KR20100048507A - Plasma separation device using microfluidic channel and plasma separation method using microfluidic channel - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치와 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치 제작방법에 관한 것으로, 마이크로채널을 제작하여 적혈구가 침강하는 효과를 이용하여 실시간으로 혈장분리 가능한 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치와 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma separation apparatus using a microchannel and a plasma separation apparatus using a microchannel. The present invention relates to a plasma separation device manufacturing method using microchannels.
일반적으로, 최근 MEMS(Micro-Electromechanical systems)기술의 발달로 인하여 미소 단위(micro scale) 구조물의 제작이 가능해짐에 따라서 미세유체소자(microfluidic devices)에 대한 괸심이 증대하고 있으며, 많은 연구들이 Lab-on-a chip 과 μ-TAS(Micro Total Analysis System)등에 응용되고 있다. 이러한 미소단위 소자들의 이점은 시스템의 소형화에 따른 빠른 반응시간, 무효체적의 감소, 사용시약의 절감, 시스템의 사용 에너지 감소 등과, 생산 시 비용절감, 대량 생산의 용의함 등이 있다. In general, the development of micro-electromechanical systems (MEMS) technology has made it possible to fabricate micro scale structures, increasing the focus on microfluidic devices. It is applied to on-a chip and μ-TAS (Micro Total Analysis System). Advantages of such micro-unit devices include rapid response time, reduced reactive volume, reduced use reagent, and reduced energy used by the system, the cost savings, and the ease of mass production.
미세유체소자를 이용한 시스템은 여러 응용분야 가운데 특히 생화학적 분석 시스템 연구, 생리학적 특성규명 연구, 초소형 약물전달 시스템 등과 같은 바이오 응용분야에 주로 이용되고 있다. 이런 분야들에서의 현재 보편적인 방법들, 즉 일반적 크기(macro scale)에서의 실험 방법에서는 많은 양의 시료 소비량, 오랜 반응시간의 소요 등 비효율적인 문제점들이 많이 나타나기 때문에, 기존의 분석 기술을 MEMS 기술과 접목시킴으로써, 이런 문제점들을 개선하고, 또 이런 노력들이 BioMEMS분야를 발전시키는 근간을 이루고 있다. The system using microfluidic devices is mainly used in bio applications such as biochemical analysis system research, physiological characterization research, micro drug delivery system, etc. among various applications. Current methods in these fields, namely experimental methods on the macro scale, present many inefficient problems such as large sample consumption and long reaction time. And these efforts are underpinning the development of BioMEMS.
유체역학 분야에서 생명공학 분야와 관련해서 많은 관심을 가지는 부분으로 혈액관련 연구가 있다. 인체 내 혈관에서의 혈액 유동에 대한 해석이나, 측정 분야가 있고, 또 혈액의 분리와 혈액분석을 통한 검사방법의 개발 등의 많은 연구가 이루어지고 있다. In the field of fluid mechanics, blood research is one of the areas of great interest in the field of biotechnology. There are many studies such as the analysis of blood flow in blood vessels in the human body, the field of measurement, and the development of test methods through blood separation and blood analysis.
혈액은 크게 적혈구(red blood cell), 백적혈구(white blood cell), 혈소판(blood platelet), 혈장(blood plasma)으로 구성이 되는데, 혈장은 혈액의 액체성분으로 이 속에 적혈구들이 포함되어 있다. 혈장의 조성은 물이 약 90%, 혈장단백질이 7~8%이고, 그 밖에 지질, 당류, 무기염류와 비단백질성 질소화합물로서 요소, 아미노산, 요산 등이 함유되어 있다. 혈장단백질은 주로 알부민과 글로불린 그리고 혈액응고에 관계하는 피브리노겐도 함유되어 있다. 지질은 콜레스테롤, 레시틴 등이다. 무기염류는 나트륨, 염소, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등이며, 그 조성은 해수와 비슷하고 체내의 삼투압을 정상으로 유지하는 중요한 역할을 한다. 또 혈장의 총량과 조성은 질병에 따라 현저하게 변화하므로, 병의 진단이나 병의 상태를 아는데 이용된다.Blood is largely composed of red blood cells (white blood cells), white blood cells (white blood cells), platelets (blood platelet), blood plasma (blood plasma), which is a liquid component of blood containing red blood cells in it. The composition of plasma is about 90% of water, 7 ~ 8% of plasma protein, and other components include urea, amino acid, uric acid, and other lipids, sugars, inorganic salts, and nonproteinaceous nitrogen compounds. Plasma proteins also contain albumin, globulin, and fibrinogen, which are involved in blood coagulation. Lipids are cholesterol, lecithin and the like. Inorganic salts are sodium, chlorine, potassium, calcium, magnesium and the like, the composition is similar to sea water and plays an important role in maintaining the osmotic pressure in the body to normal. In addition, since the total amount and composition of the plasma change significantly according to the disease, it is used to diagnose the disease and to know the condition of the disease.
많은 의학적 검사들은 적혈구를 제거한 혈장이나 혈청을 이용하여 시행된다. 적혈구와 적혈구 구성물질은 matrix effect를 가져오고 재현성과 정밀도를 떨어뜨려 표준화된 검사를 어렵게 한다. 이로 인해 보다 정확한 검사를 위한 적혈구와 혈장의 분리방법이 요구된다. 적혈구와 혈장을 분리하는 일반적인 방법에는 원심분리(centrifugal)와 여과막(membrane filter)을 이용한 분리방법이 있다. 이 방법들은 일정량 이상의 혈액이 필요하고 시간이 많이 드는 단점이 있다. 미소단위에서의 혈장분리 방법들로는 격자형 필터(mesh-type filter)와 벌집형 필터(comb-shape filter), 확산형 필터(diffusion filter)등이 있는데 이러한 분리 방법들도 높은 유동저항, 낮은 유량비, 큰 확산시간 등의 단점이 있다. 또한 기존의 방법들은 혈액을 채취한 후 혈장과 적혈구를 분리하고 분리된 혈장으로 검사를 시행하는 방법인데 이는 검사 결과를 실시간으로 얻어 환자의 상태를 파악하는데 적합하지 않다.Many medical tests are performed using plasma or serum that has had red blood cells removed. Erythrocytes and erythrocyte components have a matrix effect and reduce reproducibility and precision, making standardized testing difficult. This requires a separate method of red blood cells and plasma for more accurate testing. Common methods of separating erythrocytes and plasma include centrifugal separation and a membrane filter. These methods have the disadvantage of requiring a certain amount of blood and time consuming. Plasma separation methods in micro-units include mesh-type filters, comb-shape filters, and diffusion filters. These separation methods also have high flow resistance, low flow rate, There are disadvantages such as large diffusion time. In addition, conventional methods are to separate the plasma and erythrocytes after the blood is collected and to test the separated plasma, which is not suitable for obtaining the test results in real time to determine the patient's condition.
혈장분리 방법들은 환자로부터의 혈액채취와 검사가 따로 이루어지고, 채취 후 분리와 검사가 시행되는데 있어서 많은 시간이 필요하다. 이는 환자의 상태가 실시간으로 변하는 상황에서 환자의 상태 파악을 위한 검사 방법으로는 사용하기 어려운 문제가 있는데, 혈액의 채취와 동시에 혈장을 분리하고 이를 바로 검사할 수 있게 함으로써 수술시와 같은 환자의 상태 변화가 심한 상태에서도 환자의 상태를 실시간으로 확인할 수 있다. 마이크로채널을 이용한 실시간 혈장분리 방법으로 Zweifach-Fung 효과를 이용한 T-형 채널 시스템의 연구가 진행되어 왔다.Plasma separation methods require blood collection and testing from patients separately, and require a lot of time for separation and testing after collection. This is a problem that is difficult to use as a test method for detecting the patient's condition in a situation where the patient's condition changes in real time. The patient's condition can be checked in real time even under severe changes. The T-type channel system using the Zweifach-Fung effect has been studied as a real-time plasma separation method using microchannels.
Zweifach-Fung 효과는 좁은 채널내의 적혈구가 유량비가 다른 분지관을 만나 면 유량비가 큰 쪽으로 흐르는 효과이다. Zweifach-Fung 효과를 이용한 혈장분리 방법은 채널의 형상적인 제약과 함께 일정 이상의 유량비를 주어야 하는 단점이 있다.The Zweifach-Fung effect is when the red blood cells in a narrow channel meet branching tubes with different flow rates. Plasma separation method using Zweifach-Fung effect has a disadvantage that must be given a certain flow rate or more with the constraint of the shape of the channel.
1968년 K.Svanes 와 B.Zweifach은 좁은 관에서 분지관이 형성되면 적혈구는 유동저항이 적고 유속이 빠른 분지관으로 흘러가는 것을 발견했다. 또한 1973년에는 Y.C.Fung 에 의해서 같은 크기의 분지관에서 유량비가 2.5:1 이상 차이가 날 때, 적혈구는 유량이 큰 쪽으로 흐르는 것을 확인되었다. 이러한 효과를 Zweifach-Fung 효과라고 한다.In 1968, K.Svanes and B.Zweifach discovered that when branching tubes formed in narrow tubes, red blood cells flowed into branching tubes with low flow resistance and high flow rates. Also, in 1973, Y.C. Fung confirmed that red blood cells flowed in a larger flow direction when the flow ratio differed by more than 2.5: 1 in the same sized branch pipe. This effect is called the Zweifach-Fung effect.
미세관의 직경이 적혈구의 크기와 유사한 크기까지 작아지면 적혈구는 미세관의 중심 위치에 정렬이 되고, 유량비가 다른 분지관을 만나면 적혈구 양쪽의 압력차에 의해서 유량이 크고 압력이 낮은 분지관으로 흘러들어가게 된다.When the diameter of the microtubules is reduced to a size similar to the size of the red blood cells, the red blood cells are aligned at the center of the microtubules. When the microtubules meet branching tubes with different flow ratios, they are flowed into the branching tube with a large flow rate and a low pressure by the pressure difference between both red blood cells. Will enter.
이러한 Zweifach-Fung 효과는 마이크로채널을 이용한 실시간 혈장분리 방법으로 이용되고 있으며 T-형 마이크로채널 시스템을 이용하여 적혈구와 혈장을 분리하는 방법이 연구되고 있다. 그러나 Zweifach-Fung 효과의 이용에는 적혈구의 크기에 근접하는 좁은 미세관을 이용해야 하고, 일정크기 이상의 유량비를 주어야 한다. 이는 미세관의 형상과 분리 효과의 제약을 가져온다.The Zweifach-Fung effect is used as a real-time plasma separation method using microchannels, and a method of separating red blood cells and plasma using a T-type microchannel system has been studied. However, the use of the Zweifach-Fung effect requires the use of narrow microtubules close to the size of red blood cells and a flow rate of more than a certain size. This leads to the limitation of the shape and separation effect of the microtubules.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 마이크로채널의 형상이 적혈구의 크기에 제약 받지 않으며, 일정유량 이상의 혈액이 유동되지 않아도 혈장이 분리 가능한 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치와 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치 제작방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the shape of the microchannel is not limited to the size of red blood cells, plasma separation apparatus and microchannel using a microchannel that can separate the plasma even if a certain amount of blood does not flow It is to provide a method for manufacturing a plasma separation device using.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마이크로채널을 이용하여 혈액의 혈장과 적혈구를 분리하는 혈장분리장치에 있어서, 상기 마이크로채널은 혈액의 유동 중 혈장에 비해 비중이 높은 적혈구가 중력에 의해 하측으로 침강하여, 하측에는 적혈구가 모여있는 적혈구층과 상기 적혈구층 상측으로 혈장이 모여있는 혈장층으로 분리되는 입구채널과; 상기 입구채널과 연통되어 상기 적혈구층과 혈장층으로 나누어진 혈액이 통과하는 주채널부와, 상기 주채널부의 측면과 연통되며 입구가 상기 혈장층에 형성되어 상기 혈장이 수거되는 부채널부로 이루어진 분리채널; 상기 주채널부를 통과한 혈액의 유동저항을 이용해 상기 분리채널의 유량비를 조절하는 출구채널;를 포함하여 구성되어, 상기 부채널부로 혈장이 수거되는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the object as described above in the plasma separation device for separating blood plasma and red blood cells using a microchannel, the microchannel is a red blood cell having a higher specific gravity than the plasma in the blood flow by gravity It is settled to the lower side, the lower side and the inlet channel is separated into the erythrocyte layer in which the red blood cells are gathered and the plasma layer in which the plasma is collected above the erythrocyte layer; A main channel portion communicating with the inlet channel and into which blood divided into the erythrocyte layer and the plasma layer passes, and a side channel portion communicating with the side surface of the main channel portion and having an inlet formed in the plasma layer to collect the plasma channel; And an outlet channel for adjusting the flow rate ratio of the separation channel by using the flow resistance of the blood passing through the main channel portion, characterized in that the plasma is collected in the subchannel portion.
그리고, 상기 입구채널은 상기 적혈구가 침강하여 상기 부채널부로 상기 혈장이 수거되도록 입구채널의 길이는 L=V*h/VS를 공식을 만족하는 것을 특징으로 한 다. (여기서, V= 혈액의 유동속도, h= 상기 주채널부의 최상단에서 상기 부채널부의 최하단까지의 거리, VS=적혈구의 침강속도)And, the inlet channel is characterized in that the length of the inlet channel satisfies the formula L = V * h / V S so that the red blood cells settle and the plasma is collected to the sub-channel part. Where V = blood flow rate, h = distance from the top of the main channel portion to the bottom of the sub channel portion, and V S = sedimentation rate of red blood cells.
그리고, 상기 입구채널은 길이가 5mm이상인 것을 특징으로 한다.In addition, the inlet channel is characterized in that the length of 5mm or more.
그리고, 상기 입구채널은 높이가 10㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.And, the inlet channel is characterized in that the height is 10㎛ or more.
그리고, 상기 부채널부는 다수개가 형성되는 것을 특징으로 한다.The subchannel unit may be formed in plural.
그리고, 상기 주채널부는 상기 입구채널보다 폭이 넓은 것을 특징으로 한다.The main channel portion is wider than the inlet channel.
그리고, 상기 출구채널은 상기 출구채널의 길이에 따라 혈액의 유동저항을 조절하는 것을 특징으로 한다.And, the outlet channel is characterized in that for controlling the flow resistance of the blood in accordance with the length of the outlet channel.
또한, 넘버링된 웨이퍼를 Piranha etch/clean공정을 통해 클리닝하는 1단계; 상기 웨이퍼 상측으로 nagative photo-resist(210)를 코팅하는 2단계; 코팅된 웨이퍼를 다이렉트 핫플레이트를 이용해 소프트베이크 하는 3단계; 얼라이너(Aligner)에서 코팅된 웨이퍼 상측으로 포토마스트를 정렬시키고 자외선을 이용하여 노광시키는 4단계; 상기 4단계를 거친 웨이퍼 상측으로 nagative photo-resist(210)를 코팅하는 5단계; 상기 5단계를 거친 웨이퍼 상측으로 포토마스크를 정렬시키고 자외선을 노광시키는 6단계; 상기 6단계를 거친 웨이퍼에 현상액으로 담궈서 현상하는 7단계; 상기 7단계를 거친 웨이퍼 상측으로 고형제를 첨가한 PDMS를 주입하는 8단계; 상기 8단계를 거친 PDMS를 상기 웨이퍼와 분리하여, 상기 PDMS와 GLASS를 접하는 하는 9단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the first step of cleaning the numbered wafers through a Piranha etch / clean process; Coating a nagative photo-resist 210 onto the wafer; Performing a soft bake on the coated wafer using a direct hot plate; Aligning the photomas on the coated wafer at an aligner and exposing with ultraviolet light;
그리고, 상기 2단계와 상기 5단계는 스핀코터(spin coater)의 회전수를 이용하여 코팅높이를 조절하는 것을 특징으로 한다.And, the second step and the fifth step is characterized in that the coating height is adjusted using the number of revolutions of the spin coater (spin coater).
그리고, 상기 5단계를 거친 웨이퍼는 DHP에서 PEB(Post Exposure Bake)를 한 후 자연 냉각 시킨 후, 상기 6단계가 진행되는 것을 특징으로 한다.In addition, the wafer that passed through the five steps is naturally cooled after the PEB (Post Exposure Bake) in the DHP, characterized in that the six steps are carried out.
그리고, 상기 6단계를 거친 웨이퍼는 자연냉각 시킨후 상기 7단계가 진행되는 것을 특징으로 한다.Then, the wafer passed through the six steps is characterized in that the seven steps after the natural cooling.
그리고, 상기 PDMS와 GLASS는 plasma asher를 이용하여 접하는 하는 것을 특징으로 한다.And, the PDMS and GLASS is characterized in that the contact with the plasma asher.
이상에서 상술한 바와 같이, 적혈구가 중력에 의해 침강하여 적혈구층과 혈장층으로 나뉘어 지는 마이크로채널에 의해,As described above, the red blood cells are settled by gravity and are divided into microchannels divided into an erythrocyte layer and a plasma layer.
첫째, 적혈구의 침강효과를 이용한 실시간 혈장분리에 대한 새로원 기술을 확립했고,First, we established a new technique for real-time plasma separation using the erythrocyte sedimentation effect.
둘째, 실시간 혈장분리와 lab-on-chip, u-TAS에 응용되어 실시간 혈장분리와 검사를 위한 미체소자의 개발에 효과가 있다.Second, it is applied to real-time plasma separation, lab-on-chip and u-TAS, which is effective for the development of microelements for real-time plasma separation and testing.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치와 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치 제작방법를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a plasma separation apparatus using a microchannel and a plasma separation apparatus using a microchannel according to the present invention in detail.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치를 도시하는 사 시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치를 도시하는 정면도이다.1 is a view showing a plasma separation apparatus using a microchannel according to the present invention, Figure 2 is a front view showing a plasma separation apparatus using a microchannel according to the present invention.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명인 마이크로채널(100)은 혈액(10)의 유동 중 혈장(30)에 비해 비중이 높은 적혈구(20)가 중력에 의해 하측으로 침강하여 하측에는 적혈구(20)가 모여있는 적혈구층(40)과 상기 적혈구층(40) 상측으로 혈장(30)이 모여있는 혈장층(50)으로 분리되는 입구채널(110)과; 상기 입구채널(110)과 연통되어 상기 적혈구층(40)과 혈장층(50)으로 나누어진 혈액(10)이 통과하는 주채널부(122)와, 상기 주채널부(122)의 측면과 연통되며 입구가 상기 혈장층(50)에 형성되어 상기 혈장(30)이 수거되는 부채널부(124)로 이루어진 분리채널(120); 상기 주채널부(122)을 통과한 혈액(10)의 유동저항을 이용해 상기 분리채널(120)의 유량비를 조절한는 출구채널(130);로 구성된다.As shown in Figure 1 and 2, the
그리고, 상기 마이크로채널(100)은 MEMS공정을 이용하여 제작된 PDMS채널이다. 그리고, 상기 마이크로채널(100)은 실험에 replica casting용 주형은 사진식각 공법을 이용한 SU-8 감광막(photoresist(210), PR) 가공을 통하여 제작된다. 여기서, SU-8은 음성감광막(negative PR)의 하나로, 고종횡비(high aspect ratio)의 구조물을 제작하는데 적합한 감광막이다. The
즉, 상기 마이크로채널(100)은 PDMS를 이용한 replica casting technique으로 제작하였다. PDMS는 기존에 사용되는 유리재질이나 실리콘재질의 마이크로채널에 비하여 공정이 간단하며 대량생산이 가능하고 submicrometer의 복제적합성을 가진다. 또한 230nm-700nm 파장대에서 투과성을 가짐으로써 더 나은 광학적 특성을 띠는 이유로 미세유체소자 및 lab-on-a-chip 등에 많이 적용되고 있다. That is, the
본 발명에 따른 입구채널(110)은 혈액(10)이 채취된 주사기 펌프에 의해 처음으로 혈액(10)이 유동되는 곳으로, 상기 혈액(10)의 유동속도와 입구채널(110)의 길이에 따라 혈장(30)에 비해 비중이 높은 적혈구(20)가 중력에 의해 침강하여 적혈구층(40)을 형성하고, 상기 적혈구층(40) 상측으로 적혈구(20)에 비해 비중이 낮은 혈장(30)이 모여있는 혈장층(50)이 형성된다.
여기서, 본 발명인 혈장을 분리하기 위한 상기 입구채널(110)의 최소 길이를 산출하는 방법은 아래와 같다.Here, the method for calculating the minimum length of the
상기 적혈구(20)가 고정된 공간 통과해 침강할 때의 속도는 부력과 마찰력에 영향을 받게 된다. 즉 상기 적혈구(20)가 유체 내에 있으면 부력으로 인해 입자에 작용하는 중력이 일부 감소한다. 그리고 유체 내에서 입자가 이동하면 이동에 반대하는 마찰력이 작용한다. The speed at which the
도 3은 본 발명에 따른 입구채널의 길이를 구하는 공식을 도시하는 개념도이고, 도 4는 입구채널의 길이에 대한 침강 깊이를 도시하는 표를 도시하는 개념도이다.3 is a conceptual diagram showing a formula for obtaining the length of the inlet channel according to the present invention, and FIG. 4 is a conceptual diagram showing a table showing the settling depth with respect to the length of the inlet channel.
도 3에 도시된 바와 같이, 도시된 식들은 중력장에서 입자에 작용하는 모든 힘을 나타낸 것으로, 식(1)에서 FG는 적혈구가 받는 중력이고, FB는 적혈구가 받는 부력, FD는 마찰력을 나타낸다. 적혈구의 부피는 직경(DRC) 7.6㎛, 적혈구의 높 이(h) 3.5㎛의 원반으로 가정하였고 적혈구의 밀도(ρC)는 1100kg/m3, 혈장의 밀도(ρL)는 1030kg/m3으로 하였다. 그리고, 혈장의 점성계수는 0.0012kg/m-s로 주었다. 식 (1),(1-1),(1-2),(1-3) 바탕으로 계산된 적혈구의 침강속도 VS는 2.54㎛/s이다. As shown in Figure 3, the equations shown represent all the forces acting on the particles in the gravitational field, where F G is the gravity that red blood cells receive, F B is the buoyancy force that red blood cells receive, and F D is the frictional force. Indicates. The volume of red blood cells was assumed to be a disc of diameter (D RC ) of 7.6 μm and the height of red blood cells (h) of 3.5 μm. The density of red blood cells (ρ C ) was 1100 kg / m 3 , The density (ρ L ) of plasma was 1030 kg / m 3 . And the viscosity coefficient of plasma was given as 0.0012kg / ms. The settling velocity V S of erythrocytes calculated based on equations (1), (1-1), (1-2), and (1-3) is 2.54 μm / s.
여기서, 상기 입구채널(110)의 길이(L)은 L=V*h/VS , V= 혈액의 유동속도, h= 상기 주채널부(122)의 최상단에서 상기 부채널부의 최하단까지의 거리, VS=적혈구의 침강속도로 통하여 구할 수 있다. Here, the length L of the
따라서, 후술하는 부채널부에 혈장이 수거되기 위해서는 상기 입구채널의 길이(L)는 5mm 이상인 것이 바람직하다. Therefore, in order to collect plasma in the sub-channel part described later, the length L of the inlet channel is preferably 5 mm or more.
도 4에 도시된 바와 같이, 다양한 혈액의 유동속도에 따라 적혈구의 침강깊이가 다르다. 표를 분석하면 혈액의 유동속도 V의 최대속도인 0.5 ㎛/min 속도로 유동되며, 후술하는 부채널의 입구가 상기 주채널의 최상단에서 하측으로 10㎛이라고 가정한다면, 상기 입구채널의 길이(L)은 최소 5mm이상이 되어야지 적혈구가 상기 부채널로 수거되는 혈장의 진로를 방해하지 않는다. 단, 유동속도 V가 0.5 ㎛/min 속도이상이 되면 혈장이 상기 부채널로 수거되지 못하고 통과하게 된다.As shown in FIG. 4, the settling depth of red blood cells varies according to the flow velocity of various blood. When the table is analyzed, the flow rate is 0.5 μm / min, which is the maximum speed of the flow rate V of blood, and the length of the inlet channel (L ) Should be at least 5 mm so that red blood cells do not interfere with the course of plasma collected into the subchannel. However, when the flow rate V is more than 0.5 μm / min, plasma passes through the subchannels without being collected.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치와 마이크로채널의 Cell-free-layer을 도시하는 개념도이다.5 is a conceptual diagram illustrating a cell separation apparatus using a microchannel and a cell-free-layer of a microchannel according to the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 적혈구가 관내에서 축방향으로 이동할 때, 관 외곽쪽은 상기 혈장만 남겨지는 영역이 생긴다. 이 영역은 shear rate가 증가할수록 그 폭이 넓어진다. 이 영역은 벽면에 가까워 질수록 부유물이 없어지고 이를 wall effect라 한다. 그리고, 상기 적혈구의 집중도가 높으면 crowding 효과가 작용하여 벽면에서부터 중심으로 오는 적혈구의 이동을 방해한다. 상기의 결과들을 통해 혈액의 유동에서 벽면 근처 부분에 적혈구가 존재하지 않는 영역이 있고 이를 Cell-free-layer(60)라 한다. Cell-free-layer(60)는 채널의 벽면에 대한 영역이므로 적혈구의 침강효과와 함께 상기 입구채널(110) 상측으로 혈장층을 확보할 있다.As shown in FIG. 5, when the red blood cells move axially in the tube, an outer region of the tube is formed where only the plasma is left. This area becomes wider as the shear rate increases. This area is called the wall effect as it gets closer to the wall. In addition, when the concentration of the red blood cells is high, a crowding effect is applied to hinder the movement of red blood cells from the wall to the center. Based on the above results, there is a region where red blood cells do not exist near the wall in the blood flow, which is called a cell-free-layer (60). Since the cell-free-
상기 입구채널에서 상기 적혈구와 상기 혈장이 분리되는 이유는 전술한 바와 같이 중력에 의해 상기 적혈구의 침강효과와, 입구채널 내측에 Cell-free-layer(60)가 생성되므로 상기 Cell-free-layer(60)로 혈장이 분리 될수 있다.The reason why the erythrocytes and the plasma are separated from the inlet channel is because of the sedimentation effect of the erythrocytes by gravity as described above, and the cell-free-
본 발명에 따른 분리채널(120)은 상기 입구채널(110)과 연통되게 형성되어, 상기 적혈구층(40)과 상기 혈장층(50)으로 나뉘어진 혈액(10)중 상기 혈장층(50)의 혈장(30)이 분리수거되게 한다. 상기 분리채널(120)은 상기 입구채널(110)과 연통되어 상기 입구채널(110)에서 분리된 혈액(10)이 통과하는 주채널부(122)와 상기 주채널부(122)로 통과하는 혈액(10)중 혈장층(50)에 모여있는 혈장(30)을 분리 수거되는 부채널부(124)로 이루어진다. 따라서, 상기 부채널부(124)는 상기 주채널부(122) 측면과 연통되게 형성되어 있어, 상기 혈액(10)의 유동에 따라 자연스럽게 상기 혈장층(50)의 혈장(30)이 상기 부채널부(124)로 수거되게 된다.
바람직하게는, 상기 주채널부(122)는 상기 입구채널(110)에 비해 폭을 넓게 하는 것이 좋다. 이는, 상기 주채널부(122)가 상기 입구채널(110)보다 폭이 넓어져 급확대관 효과를 이용해, 상기 적혈구(20)가 상기 주채널부(122)의 반대쪽 방향으로 힘을 받게 하기 위함이다.Preferably, the
바람직하게는, 상기 부채널부(124)는 상기 주채널부(122) 측면에 연통되되, 상기 주채널부(122)의 가상의 중심선보다 상측에 형성되는 것이 좋다. 특히, 상기 부채널부(124)는 상기 주채널부(122) 측면에 연통되되, 상기 주채널부(122)의 측면 최상단에서 상기 부채널부(124)의 최하단까지 거리가 상기 적혈구(20)가 상기 주채널부(122)로 유동될 때 최상측에 모여있는 적혈구(20)가 접촉되지 않도록 형성되어야 한다.Preferably, the
바람직하게는, 상기 부채널부(124)는 혈액(10)의 유량비에 의해 다수개 형성되는 것이 좋다. 이는, 상기 부채널부(124)가 형성된 갯수만큼 더 많은 혈장(30)이 수거될 수 있기 때문이다.Preferably, a plurality of the
본 발명에 따른 출구채널(130)은 상기 주채널부(122)를 통과한 혈액(10)이 유동저항을 이용하여 상기 분리채널(120)의 유량비를 조절한다. 이는, 상기 분리채널(120)을 통과한 혈액(10)은 일부 혈장(30)이 상기 부채널부(124)로 수거되어 적혈구(20)의 용적율이 높아진 혈액이므로, 상기 출구채널(130)의 길이에 따라 유동저항을 이용해 상기 분리채널(120)의 유량비를 조절할 수 있다. In the
도 6은 본 발명에 따른 마이크로채널내에서 유량계산에 사용되는 식을 도시하는 개념도이다.6 is a conceptual diagram showing an equation used for flow rate calculation in a microchannel according to the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, Q는 각 채널의 유량을 나타내고 P는 압력, V는 속 도를 나타낸다. h는 수두손실 f는 마찰계수를 나타내고 Dh는 수력직경으로 사각채널의 형상에 따른 수력직경을 이용해 유량의 계산이 가능하다. 마찰계수는 Reynolds 수가 충분히 작은 경우의 식을 따른다. 유량을 계산함에 있어서 적용된 가정은 채널 내 유동은 완전 발달된, 층류유동이고 혈액은 뉴톤(Newton)유체로 가정하여 계산하였다. 여기서, leq=마이크로채널의 길이, ρ=적혈구의 밀도이다.As shown in Figure 6, Q represents the flow rate of each channel, P represents the pressure, V represents the speed. h is the head loss f is the coefficient of friction and D h is the hydraulic diameter can be calculated using the hydraulic diameter according to the shape of the square channel. The coefficient of friction follows the formula where the Reynolds number is small enough. The assumptions applied in the calculation of the flow rate were calculated assuming that the flow in the channel was a fully developed laminar flow and that the blood was a Newtonian fluid. Where l eq = length of microchannel, ρ = density of red blood cells.
전술한 공식들을 바탕으로, 상기 주채널부(122)에서의 유량비는 240:1이고, 20개의 부채널부(124)을 만들어 주면 전체 유량비는 11:1이 되게 할 수 있게 되므로, 더 많은 혈장(30)이 수거되게 된다. 여기서, 상기 부채널부(124)의 갯수는 당업자에 따라 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Based on the above formulas, the flow rate ratio in the
바람직하게는 상기 출구채널(130)은 길이에 따라 유동저항을 조절할 수 있다. 상기 출구채널(130)의 길이가 늘어나면 농축된 적혈구(20)가 유동저항을 많이 받기 때문에 혈액(10)의 속도가 줄어들어 상기 부채널부(124)로 수거되는 혈장의 비율이 높아진다.Preferably, the
다음으로 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치의 실시예를 설명하기로 한다.Next, an embodiment of a plasma separation apparatus using a microchannel according to the present invention will be described.
먼저, 사람의 혈액을 준비한다. 여기서 사용되는 혈액은 헤파린(heparin) 처리된 인간의 혈액으로 혈액 채취 후 5℃ 온도에서 냉장보관되며, 상기 헤파린은 복합 탄수화물의 일종으로 항응고제의 목적으로 널리 사용되고 있다.First, prepare human blood. The blood used herein is heparin-treated human blood and stored at 5 ° C. after blood collection. Heparin is a complex carbohydrate and is widely used for anticoagulant purposes.
그리고, 본 발명에 사용되는 마이크로채널(100)을 준비한다. 여기서, 상기 마이크로채널(100) 내부유동 형성을 위해 syringe pump를 이용하여 유량을 조절하고, 분리과정은 형광현미경(BX51, Olympus)과 10bit high speed camera(1200hs, PCO)을 이용하여 광학적으로 확인한다. 상기 마이크로채널(100)의 측면에서 측정하여 적혈구(20)의 침강 효과를 확인하고, 평면에서 고속카메라의 촬영속도를 이용하여 상기 분리채널(120) 내에서의 유속을 측정하고, 측정된 유속으로 전체 분리되는 혈장의 양을 측정하였다.Then, the
그리고, 상기 마이크로채널(100)에 주사기 펌프(syringe pump)를 이용하여 상기 마이크로채널(100) 내 유동을 형성시켰다. 이때 상기 마이크로채널(100) 내부는 0.9% 생리식염수(physiology saline solution)를 넣어놓은 상태로 상기 혈액(10)을 주입한다. 상기 마이크로채널(100) 내부에 공기가 차 있는 상태로 혈액(10)을 주입하면 상기 분리채널(120)에 공기방울이 남아 유량이 작은 상기 분리채널(120) 쪽으로의 유동을 방해한다. 이를 막기 위해서 상기 마이크로채널(100)의 모든 방향에서 생리식염수를 주입하는 방법으로 상기 마이크로채널(100) 내부의 기포를 제거한 후 실험을 수행한다. 이때, 3%생리식염수를 사용하는 이유는 상기 적혈구(20)가 삼투압 효과에 의해 변형되는 것을 막기 위해서이다. 상기 혈액(10)은 일정농도의 이온농도를 가지고 있다. 이온농도가 너무 높거나 낮을 경우에는 혈액(10) 내의 적혈구(20)들이 삼투막으로 되어있기 때문에 지나친 물의 흐름이 생겨 세포가 수축하거나(외부이온농도가 높은 경우) 팽창하여(외부이온농도가 낮은 경우) 세포가 파괴되는 것을 막기 위해 0.9% 생리식염수를 사용하였다.Then, a flow in the
그리고, 상기 혈액(10)의 속도를 0.1㎛/min, 0.2㎛/min, 0.3㎛/min, 0.4㎛/min, 0.5㎛/min하여 실험을 반복적으로 한다.In addition, the speed of the
다음으로, 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치 제작방법을 설명하기로 한다.Next, a method for manufacturing a plasma separation device using a microchannel will be described.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치 제작방법을 도시하는 블록도이다.7 is a block diagram showing a method for manufacturing a plasma separation device using a microchannel according to the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명은 넘버링된 웨이퍼(200)를 Piranha etch/clean공정을 통해 클리닝하는 1단계; 상기 웨이퍼(200) 상측으로 nagative photo-resist(210)(210)를 코팅하는 2단계; 코팅된 웨이퍼(200)를 다이렉트 핫플레이트(DHP)를 이용해 소프트베이크 하는 3단계; 얼라이너(Aligner)에서 코팅된() 웨이퍼 상측으로 포토마스트()를 정렬시키고 자외선을 이용하여 노광시키는 4단계; 상기 4단계를 거친 웨이퍼(200) 상측으로 nagative photo-resist(210)()를 코팅하는 5단계; 상기 5단계를 거친 웨이퍼(200) 상측으로 포토마스크(220)를 정렬시키고 자외선을 노광시키는 6단계; 상기 6단계를 거친 웨이퍼(200)에 현상액으로 담궈서 현상하는 7단계; 상기 7단계를 거친 웨이퍼(200) 상측으로 고형제를 첨가한 PDMS(230)를 주입하는 8단계; 상기 8단계를 거친 PDMS(230)를 상기 웨이퍼(200)와 분리하여, 상기 PDMS(230)와 GLASS(240)를 접하는 하는 9단계;로 구성된다.As shown in FIG. 7, the present invention provides a method for cleaning a numbered
상기 1단계와 2단계는 Numbering 된 웨이퍼(200)를 Piranha etch/clean (H2SO4 & H2O2)공정을 통해 클리닝 한 후 세정한다. 그리고, 상기 웨이퍼(200) 표면의 탈수를 위해 Dehydrate bake를 컨백션 오븐(convection oven)에서 200℃에서 30분 수행한 후 자연냉각 시킨다. 상기 공정에서 준비 된 웨이퍼(200) 위에 negative photo-resist(210)()인 SU-8 2015를 스핀코터(spin coater)의 회전수를 조절하여 적절한 코팅높이(10μm)로 코팅한다. 코팅 후 감광막의 안정화 시간(relaxation time)을 둔다. In
상기 3단계는 SU-8 감광막이 코팅된 웨이퍼(200)를 다이렉트 핫플레이트(Direct Hot Plate, DHP)를 이용해 65℃에서 1분간, 95℃에서 2분간 소프트 베이크(soft bake)한다. 소프트 베이크의 목적은 감광막에 있는 용매(solvent)를 증발시키고 감광막과 기판 사이의 접합을 향상시키는 데 있다. 또한 소프트 베이크를 2단계로 나누어 수행하는 이유는 첫 번째 베이크에서 용매를 증발시키고, 두 번째 베이크는 종횡비(aspect ratio)를 향상시키기 위한 열처리 개념이 첨가된다. 그리고 이러한 단계적 베이크는 구조물의 열적 안정성, 열 응력 감소의 효과도 기대할 수 있다. 베이크 공정 후 웨이퍼는 급속한 열변화가 있지 않도록 하며 상온에서 냉각시킨다. 이 과정에서는 박막에 수분을 흡수하게 하는 과정도 포함한다. 수분은 일반적인 DNQ/novolac 타입의 감광막에서 광화학 반응을 위해 필요하다. In the third step, the
상기 4단계는 얼라이너(Aligner)에서 감광막이 코팅된 웨이퍼(200)와 첫 번째 마스크(220)를 정렬시키고, 자외선(UV)를 이용하여 노광 시킨다. UV의 경우, 그 파장이 감광막의 흡수 스펙트럼과 일치해야 하고 광선은 평행해야 한다. 실험에서 는 1000W의 고압 수은등을 사용하였고, UV의 강도는 365nm에 대해 30mW/cm2로 하였다. 광선의 균일성은 4인치 영역에 대해 ±5%이내였다. 노광 에너지(dose)량은 120mJ/cm2을 준다. 이때 웨이퍼와 포토 마스크(220)는 소프트 컨텍(soft contact) 시킨다.In the fourth step, the photoresist-coated
상기 5단계는 PE가 완료된 웨이퍼(200) 위에 SU-8 2050 negative photo-resist(210)()를 골고루 바르고 스핀코터의 회전수를 조절하여 목표로한 코팅높이(80μm)로 코팅한다. 이 과정에서 감광막에 공기방울이 발생하기 쉬운데, 이 방울은 코팅과정을 거치고 소프트 베이크 하는 동안 사라지지 않고 문제가 될 수 있으므로, 스핀 코팅시 감광막의 공기방울을 제거하는데 주의해야 한다. 이 후 수평한 곳에 감광막이 올려진 웨이퍼를 두고 안정화 시간을 가진다. 안정화 시간은 코팅된 감광막의 균일성을 향상시키고 소프트 베이크 과정에서 컨벡션 오븐내의 기류의 영향에 강하도록 해주므로 적절한 시간을 두도록 한다. 본 실험에서는 20분을 주었다. 오븐에서 65℃의 온도로 5분간, 95℃온도로 15분간 소프트 베이크를 한다. 역시 베이크 공정 후에는 수평한 곳에서 자연냉각 시킨다. In the fifth step, the SU-8 2050 negative photo-resist 210 is applied evenly on the
상기 6단계는 얼라이너에서 기존의 현상된 감광막에 맞추어 포토 마스크(220)를 정렬하고, 자외선을 이용한 노광을 한 후 안정화 시간을 준다. 노광 에너지량은 365nm 파장대를 기준으로 400mJ/cm2을 준다. 이때 웨이퍼(200)와 포토마스크(220)는 근접접촉(Proximity contact)시킨다. 이때의 노광 간격은 10μm로 한다. In step 6, the aligner aligns the
상기 7단계, 상기 8단계, 상기 9단계는, 노광이 완료된 웨이퍼는 현상 액(developer)에 담궈서 현상한다. 현상은 4분간 현상 후 현상액을 교환하여 4분간, 총 8분 동안 수행한 후 Iso Propyl Alcohol(IPA)로 Rinse 한다. 그리고,PDMS(230)에 고형제(elastomer)를 10:1의 비율로 첨가한 후 잘 저어준다. 이 후 액상을 PDMS(230)를 진공 챔버에 넣어 기포를 제거시켜 주고, SU-8으로 제작한 몰드(mold) 위에 이를 부은 다음, 진공 챔버에서 2차 기포 재거를 시킨다. 이 후 오븐에서 100℃온도로 1시간 동안 고형화 한다. 그리고, 고형화된 PDMS(230)를 조심스럽게 웨이퍼(200)에서 떼어 낸 후 메탄올에 일정시간 담궈 두어 sonication 한 후 메탄올로 다시 세척하고 건조시킨다. 그리고, 구조물이 형성된 PDMS(230)를 장치(device)단위로 잘라주고, GLASS(240)와 접합한다.In the seventh, eighth and ninth steps, the exposed wafer is immersed in a developer and developed. The development is carried out for 4 minutes after developing for 4 minutes, the developer is exchanged for 4 minutes, and then rinsed with Iso Propyl Alcohol (IPA). Then, a solid agent (elastomer) is added to the
바람직하게는, 상기 5단계를 거친 웨이퍼(200)는 현상 전 공정으로 DHP에서 65℃로 1분간, 95℃로 1분간 PEB(Post Exposure Bake)를 한 후 자연냉각 시킨다. PEB과정은 구조물의 벽면을 균일한 형상을 갖게 하고, 구조물이 현상액에 견뎌내게 하는 중요한 과정이다.Preferably, the
바람직하게는, 상기 6단계를 거친 웨이퍼(200)는 현상 전 공정으로 오븐에서 65℃온도에 2분, 95℃온도에 7분간 PEB를 한 후 자연냉각 시킨다. Preferably, the
바람직하게는, 상기 GLASS(240)와 PDMS(230)는 plasma asher을 이용하여 접한하는 것이 좋다. 이는, 본 공정은 정교함이 요해지는 작업이기 때문이다.Preferably, the
이상과 같이 본 발명은 마이클로 채널내부에서 적혈구를 침강시켜 혈장을 분 리하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하며, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것인바, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.As described above, the present invention is a basic technical idea that segregation of plasma by sedimentation of red blood cells in the channel into the Michael channel, which is merely exemplary, and various modifications and equivalents from those skilled in the art will be appreciated. It will be understood that one embodiment is possible, and the true technical protection scope of the present invention should be defined only by the appended claims.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치를 도시하는 사시도.1 is a perspective view showing a plasma separation device using a microchannel according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치를 도시하는 정면도.Figure 2 is a front view showing a plasma separation apparatus using a microchannel according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 입구채널의 길이를 구하는 공식을 도시하는 개념도. 3 is a conceptual diagram showing a formula for obtaining a length of an inlet channel according to the present invention.
도 4는 입구채널의 길이에 대한 침강 깊이를 도시하는 표를 도시하는 개념도.4 is a conceptual diagram showing a table showing the settling depth with respect to the length of the inlet channel.
도 5는은 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치와 마이크로채널의 Cell-free-layer을 도시하는 개념도.5 is a conceptual diagram illustrating a cell separation apparatus using a microchannel and a cell-free-layer of a microchannel according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로채널내에서 유량계산에 사용되는 식을 도시하는 개념도.6 is a conceptual diagram showing the equation used for flow rate calculation in a microchannel according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 마이크로채널을 이용한 혈장분리장치 제작방법을 도시하는 블록도.Figure 7 is a block diagram showing a method for manufacturing a plasma separation device using a microchannel according to the present invention.
<도면의 각 부분에 관한 부호의 설명><Description of the code | symbol about each part of drawing>
10: 혈액 20: 적혈구10: blood 20: red blood cells
30: 혈장 40: 적혈구층30: plasma 40: erythrocyte layer
50: 혈장층 60: Cell-free-layer50: plasma layer 60: cell-free-layer
100: 마이크로채널 110: 입구채널100: microchannel 110: inlet channel
120: 분리채널 122: 주채널부120: separate channel 122: main channel portion
124: 부채널부 130: 분리채널124: sub-channel section 130: separate channel
200: 웨이퍼 210: resist200: wafer 210: resist
220: 마스크 230: PDMS220: mask 230: PDMS
240: GLASS240: GLASS
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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KR20190031893A (en) * | 2017-09-19 | 2019-03-27 | 한국기계연구원 | Micro Fluid Element having Micro Sub Flow Paths and Mold for Manufacturing the Same |
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-
2008
- 2008-10-31 KR KR1020080107699A patent/KR20100048507A/en not_active Application Discontinuation
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