오픈 마이크로유체학

Open microfluidics

마이크로유체학이란 마이크로 [1][2]스케일에서 최소 1차원 이상의 채널 또는 네트워크 내 유체의 흐름을 말합니다.개방면 미세유체학 또는 개방공간 미세유체학이라고도 불리는 개방 미세유체학에서는 시스템의 유체 흐름을 제한하는 적어도 하나의 경계를 제거하여 유체를 공기 또는 제2의 [1][3][4]유체 등의 다른 인터페이스에 노출시킨다.

개방형 미세 유체 소자의 종류

개방형 미세 유체 공학은 다양한 하위 세트로 분류할 수 있습니다.이러한 서브셋의 예로는 오픈채널 마이크로유체학,[1][5][6] 종이 기반 및 스레드 기반 마이크로유체학 등이 있습니다.

오픈채널 마이크로유체학

개방채널 미세유체학에서는 표면장력 구동형 모세관 흐름이 발생하며 이를 자발적 모세관 흐름(SCF)[1][7]이라고 합니다.SCF는 진행 중인 반월판의 압력이 [1]음수일 때 발생합니다.다음 방정식이 참일 경우 채널의 형상 및 유체의 접촉 각도는 SCF를 생성하는 것으로 나타났습니다.

여기서 pf는 채널의 자유 둘레(즉, 채널 벽과 접촉하지 않는 인터페이스)이고, pw는 습윤[8] 둘레(즉, 유체와 접촉하는 벽)이며, θ는 [1][5]장치 재료에 있는 유체의 접촉 각도입니다.

종이 기반 미세 유체 공학

용지 베이스의 마이크로 유체 공학에서는,[9][10] 용지의 위킹 기능을 이용해 판독을 실시합니다.종이 기반의 미세 유체 공학은 종이가 저렴하고 쉽게 접근할 수 있으며 환경에 미치는 영향이 낮기 때문에 매력적인 방법입니다.종이는 두께와 모공의 [9]크기가 다양하기 때문에 다재다능합니다.종이 미세 유체 [11]공학에서 흐름을 안내하기 위해 왁스와 같은 코팅이 사용되었습니다.용지에 경계를 만들고 유체의 [12]흐름을 제어하기 위해 용해성 장벽이 사용되는 경우도 있습니다.진단 도구로서의 종이의 적용은 포도당 수치,[13] 박테리아,[14] 바이러스,[15] 그리고 전혈의 [16]다른 성분들을 탐지하는데 성공적으로 사용되었기 때문에 강력하다는 것을 보여주었다.종이 내 세포 배양법도 [17][18]개발됐다.임신 테스트에 사용되는 것과 같은 측면 흐름 면역 측정은 관리 지점 또는 가정 [19]진단에 종이를 적용하는 한 가지 예입니다.단점으로는 체액 유지의 어려움과 높은 검출 한계 등이 있습니다.

스레드 기반 미세 유체 공학

종이 기반 마이크로 유체 공학에서 파생된 스레드 기반 마이크로 유체 공학은 동일한 캐피럴리 기반 위킹 [20]기능을 사용합니다.일반적인 실소재로는 니트로셀룰로오스, 레이온, 나일론, 마, 울, 폴리에스테르, 실크 [21]등이 있습니다.실은 특정한 [22]패턴을 형성하기 위해 짜여질 수 있기 때문에 다용도입니다.또한 시약혼합방법으로서 [23]2개 이상의 실이 2개의 개별적인 유체의 '줄기'를 하나로 묶는 매듭으로 수렴할 수 있다.또한 나사산은 비교적 튼튼하고 취급 시 끊어지기 어렵기 때문에 시간이 지남에 따라 안정적이고 [21]운반이 용이합니다.스레드 기반 미세 유체 공학은 3D 조직 공학 및 분석 물질 [24][20]분석에 적용되었습니다.

개방형 미세유체학에서의 모세관 필라멘트

개방형 모세관 미세 유체 공학은 채널의 [5]천장 및/또는 바닥을 제외하여 유체를 개방 공기에 노출시키는 채널입니다.개방형 모세관 미세 유체 공학은 흐름을 유지하기 위해 펌프나 주사기를 사용하는 대신 표면 장력을 사용하여 흐름을 [25]촉진합니다.주입원을 제거하면 기기 및 관련 기기의 크기가 줄어들고 사용을 방해할 수 있는 다른 측면도 감소합니다.개방형 미세유체학에서 모세관 구동 흐름의 역학은 직사각형 U 그루브 또는 삼각형 [26][25]V 그루브로 알려진 두 가지 유형의 기하학적 채널에 크게 의존한다.채널의 지오메트리는 다양한 [7]진화하는 프로세스로 만들어진 내벽을 따라 흐르는 흐름을 결정합니다.

U홈의 모세관 필라멘트

V-groove(왼쪽) V-groove 오픈 마이크로 유체 채널(오른쪽)의 SCF

직사각형 개방형 표면 U-그루브는 가장 쉽게 제작할 수 있는 개방형 마이크로 유체 채널 유형입니다.이 설계에서는 [27][26][28]V홈과 비교하여 동일한 진도 속도를 유지할 수 있습니다.채널은 유리 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA),[25] 폴리카보네이트(PC) 또는 고리형 올레핀 공중합체(COC)[25][citation needed]와 같은 고선명 유리 대체물로 구성됩니다.식각 후 남은 저항을 제거하기 위해 산소 플라즈마 또는 심층 반응성 이온 식각(DRIE)[29][30][31]을 사용하여 채널을 친수성 처리합니다.

V홈의 모세관 필라멘트

U홈 내 SCF(왼쪽) U홈 개방 미세유체 채널 SCF(오른쪽)

V홈은 U홈과 달리 홈 [28]각도에 따라 다양한 속도를 낼 수 있습니다.날카로운 홈 각도를 가진 V 그루브는 Concus-Finn [32]조건의 감소로 설명되는 모서리의 계면 곡률을 초래합니다.V홈의 완벽한 안쪽 모서리에서는 필라멘트가 홈 내에서 무한히 진행되어 습윤 [33]조건에 따라 모세관 필라멘트가 형성됩니다.홈의 폭은 유체 흐름을 제어하는 데 중요한 역할을 합니다.V홈이 좁을수록 혈액과 같은 점성이 높은 액체에 대해서도 액체의 모세관 흐름이 양호합니다. 이 효과는 자율 분석을 [5][34]위해 사용되었습니다.V홈 제작은 모서리를 단단히 [29]밀봉해야 하므로 시공불량 위험이 높아 U홈보다 제작이 어렵습니다.

이점

개방형 마이크로유체학(Microfluidics)의 주요 장점 중 하나는 시스템 [35]내 흐르는 액체에 대한 개입(즉, 시약 추가 또는 제거)이 용이하다는 것입니다.개방형 미세 유체 공학으로 제작이 간단하여 표면을 접합할 필요가 없습니다.시스템의 경계 중 하나가 제거되면 더 큰 액체가스 인터페이스가 생성되어 액체가스 [1][36]반응이 가능합니다.개방된 미세유체 소자는 시스템의 적어도 한쪽 면이 이미징 [37]중 자동 형광을 줄일 수 있는 물질로 덮여 있지 않기 때문에 더 나은 광학 투명성을 가능하게 한다.또한 개방형 시스템은 닫힌 시스템의 [1]일반적인 문제인 버블 형성을 최소화하고 때로는 제거합니다.

폐쇄형 시스템 마이크로유체학에서 채널의 흐름은 펌프(시링 펌프), 밸브(트리거 밸브) 또는 전기장을 [38]통한 압력에 의해 구동됩니다.온도 제어 증발을 사용하여 저유속을 실현하기 위한 이들 방법 중 하나는 개방형 마이크로유체시스템에 대해 설명되었으며, 이는 생물학적 응용을 위해 긴 배양시간을 허용하고 적은 샘플 [39]부피를 필요로 한다.개방형 시스템 마이크로유체학으로 채널에서 표면 장력 구동식 흐름이 가능하므로 외부 펌핑 [35][40]방법이 필요하지 않습니다.예를 들어, 일부 열린 미세 유체 장치는 피펫을 [1][5][35]사용하여 유체를 채울 수 있는 저장 포트와 펌프 포트로 구성됩니다.외부 펌핑의 필요성을 없애면 비용이 절감되고 피펫을 사용하는 [36]모든 실험실에서 장치를 사용할 수 있습니다.

재료 솔루션

다행히 PDMS에는 많은 문제가 있지만 많은 해결책도 개발되어 있습니다.PDMS가 나타내는 음의 소수성과 다공성을 해결하기 위해 연구자들은 BSA(소 혈청 알부민[41]) 또는 하전[42] 분자와 같은 코팅제를 사용하여 자연 PDMS와 세포 사이에 층을 형성하기 시작했습니다.다른 연구자들은 소수성 코어를 둘러싸고 있는 두 개의 친수성 블록을 가진 3블록 공중합체인 플루론 계면활성제 [43]중 몇 가지를 성공적으로 사용했고, 심지어 소수성 문제를 해결하기 위해 붕규산염 유리[44] 코팅도 사용했습니다.흥미롭게도 앞의 두 가지 화합물 중 하나를 사용하여 처리하면 비특이적 단백질 흡착을 방지할 수 있습니다. 이들(및 다른 코팅)은 세포 배양 배지에 대한 PDSM 간섭을 줄이는 데 도움이 되는 PDMS와 안정적인 흡착 상호작용을 형성하기 때문입니다.이러한 화합물 및 물질은 표면 특성에 영향을 미칠 수 있으므로 배양 세포에 미치는 영향을 주의 깊게 테스트해야 합니다.연구원들은 그렇게 더 많은 세포와 세포 유형의 노력지 않는 모든 유형의 세포 PDMS에 재배할 수 있는 문제를 해소하기 위해 grow[45] 수 있는 exvivo환경에 따라 하기. 3D비계 시스템을 개발했다처럼 시스템 ECM(세포외 기질)proteins[46]대신에 바인딩을 좋아하지 않대안 물질 채택하는 PDMS는 3D비계 코팅.enative PDMS, 세포는 단백질과 결합할 가능성이 더 높습니다.마지막으로 연구자들은 몇 가지 우아한 솔루션을 사용하여 수증기에 대한 PDMS의 투과성을 다루었습니다.예를 들어 마이크로 유체 시스템의 일부를 가습용으로 지정하고 PDMS 또는 유리와 같은 다른 재료로 주조할 수 있습니다.

단점들

개방형 미세 유체 공학에는 증발,[47] 오염 [48]및 제한된 [4]유속 등이 있습니다.개방 시스템은 증발의 영향을 받기 쉬우며, 이는 유체량이 마이크로스케일일 [47]때 판독값에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.또한 개방형 시스템의 특성상 폐쇄형 [48]시스템보다 오염되기 쉽습니다.오염 또는 작은 미립자가 우려되는 세포 배양 및 기타 방법은 오염을 방지하기 위해 신중하게 수행해야 합니다.마지막으로, 개방 시스템은 유량을 구동하는 [4]데 유도 압력을 사용할 수 없기 때문에 유량이 제한됩니다.

자재

Polydimethylsiloxane(PDMS)은 낮은 처리 비용, 제조 용이성, 신속한 프로토타이핑, 표면 수정 용이성,[49][42] 세포 무독성 등 몇 가지 유리한 특성으로 인해 세포 배양 애플리케이션을 위한 미세 유체 장치를 제작하는 데 이상적인 재료입니다.네이티브 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용함으로써 발생하는 여러 가지 이점이 있지만, 연구자들이 그들의 실험에서 반드시 고려해야 할 몇 가지 단점도 있다.첫째, PDMS는 소수성과 다공성이며, 이는 작은 분자 또는 다른 소수성 분자가 그것에 [50]흡착될 수 있다는 것을 의미한다.이러한 분자에는 메틸이나 알킬을 함유한 [51]분자, [52]그리고 나일레드와 같은 특정 염료도 포함됩니다.연구자들은 2008년 치료 [53]후 약 2주 후에 혈장이 PDMS의 소수성을 감소시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 밝혀냈다.일부 연구자들은 NaOH 처리 하에서 탈착식 폴리카프로락톤(PCL) 섬유 기반 일렉트로스펀 발판을 통합하는 것이 친수성을 향상시키고 소수성을 완화하는 동시에 보다 효율적인 세포 [54]통신을 촉진한다고 가정합니다.PDMS에서 발생하는 또 다른 문제는 채널 내에서 순환하는 미디어를 간섭할 수 있다는 것입니다.PDMS 채널의 경화가 불완전하면 PDMS가 미디어에[55] 침출될 수 있습니다.완전한 경화가 이루어지는 경우에도 미디어의 컴포넌트가 PDMS [56]벽면의 자유 소수성 부위에 의도하지 않게 부착될 수 있습니다.그러나 PDMS의 가스 투과성에는 또 다른 문제가 있다.대부분의 연구자는 이를 이용하여 PDMS와 순환매체를 모두 산소로 만들지만, 이 특성으로 인해 미세유체계는 특히 수증기 손실에 취약하다.마지막으로, 모든 세포 타입이 네이티브 [57]PDMS에서 같은 수준으로 성장할 수 있는 것은 아니다.예를 들어, 네이티브 PDMS에서 자란 두 가지 섬유아세포 타입에서 높은 수준의 빠른 세포 사멸이 1994년에 관찰되었으며, 이는 미세유체 세포 배양에서의 PDMS의 광범위한 사용에 문제를 제기하였다.

적용들

많은 마이크로 유체 공학 기술과 마찬가지로 오픈 시스템 마이크로 유체 공학은 나노 기술, 생명 공학, 연료 전지 및 POC(Point of Care) [1][4][58]테스트에 적용되어 왔습니다.셀 기반 스터디의 경우 개방형 채널 마이크로 유체 장치를 통해 채널 [59]내의 단일 셀 프로빙을 위해 셀에 액세스할 수 있습니다.다른 응용 분야로는 모세관 겔 전기영동, 유중수 유화 및 [3][60][61]POC 시스템용 바이오센서가 있습니다.부유 마이크로 유체 장치, 장치의 바닥이 제거되는 개방 마이크로 유체 장치는 암 [5]세포의 확산과 이동을 연구하기 위해 사용되어 왔습니다.부유식 및 레일 기반 미세 유체 공학은 미세 물질 처리 및 세포 [1]통신 연구에 사용되어 왔습니다.

재료 솔루션 응용 프로그램

다음의 예에서 알 수 있듯이, 이러한 솔루션의 애플리케이션은 현재도 사용되고 있습니다.2014년 레이 외 연구진은 항암제로 알려진 시스플라틴의 존재 하에 세포를 3D [62]비계 형태로 성형하여 인간 구강암 세포의 임피던스를 테스트하고 있었다.저자들은 이전 연구에서 세포 임피던스가 2D 세포 배양에서의 세포 생존 및 증식과 상관관계가 있을 수 있다는 것을 지적하고 그 상관관계를 3D 세포 배양으로 변환하기를 희망했다.연구진은 3D 발판을 만들기 위해 아가로스를 이용해 형광 DNA 분석을 통해 시스플라틴의 유무에 따른 인간 구강암세포의 성장과 증식을 측정했으며 실제로 2D 모델에서 관찰된 것과 같은 상관관계가 있음을 관찰했다.이는 2D 세포배양의 원리를 3D 개방 미세유체 세포배양으로 바꿀 수 있다는 것을 증명했을 뿐만 아니라 암환자를 위한 보다 개인화된 치료 계획의 토대를 마련할 수도 있다.그들은 미래의 개발이 이 방법을 알려진 항암제에 대한 환자의 암세포 반응을 테스트할 수 있는 분석법으로 바꿀 수 있다고 가정했다.

또 다른 그룹은 유사한 방법을 사용했지만, 3D 발판을 만드는 대신 여러 개의 다른 PDMS 코팅을 사용하여 암 줄기세포 [63]연구를 위한 최선의 옵션을 결정하였습니다.그 그룹은 BSA와 ECM 단백질을 조사했고 그들의 실험 증거가 순환암세포(CSC)에 대한 최선의 코팅으로 BSA를 뒷받침하는 반면, 표현형 변화는 세포에 발생했지만 정상적인 세포 기능을 수행하는 세포의 능력에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했다.여기서 주목해야 할 중요한 경고는 BSA가 모든 셀 유형에 대해 효과가 있는 포괄적인 솔루션은 아니라는 것이다. 즉, 다른 코팅은 특정[46] 셀 유형에 대해 더 좋거나 더 나쁘다는 것이며 이러한 차이는 실험을 개발할 때 고려해야 한다.

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