랩온어칩

Lab-on-a-chip
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LOC(Lab-on-a-chip)는 1개 또는 여러 개의 실험실 기능을 밀리미터에서 수 평방센티미터의 단일 집적회로(일반적으로 "칩"이라고 함)에 통합하여 자동화 및 높은 스루풋 [1]스크리닝을 실현하는 장치입니다.LOC는 극소량의 유체량을 피코리터 이하로 처리할 수 있습니다.Lab-on-a-chip 디바이스는 마이크로 전기기계시스템(MEMS) 디바이스의 서브셋으로, 「마이크로 토탈 분석 시스템」(δTAS)이라고 불리기도 합니다.LOC는 마이크로유체학, 물리, 조작 및 미세유체의 연구를 사용할 수 있습니다.단, 일반적으로 "Lab-on-a-chip"은 단일 또는 여러 랩 프로세스를 칩 형식으로 축소하는 것을 나타냅니다. 반면 "TAS"는 화학 분석을 수행하기 위한 랩 프로세스의 전체 시퀀스를 통합하는 데 사용됩니다."Lab-on-a-chip"이라는 용어는 ① TAS 기술이 분석[citation needed] 목적에만 적용되는 것이 아니라는 것을 알게 되면서 도입되었습니다.

역사

마이크로 일렉트로닉 시스템 칩, "랩 온 칩"이라고도 합니다.

마이크로일렉트로닉스 칩의 집적 반도체 구조를 실현하기 위한 마이크로테크놀로지(~1954년)가 발명된 후, 이러한 리소그래피 기반 기술은 압력 센서 제조(1966년)에도 곧 적용되었다.이러한 통상적인 CMOS 호환성의 제한적인 프로세스의 추가 개발로 실리콘 웨이퍼에 마이크로미터 또는 서브 마이크로미터 크기의 기계 구조를 만들 수 있는 툴 박스가 제공되었습니다.즉, 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템(MEMS) 시대가 시작되었습니다.

압력 센서, 에어백 센서 및 기타 기계적으로 움직이는 구조물 외에 유체 취급 장치가 개발되었습니다.예를 들어 채널(모관 연결), 믹서, 밸브, 펌프 및 투약 장치 등이 있습니다.최초의 LOC 분석 시스템은 1979년 S.C.에 의해 개발된 가스 크로마토그래프였다.스탠포드 [2][3]대학의 테리입니다.그러나 1980년대 말과 1990년대 초에야 LOC 연구는 유럽의 몇몇 연구 그룹이 마이크로펌프, 플로우센서 및 분석 [4]시스템을 위한 통합 유체 처리 개념을 개발하면서 심각하게 성장하기 시작했다.이러한 §TAS 개념은 일반적으로 실험실 규모로 수행되는 전처리 단계의 통합이 추가적인 세척 및 분리 단계를 포함한 완전한 실험실 분석으로 단순한 센서 기능을 확장할 수 있음을 보여주었다.

1990년대 중반 TAS 기술이 모세관 전기영동 및 DNA 마이크로어레이와 같은 유전체학 응용 분야에 흥미로운 도구를 제공하는 것으로 판명되면서 연구와 상업적 관심이 크게 증가했습니다.군, 특히 DARPA(국방고등연구계획국)의 연구 지원도 크게 늘었다.부가가치는 분석을 위한 랩 프로세스의 통합뿐만 아니라 개별 컴포넌트의 특징적인 가능성 및 기타 비분석 랩 프로세스에 대한 적용에 한정되었습니다.그래서 "랩 온 어 칩"이라는 용어가 도입되었다.

LOCs의 적용은 여전히 새롭고 미미한 수준이지만, 분석(예: 화학 분석, 환경 모니터링, 의료 진단 및 셀로믹스)뿐만 아니라 합성 화학(예: 의약품의 신속한 스크리닝 및 미세 반응기)에 대해서도 기업 및 응용 연구 그룹의 관심이 증가하고 있다.LOC 시스템의 연구는 향후 응용 개발 외에도 나노 기술을 이용하여 유체 취급 구조의 다운스케일링에도 확대될 것으로 예상된다.서브 마이크로미터 및 나노 크기의 채널, DNA 미로, 단세포 검출 및 분석,[5] 나노 센서 등이 실현 가능해지면서 생물종 및 큰 분자와 상호작용하는 새로운 방법이 가능해 질 수 있다.유체 수송,[6][7][8] 시스템 특성,[9] 감지 [10]기술 및 생체 분석 [11][12]응용 프로그램을 포함하여 이러한 장치의 다양한 측면을 다루는 많은 책이 쓰여졌습니다.

칩 재료 및 제조 기술

대부분의 LOC 제작 프로세스의 기초는 포토 리소그래피입니다.초기에 대부분의 공정은 실리콘으로 이루어졌는데, 이러한 잘 발달된 기술은 반도체 제조에서 직접 파생되었기 때문입니다.특정 광학 특성, 바이오 또는 화학적 호환성, 낮은 생산 비용 및 빠른 프로토타이핑에 대한 요구로 인해 유리, 세라믹 및 금속 식각, 증착 및 접합, 폴리디메틸실록산(PDMS) 처리(예: 소프트 리소그래피), 오프스토이치 티올렌 폴리머(OSTE)와 같은 새로운 프로세스가 개발되었습니다.mer) 처리, 후막 및 입체 석판 기반 3D[13] 프린팅 및 전기 도금, 사출 성형 및 엠보싱을 통한 빠른 복제 방법을 제공합니다.저렴하고 간편한 LOC 프로토타이핑에 대한 요구로 인해 PDMS 마이크로 유체 소자 제작을 위한 간단한 방법론인 ESCARGOT(Embedded SCafold RemovinG Open Technology)[14]가 탄생했습니다.이 기술을 사용하면 용해성 비계(3D 프린팅 등)를 [15]통해 PDMS의 단일 블록에 미세 유체 채널을 생성할 수 있습니다.또한 LOC 분야는 리소그래피 기반의 마이크로시스템 기술, 나노기술, 정밀공학의 경계를 넘어서는 경우가 늘고 있다.인쇄는 칩 [16]제작에서 신속한 프로토타이핑을 위한 잘 확립되어 있지만 성숙된 방법으로 간주됩니다.프린트 회로 기판(PCB) 기판을 사용한 LOC 디바이스의 개발은 이러한 차별화 특성으로 인해 흥미로운 대안입니다. 즉, 상업적으로 이용 가능한 전자 기기, 센서 및 액추에이터를 내장한 기판, 저비용 일회용 디바이스 및 매우 높은 상용화 가능성입니다.이러한 디바이스는 Lab on PCB(LOP)[17]라고 불립니다.

이점

LOC는 용도에 고유한 이점을 제공할 수 있습니다.일반적인 장점은[10] 다음과 같습니다.

  • 낮은 유체량 소비(폐기물 감소, 시약 비용 절감, 진단에 필요한 샘플량 감소)
  • 짧은 확산 거리, 빠른 가열, 높은 표면 대 체적비, 작은 열 용량으로 인한 빠른 분석 및 응답 시간.
  • 시스템 응답 속도가 빨라져 프로세스 제어 개선(예: 발열 화학 반응에 대한 열 제어)
  • 많은 기능과 소량의 통합으로 인한 시스템 콤팩트성
  • 높은 스루풋 분석을 가능하게 하는 콤팩트성에 의한 대규모 병렬화
  • 제조 비용 절감, 비용 효율이 뛰어난 일회용 칩 제공, 대량[18] 생산으로 제조
  • 부품 품질은 자동으로[19] 검증될 수 있습니다.
  • 기능성, 적은 유체량 및 저장된 에너지의 통합으로 인해 화학, 방사능 또는 생물학적 연구를 위한 안전한 플랫폼

단점들

랩 온 칩의 가장 큰 단점은[20] 다음과 같습니다.

  • 마이크로 제조 공정은 복잡하고 노동 집약적이기 때문에 고가의 장비와 전문 [21]인력이 모두 필요합니다.최근의 저비용 3D 프린팅과 레이저 조각 기술의 진보로 극복할 수 있습니다.
  • 복잡한 유체 작동 네트워크에는 여러 개의 펌프와 커넥터가 필요하며, 여기에는 미세 제어가 어렵습니다.이는 에어백 내장 칩과 같은 고유 펌프 또는 원심력을 사용하여 펌핑을 교체하는 원심력, 즉 원심 마이크로 유체 바이오 칩으로 극복할 수 있습니다.
  • 대부분의 LOC는 광범위한 [22]사용을 위해 아직 완전히 개발되지 않은 새로운 개념 증명 애플리케이션이다.실무를 수행하기 전에 더 많은 검증이 필요하다.
  • LOC가 다루는 마이크로리터 규모에서는 모세관력, 표면 거칠기 또는 화학적 상호작용과 같은 표면 의존 효과가 더 [22]우세합니다.이로 인해 LOC에서의 랩 프로세스 복제가 기존 랩 기기보다 상당히 어렵고 복잡해질 수 있습니다.
  • 검출 원리가 항상 긍정적인 방식으로 축소되는 것은 아니기 때문에 신호 대 잡음비가 낮아질 수 있습니다.

글로벌 헬스

특히 POS(Point-of-Care) 테스트 [24]장치의 개발을 통해 랩 온 칩(Lab-on-chip) 테크놀로지는 곧 글로벌 [23]건강 향상을 위한 노력의 중요한 부분이 될 것입니다.의료 자원이 적은 나라에서는 선진국에서 치료 가능한 전염병이 종종 치명적입니다.일부의 경우, 열악한 의료 클리닉은 특정 질병을 치료할 수 있는 약은 가지고 있지만, 약을 받아야 하는 환자를 식별할 수 있는 진단 도구가 부족하다.많은 연구자들은 LOC 기술이 강력한 새로운 진단 기구의 열쇠가 될 수 있다고 믿고 있다.이 연구진의 목표는 장비가 부족한 병원의 의료 제공자들이 실험실 지원 없이 미생물 배양 검사, 면역 검사 및 핵산 검사와 같은 진단 검사를 수행할 수 있도록 하는 마이크로 유체 칩을 개발하는 것입니다.

글로벌 과제

자원이 한정된 지역에서 칩을 사용하기 위해서는 많은 과제를 극복해야 합니다.선진국에서는 진단 도구의 가장 높은 가치를 지닌 특성에는 속도, 민감도 및 특수성이 포함됩니다. 그러나 의료 인프라가 잘 발달하지 않은 국가에서는 사용 편의성 및 보관 기간과 같은 속성도 고려해야 합니다.예를 들어 칩과 함께 제공되는 시약은 칩이 기후 제어 환경에 보관되지 않더라도 몇 개월 동안 유효하게 유지되도록 설계해야 합니다.또한 칩 설계자는 사용할 재료와 제작 기술을 선택할 때 비용, 확장성 및 재활용 가능성을 염두에 두어야 합니다.

글로벌 LOC 적용 예시

시장에 출시된 LOC 장치 중 가장 유명하고 잘 알려진 것은 종이 기반의 마이크로 유체 공학 기술을 사용하는 장치인 가정 임신 테스트 키트입니다.LOC 연구의 또 다른 활성 영역에는 박테리아(예: 박테리오뇨증 또는 바이러스)에 의해 야기되는 일반적인 전염병을 진단하고 관리하는 방법이 포함된다.세균뇨(요관 감염)를 진단하기 위한 금본위제는 미생물 배양이다.Lab-on-a-chip 기술을 기반으로 한 최근 연구인 Digital Dipstick은 [25]미생물 배양물을 딥스틱 형식으로 소형화하여 관리 지점에서 사용할 수 있도록 했습니다.바이러스 감염에 관한 한 HIV 감염이 좋은 예다.오늘날 전 세계에서 약 3690만 명의 사람들이 HIV에 감염되어 있으며, 이 중 59%가 항레트로바이러스 치료를 받고 있습니다.HIV에 감염된 사람들 중 75%만이 그들의 HIV [26]상태를 알고 있었다.사람의 혈액에 있는 CD4+T 림프구의 수를 측정하는 것은 사람이 HIV에 감염되었는지 여부를 판단하고 HIV[citation needed] 감염의 진행 상황을 추적하는 정확한 방법입니다.현시점에서는 플로우 세포 측정이 CD4 카운트를 취득하기 위한 표준이지만 플로우 세포 측정은 훈련을 받은 기술자와 고가의 기기가 필요하기 때문에 대부분의 개발 분야에서는 사용할 수 없는 복잡한 기술입니다.최근 그러한 세포계가 단돈 [27]5달러에 개발되었다.LOC 연구의 또 다른 활성 영역은 분리 및 혼합을 제어하는 것입니다.이러한 장치에서는 질병을 신속하게 진단하고 잠재적으로 치료할 수 있습니다.전술한 바와 같이, 개발의 큰 동기는,[18] 저비용으로 제조할 수 있는 것이 큰 동기부여입니다.LOC와 관련하여 검토 중인 또 하나의 연구 분야는 가정 보안에 관한 것이다.휘발성 유기화합물(VOCs)의 자동 모니터링은 LOC에서 바람직한 기능입니다.이 애플리케이션이 신뢰할 수 있게 되면, 이러한 마이크로 디바이스는 글로벌 규모로 설치될 수 있으며 잠재적으로 [28]위험한 화합물을 주택 소유자에게 통지할 수 있다.

식물과학

Lab-on-a-chip 장치는 Arabidopsis thaliana의 꽃가루 튜브 안내를 특징짓는 데 사용될 수 있다.구체적으로, 칩 위의 식물은 식물 과학 연구를 위해 꽃가루 [29]조직과 배란을 배양할 수 있는 소형화된 장치이다.

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레퍼런스

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추가 정보

책들
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