모세관 인력을 이용한 밸브 없는 열공압형 마이크로 펌프

Abstract

최근 MEMS (Micro Electromechanical Systems) 기술의 발달로 약물 전달 시스템, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 등과 같은 미세 유체 소자에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 미세 유체 소자에서는 극소량의 유체를 정확하게 이송하고, 유량을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 특히 약물 전달 시스템 분야에서는 기존의 주사투약이나 경구를 통한 약물 투여로 인한 약물 농도의 과도한 변화를 최소화하고 효능 및 효과를 극대화하기 위해 필요한 양의 약물을 정확하게 제어할 수 있는 마이크로 펌프가 요구된다. 본 논문의 열공압 방식에 의한 펄스형 마이크로펌프는 전압을 인가해서 발생하는 공기의 부피변화를 이용하여 약물을 전달하는 방식의 펌프이며, 생체 적합한 소재로 제작이 가능하고 구조가 간단하고 제작이 용이해 다른 구동방식의 마이크로펌프에 비해 제작비가 저렴하고, 낮은 전압에서도 구동 가능한 것이 장점이다. 제작된 펌프의 상부기판은 파이렉스 유리 기판을 사용하여 티타늄과 금으로 마이크로히터를 제작였다. 실리콘 기판 위에 음성후막감광제 (SU-8-2100)로 채널과 공기 챔버 등이 있는 열공압 마이크로펌프의 주형을 사진식각 공정으로 제작한다. 제작된 주형에 PDMS (polydimethylsiloxane)로 마이크로 펌프 형상을 갖는 중간층을 제작한다. 마지막으로 하부기판은 파이렉스 유리를 중간층과 같은 크기로 잘라 제작하였다. 이렇게 제작된 3개의 기판은 플라즈마 처리 후 접합해서 제작한다. 적절한 양의 약물분사가 이루어지도록 공기챔버의 부피와 히터를 설계하고 유체 토출 후 수축하는 공기에 의해 자가 충전이 가능하도록 채널 구조를 설계하였다. 제작된 펌프는 인가전압에 따른 유체의 토출 속도와 시간을 측정하였다. 인가전압을 일정하게 증가시켜 유로내에서 기포의 확장을 비디오와 연결된 고속카메라를 사용하여 관찰해서 측정하였다. 측정결과 3.5 V 이상의 전압에서 완전히 토출이 시작되었고 속도는 전압이 증가함에 따라 증가하였다. 토출량은 3.5 V 이상의 전압에서는 120 nl 로 거의 일정했다. 또한 이 펌프의 응용분야인 경피형 약물 전달 시스템에서의 적용이 가능한지 알아보기 위해 출구에 바늘과 닭 조직을 연결하여 조직 내부로 유체를 토출 시킬 수 있는 가를 실험해보았다. 실험 결과 이 펌프에서 발생되는 압력만으로 펌프 내부의 유체를 닭의 조직 속으로 토출이 가능함을 확인하였다.