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KR101855490B1 - 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법 - Google Patents

점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법에 관한 것으로서, 점탄성유체 내에 포함된 원하는 목표 입자의 유효직경에 맞추어 유체칩 내에 형성된 유체 채널 내에 상기 점탄성유체와 함께 점성유체를 기설정된 유량비로 흘려 보내 상기 유체 채널 내에 형성된 이들의 병행층류 내에서 목표 입자에 대한 집속 위치의 변화를 통해 별도의 장치와 인력을 사용하지 않고도 좀더 쉽게 점탄성유체 내에 포함된 미소 입자들 중에서 원하는 목표 입자만을 점성유체쪽으로 분리해내거나 세정을 위해 점탄성유체 내에 포함된 목표 입자를 점성유체쪽으로 이동시킬 수 있도록 함으로써, 연구와 임상에서 쓰이는 천연 생체액들(Native Biofluids)은 대부분 점탄성유체이기 때문에 실험을 위해 세포/입자를 담을 용액을 바꾸거나 별도의 희석이 필요 없이 그대로 목표 입자의 분리 및 세정이 가능하고, 만일 점탄성유체인 천연 생체액들(Native Biofluids)의 완화시간(Relaxation time)이 부족하다면 이를 높여 줄 수 있는 인공 폴리머를 추가로 섞어주기만 하면 되기 때문에 시간당 처리량이 타 방법에 비해 매우 높고, 넓은 범위의 유량에서 고효율의 작업 능률을 보이기 때문에 정교한 펌핑 장치가 필요 없이 단순히 주사기를 밀어 펌핑하는 수작업 만으로도 고효율의 분리 및 세정 작업이 가능하도록 하는 효과를 갖는다.

Description

점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법{Method For Separating And Washing Of Microparticles Via A Stratified Coflow Of Non-Newtonian And Newtonian Fluids}
본 발명은 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용하여 점탄성유체 내에 포함된 미소 입자들 중에서 원하는 입자들을 점성유체쪽으로 분리해내거나 세정을 위해 점탄성유체 내에 포함된 미소 입자를 점성유체쪽으로 이동시키는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법에 관한 것이다.
미소 입자 즉, 마이크로 이하의 입자나 세포 등의 분리 및 세정은 생물학 연구 및 임상에서 널리 쓰이는 중요한 실험 과정이다. 미소 입자들의 효과적인 분석과 진단을 위해 샘플은 서로 다른 시료에 옮겨 담는 과정을 통해 분리되고, 세정되며, 라벨링(labeling)된다.
대표적인 예로 생물학 연구에서 가장 널리 쓰이는 프로토콜인 세포의 형광염색을 들 수 있다 (참고문헌 1, 2). 세포는 형광염료가 녹아있는 시료에 담겨 형광염료와 충분히 결합된 뒤 다음 연구를 위한 새로운 매개용액에 담기게 된다. 이때, 세포는 새로운 매개용액에 의해 씻겨져 형광염료 잔여물이 제거된다. 이 세정 과정은 염색 결과의 최적화를 위해 필수적인데, 그 이유는 형광염료 잔여물은 세포에 유해하거나 또는 세포 내 소기관들과 원하지 않는 반응을 일으킬 수 있기 때문이다 (참고문헌 3).
또 다른 예로 혈액에서 백혈구만 분리해내는 면역학 연구의 사전작업을 들 수 있다 (참고문헌 4). 면역학에서 가장 큰 연구대상인 말초혈액 단핵세포(PBMCs; Peripheral Blood Mononuclear Cells)를 분리하는 작업은 고밀도의 과당용액을 혈액과 섞은 뒤 밀도 구배 원심법(Density Gradient Centrifugation)을 통해 이루어진다.
그리고, 적혈구를 분쇄하는 라이시스 버퍼(Lysis Buffer)를 섞어 적혈구를 파괴한 뒤 필요하면 호중구(Neutrophils)와 호산 백혈구(Eosinophiles)의 추가 분리를 진행한다.
여기서 원심분리(Centrifugation)을 통한 분리 작업이 끝나면, 샘플에서 과당용액과 라이시스 버퍼(Lysis Buffer)를 제거해야 한다. 이들 용액에 세포가 오래 노출되면 치명적이기 때문이다. 또한, 백혈구 샘플의 순도를 높여 조사 정확도를 높이기 위해서는 라이시스(lysis)로부터 유래된 잔여물(Debris)과 여타 세포 유래물도 제거되어야 한다.
혈구 세정은 임상에서도 널리 쓰인다. 대표적인 예로써, 심장 수술 시 수행되는 자가 수혈법(Autotransfusion)에서 나쁜 콜레스테롤(Lipid Microemboli) 등 오염물질을 필터링하고 혈액을 환자의 신체에 재유입하는 경우를 들 수 있다 (참고문헌 5). 때로는 약, 응고, 활성화된 배혈수(Leukocyts)와 혈소판(Platelets) 때문에 혈장이 제거되어야 할 때도 있다 (참고문헌 6, 7). 미소 입자 즉, 세포 뿐만 아니라 마이크로 입자들의 분리 및 세정 또한 이를 이용한 실험에서는 샘플 준비 및 추출을 위한 필수 과정이 된다 (참고문헌 8).
미소 입자 즉, 마이크로입자나 세포 등의 분리 및 세정을 수행하는 통상적인 방법은 원심분리(Centrifugation)이다.
그러나, 원심 분리시 세포는 매우 큰 전단응력(Shear Stress)에 노출되기 때문에 쉽게 손상된다 (참고문헌 9). 더욱이, 피펫팅을 통해 샘플 채집을 해야 하기 때문에 고효율 고순도의 샘플 채집이 불가능하다.
또한, 원심분리법은 전과정이 자동이 아니며 연속적 방식이 아니기 때문에 고효율 샘플 채집을 위해 숙련된 전문가의 손길이 필요하고 일회당 처리량이 제한된다는 단점이 있다. 원심분리를 여러 번 하면 단점이 완화될 수 있지만 시간과 돈이 많이 소요되는 단점을 갖는다.
상기한 원심분리법의 단점을 극복하기 위해 다양한 마이크로유체 기술들을 개발되어 왔다(참고문헌 10, 11).
마이크로유체 기술들은 크게 능동적 방법과 수동적 방법으로 나눌 수 있다. 수동적 방법은 마이크로유체 유동에 내재되는 수력학적 힘만을 이용한다. 따라서 입자와 유동의 움직임은 마이크로채널의 형상, 입자와 유체의 성질, 유동 조건 등에 의해 미리 결정된다.
수동적 방법으로는 지금까지 Pinched Flow Fractionation(참고문헌 12, 13), Inertia and/or Dean Flow Fractionation(참고문헌 14-16), Micro Vortex Manipulation(참고문헌 17), Deterministic Lateral Displacement(참고문헌 18), Zweifach-Fung effect (참고문헌 19), Filtration(참고문헌 20-23), Micro Hydrocyclone(참고문헌 24) 등이 학계에 보고되었다.
반면에, 능동적 방법은 외력을 추가적으로 활용하여 입자로 하여금 유선을 넘나들게 제어하는 방법이다. 음향 (참고문헌 25, 26), 자기 (참고문헌 27, 28), 광 (참고문헌 29, 30), Dielectrophoretic(참고문헌 31-33) 힘을 이용한 방법들이 학계에 보고되었다.
이 모든 방법들은 각각의 장점과 단점을 지닌다. 일반적으로 수동적 방법은 구현 및 구동이 쉬우나 적응성과 효율이 떨어진다는 단점을 지니는 반면, 능동적 방법은 적응성과 효율은 좋지만 구현이 복잡하고 어렵다는 단점이 있다 (참고문헌 10).
현재까지 개발된 미소 입자(마이크로입자/세포)를 다루는 대부분의 마이크로유체 기법은 고효율을 얻기 위해 샘플을 희석해야 한다는 한계가 있다. 고유량을 처리함으로써 이 문제를 다소 해결할 수 있으나, 엄청난 양의 매개용매를 소모한다는 단점이 있다.
Inertial microfluidic method (참고문헌 34)를 한 예로 들면, 그 고유량을 처리하는 혁신적인 능력으로 마이크로 입자를 분리/세정해낼 수 있지만, 오직 낮은 입자밀도를 가진 샘플에 대해서만 효과가 있다. 결국, 현실적인 연구 환경 또는 임상에 적용하기 위해서는 고입자밀도를 갖는 액체 샘플을 처리하는 능력이 필수적이다.
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상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 활용하여 원심분리기의 사용 없이 천연 생체액(Native Biofluids)으로부터 직접 원하는 미소 입자만을 깨끗한 점성유체쪽으로 이동시키도록 하되 특히, 수동 주사기 펌핑만으로도 고효율의 분리 및 세정이 가능한 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법은, 유체 채널 내에 점탄성유체와 점성유체를 병행층류 형태로 유동시켜 상기 유체 채널 내부에 작용하는 힘들의 평형을 이루는 입자 집속 위치의 변화를 통해 상기 점탄성유체 내에 포함된 미소 입자들 중에서 목표 입자를 상기 점성유체 내로 분리 또는 이동시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 점탄성유체는 완화시간(Relaxation Time)이 충분히 큰 폴리머를 함유하여 상기 목표 입자에 대한 탄성 양력이 관성 양력보다 더 크고, 상기 폴리머 함유 농도가 높아 상기 목표 입자의 유선을 가로지르는 이동속도를 충분히 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 점탄성 유체는 혈액(Blood), 혈구가 분쇄된 혈액(BC-lysed blood), 세럼(Serum) 또는 림프(Lymph)를 포함하는 천연 생체액들 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 점탄성유체는 인위적으로 점탄성을 갖도록 인공 폴리머가 가미되어 만들어질 수 있다.
여기서, 상기 인공 폴리머는 완화시간(Relaxation Time)이 1 ms(millisecond) 이상인 수용성 폴리머인 것이 바람직하며, λ-DNA, 모체 필수 지방산(PEO: Parent Essential Oil), 폴리비닐피롤리돈(PVP: PolyVinylpyrrolidone) 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 점성유체는 상기 목표 입자에 대한 관성 양력이 탄성 양력 보다 더 큰 유체로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 점성유체는 목표 입자를 담고자 하는 그 어떤 수용액도 가능하다. 물, 글리세린 수용액(Aqueous Glycerine Solution) 또는 인산 완충 식염수(PBS: Phosphate Buffer Saline)를 예로 들 수 있다.
또한, 상기 유체 채널 내에서 상기 점탄성유체와 상기 점성유체가 차지하는 채널단면의 면적 비율은 1:1로 이루어지는 것이 바람직하다. 각각의 유체가 차지하는 단면의 면적 비율은 유량비와 점성비로 결정되는 것이 일반적이다.
또한, 상기 유체 채널의 크기는 상기 목표 입자의 유효직경 크기에 비례하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유체 채널의 단면적에 대한 종횡비(Aspect Ratio, 세로/가로)는 1 이상으로 이루어져야 한다.
또한, 상기 유체 채널의 길이는 상기 점탄성유체의 유속 또는 탄성 수에 반비례하게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유체 채널의 길이는 1L 내지 10L 범위 이내로 형성되고, 여기서, 상기 유체 채널의 최소 길이 L은,
Figure 112016007505255-pat00001
을 만족하는 것이 바람직하다. 여기서,
Figure 112016007505255-pat00002
는 채널 내 최대 유속이고,
Figure 112016007505255-pat00003
은 경험 비례 상수이며,
Figure 112016007505255-pat00004
는 유체 채널의 폭이고, d는 목표 입자의 유효 직경이고, μ는 유체의 점성이며, ρ는 유체의 밀도이다.
또한, 상기 유체 채널의 최소 길이 L 이내에서 관성 집속(Inertial Focusing)이 이루어지기 위한 최소 유량(Q)은,
Figure 112016007505255-pat00005
를 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, h는 상기 유체 채널의 높이이고, w는 유체 채널의 폭이며,
Figure 112016007505255-pat00006
은 경험 비례 상수이다.
또한, 유체칩 내부에서 상기 유체 채널이 직선 형태로 관통 형성되고, 상기 점성유체가 유입되는 제1 입구 및 상기 점탄성유체가 유입되는 제2 입구가 기설정된 사이각을 이루며 상기 유체 채널의 선단부에 서로 합지되게 형성되며, 상기 유체 채널의 후단부로부터 상기 목표 입자가 포함된 상기 점성유체를 배출하는 제1 출구 및 상기 점탄성 유체를 배출하는 제2 출구가 기설정된 사이각을 이루며 분지되어 형성될 수 있다.
여기서, 상기 유체칩은 실리콘 기반 폴리머(Silicone-based polymers), 고분자화합물(Plastics), 유리(Glass), 실리콘(Si), 금속(Metal) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기반 폴리머(Silicone-Based Polymer)는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자화합물(plastic)은 PMMA(Polymethyl Methacrylate), PP(polypropylene), COC (cyclic olefin copolymer) 또는 PET(Polyethylene Terephthalate) 및 폴리염화비닐수지, 폴리레틸렌수지, 폴리스티렌수지, 폴리프로필렌수지, 아크릴수지 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 유동 저항을 유로의 단면 설계 변경 또는 밸브 활용을 통해 상기 점탄성유체와 상기 점성유체가 갈리는 유선의 위치를 조절할 수 있다.
상기한 본 발명의 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법에 따르면, 점탄성유체 내에 포함된 원하는 목표 입자의 유효직경에 맞추어 유체칩 내에 형성된 유체 채널 내에 상기 점탄성유체와 함께 점성유체를 기설정된 유량비로 흘려 보내 상기 유체 채널 내에 형성된 이들의 병행층류 내에서 목표 입자에 대한 집속 위치의 변화를 통해 별도의 장치와 인력을 사용하지 않고도 좀더 쉽게 점탄성유체 내에 포함된 목표 입자만을 점성유체쪽으로 분리해내거나 세정을 위해 점탄성유체 내에 포함된 목표 입자를 점성유체쪽으로 이동시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법에 따르면, 연구와 임상에서 쓰이는 천연 생체액들(Native Biofluids)은 대부분 점탄성유체이기 때문에 실험을 위해 세포/입자를 담을 용액을 바꾸거나 별도의 희석이 필요 없이 그대로 목표 입자의 분리 및 세정이 가능하고, 만일 점탄성유체인 천연 생체액들(Native Biofluids)의 완화시간(Relaxation time)이 부족하다면 이를 높여 줄 수 있는 인공 폴리머를 추가로 섞어주기만 하면 되기 때문에 시간당 처리량이 타 방법에 비해 매우 높고, 넓은 범위의 유량에서 고효율의 작업 능률을 보이기 때문에 정교한 펌핑 장치가 필요 없이 단순히 주사기를 밀어 펌핑하는 수작업 만으로도 고효율의 분리 및 세정 작업이 가능하도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법에 따르면, 유체 채널이 형성하는 상기 유체칩을 값싼 플라스틱 또는 폴리머 재질을 이용해 일회용으로 제작할 수 있어 이들의 제조 단가를 낮추고 저렴한 비용으로 다양한 분야에 범용적으로 사용할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정을 위한 유체 채널이 형성된 유체칩에 대한 3차원 모식도이다.
도 2는 도 1의 유체칩의 평면도이다.
도 3은 도 2의 II-II 선을 따라 잘라서 본 유체 채널의 단면적 내에서 점탄성유체 또는/및 점성유체가 유동시 미소 입자들이 수동적으로 집속되는 힘의 평형점을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 입자들이 유선을 가로질러 이동하는 비율이 점탄성유체 내에 포함된 DNA 농도에 의해 달라지는 것을 보여주는 형광현미경사진이다.
도 5는 마이크로 유체 채널의 길이 분수(Length Fraction = 0.16)에 해당하는 입자 밀도를 가진 점탄성유체 샘플 유동 내 입자를 분리한 결과를 보여는 형광현미경합성사진이다.
도 6은 제1 출구에서 포집된 샘플 내 두 입자의 상대적 개수 비율을 유세포분리기법으로 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 제2 출구에서 포집된 샘플 내 두 입자의 상대적 개수 비율을 유세포분리기법으로 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 유체 채널 내 길이 분수(Length Fraction) 및 채널 레이놀드 수(Channel Reynolds Number)의 변화에 따른 입자 분리 효율을 측정한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정을 위한 유체 채널이 형성된 유체칩에 대한 3차원 모식도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법은 유체 채널(10) 내에 점탄성유체와 점성유체를 병행층류 형태로 유동시켜 상기 유체 채널 내부에 작용하는 힘들의 평형을 이루는 입자 집속점의 위치 변화를 통해 상기 점탄성유체 내에 포함된 미소 입자들 중에서 목표 입자를 상기 점성유체 내로 분리 또는 이동시키도록 한다.
여기서, 점탄성유체는 완화시간(Relaxation Time)이 충분히 큰 폴리머를 함유하여 상기 목표 입자에 대한 탄성 양력이 관성 양력보다 더 크고, 상기 폴리머 함유 농도가 높아 상기 목표 입자의 유선을 가로지르는 이동속도를 충분히 갖는 것을 의미한다.
따라서, 점탄성유체는 혈액(blood), 혈구가 분쇄된 혈액(BC-lysed blood), 세럼(serum) 또는 림프(lymph)를 포함하는 천연 생체액들로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 샘플 유체에 인위적으로 점탄성을 갖도록 인공 폴리머를 가미시켜 만들 수도 있다.
여기서, 상기 인공 폴리머는 완화시간(Relaxation Time)이 1 ms(millisecond) 이상인 모든 종류의 수용성 폴리머로 이루어지는 것이 바람직하며, 일예로, λ-DNA, 모체 필수 지방산(PEO: Parent Essential Oil), 폴리비닐피롤리돈(PVP: PolyVinylpyrrolidone) 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 점성유체는 상기 목표 입자에 대한 관성 양력이 탄성 양력 보다 더 큰 유체인 것을 의미하며, 목표 입자를 담고자 하는 그 어떤 수용액도 가능하다. 물, 글리세린 수용액(Aqueous Glycerine Solution) 또는 인산 완충 식염수(PBS: Phosphate Buffer Saline)를 예로 들 수 있다.
그러나, 점탄성유체와 점성유체가 전술한 것 만으로 반드시 한정되는 것은 아이며 전술한 바와 같이 유체 채널(10) 내에 병행층류 형태로 유동시켜 상기 유체 채널(10) 내부에 작용하는 힘들의 평형을 이루는 입자 집속점 위치의 변화를 통해 상기 점탄성유체 내에 포함된 목표 입자를 상기 점성유체 내로 분리 또는 이동시킬 수 있는 한 좀더 다양한 종류의 유체들이 점탄성유체 및 점성유체로 적용될 수 있음은 당연하다.
한편, 본 실시예에서 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정을 수행하기 위한 유체 채널(10)이 유체칩(1) 내에 관통 형성되고, 유체 채널(10)의 선단부에는 상기 점성유체가 유입되는 제1 입구(11) 및 상기 점탄성유체가 유입되는 제2 입구(12)가 기설정된 사이각(Θ)을 이루며 서로 합지되게 형성되며, 유체 채널(10)의 후단부에는 상기 목표 입자가 포함된 상기 점성유체를 배출하는 제1 출구 및 상기 점탄성 유체를 배출하는 제2 출구가 기설정된 사이각을 이루며 분지되어 형성되는 것을 예시한다.
여기서, 본 실시예에서 상기 유체칩은 실리콘 기반 폴리머(Silicone-Based Polymer)인 PDMS(Polydimethylsiloxane)으로 이루어지는 것을 예시한다.
그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 상기 유체칩이 상기한 실리콘 기반 폴리머(Silicone-based polymers) 이외에도 고분자화합물(Plastics), 유리(Glass), 실리콘(Si), 금속(Metal) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있음은 당연하다.
여기서, 상기 고분자화합물(plastic)은 PMMA(Polymethyl Methacrylate), PP(polypropylene), COC (cyclic olefin copolymer) 또는 PET(Polyethylene Terephthalate) 및 폴리염화비닐수지, 폴리레틸렌수지, 폴리스티렌수지, 폴리프로필렌수지, 아크릴수지 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 실시예의 상기 유체 채널(10)은 폭 30μm, 높이가 54μm, 길이가 20mm로 이루어지고, 제1 입구(11) 와 제2 입구(12), 제1 출구(15)와 제2 출구(16)는 각각 대략 60°의 사이각(Θ)을 이루며 서로 합지 및 분지되는 것을 예시한다.
이처럼, 본 실시예에서 유체 채널(10)은 점탄성유체 내에 포함된 마이크로 스케일의 입자 또는 세포 등을 포함한 미소 입자들을 분리 및 이동 시키기에 적합하도록 마이크로 스케일로 형성되는 것을 예시하나 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니며 후술하는 미소 입자들의 분리 및 이동 메커니즘을 적용할 수 있는 한 다양한 스케일로 제작하여 사용할 수 있음은 당연하다.
또한, 유체 채널(10)의 크기는 후술하는 바와 같이 점탄성유체 내에 포함된 목표 입자의 유효직경뿐만 아니라 점탄성유체의 탄성 수(Elasticity number,
Figure 112016007505255-pat00007
Figure 112016007505255-pat00008
) 및 유량(Q)에 따라 다양하게 변형하여 적용할 수 있고, 제1 입구(11)와 제2 입구(12) 및 제1 출구(15)와 제2 출구(16)의 사이각(Θ)을 보다 다양하게 변형하여 적용할 수 있음은 당연하다.
따라서, 점탄성유체 내에 포함된 원하는 목표 입자의 유효직경에 맞추어 유체칩 내에 형성된 유체 채널(10) 내에 상기 점탄성유체와 함께 점성유체를 기설정된 유량비로 흘려 보내 상기 유체 채널 내에 형성된 이들의 병행층류 내에서 목표 입자에 대한 집속 위치의 변화를 통해 별도의 장치와 인력을 사용하지 않고도 좀더 쉽게 점탄성유체 내에 포함된 미소 입자들 중에서 원하는 목표 입자만을 점성유체쪽으로 분리해내거나 세정을 위해 점탄성유체 내에 포함된 목표 입자를 점성유체쪽으로 이동시킬 수 있도록 한다.
이하, 도 2 및 도 3을 통해 본 발명의 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법에 대한 이론적 배경을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 도 1의 유체칩의 평면도이고, 도 3은 도 2의 II-II 선을 따라 잘라서 본 유체 채널의 단면적 내에서 점탄성유체 또는/및 점성유체가 유동시 미소 입자들이 수동적으로 집속되는 힘의 평형점을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하며, 유체 채널 내에서 탄성유체 내에 포함된 목표 입자에 작용하는 힘들의 균형은 다음과 같다.
여기서,
Figure 112016007505255-pat00009
은 채널 유동의 레이놀드 수(Reynolds Number)이고,
Figure 112016007505255-pat00010
는 채널 유동의 바이센베르크 수(Weissenberg number)이다.
도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 유체 채널(Transfer Channel)이 미소 입자를 품은 점탄성유체만으로 채워진다면(
Figure 112016007505255-pat00011
), 탄성 양력(Elastic Lift Forces;
Figure 112016007505255-pat00012
)만이 주도적으로 미소 입자에 영향을 미쳐 유체 채널의 중앙(폭 방향 중심)으로 미소 입자를 이동시킨다 (참고문헌 35).
도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 유체 채널(Transfer Channel)이 미소 입자를 품은 점성유체만으로 채워진다면(
Figure 112016007505255-pat00013
), 관성 양력(Inertial Lift Force ;)과 벽면 양력(Wall Lift Force;
Figure 112016007505255-pat00015
)이 주도적으로 미소 입자에 영향을 미쳐 면이 넓은 채널 벽 중앙 근처 양쪽에 형성된 두 평형점으로 미소 입자를 이동시킨다(참고문헌 34).
그리고, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이 미소 입자를 함께 품은 점탄성유체와 점성유체가 병행층류를 이루며 유체 채널(Transfer Channel) 내부를 흐른다면, 미소 입자들은 모두 점성유체 내에 형성된 유일한 힘의 평형점으로 이동하게 된다.
유체 채널 입구에서 유체 채널 출구까지 이어지는 미소 입자들의 점진적인 움직임은 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 미소 입자들의 이동은 네 가지 힘 즉, 탄성 양력(
Figure 112016007505255-pat00016
), 관성 양력(
Figure 112016007505255-pat00017
), 벽면 양력(
Figure 112016007505255-pat00018
) 및 스토크스의 양력(Stokes' drag force; FD)의 작용에 의해 결정된다.
상기한 스토크스의 양력(Stokes' drag force; FD)은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016007505255-pat00019
여기서,
Figure 112016007505255-pat00020
은 유체의 점도이고, d는 미소 입자의 유효직경이며,
Figure 112016007505255-pat00021
는 미소 입자의 측방향 이동 속도이다.
따라서, 제1 입구 및 제2 입구를 통해 유체 채널의 선단부에 막 들어선 미소 입자는 벽으로부터 멀어지는 힘을 받게 되는데, 이는 탄성 양력(
Figure 112016007505255-pat00022
)와 벽면 양력(
Figure 112016007505255-pat00023
)의 합이 관성 양력(
Figure 112016007505255-pat00024
)과 스토크스의 양력(
Figure 112016007505255-pat00025
)의 합보다 크기 때문이다.
미소 입자들이 두 유체 즉, 점탄성유체와 점성유체의 경계선 상에 도달했을 때에는 탄성 양력(
Figure 112016007505255-pat00026
)과 관성 양력(
Figure 112016007505255-pat00027
)이 합력하여 목표 입자를 더욱 점성유체 내부로 밀어 넣는다.
그리고, 마지막으로 미소 입자들은 관성 양력(
Figure 112016007505255-pat00028
)이 벽면 양력(
Figure 112016007505255-pat00029
)과 균형을 이루는 평형지점으로 인도되어 점성 유체 내에 집속되게 된다.
즉, 점탄성유체 내에서 탄성 양력(
Figure 112016007505255-pat00030
)과 스토크스의 양력(
Figure 112016007505255-pat00031
)이 유선을 가로지르는 방향의 입자 움직임을 주도한다는 가정 하에, 유동의 평균 속도(
Figure 112016007505255-pat00032
)에 의해 정규화된 입자의 이동 속도(
Figure 112016007505255-pat00033
)는 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016007505255-pat00034
여기서,
Figure 112016007505255-pat00035
는 경험 비례 상수이고,
Figure 112016007505255-pat00036
는 유체 채널의 폭이며,
Figure 112016007505255-pat00037
는 점탄성유체의 바이센베르크 수(Weissenberg number)이다. 또한,
Figure 112016007505255-pat00038
는 폴리머 농도(polymer concentration)이고,
Figure 112016007505255-pat00039
는 중복 농도(Overlapping concentration)이다.
따라서, 점탄성유체로부터 점성유체쪽으로 성공적이게 목표 입자를 분리 및 이동시키려면, 전술한 바와 같이 점탄성유체 내에 포함된 폴리머의 완화 시간(Relaxation time)이 일정 크기 즉, 전술한 바와 같이 1 ms(millisecond) 이상이어야 하고, 폴리머의 농도 또한 충분히 높아야 한다. 이는 도 4에 도시한 아래 실험예1의 실험 결과를 통해 입증될 수 있다.
실험예1
실험예1에서는 입자들이 유선을 가로질러 이동하는 비율이 점탄성유체 내에 포함된 DNA 농도에 의해 달라지는 것을 보여주기 위한 실험을 수행하였다.
도 4는 입자들이 유선을 가로질러 이동하는 비율이 점탄성유체 내에 포함된 DNA 농도에 의해 달라지는 것을 보여주는 형광현미경사진이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 미세 입자를 품은 점탄성유체(Aqueous λ-DNA Solution)와 점성유체(Aqueous Glycerine Solution)가 각각 제1 입구(11) 및 제2 입구(12)를 통해 1:1의 유량비를 가지고 유체 채널(10; Transfer Channel) 내에 병행층류 형태로 유동시킨다(8.3 μL/min for i-v, 66.7 μL/min for vi).
이때, 미세 입자의 이송률(Transfer Rate)은 도 4의 ⅰ 내지 ⅵ에 나타낸 바와 같이, 점탄성유체 내 λ-DNA의 농도가 높을수록 높아짐을 알 수 있다.
이와 같은 미세 입장의 분리 또는 이송 메커니즘은 크기에 따른 입자의 활동적 분리(kinetic separation)에 응용될 수 있다.
점탄성유체의 유동 내에 속한 입자의 유선을 가로지르는 방향으로의 이동 속도는 유효직경의 제곱에 비례한다 (수학식 2 참조).
따라서 유효직경이 큰 미세 입자는 작은 미세 입자보다 유선 방향을 따라 같은 거리를 가는 동안 훨씬 빨리 채널 중앙부분으로 이동하게 되고, 비슷하게, 유효직경이 큰 미세 입자는 점성유체의 유동 내에서 작은 미세 입자보다 훨씬 빨리 유일한 평형 집속점으로 이동하게 된다. 왜냐하면 이 경우 이동 속도는 미세 입자의 유효직경의 세제곱에 비례하기 때문이다(참고문헌 36).
한편, 유체 채널(10) 및 유동의 설계 조건은 다음과 같다. 관성 양력 및 벽면 양력(Inertial/wall lift forces)이 충분히 발생하여 고효율의 분리 또는 세정을 이루려면, 입자 레이놀드 수(Particle Reynolds number (
Figure 112016007505255-pat00040
)가 1차수이거나 그 이상이어야 한다.
본 실시예의 경우,
Figure 112016007505255-pat00041
는 1.2 내지 12의 범위에 속하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 미소 입자의 크기가 작아질수록 유체 채널의 크기도 작게 설계되어야 하며 유속은 충분히 빨라야 한다.
한편,
Figure 112016007505255-pat00042
가 1이하인 경우 관성 양력에 의한 효과는 미미하다. 그러나 점탄성유체의 깊이 있는 확산(In-depth diffusion)에 기인한 탄성 양력에 의해 효과적인 분리 또는 세정이 이루어지게 된다.
본 실시예에서는 주로
Figure 112016007505255-pat00043
가 1이상의 경우에 고효율의 분리 또는 세정을 해내지만,
Figure 112016007505255-pat00044
가 1이하인 경우의 원리 또한 포함할 수 있음은 당연하다.
한편, 유체 채널의 종횡비(높이/폭)가 1이상의 값을 가짐으로써, 유체 채널 내 집속점들이 두 곳으로 압축되어야 한다.
만약, 유체 채널의 종횡비가 1미만인 경우, 집속점의 위치와 수가 달라지게 되어, 본 발명에서 의도하는 집속점의 압축적 변화를 이루어낼 수 없게 된다.
점탄성유체와 점성유체의 유량비는 점탄성유체 유동이 차지하는 면적이 충분히 커서 두 집속점 중 하나를 없애는 정도의 범위면 충분하다. 두 유동이 차지하는 면적비는 유량비와 점성비에 의해 크게 결정된다. 점탄성유체와 점성유체의 평균점성이 거의 같다면, 점탄성유체에 대한 점성유체의 유량비가 1:1~1:2 범위 이내에 이루어지는 것이 고효율 분리를 위해 바람직하다.
여기서, 점탄성유체와 점성유체의 평균점성이 거의 같다는 가정 하에, 점탄성유체에 대한 점성유체의 유량비가 1:1 미만인 경우, 점탄성유체가 차지하는 면적이 커서 목표입자의 집속위치와 여타 입자의 위치 사이 거리가 좁게 되어 효율이 감소되는 단점을 가지게 된다. 한편, 점탄성유체에 대한 점성유체의 유량비가 1:2 초과인 경우, 점탄성유체가 차지하는 면적이 적어서 원하는 집속점 변화를 충분히 이루지 못하여 효율 감소를 초래할 수 있다는 단점을 가지게 된다.
또한, 목표 입자가 목표 집속점으로 도달하기 위한 충분한 시간을 갖기 위해서는 유체 채널은 기설정된 길이 이상을 가지고 형성되어야 한다.
즉, 상대적으로 작고 불필요한 입자들이 집속점으로 모이는 시간을 주지 않기 위해서는 유체 채널의 길이가 너무 길어서도 안 된다.
따라서, 유체 채널의 길이는 1L 내지 10L 범위 이내로 이루어지는 것이 바람직하며, 최소 유체 채널 길이 L은 아래 수학식 3를 통해 구할 수 있다.
Figure 112016007505255-pat00045
여기서,
Figure 112016007505255-pat00046
는 채널 내 최대 유속이고 (~1.5U, 평균 유속)이고,
Figure 112016007505255-pat00047
은 경험 비례 상수이며 채널 종횡비(Aspect Ratio; 높이/폭)가 0.5에서 2까지 변할 때 0.02에서 0.05의 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 경우 점탄성유체 내의 입자 이동 시간 또한 필요하기 때문에 이보다 더 긴 유체 채널 길이 이상이 요구되는 것이다.
따라서, 유체 채널의 길이가 1L 미만인 경우 목표 입자의 분리 및 세정을 위한 이동이 원활하게 이루어지지 못하게 되고, 10L을 초과하는 경우 목표 입자 분리과정에서 목표 입자보다 더 작은 미세 입자들이 불필요하게 분리되어 회복률 및 순도를 낮추게 되는 단점을 가지게 된다.
한편, 유체 채널 길이 L 이내에서 관성 집속(Inertial Focusing)이 이루어지기 위한 최소 유량은 다음의 수학식 4에 의해 구할 수 있다.
Figure 112016007505255-pat00048
점탄성유체 유동의 경우, 관성 양력을 이겨내고 목표 입자를 점성유체의 유동 내로 옮겨주기 위해서는, 탄성 양력과 관성 양력의 상대 세기를 대변하는 탄성 수(Elasticity number, EI)가 일정 이상 커야 한다. 여기서, 탄성 수(Elasticity number, EI)는 아래 수학식 5과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016007505255-pat00049
수학식 5은 점성값이 유동 전역에 걸쳐 일정한 값을 가질 때 유효하다. 그러나 점탄성유체는 전단 유동화(Shear thinning) 또는 점조화(Shear thickening)되기 때문에 점성값이 일정하지 않다. 따라서 위 수학식 5은 참고가 될 뿐이다.
본 실시예에서 점성값을 글리세린 수용액(Aqueous Glycerine Solution)에 해당하는 1.88cP를 사용했을 때 EI는 대략 400 정도로 계산된다.
실험예2
본 실험예2에서는 점탄성유체 내에 포함된 직경 9.9 μm의 폴리스티렌(PS; Polystyrene) 마이크로입자(구형)를 같은 유체 내 직경 2.0 μm의 입자로부터 분리하여 점성유체 내로 옮겨 담는 실험을 수행하였다.
여기서, PDMS-glass 재질로 이루어지는 유체칩(1)은 SU-8 Replica Molding Protocol에 따른 기존의 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 방식으로 제작될 수 있다.
여기서, 상기한 PDMS 유체칩(1)의 제조 과정은 먼저 PDMS Base (Sylgard 184A, Dow Corning, MI, USA)와 경화제(Curing Agent; Sylgard 184B, Dow Corning, MI, USA)를 10:1 비율로 섞은 뒤, SU-8 몰드에 붓고 95°C 오븐에서 2시간 이상 굳힌다.
이때, PDMS 유체칩(1) 내에 유체 유동을 위한 유체 채널(10)은 전술한 바와 같이 폐쇄 수로(Closed Channel) 형태로 이루어지도록 한다. 따라서, 유체 채널(10) 바닥면이 될 글래스 슬라이드(미도시)를 준비한다. 산소 플라즈마 처리(Oxygen Plasma Treatment)를 통해 유체 채널과 글래스를 붙인다.
도 5는 유체 채널(10)의 길이 분수(Length Fraction = 0.16)에 해당하는 입자밀도를 가진 점탄성유체 샘플의 유동 내에서 목표 입자를 분리한 결과를 보이는 형광현미경합성사진이고, 도 6은 제1 출구(15)에서 포집된 샘플 내 두 입자의 상대적 개수 비율을 유세포분리기법으로 측정한 결과를 도시한 그래프이며, 도 7은 제2 출구(16)에서 포집된 샘플 내 두 입자의 상대적 개수 비율을 유세포분리기법으로 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5의 형광현미경 사진은 마이크로 유체 채널(10) 내의 유동을 보여준다. λ-DNA를 점성유체에 녹여 만든 점탄성유체는 9.9 μm의 녹색 형광 입자와 2.0 μm의 적색 형광 입자를 품고 입구로 유입된다. 점성유체(Aqueous Glycerine Solution)는 또 다른 입구로 유입된다. 여기서 유량은 각각 40 μL/min와 80 μL/min이다.
전술한 원리대로 9.9 μm의 녹색형광입자는 2.0 μm의 적색형광입자보다 훨씬 빠른 속도로 유선을 가로질러 점성유체유동 내의 평형 집속점으로 이동한다.
제1 출구(15) 및 제2 출구(16)를 통해 빠져 나가는 두 유체의 유동은 출구압력비율의 조절을 위한 클램프 형태의 밸브를 통해 유동비율이 조절되어 최대효율을 갖게끔 제어할 수 있다.
이처럼, 상기 제1 출구 및 제2 출구의 유동 저항을 유로의 단면 설계 변경 또는 밸브 활용을 통해 상기 점탄성유체와 상기 점성유체가 갈리는 유선의 위치 조절이 가능하다.
여기서, 녹색형광입자는 위쪽 제1 출구(Collection), 적색형광입자는 아래쪽 제2 출구(Waste)로 나가게끔 유도되었다.
상기 제1 및 제2 출구에서 포집된 입자들의 상호 개수비는 유세포분리(Flow Cytometry) 방법을 이용하여 측정되었다(도 6 및 도 7).
여기서, 목표 입자인 녹색 형광 입자의 분리 효율은 회수율(Recovery Rate) 99.7%와 순도(Purity) 97.5%로 집계되었다.
또한, 본 실험예 2에서는 점탄성유체 샘플 내 목표 입자 밀도를 달리하여 실험을 진행하였다. 유동 내 목표 입자 밀도는 아래 수학식 6과 같이 길이 분수(Length Fraction; Lf)으로 대변될 수 있다:
Figure 112016007505255-pat00050
여기서,
Figure 112016007505255-pat00051
는 유체 채널의 단면적이고,
Figure 112016007505255-pat00052
는 입자의 용적율(Volume Fraction)이며,
Figure 112016007505255-pat00053
는 단일 입자의 평균 체적이고,
Figure 112016007505255-pat00054
는 채널의 높이이다. 길이 분수(Length Fraction;
Figure 112016007505255-pat00055
)는 입자들이 빽빽하게 단일 유선 내로 집속될 때 유용한(유용하게) 기술할 수 있는 용어이며, 이 경우
Figure 112016007505255-pat00056
값은 유체 채널 내에서 평균적으로 얼마나 입자들이 이격 거리를 가지는지에 대한 직관적인 이해를 제공할 수 있다.
도 8은 유체 채널 내 길이 분수(Length Fraction) 및 채널 레이놀드 수(Channel Reynolds Number)의 변화에 따른 입자 분리 효율을 측정한 그래프이다.
여기서, 도 8의 (a)는 길이 분수(Length Fraction)가 0.01에서 0.16까지 변할 경우에 따른 회수율(Recovery Rate)과 순도(Purity)를 나타내고, 도 8의 (b)는 채널 레이놀드 수(Channel Reynolds Number)가 0.28에서 28까지 변할 경우에 따른 회수율(Recovery Rate)과 순도(Purity)를 나타낸다.
따라서, 다양한 범위의 길이 분수(Length Fraction;
Figure 112016007505255-pat00057
)에 대한 입자 분리 효율 측정 결과는 도 8의 (a)를 통해 알 수 있다.
본 실시예의 유체 채널이 형성된 유체칩을 통한 목표 입자의 분리 또는 이동 효율은 입자 밀도가 증가하더라고 줄어들지 않았다.
즉, 목표 입자의 밀도가 가장 높은 경우(
Figure 112016007505255-pat00058
)의 처리량은 6700 particles/sec으로 계산되는데, 이는 통상적인 "Inertial Microfluidic Method" (참고문헌 34)의 16배에 달하며, 최근에 개발된 "Acoustophoretic Method" (참고문헌 26)에 비하면 무려 13000배에 달하는 수치이다.
또한, 유량 변화에 대한 입자 분리 효율의 변화를 조사한 결과, 고유량에서뿐만 아니라 극저유량 조건에서도 고효율로 입자가 분리되는 것을 도 8의 (b)를 통해 알 수 있다.
다만, Re=0.28 조건은 지금까지 설명한 목표 입자의 분리 또는 이동 메커니즘과 다르다. 즉, 관성 양력(
Figure 112016007505255-pat00059
) 및 벽면 양력(
Figure 112016007505255-pat00060
)이 매우 미약하기 때문이다. 따라서, Re=0.28 조건에서의 성공은 점탄성유체 내 λ-DNA가 점성유체 깊숙이 확산(Diffusion)되어 매우 독특한 탄성 양력(Elastic Lift Force)의 분포를 이루기 대문에 큰 입자를 훨씬 빠르게 점성유체 쪽 벽으로 밀어냈다는 것을 유추해 볼 수 있다.
그러나, 고유량의 경우에서처럼 목표 입자의 분리와 집속을 촉진하는 관성 양력의 효과가 미약하므로 분리 효율은 낮게 나왔다. 이 결과에 따라 유체 채널이 형성된 장치의 구동을 위해 매우 타이트한 구동 조건을 일정하게 유지시켜줄 필요가 없이 손으로 주사기 펌핑해주는 것만으로도 고효율 분리가 가능함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법에 따르면, 관성 양력(Inertial Lift Forces)과 탄성 양력(Elastic Lift Forces)를 제어하여 마이크로입자들로 하여금 유선을 가로질러 점탄성유체로부터 점성유체로 옮겨지게 함으로써, 연구와 임상에서 쓰이는 혈액, 세럼, 림프 등의 천연 생체액(Native Biofluids)를 그대로 받아들여 세포 등의 입자를 직접 분리해낼 수 있기 때문에 매개 교류(Medium Exchange) 또는 샘플 희석(dilution)을 필요 없게 된다.
또한, 고입자밀도의 샘플을 고유량 조건에서 다루기 때문에 처리량이 매우 크다. 시간당 처리하는 입자 수를 보면, 통상적인 "Inertial Microfluidic Method"(참고문헌 34)보다 16배가 크며, 최근에 개발된 "Acoustophoretic Method"(참고문헌 26) 보다 무려 13000배가 크다. 그럼에도 불구하고 회수율(Recovery rate) 99%와 순도(Purity) 97%) 이상의 분리 또는 이동 효율을 가지게 된다.
또한, 본 발명은 두 자리 배수(Two Orders Of Magnitude)를 넘나드는 넓은 유량 범위에서 효과적으로 작동하기 때문에 종래 원심분리 작업을 최소 4차례 연속적으로 수행해야 하는 PBMC 분리의 경우만 하더라도 원심분리 작업 전혀 없이 단번의 수동적인 주사기 펌핑만으로도 고효율로 백혈구를 혈액으로부터 분리 가능하도록 하여 수작업 만으로도 고효율의 분리 및 세정 작업이 가능하도록 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 유체칩 10: 유체 채널
11: 제1 입구 12: 제2 입구
15: 제1 출구 16: 제2 출구

Claims (16)

  1. 유체 채널 내에 점탄성유체와 점성유체를 병행층류 형태로 유동시켜 상기 유체 채널 내부에 작용하는 힘들의 평형을 이루는 입자 집속점 위치의 변화를 통해 상기 점탄성유체 내에 포함된 미소 입자들 중에서 목표 입자를 상기 점성유체 내로 분리 또는 이동시키도록 하고,

    상기 점탄성유체는,
    완화시간(Relaxation Time)이 충분히 큰 폴리머를 함유하여 상기 목표 입자에 대한 탄성 양력이 관성 양력보다 더 크고,
    상기 폴리머 함유 농도가 높아 상기 목표 입자의 유선을 가로지르는 이동속도를 충분히 갖게 하며,

    상기 점성유체는,
    상기 목표 입자에 대한 관성 양력이 탄성 양력 보다 더 큰 유체로 이루어지는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 점탄성 유체는,
    혈액(blood), 혈구가 분쇄된 혈액(BC-lysed blood), 세럼(serum) 또는 림프(lymph)를 포함하는 천연 생체액들 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 점탄성유체는,
    인위적으로 점탄성을 갖도록 인공 폴리머가 가미되어 만들어지는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 인공 폴리머는,
    완화시간(Relaxation Time)이 1 ms(millisecond) 이상인 수용성 폴리머인 것을 포함하는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 인공 폴리머는,
    λ-DNA, 모체 필수 지방산(PEO: Parent Essential Oil), 폴리비닐피롤리돈(PVP: PolyVinylpyrrolidone) 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에서,
    상기 점성유체는,
    물, 글리세린 수용액(Aqueous Glycerine Solution) 또는 인산 완충 식염수(PBS: Phosphate Buffer Saline)를 포함하는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 유체 채널 내의 상기 점탄성유체와 상기 점성유체가 차지하는 단면적의 면적비가 1:1로 이루어지는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  10. 제1항에서,
    상기 유체 채널의 크기는 상기 목표 입자의 유효직경 크기에 비례하여 형성되는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 유체 채널의 단면적에 대한 종횡비(Aspect Ratio, 높이/폭)는 1 이상으로 이루어지는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 유체 채널의 길이는 상기 점탄성유체의 유속 또는 탄성 수에 반비례하게 형성하는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 유체 채널의 길이는 1L 내지 10L 범위 이내로 형성되고,
    여기서, 상기 유체 채널의 최소 길이 L은,
    Figure 112016007505255-pat00061

    을 만족하는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
    여기서,
    Figure 112016007505255-pat00062
    는 최대 채널 속도이고,
    Figure 112016007505255-pat00063
    은 경험 비례 상수이며,
    Figure 112016007505255-pat00064
    는 유체 채널의 폭이, d는 목표 입자의 유효 직경이고, μ는 유체의 점도이며, ρ는 유체의 밀도이다.

  14. 제13항에서,
    상기 유체 채널의 최소 길이 L 이내에서 관성 집속(Inertial Focusing)이 이루어지기 위한 최소 유량(Q)는,
    Figure 112017091081292-pat00065

    를 만족하는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
    여기서, h는 상기 유체 채널의 높이이고, w는 유체 채널의 폭이며,
    Figure 112017091081292-pat00066
    은 경험 비례 상수이다.
  15. 제1항에서,
    상기 유체 채널은 유체칩 내부에 형성되고,

    상기 유체칩은,
    실리콘 기반 폴리머(Silicone-based polymers), 고분자화합물(Plastics), 유리(Glass), 실리콘(Si), 금속(Metal) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.

  16. 제15항에서,
    상기 유체칩은,
    상기 점성유체가 유입되는 제1 입구 및 상기 점탄성유체가 유입되는 제2 입구가 기설정된 각도를 이루며 상기 유체 채널의 선단부에 서로 합지되게 형성되고,
    상기 유체 채널의 후단부로부터상기 목표 입자가 포함된 상기 점성유체를 배출하는 제1 출구 및 상기 점탄성 유체를 배출하는 제2 출구가 기설정된 각도를 이루며 분지되어 형성되며,

    상기 제 1 출구 및 제 2 출구의 유동 저항을 유로의 단면 설계 변경 또는 밸브 활용을 통해 상기 점탄성유체와 상기 점성유체가 갈리는 유선의 위치를 조절하는 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법.
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