클린룸의 체계적인 특성화

Nov 09, 2023

마이크로시스템 및 나노공학 8권, 기사 번호: 54(2022) 이 기사 인용

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통합 밸브를 사용하면 혼합, 펌핑 및 구획화 목적으로 적용할 수 있으므로 미세유체 시스템의 자동화된 제어가 가능합니다. 이러한 자동화는 OoC(Organ-On-Chip) 시스템 애플리케이션에 매우 유용합니다. 그러나 OoC 시스템은 일반적으로 수백 마이크로미터 범위의 채널 치수를 가지며 이는 일반적인 미세유체 밸브의 크기보다 훨씬 더 큽니다. 통합형 상시 개방형 폴리디메틸실록산(PDMS) 밸브에 가장 많이 사용되는 제조 공정에는 달성 가능한 채널 높이를 제한하는 리플로우 포토레지스트가 필요합니다. 또한 이러한 밸브의 낮은 스트로크 볼륨으로 인해 OoC 시스템에서 일반적으로 요구되는 분당 마이크로리터의 유량을 달성하기가 어렵습니다. 여기서는 마이크로밀링 다이렉트 몰드를 사용하여 다층 소프트 리소그래피로 제작된 기계식 '매크로 밸브'를 제시합니다. 우리는 이 밸브가 최대 높이 700μm, 너비 1000μm의 둥근 채널을 차단할 수 있음을 입증합니다. 또한, 우리는 이러한 매크로 밸브를 사용하여 펌핑 속도가 최대 48μL/min인 연동 펌프와 단 17초 내에 6.4μL의 부피를 완전히 혼합할 수 있는 혼합 및 계량 장치를 만들었습니다. 초기 세포 배양 실험에서는 매크로 밸브가 통합된 장치가 생체 적합성이 있으며 지속적인 관류 및 자동화된 배지 새로 공급을 통해 며칠에 걸쳐 내피 세포의 세포 배양이 가능하다는 사실이 입증되었습니다.

오르간 온 칩(OoC)은 일반적으로 다공성 막으로 분리된 두 개의 독립적으로 주소를 지정할 수 있는 평행 채널을 포함하는 미세 유체 세포 배양 장치로 정의됩니다. 다양한 세포 유형이 막의 양쪽에서 배양될 수 있으며, 그 결과 복잡한 기관별 조직-조직 인터페이스가 생성됩니다. OoC 장치는 기존의 체외 및 동물 모델3에 대한 강력한 대안으로 간주됩니다. 그러나 온칩 세포 배양 실험을 수행하는 것은 쉽지 않습니다. OoC는 미세유체학과 세포 배양에 대한 경험이 필요하기 때문에 노동 집약적이고 사용하기 어려울 수 있습니다4,5.

OoC를 개념 증명 장치의 상용 시스템(예: 약물 스크리닝 및 맞춤형 의약품)으로 변환하려면 OoC 시스템의 처리량이 더 높은 것이 중요합니다. 다중화된 OoC는 OoC 실험의 처리량을 높이기 위한 유망한 접근 방식입니다5,6. 지난 몇 년 동안 여러 미세 유체 시스템이 더 높은 수준의 병렬화 또는 처리량을 제공했지만 각각 고유한 단점이 있습니다. 예를 들어 Mimetas OrganoPlate®는 40~96개의 독립적인 배양 웰 또는 OoCs7을 갖춘 시스템입니다. 그러나 각 개별 칩을 채우려면 많은 피펫팅 단계가 필요하고, 세포 배양 영역은 작으며, 설정에는 하이드로겔(반투과성 장벽 및/또는 세포 기판)을 사용해야 합니다. Zakharovaet al. 더 높은 수준의 처리량을 달성하는 데 사용할 수 있는 하나의 공통 입구와 8개의 병렬 출력이 있는 설계의 예를 보여 주었지만 여전히 많은 수동 처리가 필요합니다8.

통합 미세유체 밸브가 있는 시스템은 Vollertsen et al.9,10에서 제시한 것과 같이 수동 액체 취급의 필요성을 줄이기 위해 종종 사용됩니다. 이러한 시스템은 통합형 상시 개방형 밸브11를 사용하는 경우가 많습니다. 밸브는 제조가 쉽고 상시 폐쇄형 밸브12,13에 비해 채널 폭에 비해 설치 공간이 작기 때문입니다. 2000년에 Unger et al. 현재 자주 사용되는 상시 개방형 PDMS 밸브(Quake 스타일 밸브12라고도 함)를 제시했습니다. 이러한 마이크로 밸브는 광범위한 응용 분야에서 혼합, 펌핑 및 다중화 목적으로 적용될 수 있으므로 미세 유체의 자동 제어를 위한 필수 도구입니다9,10,14,15. 이러한 미세유체 대규모 통합(mLSI) 시스템은 더 높은 처리량을 가능하게 하지만 OoC에서 관련 세포 배양을 수용하는 데 필요한 대규모 채널 크기와 호환되지 않습니다.