the POCT (point-of-care testing) field, which requires rapid inspection and judgment in the field.
10 : 상부, 20 : 하부
100 : 공급홀, 200 : 체망구조부, 300 : 초미세다공필름부
400 : 패턴가공형상부, 401 : 페턴메인홀, 402 : 공급유로
500 : 시약챔버부, 600 : 석션부10: top, 20: bottom
100: supply hole, 200: sieve structure part, 300: ultrafine porous film part
400: Pattern processing shape part, 401: Pattern main hole, 402: Supply channel
500: Reagent chamber part, 600: Suction part
Claims (5)
혈액 샘플이 유입되는 입구를 포함하는 공급홀(100);
일정한 압력을 가하여 상기 공급홀을 통해 혈액을 통과시켜 1차 분리하는 체망구조부(200);
상기 체망구조부에 의해 1차 분리된 혈액을 추가로 2차 분리하는 초미세다공필름부(300);
상기 초미세다공필름부로부터 수직 투과되어 최종 분리된 혈액내 혈장이 패턴메인홀(401)에서 수평 이송되는 공급유로(402)가 설계된 직사각형 타입의 패턴가공형상부(400);
상기 패턴가공형상부의 공급유로를 거쳐 이송된 혈액을 검사하는 시약챔버부(500); 및
상기 혈액이 원할히 이송되어 검사가 수행될 수 있도록 외부에서 진공을 걸어주는 석션부(600);를 포함하는 일체형 구조를 가진 바이오칩In the field diagnostic biochip that separates blood cells and plasma,
A supply hole 100 including an entrance through which a blood sample flows;
A sieve structure unit (200) that first separates the blood by passing it through the supply hole by applying a certain pressure;
An ultra-fine porous film unit (300) that further separates the blood primarily separated by the sieve structure unit for a second time;
A rectangular pattern processing portion (400) designed with a supply passage (402) through which the final separated blood plasma, which permeates vertically from the ultra-fine porous film portion, is horizontally transferred from the pattern main hole (401);
A reagent chamber unit 500 that tests blood transferred through the supply passage of the pattern processing shape unit; and
A biochip with an integrated structure including a suction unit 600 that applies a vacuum from the outside so that the blood can be smoothly transported and the test performed.
혈액 샘플이 유입되는 입구를 포함하는 공급홀(100);
일정한 압력을 가하여 상기 공급홀을 통해 혈액을 통과시켜 1차 분리하는 체망구조부(200);
상기 체망구조부에 의해 1차 분리된 혈액을 추가로 2차 분리하는 초미세다공필름부(300);
상기 초미세다공필름부로부터 수직 투과되어 최종 분리된 혈액내 혈장이 브릿지 형상(∩)의 연결다리부(333)를 거쳐 패턴메인홀(401)로 수직 이송된 후, 이어서 수평 이송되는 공급유로(402)가 설계된 직사각형 타입의 패턴가공형상부(400);
상기 패턴가공형상부의 공급유로를 거쳐 이송된 혈액을 검사하는 시약챔버부(500); 및
상기 혈액이 원할히 이송되어 검사가 수행될 수 있도록 외부에서 진공을 걸어주는 석션부(600);를 포함하는 일체형 구조를 가진 바이오칩In the field diagnostic biochip that separates blood cells and plasma,
A supply hole 100 including an entrance through which blood samples flow;
A sieve structure unit (200) that first separates the blood by passing it through the supply hole by applying a certain pressure;
An ultra-fine porous film unit (300) that further separates the blood primarily separated by the sieve structure unit for a second time;
The plasma in the blood that permeates vertically from the ultra-fine porous film portion and is finally separated is vertically transferred to the pattern main hole 401 through the bridge-shaped (∩) connecting leg portion 333, and is then transferred horizontally to the supply channel ( 402) designed rectangular type pattern processing shape portion 400;
A reagent chamber unit 500 that tests blood transferred through the supply passage of the pattern processing shape unit; and
A biochip with an integrated structure including a suction unit 600 that applies a vacuum from the outside so that the blood can be smoothly transported and the test performed.
상기 체망구조부(200)는 서로 엉킨 구조의 섬유 매트릭스 형태이고, 재질은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프타레이트(PET), 및 셀룰로우즈(cellulose)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 수지와 유리섬유(G/F)가 포함된 것을 특징으로 하는 바이오칩In claim 1 or claim 2,
The mesh structure 200 is in the form of a fiber matrix with a tangled structure, and is made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), and cellulose. ) A biochip characterized in that it contains any one resin selected from the group consisting of and glass fiber (G/F)
상기 초미세다공필름부(300)는 1.0um 이하의 초미세다공유로와 0.03T-0.1T의 두께를 가진 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오칩In claim 1 or claim 2,
The ultra-fine porous film unit 300 is made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), and polyethylene terephthalate ( A biochip characterized by using any material selected from the group consisting of PET)
상기 패턴가공형성부(400)는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 소재로 제조된 필름으로 이루어지고, 상기 바이오칩 상부(10)와 하부(20)사이에 삽입되어 하나의 독립된 구조(island structure)로 위치한 것을 특징으로 하는 바이오칩In claim 1 or claim 2,
The pattern processing forming part 400 is made of a film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF), and is inserted between the upper part 10 and the lower part 20 of the biochip. A biochip characterized in that it is located as an island structure.
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2022
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