Micro-Fluidics를 이용한 Micro-Bio Chip의 제작 및 응용

정석, 이용구, 박준하, 방현우, 박성진, 김중경*, 장준근**,↕

서울대학교 기계항공공학부, *서울대학교 의용생체공학과,

**서울대학교 전기컴퓨터공학부, ↕(주)디지탈바이오테크놀러지

Fabrication and application of Micro-Bio Chip using Micro-Fluidics

S. Chung, Y. Lee, J. Park, H. Bang, S. Park, J. Kim*, J. Chang**,↕

School of Mechanical and Areospace Ecg., Seoul Nat'l University,

*Interdiciplinary Prog. In Medical & Biological Eng. Major, Seoul Nat'l University, **School of Electrical and Computer Sci. Eng., Seoul Nat'l Universit,

↕Digital Bio Technology Co., Seoul, Korea

서론

Bio-MEMS에 관한 연구가 활발히 진행되면서, 플라스틱 마이크로머시닝에 대한 관심이 높아지고 있다. 이는 PDMS, PMMA, PC 등의 폴리머가 실리콘을 비롯한 다른 재질과 비교할 때, 제작이 용이하고 비용이 저렴하며 광 투과성이 좋아 검출이 용이할 뿐 아니라 생체적합한 성질을 지니고 있기 때문이다. 이러한 폴리머 소재를 이용하여 가공하는 기법에는 REM(REplica Molding), □TM(Micro Transfer Molding), MIMIC(MIcro Molding In Capillaries), hot embossing등의 방식이 있으며, 이에 대해서 많은 연구가 진행되고 있다. [1]

본 연구에서는 REM(REplica Molding) 기법으로 제작한 PDMS 기반의 마이크로 플루이딕 칩을 소개할 것이다. 감광제 SU-8(MicroChem Co., MA)을 이용하여 실리콘웨이퍼 상에 몰드를 제작하였으며, 미세 몰딩 공정으로 제작된 PDMS 판은 산소 플라즈마 처리 후, 일반 슬라이드 글라스와 결합하였다. 제작된 칩은 주입부, 미세 채널, 혼합부, 배출부 등으로 구성되어 있으며, (주) 디지탈바이오테크놀러지 고유의 기술로 제작되어, 살균이나 고압 주입, 충전 시에도 이상 없이 작동하는 특성을 가지고 있다. 특히 배출부에는 세포 배양을 위하여 5mm 지름을 갖는 배양우물을 설치하여, 세포 독성 시험, 항생제 면역 시험 등에 응용될 수 있도록 하였다.

칩의 설계 및 제작

시뮬레이션

마이크로 채널 내에서 시료를 원하는 농도로 혼합하기 위해서는 적절한 양의 시료가 나누어져야 하는데 이는 미세 채널의 설계 변수를 변화시킴으로써 조절 가능하다. 본 연구에서는 마이크로 플루이딕스에 관한 상용 프로그램인 CFD-ACE (CFDRC Inc., AL)를 이용하여 기본적인 채널 모양에서의 압력장과 속도장 분포를 시뮬레이션 하였다. 본 소자는 원기둥 모양의 우물을 이용한 혼합이 이루어지는데, 두 개의 주입구에 나란한 방향으로 출구를 설정한 경우와 수직한 방향으로 출구를 설정한 경우에 대해서 그 혼합 양상을 확인하였다. 이 때, 초기 조건으로는 유체가 채널 안을 채우고 있는 상태로 가정하였고, 혼합하고자 하는 두 시료는 각기 다른 주입부로 들어가는 것으로 설정하였다. 이 때 시간에 따른 농도 분포를 그림 1에 도시하였다. 6초 후 입구 부분을 제외한 전체적인 형상에서 농도가 50 % 정도로 떨어지는 것을 볼 수 있는데, 이는 반대 입구에서 들어오는 시료와 같은 경향을 나타내며, 두 입구에서 들어온 시료가 우물 내에서 완전히 혼합된다는 것을 증명한다. 본 데이터를 정량적으로 확인한 그래프를 표 1에 제시하였으며, 출구가 입구와 수직한 방향으로 설정된 경우에 대해서도 동일한 양상이 보여짐을 확인하였다. 이러한 결과 마이크로 스케일의 유동에서 매크로 스케일의 유동을 유도하여 시료의 혼합 효과를 낼 수 있다는 가능성이 확인되었으며, 본 결과는 소자의 설계에 반영되었다.

그림 . 시간에 따른 농도 분포

1초 후 (a) inlet 1의 유체 기준, (b) inlet 2의 유체 기준, (c) 초기 유체 기준

6초 후 (d) inlet 1의 유체 기준, (e) inlet 2의 유체 기준, (f) 초기 유체 기준

표 1 시간에 따른 출구 농도 분포

마이크로 플루이딕 칩의 설계

특정한 시료의 농도 구배를 칩 내에서 구현하기 위한 마이크로 플루이딕 칩을 설계하였다. 본 칩은 주입부, 미세 채널, 혼합부, 배출부 등으로 구성되어 있는데, 주입부에 버퍼 및 시료를 동시에 주입하기 위하여 시린지(syringe) 펌프와 연결하기 위한 튜빙을 하였다.

미세 채널 부분은 높이 50um, 폭 100um로 구성되어 있으며, 로그 스케일 등의 특정 농도 구배를 구현하기 위하여, 채널의 폭을 조절하여 유량을 조절하는 방식을 채택하였다. 또한 배출부의 유량을 동일하게 하기 위하여, 혼합부를 포함한 모든 유로의 길이를 시뮬레이션 결과를 바탕으로 하여 계산하여 설계하였다. 또한 배출부에는 세포를 배양할 수 있도록 지름 5mm, 높이 5mm의 우물을 만들었으며, 시료와 버퍼가 특정 농도 구배로 혼합되어 배출되도록 연결하였다.

그림 2. 몰딩 후의 PDMS 칩

그림 3. 제작된 serial dilution chip

마이크로 플루이딕 칩의 제작

몰드 제작에는 SU-8(MicroChem Co., MA) 감광제를  사용하였으며, 두께를 조절하여 다양한 높이의 몰드를 제작하였다. [2] 제작된 몰드를 이용하여, PDMS (Dow Corning, ) 몰딩 공정을 수행하였으며, 외부와 연결이 가능한 튜빙 및 세포 배양에 필요한 우물은 기계 가공한 구조물을 부착하여 고형화하는 방법으로 획득하였다. 고형화 된 플라스틱 구조물은 에탄올을 이용한 세척 과정을 거쳐, 산소 플라즈마 처리를 통해 일반 슬라이드 글라스와 결합되어 칩으로 형성된다. [3, 4] 또한 본 소자는 다층 PDMS로 제작되어 한정된 공간 내에 최대한의 well 및 채널을 집적할 수 있었다.

실 험

칩의 성능 평가

제작된 칩의 성능을 평가하기 위하여, 칩에 주입된 시료의 농도 구배를 측정하였다. 한쪽 주입구에는 트리판 블루(Trytan Blue)를 주입하고, 다른 쪽 주입구에는 일반 버퍼를 주입한 후, Ultrospec 1000(Pharmacia Biotech, USA)를 이용하여 흡광도를 측정하였다. 선형 스케일 칩에 혼합된 시료의 흡광도를 측정하여, 본 칩의 혼합이 정확히 이루어짐을 확인 할 수 있었는데, 이 결과는 그림 4와 표2에 도시되어 있다.

세포 독성 시험

제작된 칩을 사용하여, 트립신(trypsin)에 대한 혈관 내피 세포의 반응 시험을 수행하였다. 세포에 대한 외부의 효과를 배제하기 위해서, 칩을 고온에 살균하고 배출부의 우물에 혈관 내피세포를 배양하였다. 세포 배양 후, 일정한 유량으로 시료를 마이크로 채널로 흐르게 하여 트립신의 양에 대한 버퍼의 양이 0/3, 1/3, 2/3, 3/3의 비율로 혼합되도록 하였으며, 그 결과 혈관 내피 세포의 특정 농도에 따른 반응을 가시적으로 확인할 수 있었는데, 그림 5를 보면, 농도에 따라 세포의 잔유 비율이 선형적으로 달라짐을 확인할 수 있다.

그림 4. 염료를 이용한 농도 구배 실험

표 2. 흡광도 측정 결과

(a)

(b)

(c)

(d)

그림 5. (a) 트립신 농도 0/3일 때의 혈관내피세포, (b) 트립신 농도 1/3일 때의 혈관내피세포, (c) 트립신 농도2/3 일 때의 혈관내피세포, (d) 트립신 농도 3/3 일 때의 혈관내피세포

결과 및 토론

본 연구에서는 생물학, 의학 기반의 실험에서 반드시 필요한 시료의 혼합을 하나의 칩에서 원하는 농도 구배로 구현 할 수 있을 뿐만 아니라, 칩의 배출부에 세포 배양을 함께 함으로써 세포의 시료에 대한 반응을 간단하게 볼 수 있는 마이크로 플루이딕스 칩을 제작하였다. 이러한 칩은 신약개발에 반드시 거쳐야할 독성검사를 하나의 칩으로 간단히 해결할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 채널의 배열 및 폭의 조절로 선형 스케일이나 로그 스케일의 농도 구배가 모두 가능하다는 사실 확인 할 수 있었다. 이러한 플라스틱 마이크로 플루이딕 칩은 가공 및 제작이 용이하고, 제작 단가를 줄일 수 있어 향후 일반화 될 POC (Point of Care) 소자 구현의 밑거름이 될 것이다.

참고 문헌

[1] Marc Madou, Fundamentals of MICROFABRICATION, CRC Press

[2] J, Zhang, K. L. Tan, H. Q. Gong, Characterization of the Polymerization of SU-8 photoresist and its applications in micro-electro-mechanical systems(MEMS), Polymer Testing 20 (2001) 693 - 701

[3] M. J. Owen and P. J. Smith, Plasma treatment of polydimethylsiloxane, Polymer Surface Modification : Relevance to Adhesion, 3-15, K. L. Mittal(Ed) (1995)

[4] M. Morra, E. Occhiello, R. Marola, F. Garbassi, P. Humphrey and D. Johnson, On the aging of oxygen plasma-treated polydimethylsiloxane surfaces, J. of Colloid and Interface Sci., vol. 137(1), 11-24 (1990)