KR20240065566A - 로딩-흡인법을 활용한 일체화된 개방형 조직 장벽 모사칩 - Google Patents

로딩-흡인법을 활용한 일체화된 개방형 조직 장벽 모사칩 Download PDF

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KR20240065566A
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전누리
이정섭
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Abstract

본 발명은 구조물들 사이를 분리하는 단계들을 제외하였다. 본 발명에 의하면 미세유체의 라플라스 압력(Laplace pressure)을 활용한 로딩-흡인 과정을 통해 미세 유체 칩에 특별한 어려움 없이 하이드로젤층(hydrogel membrane) 패터닝 및 다계층 로딩(loading)이 가능하다. 또한 본원의 미세 유체 칩은 3D 프린터를 통해 각 구조가 일체화된 채로 생산이 가능하다.

Description

로딩-흡인법을 활용한 일체화된 개방형 조직 장벽 모사칩{INTEGRATED OPEN TISSUE BARRIER SIMULATION CHIP UTILIZING LOADING-ASPIRATION}
본원은 로딩-흡인법을 활용한 일체화된 개방형 조직 장벽 모사칩에 대한 발명이다.
인체에서의 효능과 부작용을 예측하기 위해서 임상 실험 이전에 전임상 실험이 수반되어야 한다. 현재 전임상 실험은 동물 실험과 기초적인 세포 실험을 통해 이루어지는데, 이는 동물 윤리 문제, 결과의 신뢰성과 같은 근본적인 문제로부터 불가피한 실정이다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 시도 중 하나인 장기 모사 칩은 인체의 장기를 구성하는 미세 환경을 초소형 칩에서 세포를 배양함으로써 실제 장기의 구조와 기능을 제공한다. 이러한 시도는 인체 조직과의 유사성이 높은 생체 미세 환경을 제시하고 그에 따른 유의미한 결과를 제공하고 있다.
장기 모사 칩 모델로 널리 사용되고 있는 PDMS 칩은 반도체 공정 기술에서 사용되는 소프트 리소그래피(soft lithography) 방식을 통해 제작된다. 이 PDMS 칩은 소수성 환경 내에 수십, 수백 마이크로미터 수준의 미세 구조물들로 구성하여 유체를 패터닝한다. PDMS 물질은 표면이 소수성 환경을 가질 경우, 접촉각이 90도 이상으로서 적절한 압력으로 유체를 밀어주면 미세 구조물들 사이로 유출없이 패터닝 될 수 있다. 주로 이용되는 하이드로젤인 피브린 젤, 콜라겐, 마트리젤은 각 조건에 따라 액상에서 고상으로 상 변화를 유도할 수 있어서 추후 패터닝 된 공간 내 형상 유지가 가능하다.
또한, 3D 바이오 프린팅을 이용한 칩의 경우 젤을 직접적으로 3차원 프린팅하여 형태를 만드는 방식으로 제작된다. 이 3D 바이오 프린팅 칩은 세포 종류별 위치를 선정하여 실제 in vivo와 유사한 구조를 패터닝할 수 있다. 덧붙여 젤의 종류 및 점성, 출력 온도, 세포 농도 등 여러 요소들의 조건 변화에 따라 다양한 형태로 패터닝 될 수 있다.
현재까지 세계 여러 연구실에서 세포배양 칩이 제작되었고 2010년 이후에 이 세포배양칩을 개발하는 회사들이 설립되었지만, 그중 대다수가 기존 연구실에서 사용하는 PDMS 세포배양 칩을 그대로 사용하거나 비효율적인 제조공정을 채택하여 생산단가가 너무 높거나 대량생산에 적합하지 않다는 문제점을 갖는다.
종래의 장기모사 플랫폼의 대부분은 중간층(2nd layer 또는 membrane layer)에 하이드로젤을 삽입하지 않았으며, 하이드로젤층(hydrogel membrane)을 구현하더라도 멤브레인(membrane) 채널만 따로 분리하여 위에 하이드로젤을 도포한 후 결합하는 방식을 사용했다. 이러한 종래의 플랫폼을 처음 접한 사용자들이 사용법을 익히고 제대로 된 계층 구조를 제작하기 위해서는 복잡하고 특별한 지식과 오랜 경험을 필요로 한다. 따라서 진입장벽이 높을 뿐더러 실험의 수율 또한 높지 않은 실정이다.
이에 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 1) 설계를 잘 반영하며 대량 생산이 적합한 3D 프린팅 생산 공정, 2) 생산성 높은 생적합성 물질의 이용, 3) 유체 패터닝의 용이성을 위한 친수성 표면 4) 경제적으로 우수하며 효율이 높은 세포 배양 플랫폼으로서, 3D 프린터를 활용한 다계층 구조 패터닝이 가능하며 쉽게 사용 가능한 플랫폼을 제공하고자 한다.
위 과제를 해결하기 위해 본원의 제1측면은
미세 유체 칩에 있어서, 개구부, 상기 개구부의 하부에 형성되는 제1유체수용부, 상기 제1유체수용부의 하부에 형성되는 제2유체수용부, 상기 제2유체수용부의 하부에 형성되는 유체통로부 및 상기 유체통로부의 하부에 형성되는 베이스부를 포함하며, 상기 개구부, 상기 제1유체수용부, 상기 유체통로부 및 상기 베이스부는, 유체가 로딩된 후 흡인되는 과정에서 상기 개구부의 기울기(β), 상기 개구부와 상기 제1유체수용부 사이의 접촉각(θR), 상기 제1유체수용부의 지름(DB) 및 표면장력(γ)에 기초하여 정의되는, 상기 개구부의 임계압력(△Pp)과
상기 유체통로부와 유체통로부 내부 유체의 접촉각(θBC), 상기 유체통로부의 높이(HBC), 상기 베이스부의 세로방향 수평거리(WBC) 및 표면장력(γ)에 기초하여 정의되는, 상기 유체통로부의 임계압력(△PBC)이 △PBC < △PP를 만족하도록 형성된 것인 미세 유체 칩을 제공한다.
본원의 제2측면은 본원에 따른 미세 유체 칩을 사용하여 생체 외에서 세포를 배양하는 방법을 제공한다.
본원의 제3측면은 본원에 따른 미세 유체 칩에 로딩-흡인 방법을 통해 유체를 로딩하는 단계, 상기 미세 유체 칩에 배양용 세포를 공급하는 단계 및 상기 미세 유체 칩에 세포를 배양하는 단계를 포함하는, 조직 장벽 모사 칩 제조 방법을 제공한다.
이는 일 예시에 불과한 것으로서, 통상의 기술자가 이해할 수 있는 모든 범위의 수단을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 구조물들 사이를 분리하는 단계들을 제외하였다. 본 발명에 의하면 미세유체의 라플라스 압력(Laplace pressure)을 활용한 로딩-흡인 과정을 통해 미세 유체 칩에 특별한 어려움 없이 하이드로젤층(hydrogel membrane) 패터닝 및 다계층 로딩(loading)이 가능하다. 또한 본원의 미세 유체 칩은 3D 프린터를 통해 각 구조가 일체화된 채로 생산이 가능하다.
본원 발명은 기존에 없던 로딩-흡인 방법(aspiration patterning method)을 통해 약 5초에서 10초의 짧은 시간 안에 유체 칩의 패터닝이 가능하며, 3D 프린터를 통해 빠르게 다량의 플랫폼을 얻을 수 있게 되었다. 또한 산소 플라즈마 처리(O2 plasma treatment)를 통해 플랫폼의 접촉각(contact angle)을 원하는 범위로 맞출 수 있어 영-라플라스 압력(Young-Laplace pressure) 조절이 쉽다. 이에 따라 본원 발명은 한 번의 실험에서 95% 이상의 수율을 나타내는 고수율 플랫폼으로서 향후 다양한 상태의 세포 실험, 약물 실험에 활용할 수 있다.
본원의 효과는 이에 제한되지 않으며 통상의 기술자가 이해할 수 있는 범위의 효과는 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본원 발명의 일 구현예의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 방향 수직 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B' 방향 수직 단면도이다.
도 4는 본원 발명의 일 구현예의 하면도이다.
도 5는 본원 발명의 일 구현예의 주요 구성(부호번호 10 내지 80)을 나타낸 것이다.
도 6은 본원 발명의 일 구현예의 주요 구성(부호번호 100 내지 180)을 나타낸 것이다.
도 7은 본원 발명의 원리를 설명하기 위해 각 기호를 표기한 도면이다.
도 8은 본원에 따른 미세 유체 칩의 원리로서 △Pp의 계산과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본원에 따른 미세 유체 칩의 원리로서 △PBC의 계산과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본원 발명의 일 구현예를 사용하여 실험했을 때 성공(Success case) 및 실패(Failure case) 시 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 본원 발명의 일 구현예를 사용하여, 본원의 이론적 기준에 따라 실험 성공 및 실패 여부를 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우 뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용하는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용하는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는 "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본 명세서 전체에서, "패터닝"이란 특정 영역에 선택적으로 세포 등을 고정하는 기술을 의미한다. 예를 들어 패터닝 기술은 고분자를 이용한 soft lithography 방법으로 이루어질 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "영-라플라스 식(Young-Laplace)"이란, 물과 공기와 같은 두 정적 유체 사이의 경계면에 걸쳐 유지되는 모세관 압력 차이를 설명하는 비선형 편미분 방정식이다. 계면 안과 밖의 압력 차이(N/m2)를 △P, 계면의 표면 장력(N/M)을 γ, 계면의 주곡률반경(principal radii of curvature)을 각각 R1, R2라고 했을 때 아래 식으로 표현된다.
△P = γ(1/R1 + 1/R2)
여기서 계산되는 △P는 라플라스 압력(Laplace pressure)으로, 모세관 계면 유지되는 임계압력(critical pressure)을 나타낸다.
본 명세서 전체에서, 유체가 유체통로부(40)에 채워짐과 동시에 제2유체수용부(30) 방향으로 수용되는 과정을 '로딩(loading)', 유체가 유체통로부(40)에서 빠져나감과 동시에 위 제2유체수용부(30) 방향의 역방향으로 유체가 빠져나가는 과정을 '흡인(aspiration)'으로 표현하여 설명한다. 로딩 이후 흡인되는 것을 "로딩-흡인법(loading-aspiration method)"이라고 표현한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원은 미세유체의 라플라스 압력(Laplace pressure)을 활용함으로써 특별한 어려움 없이 하이드로젤층(hydrogel membrane)을 패터닝 할 수 있고, 다계층 로딩이 가능한 미세 유체 칩(1)을 제공한다.(도 1 내지 도 4 참조) 3D 프린팅 기법을 활용하여 플랫폼을 제작할 수 있으며, 로딩-흡인법(loading-aspiration method)을 활용하여 칩 내 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30) 내에 하이드로젤 막을 패턴닝할 수 있다. 제1유체수용부(20)는 모세관 장벽의 역할을 하므로 로딩 단계에서 기공의 정확한 충전, 흡입 단계에서 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30) 내 유체의 유지가 모두 가능하다.
본 출원인은 이론 및 실험적인 방법으로 본원에 따른 미세 유체 칩(1)의 시스템을 효용성을 분석했다. 기공과 유체통로부(40)의 서로 다른 임계 모세관 압력을 통해 하이드로젤 막을 정확하고, 고도로 조절 가능하며, 간단한 방법으로 패터닝이 가능함을 입증했다.
하이드로젤 막(hydrogen membrane)을 패터닝할 수 있다는 점은 본 발명의 또 다른 장점에 해당한다. 위 막이 단순히 기존 기술처럼 단순히 위와 아래를 단순히 물리적으로 분리하는 역할이 아니라 1st membrane과 3rd membrane 사이의 2nd membrane으로서 다른 세포들을 배양할 수 있다는 것이 차별화된 장점이다. 막을 기준으로 상부 챔버(80)(Top chamber; 1st membrane)과 유체통로부(40)(bottom channel; 3rd membrane)이 존재하므로 상부 챔버(80) 는 공기와, 유체통로부(40)는 액상과 맞닿도록 하여 공기-액체 인터페이스(Air-liquid Interface)를 구현할 수 있다.
본원의 제1측면은
미세 유체 칩(1)에 있어서,
개구부(10),
상기 개구부(10)의 하부에 형성되는 제1유체수용부(20),
상기 제1유체수용부(20)의 하부에 형성되는 제2유체수용부(30),
상기 제2유체수용부(30)의 하부에 형성되는 유체통로부(40) 및
상기 유체통로부(40)의 하부에 형성되는 베이스부(50)를 포함하며,
상기 개구부(10), 상기 제1유체수용부(20), 상기 유체통로부(40) 및 상기 베이스부(50)는,
유체가 로딩된 후 흡인되는 과정에서
상기 개구부(10)의 기울기(β), 상기 개구부(10)와 상기 제1유체수용부(20) 사이의 접촉각(θR), 상기 제1유체수용부(20)의 지름(DB) 및 표면장력(γ)에 기초하여 정의되는, 상기 개구부(10)의 임계압력(△Pp)과
상기 유체통로부(40)와 유체통로부(40) 내부 유체의 접촉각(θBC), 상기 유체통로부(40)의 높이(HBC), 상기 베이스부(50)의 세로방향 수평거리(WBC) 및 표면장력(γ)에 기초하여 정의되는, 상기 유체통로부(40)의 임계압력(△PBC)이
△PBC < △PP를 만족하도록 형성된 것인
미세 유체 칩(1)을 제공한다.(도 5 참조)
상기 미세 유체 칩(1)은 중공의 측벽(100)을 포함하며
상기 측벽(100)은 상면(180), 하면(140), 상기 상면(180)으로부터 상기 측벽(100)의 외측으로 돌출되어 하방으로 기울어져 형성되는 제 1 측면, 상기 제 1 측면으로부터 수직 하방으로 연장되는 제 2 측면, 상기 제 2 측면으로부터 수평으로 상기 측벽(100)의 내측으로 연장되는 제 3 측면, 상기 제 3 측면으로부터 수직 하방으로 연장되어 상기 하면(140)까지 연장되는 제 4 측면을 갖는 것일 수 있다.(도 6 참조)
상기 개구부(10)는 상기 제1측면(110)에 의해 둘러싸여 형성되고, 상기 제1유체수용부(20)는 상기 제2측면(120)에 의해 둘러싸여 형성되고, 상기 제2유체수용부(30)는 상기 제3측면(131) 및 상기 제4측면(132)에 의해 둘러싸여 형성되고, 상기 유체통로부(40)는 상기 하면(140)에 맞닿아 상기 제2유체수용부(30)의 하부에 형성되는 것일 수 있다.
상기 개구부(10)는 상기 제1측면(110)에 의해 둘러싸여 형성되고, 상기 제1유체수용부(20)는 상기 제2측면(120)에 의해 둘러싸여 형성되고, 상기 제2유체수용부(30)는 상기 제3측면(131) 및 제4측면(132)에 의해 둘러싸여 형성되고, 상기 유체통로부(40)는 상기 하면(140)에 맞닿아 형성되는 것일 수 있다.
상기 제1유체수용부(20)는 제1지름(DB)을 갖는 원통형으로 형성되고, 상기 제2유체수용부(30)는 제2지름을 갖는 원통형으로 형성되며, 제1지름은 제2지름보다 작은 것일 수 있다. 즉, 큰 원통(제2유체수용부(30)) 위에 작은 원통(제1유체수용부(20))이 얹어져 이어진 형태로 형성될 수 있다.
제1유체수용부(20)는 개구부(10)와 맞닿아 있으며 모세관 장벽(capillary barrier)의 역할을 할 수 있다. 제1유체수용부(20)의 모세관 장벽으로 인해 로딩 시 유체가 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)를 넘어 개구부(10)를 통해 흘러 넘치는 것을 방지하고, 흡인 시에는 개구부(10)의 임계압력 △Pp 을 형성할 ㅅ수 있다. △Pp를 조절하여 로딩에 의해 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)에 채워진 유체가, 흡인 시 배출되지 않고 유지될 수 있다. 즉, 흡인 시 유체통로부(40)의 유체만이 배출되록 조절하여 결과적으로 흡인 이후 유체가 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)에 잔류할 수 있게 된다.
본원에 따른 미세 유체 칩(1)은 상기 유체통로부(40)와 연통되며 상기 유체를 로딩 또는 흡인하는 주입구(60)를 더 포함할 수 있다. 상기 유체의 로딩 또는 흡인은 파이펫(pipet) 등을 주입구(60)에 삽입하는 방식으로 진행될 수 있다.
또한 상기 주입구(60) 및 상기 유체통로부(40)와 연통되며 상기 유체가 상기 유체통로부(40)를 통해 흐를 수 있도록 하는 배출구(70)를 더 포함할 수 있다. 배출구(70)는 상기 유체가 출입하지 않을 수 있으나 로딩 과정에서 유체통로부(40) 내 압력을 조절하여 유체가 유체통로부(40) 내에서 막힘없이 흐를 수 있고, 또한 유체가 상기 개구부(10)를 통해 배출되지 않도록 할 수 있다.
본원에 따른 미세 유체 칩(1)은 상기 개구부(10) 상부에 형성되는 상부 챔버(80)를 더 포함할 수 있다. 상부 챔버(80)는 세포 층을 형성하기 위하여 세포배양액과 세포를 넣어 배양하고, 세포 배양이 완료된 후 배양액을 제거하여 세포층과 공기층이 맞닿는 장소로서 사용할 수 있다.
상기 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)에 수용된 상기 유체는 세포 배양 채널, 조직 장벽(tissue barrier) 및 세포 연결 채널의 역할을 수행할 수 있다. 특히 상기 유체로서 하이드로젤이 사용될 경우 다공성 막(porous membrane)으로 활용하여 본원 발명에 따른 미세 유체 칩(1)에 배양된 세포들 간의 다양한 상호작용이 이루어질 수 있다.
또한 상기 개구부(10), 상기 제1유체수용부(20) 및 제2유체수용부(30)는 복수 개 형성될 수 있다. 따라서 장벽 모사를 위한 다수의 세포 배양을 통해 다양한 실험을 하나의 칩으로 진행할 수 있다.
상기 미세 유체 칩(1)은 3차원 인쇄방법으로 제조될 수 있다. 기존 선행기술은 여러 계층을 각각 제조한 후 결합하는 방식을 택했으나, 본원에 따른 미세 유체 칩(1)은 3D 프린터를 활용한 다계층 구조 패터닝이 가능하다. 즉, 각 계층 구조가 나뉘어진 것이 아니라 이미 하나의 플랫폼으로 완성되어 있다. 제2유체수용부(30) 내의 유체 패터닝을 통하여 중간 계층(2nd layer)부터 패터닝한 이후 상부 챔버(80)와 유체통로부(40)에 각각의 계층(1st layer, 3rd layer)의 패터닝이 가능하다. 이로써 타 플랫폼과 다르게 본 발명은 누구나 손쉽게 다계층 로딩이 가능하다.
상기 유체는 하이드로젤(hydrogel), 피브린젤(fibrin gel) 및 콜라겐젤(collagen gel)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본원에 따른 미세 유체 칩을 사용하면 생체 외에서 세포를 손쉽게 배양할 수 있으며, 상기 미세 유체 칩에 로딩-흡인법을 통해 유체를 로딩하고, 배양용 세포를 공급하여 세포를 배양함으로써 조직 장벽 모사 칩을 제조할 수 있다.
발명의 원리
라플라스 압력을 활용한 패터닝의 원리를 설명한다.
본원 발명은 플랫폼의 접촉각(Contact angle)이 낮을 경우 플랫폼이 친수성(hydrophilic state) 상태가 될 때의 유체 상태를 활용하는 패터닝 방법을 제공한다. 친수성 상태란 접촉각이 90도 이하가 되는 것을 의미한다. 영-라플라스 식(Young-Laplace equation)을 사용하여 개구부(10)(suspended pore array)의 임계압력과 유체통로부(40)유체통로부(40)의 임계압력을 계산하고, 각 압력의 차이를 조절하여 흡인 후에도 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)에 유체가 잔류할 수 있도록 설계할 수 있다.
이하, 라플라스 압력 △P = γ(1/R1 + 1/R2)을 본원 발명에 적용하여 △Pp 및 △PBC를 계산한다.
사용된 기호의 정의는 다음과 같다.(도 7 참조)
β: 개구부(10)의 기울기
θR: 개구부(10)와 제1유체수용부(20) 사이의 접촉각
DB: 제1유체수용부(20)의 지름
γ: 표면장력
△Pp: 개구부(10)의 임계압력
θBC : 유체통로부(40)와 유체의 접촉각
HBC: 유체통로부(40)의 높이
WBC : 베이스부(50)의 세로방향 수평거리
△PBC : 유체통로부(40)의 임계압력
(1) △Pp 계산(도 8 참조)
개구부(10)는 포어 구조이므로 R1과 R2가 동일하므로, 개구부(10)의 주곡률반경을 R2로 통일한다.
이때, 가 성립하므로
이를 라플라스 압력 식에 적용하면 아래 식 1이 도출된다.
(2) △PBC 계산(도 9 참조)
본원의 유체통로부(40)는 직사각형 구조이므로,
본원의 유체통로부(40)를 유체 유입방향에서 봤을 때 주곡률반경을 R1,
(상기 △PP 계산 시 R1과 다름)
베이스부(50)에서 개구부(10) 방향으로 바라봤을 때 주곡률반경을 R2으로 하면,
(상기 △PP 계산 시 R2와 다름)
이 성립하며, 이를 정리하면 R1은
로 표현할 수 있다.
같은 방식으로 R2 또한
이를 라플라스 압력 식에 적용하면 아래 식 2가 도출된다.
압력조건과 발명의 원리
먼저 로딩 과정에서 유체통로부(40), 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)에 유체를 충전한다. 제1유체수용부(20)가 모세장벽 역할을 하므로 유체가 개구부(10)로 넘치지 않을 수 있다.
흡인 과정에서 개구부(10)의 임계압력(△Pp)과 유체통로부(40)의 임계압력(△PBC)이 발생한다. △PBC > △PP 인 경우 유체통로부(40) 내부에 형성되는 유체막보다 개구부(10)의 유체막이 먼저 터지므로 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)의 유체들이 모두 빠져나가게 되고 패터닝이 실패하게 된다. △PBC < △Pp 인 경우 개구부(10)의 유체막보다 유체통로부(40) 내부에 형성되는 유체막이 먼저 터지므로 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)의 유체는 유지된 채 유체통로부(40)의 유체가 빠져나가게 되어 유체수용부에 안정적으로 유체가 잔류할 수 있다.
일 구현예로서 HBC = 250㎛, DB = 200㎛으로 미세 유체 칩(1)을 설계하여 위 이론에 부합하는지 확인하는 실험을 진행하였다. 사이즈별 실험을 진행했을 경우 패터닝 결과를 도 10 및 도 11에 나타냈다. 성공조건에서 패터닝이 잘 이루어지고, 실패조건에서 패터닝이 실패하는 모습을 보여, 실제로도 본원에 따른 미세 유체 칩(1)의 원리가 잘 적용되는 것을 확인했다.
위 크기에 한정하지 않고 각 부분의 길이를 다르게 하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 HBC & DB의 크기를 최대한 낮추면 동일한 면적에서 더 많은 제1유체수용부(20) 또는 제2유체수용부(30)를 포함할 수 있으며, HBC 값이 감소하면 이후 현미경 관찰에서 더 좋은 이미지를 얻을 수 있는 등 다양한 이점을 얻을 수 있고, 또 향상된 3D 프린터를 활용한다면 더 정교하고 복잡한 구조를 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
1: 미세 유체 칩
10: 개구부
20: 제1유체수용부
30: 제2유체수용부
40: 유체통로부
50: 베이스부
60: 주입구
70: 배출구
80: 상부 챔버
100: 측벽
180: 상면
110: 제1측면
120: 제2측면
131: 제3측면
132: 제4측면
140: 하면

Claims (15)

  1. 미세 유체 칩에 있어서,
    개구부;
    상기 개구부의 하부에 형성되는 제1유체수용부;
    상기 제1유체수용부의 하부에 형성되는 제2유체수용부;
    상기 제2유체수용부의 하부에 형성되는 유체통로부; 및
    상기 유체통로부의 하부에 형성되는 베이스부를 포함하며,
    상기 개구부, 상기 제1유체수용부, 상기 유체통로부 및 상기 베이스부는,
    유체가 로딩된 후 흡인되는 과정에서
    상기 개구부의 기울기(β), 상기 개구부와 상기 제1유체수용부 사이의 접촉각(θR), 상기 제1유체수용부의 지름(DB) 및 표면장력(γ)에 기초하여 정의되는, 상기 개구부의 임계압력(△Pp)과
    상기 유체통로부와 유체통로부 내부 유체의 접촉각(θBC), 상기 유체통로부의 높이(HBC), 상기 베이스부의 세로방향 수평거리(WBC) 및 표면장력(γ)에 기초하여 정의되는, 상기 유체통로부의 임계압력(△PBC)이
    △PBC < △PP를 만족하도록 형성된 것인
    미세 유체 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 유체 칩은 중공의 측벽을 포함하며
    상기 측벽은
    상면과 하면;
    상기 상면으로부터 상기 측벽의 외측으로 돌출되어 하방으로 기울어져 형성되는 제 1 측면;
    상기 제1측면으로부터 수직 하방으로 연장되는 제2측면;
    상기 제2측면으로부터 수평으로 상기 측벽의 내측으로 연장되는 제3측면; 및
    상기 제3측면으로부터 수직 하방으로 연장되어 상기 하면까지 연장되는 제4측면을 포함하는 것인
    미세 유체 칩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 제1측면에 의해 둘러싸여 형성되고,
    상기 제1유체수용부는 상기 제2측면에 의해 둘러싸여 형성되고,
    상기 제2유체수용부는 상기 제3측면 및 상기 제4측면에 의해 둘러싸여 형성되고,
    상기 유체통로부는 상기 하면에 맞닿아 형성되는 것인
    미세 유체 칩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 △Pp는 식 1에 의해 정의되는 것인
    미세 유체 칩.
    <식 1>
  5. 제1항에 있어서,
    상기 △PBC는 식 2에 의해 정의되는 것인
    미세 유체 칩.
    <식 2>
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체수용부는 제1지름(DB)을 갖는 원통형으로 형성되고,
    상기 제2유체수용부는 제2지름을 갖는 원통형으로 형성되며,
    상기 제1지름은 상기 제2지름보다 작은 것인
    미세 유체 칩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유체통로부와 연통되며 상기 유체를 로딩 또는 흡인하는 주입구를 더 포함하는
    미세 유체 칩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 주입구 및 상기 유체통로부와 연통되며 상기 유체가 상기 유체통로부를 통해 흐를 수 있도록 하는 배출구를 더 포함하는
    미세 유체 칩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 개구부 상부에 형성되는 상부 챔버를 더 포함하는
    미세 유체 칩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1유체수용부 또는 제2유체수용부는 세포 배양 채널, 조직 장벽 및 세포 연결 채널 중 어느 역할을 수행하는 것인,
    미세 유체 칩.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부, 상기 제1유체수용부 및 제2유체수용부는 복수 개 형성되어 있는
    미세 유체 칩.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세 유체 칩은 3차원 인쇄방법으로 제조되는 것인
    미세 유체 칩.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체는 하이드로젤(hydrogel), 피브린젤(fibrin gel) 및 콜라겐젤(collagen gel)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 인 것인
    미세 유체 칩.
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 미세 유체 칩을 사용하여 생체 외에서 세포를 배양하는 방법.
  15. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 미세 유체 칩에 로딩-흡인 방법을 통해 유체를 로딩하는 단계;
    상기 미세 유체 칩에 배양용 세포를 공급하는 단계; 및
    상기 미세 유체 칩에 세포를 배양하는 단계를 포함하는,
    조직 장벽 모사 칩 제조 방법.

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