미세유체역학

섬네일|NIST 연구진이 유리 슬라이드, 플라스틱 시트, 양면테이프를 결합하여 다양한 농도의 화학 물질에 세포 배열을 노출시키기 위한 저렴하고 간단하게 제작할 수 있는 미세유체 장치를 만들었다

미세유체역학(Microfluidics)은 수십에서 수백 마이크로미터 크기의 작은 채널을 사용하여 적은 양의 유체 (10−9~10−18리터)를 조작하는 시스템을 말한다. 이는 분자 분석, 분자생물학, 마이크로일렉트로닉스를 포함하는 다학제 분야이다. 이는 다중화 (통신), 자동화, 고속대량 스크리닝을 달성하기 위해 소량의 유체를 처리하는 시스템 설계에 실용적으로 응용된다. 미세유체역학은 1980년대 초에 등장했으며 잉크젯 프린트 헤드, DNA 칩, 랩온어칩 기술, 마이크로 추진 및 마이크로 열 기술 개발에 사용된다.

일반적으로 미세유체 시스템은 유체를 운반, 혼합, 분리 또는 다른 방식으로 처리한다. 다양한 응용 분야는 유량 저항기 및 유량 가속기와 유사한 모세관 흐름 변형 요소의 형태로 모세관력을 사용한 수동 유체 제어에 의존한다. 일부 응용 분야에서는 미디어의 지향성 운반을 위해 외부 작동 수단이 추가로 사용된다. 예를 들어 수동 칩에서 유체 운반을 위해 원심력을 가하는 회전 구동 장치가 있다. 능동 미세유체역학은 마이크로펌프 또는 마이크로밸브와 같은 능동 (마이크로) 구성 요소에 의한 작동 유체의 정의된 조작을 말한다. 마이크로펌프는 유체를 연속적으로 공급하거나 투약에 사용된다. 마이크로밸브는 펌핑된 액체의 흐름 방향 또는 움직임 모드를 결정한다. 종종 실험실에서 일반적으로 수행되는 공정은 단일 칩에 소형화되어 효율성과 이동성을 향상시키고 샘플 및 시약 부피를 줄인다.

 특징 
섬네일|실리콘 고무 및 유리 미세유체 장치. 상단: 장치 사진. 하단: 약 15 μm 너비의 구불구불한 채널의 위상차 현미경 사진

미세 규모에서의 유체 거동은 "거대 유체" 거동과 다를 수 있는데, 이는 표면장력, 에너지 소산, 유체 저항과 같은 요인이 시스템을 지배하기 시작하기 때문이다. 미세유체역학은 이러한 거동이 어떻게 변하는지, 그리고 이러한 거동을 어떻게 극복하거나 새로운 용도로 활용할 수 있는지 연구한다.

작은 규모(채널 크기가 약 100 나노미터에서 500 마이크로미터까지)에서는 일부 직관적이지 않은 특성이 나타난다. 특히, 레이놀즈 수(유체의 운동량 효과와 점성도 효과를 비교하는)가 매우 낮아질 수 있다. 한 가지 결과는 함께 흐르는 유체가 전통적인 의미에서 반드시 섞이지 않는다는 것이다. 흐름이 난류보다는 층류가 되기 때문이다. 이들 사이의 분자 운반은 종종 확산을 통해 이루어져야 한다.

화학적, 물리적 특성(농도, 수소 이온 농도 지수, 온도, 전단력 등)의 높은 특이성을 보장하여 단일 및 다단계 반응에서 보다 균일한 반응 조건과 더 높은 등급의 제품을 얻을 수도 있다.

 유동 유형 

미세유체 흐름은 기하학적 길이 규모에 의해서만 제한되어야 한다. 이러한 기하학적 제약을 달성하는 데 사용되는 방식과 방법은 대상 응용 분야에 크게 의존한다. 전통적으로 미세유체 흐름은 채널 단면이 약 10 μm x 10 μm인 밀폐된 채널 내부에서 생성되었다. 각 방법은 견고한 유체 흐름을 유지하는 고유한 관련 기술을 가지고 있으며, 이는 수년 동안 성숙해왔다.

 개방형 미세 채널 

개방형 미세 채널에서 유체의 거동과 그 제어는 2005년경부터 주목받기 시작했으며 공기-액체 샘플 수집 및 크로마토그래피에 적용되었다. 개방형 미세유체에서 시스템의 적어도 하나의 경계는 제거되어 유체가 공기 또는 다른 인터페이스(예: 액체)에 노출된다. 개방형 미세유체는 흐르는 액체에 개입할 수 있는 접근성, 더 넓은 액체-기체 표면적, 최소화된 기포 형성 등의 장점이 있다. 개방형 미세유체의 또 다른 장점은 개방형 시스템을 표면 장력 구동 유체 흐름과 통합할 수 있다는 것이다. 이는 연동 펌프 또는 주사기 펌프와 같은 외부 펌핑 방법의 필요성을 없앤다. 개방형 미세유체 장치는 밀링, 열성형, 핫 엠보싱으로 쉽고 저렴하게 제작할 수 있다. 또한, 개방형 미세유체는 장치의 덮개를 접착하거나 결합할 필요가 없어 모세관 흐름에 해로울 수 있는 요소를 제거한다. 개방형 미세유체의 예로는 개방형 채널 미세유체, 레일 기반 미세유체, 페이퍼 기반 및 스레드 기반 미세유체가 있다. 개방형 시스템의 단점은 증발에 취약하다는 점, 오염, 및 제한된 유량 등이 있다.

 연속 흐름 

연속 흐름 미세유체역학은 주로 모세관 요소에서 유체 흐름을 가속하거나 방해함으로써 좁은 채널 또는 다공성 매체를 통한 정상 상태 액체 흐름의 제어에 의존한다. 종이 기반 미세유체역학에서 모세관 요소는 단면 기하학적 구조의 간단한 변화를 통해 달성될 수 있다. 일반적으로 액체 흐름의 작동은 외부 압력원, 외부 기계 펌프, 통합 기계 마이크로펌프, 또는 모세관력과 전기동역학 메커니즘의 조합에 의해 구현된다. 연속 흐름 미세유체 작업은 구현하기 쉽고 단백질 오염 문제에 덜 민감하기 때문에 주류 접근 방식이다. 연속 흐름 장치는 많은 잘 정의되고 간단한 생화학적 응용 분야 및 화학 분리와 같은 특정 작업에 적합하지만 높은 유연성 또는 유체 조작이 필요한 작업에는 덜 적합하다. 이러한 폐쇄형 채널 시스템은 흐름 필드를 지배하는 매개변수가 흐름 경로를 따라 변하여 특정 위치에서의 유체 흐름이 전체 시스템의 속성에 의존하게 되기 때문에 본질적으로 통합 및 확장하기 어렵다. 영구적으로 에칭된 미세 구조는 또한 제한된 재구성 가능성과 낮은 오류 허용 기능을 초래한다.
섬네일|미세유체 센서
연속 흐름 시스템의 공정 모니터링 기능은 MEMS 기술을 기반으로 하는 고감도 미세유체 흐름 센서를 통해 달성할 수 있으며, 이는 나노리터 범위까지의 해상도를 제공한다.

 드롭릿 기반 

섬네일|흐름 집중 미세유체 장치에서 마이크로버블 핀치오프 형성 과정을 보여주는 고속 프레임 비디오

드롭릿 기반 미세유체역학은 연속 미세유체역학과 다르다. 드롭릿 기반 미세유체역학은 낮은 레이놀즈 수와 층류 흐름 영역에서 혼합되지 않는 상에 있는 이산적인 부피의 유체를 조작한다. 지난 수십 년 동안 드롭릿 기반 미세유체 시스템에 대한 관심이 상당히 증가하고 있다. 마이크로드롭릿은 미니어처 부피(μL ~ fL)의 유체를 편리하게 처리하고, 더 나은 혼합, 캡슐화, 분류 및 감지를 제공하며, 고속 처리 실험에 적합하다. 드롭릿 기반 미세유체역학의 이점을 효율적으로 활용하려면 드롭릿 생성에 대한 깊은 이해가 필요하다. 이를 통해 드롭릿 조작, 드롭릿 분류, 드롭릿 병합, 및 드롭릿 분해와 같은 다양한 논리적 작업을 수행할 수 있다.

 디지털 

위의 폐쇄형 채널 연속 흐름 시스템에 대한 대안으로는 전기 습윤 현상을 사용하여 기판에서 이산적이고 독립적으로 제어 가능한 액적을 조작하는 새로운 개방형 구조가 있다. 디지털 마이크로일렉트로닉스의 비유에 따라 이 접근 방식을 디지털 미세유체역학이라고 한다. 르 페상(Le Pesant) 등은 전기 모세관력을 사용하여 디지털 트랙에서 액적을 이동시키는 기술을 개척했다. 사이토닉스(Cytonix)가 개척한 "유체 트랜지스터"도 역할을 했다. 이 기술은 나중에 듀크 대학에서 상업화되었다. 이산적인 단위 부피 액적을 사용하여, 미세유체 기능은 일련의 반복적인 기본 작업, 즉 한 단위의 유체를 한 단위 거리만큼 이동시키는 것으로 축소될 수 있다. 이 "디지털화" 방법은 미세유체 바이오칩 설계를 위한 계층적 및 셀 기반 접근 방식의 사용을 용이하게 한다. 따라서 디지털 미세유체역학은 유연하고 확장 가능한 시스템 아키텍처와 높은 오류 허용 기능을 제공한다. 또한, 각 액적을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 이러한 시스템은 동적 재구성 가능성도 갖추고 있어, 미세유체 배열의 단위 셀 그룹이 일련의 바이오 분석법을 동시에 실행하는 동안 기능을 변경하도록 재구성될 수 있다. 액적은 제한된 미세유체 채널에서 조작되지만, 액적에 대한 제어가 독립적이지 않기 때문에 "디지털 미세유체역학"으로 혼동해서는 안 된다. 디지털 미세유체역학의 일반적인 작동 방법은 유전체 상의 전기 습윤 현상 (EWOD)이다. 많은 랩온어칩 응용 분야가 전기 습윤 현상을 사용하여 디지털 미세유체역학 패러다임 내에서 시연되었다.

 종이 기반 

종이 기반 미세유체 장치는 휴대 가능하고 저렴하며 사용자 친화적인 의료 진단 시스템을 제공하기 위해 제안되었다.
종이 기반 미세유체역학은 다공성 매질에서 모세관 침투 현상에 의존한다. 종이와 같은 다공성 기판에서 2차원 및 3차원 유체 침투를 조절하기 위해 미세유체 장치의 기공 구조, 습윤성 및 기하학적 형태를 제어할 수 있으며, 액체의 점성도와 증발률도 추가적으로 중요한 역할을 한다. 이러한 많은 장치는 친수성 종이 위에 소수성 장벽을 특징으로 하며, 이는 수용액을 생물학적 반응이 일어나는 배출구로 수동적으로 운반한다. 종이 기반 미세유체역학은 고급 의료 진단 도구를 사용할 수 없는 원격 환경에서 사용되는 휴대용 현장 진단 바이오센서로 간주된다. 현재 응용 분야에는 휴대용 포도당 감지 및 환경 테스트가 있으며, 고급 의료 진단 도구가 부족한 지역에 도달하려는 희망이 있다.

 입자 검출 

한 가지 잠재적인 응용 분야는 유체 내 입자 검출이다. 직경 약 1 μm까지의 작은 유체성 입자 검출은 일반적으로 콜터 카운터를 사용하여 수행된다. 이 장치는 소금물과 같은 약하게 전도성 있는 유체가 작은(약 100 μm 직경) 구멍을 통과할 때 전기 신호를 생성하며, 이 신호는 입자 부피 대 구멍 부피의 비율에 직접 비례한다. 이 원리는 드블루아(DeBlois)와 빈(Bean)의 고전 논문에서 비교적 간단하게 설명되어 있으며, 콜터(Coulter)의 원특허에서 처음 구현되었다. 이것은 표준 혈액 분석을 위해 적혈구와 백혈구의 크기를 측정하고 수를 세는 데 사용되는 방법이다. 이 방법의 일반적인 용어는 저항 펄스 감지 (RPS)이다. 콜터 카운팅은 상표명이다. 그러나 RPS 방법은 직경 1 μm 미만의 입자에는 잘 작동하지 않는다. 신호 대 잡음비가 신뢰할 수 있는 감지 한계 이하로 떨어지기 때문이다. 이는 주로 분석물이 통과하는 구멍의 크기와 첫 번째 단계 앰프의 입력 노이즈에 의해 결정된다.

전통적인 RPS 콜터 카운터에서 기공 크기의 한계는 기공을 만드는 데 사용되는 방법에 의해 설정되는데, 이는 영업 비밀이지만 2020년 10월 기준으로 전통적인 기계적 방법을 사용하는 것으로 가장 가능성이 높다. 이것이 미세유체역학이 영향을 미칠 수 있는 부분이다. 석판 인쇄 기반 미세유체 장치 생산, 또는 더 가능성이 높은 용범 공정을 사용하여 미세유체 장치를 만드는 재사용 가능한 금형 생산은 전통적인 기계가공보다 훨씬 작은 크기로 제한된다. 1 μm까지의 임계 치수는 쉽게 제작할 수 있으며, 약간의 노력과 비용으로 100 nm 미만의 특징 크기도 안정적으로 패턴화할 수 있다. 이를 통해 기공 직경이 약 100 nm에 이르는 미세유체 회로에 통합된 기공을 저렴하게 생산할 수 있으며, 이는 최소 입자 직경을 여러 자릿수만큼 감소시킨다.

그 결과, 미세유체 입자 계수 및 크기 측정에 대한 대학 기반 연구가 진행되었으며, 이 기술의 상업화도 이루어졌다. 이 방법은 미세유체 저항 펄스 감지 (MRPS)라고 불린다.

 자기영동 

미세유체 장치의 한 가지 응용 분야는 서로 다른 유체 또는 세포 유형의 분리 및 분류이다. 미세유체 장치는 자기장에 의한 입자의 이동인 자기영동과 통합되었다. 이는 적어도 하나의 자기 구성 요소를 포함하는 유체를 채널 길이를 따라 배치된 자석이 있는 미세유체 채널을 통해 보내는 방식으로 달성될 수 있다. 이는 미세유체 채널 내부에 자기장을 생성하여 자기 활성 물질을 끌어당겨 유체의 자기 성분과 비자기 성분을 효과적으로 분리한다. 이 기술은 이미 자기 활성 물질을 포함하는 유체가 있는 공업 환경에서 쉽게 활용될 수 있다. 예를 들어, 소수의 금속 불순물이 특정 소비성 액체, 즉 젖 및 기타 낙농 제품에 유입될 수 있다. 편리하게도 젖의 경우 이러한 금속 오염 물질 중 상당수가 상자성을 나타낸다. 따라서 포장 전에 젖을 자기 기울기가 있는 채널을 통해 흘려보내 금속 오염 물질을 정화하는 수단으로 사용할 수 있다.

세포 분리는 미세유체역학에서 흥미로운 분야이다. 이는 다음과 같이 달성된다. 첫째, 상자성 물질(일반적으로 미세/나노입자 또는 자성 유체)이 관심 있는 세포 유형을 표적으로 삼도록 기능화되어야 한다. 이는 관심 있는 세포 유형에 특유한 막 단백질을 식별하고 이어서 보완적인 항원 또는 항체로 자기 입자를 기능화함으로써 달성할 수 있다. 자기 입자가 기능화되면 세포 혼합물에 분산되어 관심 있는 세포에만 결합한다. 결과적인 세포/입자 혼합물은 자기장이 있는 미세유체 장치를 통해 흘려보내 표적 세포를 나머지 세포와 분리할 수 있다.

반대로, 미세유체 보조 자기영동은 미세 액적 또는 플러그 내에서 효율적인 혼합을 촉진하는 데 사용될 수 있다. 이를 달성하기 위해 미세 액적에 상자성 나노입자를 주입하고 빠르게 교번하는 자기장을 통과하는 직선 채널을 통해 흐르게 한다. 이로 인해 자기 입자가 액적 내에서 빠르게 좌우로 밀려나 미세 액적 내용물이 혼합된다. 이는 전통적인 채널 기반 액적 혼합에 필요한 번거로운 공학적 고려 사항을 없앤다. 다른 연구에서는 세포를 상자성 유체에 부유시키고 자기-아르키메데스 효과를 활용하여 세포의 표지 없는 분리가 가능할 수 있음을 보여주었다. 입자 기능화의 복잡성을 제거하지만, 자기 부력 현상과 이를 이 목적에 어떻게 사용할 수 있는지 완전히 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 이는 미세유체 보조 자기영동의 다양한 응용 분야를 망라한 목록이 아니다. 위의 예시는 현재 및 미래 응용 분야 모두에서 이 분리 기술의 다용성을 강조할 뿐이다.

 응용 분야 

미세유체 구조에는 마이크로 공압 시스템, 즉 오프칩 유체(액체 펌프, 가스 밸브 등) 처리를 위한 마이크로 시스템과 나노리터(nl) 및 피코리터(pl) 부피의 온칩 처리를 위한 미세유체 구조가 포함된다. 현재까지 미세유체역학의 가장 성공적인 상업적 응용 분야는 잉크젯 프린트헤드이다. 또한 미세유체 제조 기술의 발전은 제작자들이 폴리메타크릴산 메틸 (PMMA), 폴리스타이렌, 환형 올레핀 고분자 (COP) 및 폴리염화 비닐 (PVC)과 같은 저비용 플라스틱으로 장치를 생산할 수 있음을 의미한다. 그리고 부품 품질을 자동으로 검증할 수 있게 한다.

미세유체역학 기술의 발전은 효소 분석법 (예: 포도당 및 락트산 분석), DNA 분석 (예: 중합효소 연쇄 반응 및 고속 대량 염기서열 결정), 단백체학 및 화학 합성 분야의 분자생물학 절차를 개선할 것을 약속한다. 미세유체 바이오칩은 샘플 전처리 및 샘플 준비와 함께 감지와 같은 분석법 작업을 통합한다.

바이오칩의 유망한 응용 분야는 임상병리학이며, 특히 현장 진료 질병 진단이다. 또한, 생화학적 독소 및 기타 위험한 병원체에 대한 공기/물 샘플의 지속적인 샘플링 및 실시간 테스트가 가능한 미세유체 기반 장치는 조기 경보를 위한 상시 작동하는 "생체 연기 감지기" 역할을 할 수 있다.

미세유체 기술은 생물학자들이 세포 환경을 제어할 수 있는 도구를 제공했다. 미생물학을 위한 이 기술의 잠재적 장점은 다음과 같다:
 성장을 포함한 일반적인 단일 세포 연구
 세포 노화: "모기계"와 같은 미세유체 장치는 수많은 개별 세포를 여러 세대에 걸쳐 죽을 때까지 추적할 수 있도록 한다.
 미세환경 제어: 기계적 환경부터 화학적 환경에 이르기까지
 단일 장치에 여러 화학 물질 입력을 통합하여 정밀한 시공간적 농도 기울기를 생성
 부착 세포 또는 제한된 염색체에 대한 힘 측정: 미세유체 장치에 갇힌 물체는 광 핀셋 또는 다른 힘 생성 방법을 사용하여 직접 조작할 수 있다.
 크리핑 유동, 광 핀셋 또는 폴리다이메틸실록세인 (PDMS) 장치의 제어된 변형과 같은 외부 힘 생성 방법을 결합하여 세포를 가두고 제어된 힘을 가하는 것
 전장 통합
 칩 위의 식물 및 식물 조직 배양
 항생제 내성: 미세유체 장치는 미생물에 대한 이질적인 환경으로 사용될 수 있다. 이질적인 환경에서는 미생물이 진화하기 쉽다. 이는 미생물의 진화 가속을 테스트하거나 항생제 내성 발달을 테스트하는 데 유용할 수 있다.
 바이러스 융합: 이 장치들은 또한 바이러스가 숙주 세포에 결합하고 침투하는 데 필요한 여러 단계와 조건을 연구할 수 있게 한다. 미세유체 흐름 세포를 사용하여 결합 및 융합 과정의 효율성, 역학 및 특정 단계에 대한 정보를 얻을 수 있다.
 장기 칩 응용 분야: 예를 들어, 오르가노이드는 환자 유래 세포를 사용하여 질병을 모델링하거나 인간 및 기타 동물의 다양한 조직(예: 신경계) 발달을 조사하는 데 사용될 수 있다.

이러한 분야 중 일부는 아래 섹션에서 더 자세히 설명한다:

 DNA 칩 

초기 바이오칩은 DNA 마이크로어레이의 아이디어를 기반으로 했다. 예를 들어, 애피메트릭스의 진칩 DNA 어레이는 유리, 플라스틱 또는 실리콘 기판 조각이며, 그 위에 DNA 조각(프로브)이 미세 배열로 부착된다. DNA 마이크로어레이와 유사하게, 단백질 어레이는 다양한 포획제, 가장 빈번하게 단일클론 항체가 칩 표면에 증착된 소형 어레이이다. 이들은 생물학적 샘플, 예를 들어 혈액에서 단백질의 존재 및 양을 결정하는 데 사용된다. DNA 및 단백질 어레이의 단점은 제조 후 재구성되거나 확장 가능하지 않다는 것이다. 디지털 미세유체역학은 디지털 PCR을 수행하는 수단으로 설명되었다.

 분자생물학 

마이크로어레이 외에도 전기영동, 전사체 분석, PCR 증폭을 위한 바이오칩이 설계되었다. 다른 응용 분야로는 단백질과 DNA에 대한 다양한 전기영동 및 액체 크로마토그래피 응용, 세포 분리, 특히 혈액 세포 분리, 단백질 분석, 세포 생존력 분석 및 미생물 포획을 포함한 세포 조작 및 분석이 있다.

 진화 생물학 

미세유체역학을 경관생태학 및 나노유체역학과 결합함으로써, 세균 서식지의 국부적인 패치를 구축하고 이를 분산 통로로 연결하여 나노/미세 가공된 유체 경관을 구성할 수 있다. 그 결과로 생성되는 경관은 공간 및 시간에 분산된 기회 패치의 공간적 모자이크를 생성함으로써 적응 경관의 물리적 구현으로 사용될 수 있다. 이러한 유체 경관의 패치성은 메타개체군 시스템에서 적응하는 세균세포 연구를 가능하게 한다. 이러한 합성 생태계 내의 세균 시스템에 대한 진화 생태학은 생물리학을 사용하여 진화 생물학의 질문을 다룰 수 있게 한다.

 세포 행동 

정확하고 신중하게 제어되는 화학유인물 기울기를 생성하는 능력은 미세유체역학을 미생물의 소집단에서 짧은 시간 내에 운동성, 화학주성 및 항생제에 대한 내성을 진화/발달시키는 능력을 연구하는 이상적인 도구로 만든다. 이러한 미생물에는 세균과 해양 미생물 루프를 구성하는 광범위한 유기체가 포함되며, 이들은 해양 생지화학의 많은 부분을 조절하는 역할을 한다.

미세유체역학은 또한 경도 구배의 생성을 용이하게 하여 경도주성 연구에 큰 도움을 주었다.

 세포 생물 물리학 

개별 유영 세균의 움직임을 교정함으로써 미세유체 구조는 운동성 세균 세포 집단에서 기계적 움직임을 추출하는 데 사용될 수 있다. 이런 방식으로 세균 구동 로터가 구축될 수 있다.

 광학 

미세유체역학과 광학의 융합은 일반적으로 옵토플루이딕스로 알려져 있다. 옵토플루이딕 장치의 예로는 튜닝 가능한 마이크로렌즈 어레이 및 옵토플루이딕 현미경이 있다.

미세유체 흐름은 빠른 샘플 처리량, 대규모 샘플 집단의 자동 이미지 촬영, 3D 기능 또는 초고해상도를 가능하게 한다.

 칩 위의 포토닉스 연구실 

일반적인 분석 방법(예: ICP-MS, ICP-AAS, ICP-OES)의 안전 문제와 운영 비용 증가로 인해 칩 위의 포토닉스 연구실(PhLOC)은 사용 후 핵폐기물의 악티늄족 및 질산염 분석을 위한 점점 더 인기 있는 도구가 되고 있다. PhLOC는 라만 및 UV-Vis-NIR 분광법의 동시 적용을 기반으로 하며, 여러 산화 상태의 악티늄족을 포함하는 더 복잡한 혼합물의 분석을 가능하게 한다. 이러한 방법으로 이루어진 측정은 산업 테스트를 위한 대량 수준에서 검증되었으며, 마이크로 스케일에서는 훨씬 낮은 분산을 보인다. 이 접근 방식은 측정 채널의 연장을 통해 150μL에 대해 알려진 문헌 값과 일치하는 몰 흡광 계수(UV-Vis)를 비교적 넓은 농도 범위에서 가지며, U(IV)에 대해 마이크로 스케일에서 비어의 법칙을 따른다. 사용 후 핵연료 분석에 대한 분광 광도법적 접근 방식을 개발함으로써 반응물 양을 측정하는 온라인 방법이 생성되어 샘플 분석 속도가 증가하고 재처리 내에서 감지할 수 있는 편차의 크기가 감소한다.

PhLOC의 적용을 통해 운영 방법의 유연성과 안전성이 향상된다. 사용 후 핵연료 분석은 극도로 가혹한 조건을 포함하므로, 일회용 및 신속하게 생산되는 장치(PDMS, PMMA, 유리와 같은 주조 가능 및 각인 가능한 재료 기반)의 적용은 특정 가혹 조건에서 재료 무결성을 고려해야 하지만 유리하다. 광섬유 커플링 사용을 통해 장치를 계측기에서 분리하여 방사선 손상을 방지하고 실험실 직원이 잠재적으로 유해한 방사선에 노출되는 것을 최소화할 수 있으며, 이는 실험실 규모나 이전 표준 분석으로는 불가능한 일이다. 장치의 축소는 또한 더 적은 양의 분석 물질을 사용할 수 있게 하여 생성되는 폐기물의 양과 위험 물질에 대한 노출을 줄인다.

PhLOC를 확장하여 전체 핵연료 주기의 연구를 소형화하는 것이 현재 평가 중이며, PUREX 공정의 단계가 마이크로 스케일에서 성공적으로 시연되고 있다. 마찬가지로, 사용 후 핵연료 분석을 위해 개발된 미세유체 기술은 거의 수정 없이 다른 악티늄족, 란타넘족 및 전이 금속 분석으로 수평적으로 확장될 것으로 예측된다.

 고성능 액체 크로마토그래피 

미세유체역학 분야의 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)는 두 가지 형태로 제공된다. 초기 설계에는 HPLC 컬럼을 통해 액체를 흘려보낸 다음 용출된 액체를 미세유체 칩으로 옮기거나, HPLC 컬럼을 미세유체 칩에 직접 부착하는 방법이 포함되었다. 초기 방법은 형광을 측정하는 기계와 같이 특정 기계에서 더 쉬운 검출이라는 장점이 있었다. HPLC 컬럼은 미세유체 칩에 통합되었다. 미세유체 장치에 HPLC 컬럼을 통합하는 주요 장점은 더 작은 폼 팩터를 달성할 수 있다는 점인데, 이는 하나의 미세유체 칩 내에 추가 기능을 결합할 수 있도록 한다. 통합 칩은 또한 많은 액적 기반 미세유체 장치에 사용되는 표준 재료인 PDMS와는 매우 다른 유리 및 폴리이미드를 포함한 여러 다른 재료로 제작할 수 있다. 이는 HPLC 미세유체 칩의 다양한 응용 분야에서 다른 압력이 필요할 수 있기 때문에 중요한 기능이다. PDMS는 유리 및 폴리이미드에 비해 고압 사용 시 성능이 떨어진다. HPLC 통합의 높은 다용성은 컬럼과 칩 사이의 연결 및 피팅을 피함으로써 견고성을 보장한다. 향후 이러한 설계에서 발전할 수 있는 능력은 미세유체역학 분야가 잠재적인 응용 분야를 계속 확장할 수 있도록 한다.

미세유체 장치 내 통합 HPLC 컬럼을 둘러싼 잠재적 응용 분야는 지난 10~15년간 광범위하게 입증되었다. 이러한 컬럼의 통합은 단백질 생물학적 분석과 같이 재료의 가용성이 낮거나 매우 비싼 실험을 수행할 수 있도록 한다. 시약 부피의 감소는 이전 장치의 크기 제한으로 인해 이전에 큰 어려움이 있었던 단일 세포 단백질 분석과 같은 새로운 실험을 가능하게 한다. HPLC-칩 장치와 질량 분석법과 같은 다른 분광법 방법의 결합은 단백질과 같은 원하는 종의 식별에 대한 신뢰도를 높인다. 미세유체 칩은 또한 HPLC를 더욱 개선하고 추가 분리의 필요성을 줄일 수 있는 기울기 생성을 위한 내부 지연 라인을 갖추고 제작되었다. 통합 HPLC 칩의 다른 실용적인 응용 분야로는 사람의 머리카락을 통한 약물 존재 확인 및 역상 액체 크로마토그래피를 통한 펩타이드 표지가 있다.

 음향 액적 분사 

음향 액적 분사 (ADE)는 초음파 펄스를 사용하여 물리적 접촉 없이 소량의 유체 (일반적으로 나노리터 또는 피코리터)를 이동시킨다. 이 기술은 유체 샘플에 음향 에너지를 집중시켜 1조분의 1리터(피코리터 = 10−12 리터)만큼 작은 액적을 분사한다. ADE 기술은 매우 온화한 과정이며, 단백질, 고분자량 DNA 및 살아있는 세포를 손상이나 생존력 손실 없이 전달하는 데 사용할 수 있다. 이 기능은 단백체학 및 세포 기반 분석을 포함한 다양한 응용 분야에 이 기술을 적합하게 만든다.

 연료전지 

미세유체 연료전지는 층류를 사용하여 연료와 산화제를 분리하여 기존 연료전지에 필요한 물리적 장벽 없이 두 유체의 상호 작용을 제어할 수 있다.

 우주생물학 

우주 다른 곳에 생명체가 존재할 가능성을 이해하기 위해 우주생물학자들은 외계 행성체의 화학적 조성을 측정하는 데 관심을 가지고 있다. 작은 크기와 광범위한 기능을 고려할 때, 미세유체 장치는 이러한 원격 샘플 분석에 특별히 적합하다. 외계 샘플에서 유기물 함량은 마이크로칩 모세관 전기영동 및 선택적 형광 염료를 사용하여 평가할 수 있다. 이러한 장치는 아미노산, 펩타이드, 지방산, 단순 알데하이드, 케톤, 그리고 싸이올을 감지할 수 있다. 이러한 분석들이 결합되면 생명의 핵심 구성 요소를 강력하게 감지할 수 있으며, 외계 생명체 탐색에 도움이 될 것이다.

 식품 과학 

미세유체 기술은 액적 미세유체역학, 종이 미세유체역학, 랩온어칩과 같이 다양한 범주에서 식품 과학 분야에 활용된다. 영양, 식품 가공, 식품 안전 분야의 연구는 적은 시약으로 실험을 수행할 수 있기 때문에 미세유체 기술로부터 이점을 얻는다.

식품 가공은 유화액이나 방부제 첨가와 같이 식품의 유통 기한 안정성을 확보하는 능력을 요구한다. 액적 미세유체와 같은 기술은 달성 가능한 액적의 정밀도 때문에 전통적인 균질화로 만들어진 것보다 더 제어되고 복잡한 유화액을 만드는 데 사용된다. 유화액에 미세유체역학을 사용하는 것은 "공급된 에너지의 5%만이 유화액을 생성하는 데 사용되고 나머지는 열로 소실된다"는 균질화에 비해 더 에너지 효율적이다. 이러한 방법들이 장점을 가지고 있지만, 현재 상업화를 위해 필요한 대규모 생산 능력이 부족하다. 미세유체역학은 식품 화학 및 식품 가공의 혁신을 가능하게 하므로 연구에도 사용된다. 식품 공학 연구의 한 예는 잠재적인 식품 가공 산업 사용, 특히 유화액 강화 작업에 대한 액적 생산 연구를 위해 제작된 새로운 미세 3D 프린팅 장치이다.

종이 및 액적 미세유체역학은 소량의 원치 않는 박테리아나 화학 물질을 감지할 수 있는 장치를 가능하게 하여 식품 안전 및 분석에 유용하다. 종이 기반 미세유체 장치는 종종 미세유체 종이 기반 분석 장치(μPAD)라고 불리며, 육류의 질산염, 방부제, 또는 항생제와 같은 것을 스마트폰으로 감지할 수 있는 비색 반응을 통해 검출할 수 있다. 이러한 방법들은 액체 크로마토그래피와 같은 전통적인 기술에 비해 반응물, 공간 및 시간을 덜 사용하기 때문에 연구되고 있다. μPAD는 또한 알레르기 및 불내증 환자들에게 흥미로운 가정용 검사도 가능하게 한다. 종이 기반 방법 외에도, 연구는 액적 기반 미세유체역학이 국내외 식품 산업에서 농업용수의 생존 가능한 세균 오염을 확인하는 데 필요한 시간을 획기적으로 단축할 수 있음을 보여준다.

 맞춤형 암 치료 

개인 맞춤형 암 치료는 환자의 진단 및 배경에 따라 맞춤화된 방법이다. 미세유체 기술은 더 높은 처리량과 더불어 시간 및 비용을 절감하면서 민감한 검출을 제공한다. 개인 맞춤형 암 치료를 위해서는 종양 구성과 약물 민감도가 매우 중요하다.

환자의 약물 반응은 바이오마커 상태를 기반으로 예측할 수 있거나, 특정 세포의 비정상적인 존재를 기반으로 질병의 심각성과 진행을 예측할 수 있다. 액적-qPCR은 재사용 가능한 모세관에서 액적이 운반되고, 서로 다른 일정한 온도로 유지되는 두 영역과 형광 검출을 교대로 통과하는 액적 미세유체 기술이다. 이는 낮은 오염 위험으로 Her2를 효율적으로 검출할 수 있다. 디지털 액적 기반 PCR 방법은 TaqMan 프로브를 사용하여 KRAS 돌연변이를 검출하여 돌연변이 유전자 비율 검출을 향상시킬 수 있다. 또한, 유방암 또는 전립선암 환자의 수술 후 질병 진행을 정확하게 예측하는 것은 수술 후 치료를 결정하는 데 필수적이다. 신중하게 구성된 세포외 기질 혼합물로 코팅된 간단한 미세유체 챔버는 종양 생검에서 얻은 세포를 72시간 성장 후 이미징을 통해 세포를 철저히 평가하는 데 사용된다.

미세유체역학은 또한 순환 종양 세포 (CTC) 및 비-순환 종양 세포 액체 생검 분석에 적합하다. 순환 종양 세포 고립 칩 (iCHIP)의 양성 선택을 위해 항-상피세포 부착 분자 (EpCAM) 항체에 접합된 비드가 사용된다. 순환 종양 세포는 종양 미세환경의 산성화 및 막 용량의 차이를 이용하여 검출될 수도 있다. 순환 종양 세포는 미세유체 장치로 혈액에서 분리되어 온칩에서 배양되며, 이는 단일 분석으로 더 많은 생물학적 정보를 포착하는 방법이 될 수 있다. 예를 들어, 40가지의 다른 약물 또는 약물 조합의 세포 생존율을 테스트하는 데 사용될 수 있다. 종양 유래 세포외 소포는 소변에서 분리되어 통합 이중 여과 미세유체 장치로 검출될 수 있으며, 혈액에서 분리되어 2단계 증폭 효소 분석법을 통한 전기화학적 감지 방법으로 검출될 수도 있다.

종양 물질은 미세유체 장치를 통해 직접 검출하는 데 사용될 수 있다. 원발성 세포에 대한 약물을 선별하기 위해서는 암세포와 비암세포를 구별하는 것이 종종 필요하다. 세포가 작은 수축을 통과하는 능력을 기반으로 하는 미세유체 칩은 세포 유형, 전이를 분류할 수 있다. 액적 기반 미세유체 장치는 높은 정확도로 원발성 종양 샘플에 대해 직접 다양한 약물 또는 약물 조합을 선별할 잠재력을 가지고 있다. 이 전략을 개선하기 위해 형광 바코드가 결합된 순차적인 약물 칵테일이 포함된 미세유체 프로그램이 더 효율적이다. 또 다른 고급 전략은 부유 미세 채널 공진기를 사용하여 단일 세포의 성장률을 감지하는 것으로, 희귀 순환 종양 세포의 약물 민감도를 예측할 수 있다.

미세유체 장치는 종양 미세환경을 시뮬레이션하여 항암제 테스트를 돕는 데 사용될 수도 있다. 2D 또는 3D 세포 배양이 가능한 미세유체 장치는 다양한 암 시스템(예: 폐암 및 난소암)의 스페로이드를 분석하는 데 사용될 수 있으며, 여러 항암제 및 독성 테스트에 필수적이다. 이 전략은 스페로이드의 처리량 및 생산량을 늘림으로써 개선될 수 있다. 예를 들어, 3D 세포 배양을 위한 액적 기반 미세유체 장치 하나는 칩당 500개의 스페로이드를 생산한다. 이러한 스페로이드는 다른 환경에서 더 오래 배양하여 분석하고 모니터링할 수 있다. 다른 고급 기술은 장기 칩이며, 이는 혈관 모방뿐만 아니라 pH, 산소 등을 모방하여 약물 대사 및 활성을 결정하고 약물과 인체 장기 환경 간의 관계를 분석하는 데 사용될 수 있다.

단일 세포 크로마틴 면역침전법(ChiP) 시퀀싱과 관련된 한 가지 전략은 액적이다. 이는 액적 기반 단일 세포 RNA 시퀀싱과 DNA 바코드 항체를 결합하여 유전자형 및 표현형을 통해 종양 이질성을 탐색하고 개인 맞춤형 항암제를 선택하며 암 재발을 방지할 수 있다.

 환경 오염 
의료 및 생물학적 응용 분야 외에도 미세유체역학은 오염 감지 및 제어에 사용되어 왔다. 미세유체역학은 마이크론 크기 입자에만 전용으로 사용되지만, 환경에서 나노플라스틱 및 매우 작은 미세플라스틱을 신속하게 감지하기 위해 나노 크기 입자 응집과 나선형 관성 미세유체역학을 통합한 새로운 랩온어칩이 개발되었다.

 모세관 전기영동 

이 분야의 중요한 발전 중 하나는 Z. 휴 팬과 D. 제드 해리슨이 시연한 마이크로칩 상의 통합 모세관 전기영동 (CE) 시스템 개발이다. 그들은 미세가공 기술을 사용하여 샘플 주입기와 분리 채널을 통합한 평면 유리 칩을 만들었다. 이 설정은 불과 몇 초 만에 아미노산의 빠른 분리를 가능하게 했으며, 최대 6800개의 이론단으로 높은 분리 효율을 달성했다. 유리의 열 질량과 전도도 덕분에 가능한 높은 전기장의 사용은 줄 가열 효과를 최소화하여 시스템을 매우 효율적이고 빠르게 만들었다. 이러한 혁신은 분석 화학, 특히 빠르고 정밀한 분석이 필요한 응용 분야에서 미세유체 장치의 잠재력을 강조한다.

 같이 보기 
 액적 기반 미세유체역학
 유체역학
 유도 전하 전기 운동학
 통합 유체 회로
 랩온어칩
 미세유체 세포 배양
 미세유체 변조 분광법
 미세 생리 측정법
 미세펌프
 미세밸브
 uFluids@Home
 종이 기반 미세유체역학

 각주 

 더 읽어보기 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Folch, Albert. Hidden in Plain Sight: The History, Science, and Engineering of Microfluidic Technology (MIT Press, 2022) 온라인 리뷰
 
 
 
 
 

분류:유체동역학
분류:나노기술
분류:생명공학
분류:가스 기술