복잡유체의 탄성-관성을 이용한 입자 연속 분리용 랩온칩 개발

Abstract

미세유체소자 기술은 입자를 효과적으로 조작하기 위한 플랫폼(platform)으로 연구에 널리 활용되고 있다. 본 연구에서는 미세유체소자 기술을 이용하여 입자를 연속으로 정렬 및 분리하는 새로운 개념의 랩온칩 기술을 제시하고자 한다. 이 방법은 추가적인 외력이 필요하지 않으며 오로지 점탄성 유체에 의한 입자의 자기 조립 현상을 이용한다. 또한 채널 형상이 복잡하지 않아 저비용 및 소형화된 현장 진단용 (point of care diagnostics) 유세포 분석장치 (flow cytometry) 개발에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다. 입자 정렬은 입자 분석에 있어서 중요한 기술 중 하나이고 최근 미세유체공학 (mircofluidics) 기술을 활용하여 입자 정렬을 이루고자 하는 시도가 많이 진행되고 있다. 그러나 선행 연구들은 다중 평형점에서의 2차원적인 정렬에 국한되어 왔다. 본 연구에서는 복잡 유체의 탄성/관성을 이용하여 입자를 압력 구배에 의한 흐름에서 직사각형 형상 채널의 중앙에 일렬로 입자를 정렬하는 것이 가능함을 이론적으로 예측하고 이를 실제로 구현하였다. 채널 형상은 가장 간단한 직선 형태의 정사각형 마이크로채널(microchannel)을 사용하였으며, 본 연구에서 개발된 방법을 “Elasto-inertial particle focusing”이라 명명하였다. 본 연구의 중요 결과로 탄성이 지배적인 흐름에서는 채널의 모서리와 중앙에 평형점이 형성되나 유량 증가에 의해 관성이 커지면 탄성에 의해 형성된 모서리의 평형점이 중앙의 평형점으로 합쳐지는 현상을 관찰하였다. 이와 더불어 입자의 크기에 따라 탄성에 의한 입자 이동 정도가 다르다는 사실을 바탕으로 크기별 입자 분리가 가능함을 보였다 또한 본 연구에서는 복잡 유체의 탄성에 의한 입자 이동 현상을 활용하여 적혈구의 변형성에 따른 세포 분리가 가능한 랩온칩을 개발하였다. 일부 질환에 의해 적혈구의 변형성이 현저히 감소한다는 것은 잘 알려져 있는 사실로, 미세채널에서 변형성이 다른 적혈구의 이동하는 정도가 차이가 나는 사실을 이용하여 적혈구 변형성별로 고순도∙고농축으로 분리하는 방법을 제시하였다. 탄성이 지배적인 흐름에서 고체 입자는 채널의 모서리와 중앙에 형성된 평형점으로 이동하였다. 이런 현상은 단단해진 적혈구에서도 관찰된다. 반면 정상적인 적혈구는 변형성에 의해 채널 벽으로부터 멀어지려는 경향이 탄성에 의한 힘보다 크게 작용하여 채널의 중앙으로 이동한다. 본 연구에서는 이런 현상을 실험적으로 관찰하였으며, 변형성별로 세포 분리가 가능한 실제 소자를 제작하여 세포 분리 실험을 진행하였다. 그 결과 채널의 코너로 이동하는 단단한 적혈구만을 따로 분리했다. 분리된 단단한 적혈구는 높은 수준의 순도와 농축비율을 나타냈다. 본 연구에서 제시하는 분리 방식은 질병에 의해 변형성이 떨어지는 세포를 모으고, 분석함으로써 질병의 진단 및 병리 생리학에 기여할 수 것으로 기대된다.