바이오인

3D 프린팅을 이용해 제작된 미세유체장치 및 활용 연구

◈ 목차

요약

1. 서론

2. 본론

  2.1. 미세유체장치 제작을 위한 3D 프린팅 기술

  2.2. 3D 프린팅으로 제작된 미세유체장치의 활용

     2.2.1. 화학반응 및 질량분석

     2.2.2. 미세유체장치 기반 대용량 세포분리기

3. 결론

◈본문

요약문

미세유체장치는 화학, 생명과학 등 연구 분야에서 매우 큰 장점이 있다. 그러나 실제 연구실이나 회사 에서 이를 활용하기 위해서는 반도체 공정을 수행할 수 있는 팹(Fab)이 필요하다는 한계가 있었다. 최 근 미세유체장치를 정교하게 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술이 개발되고 이를 활용해 다양한 연구에 반도체 공정 없이 제작한 미세유체장치가 적용되고 있다. 이 보고서에서는 미세유체장치와 이를 제 작할 수 있는 3D 프린팅 기술, 그리고 제작된 미세유체장치를 실제로 적용하여 수행된 연구를 간단히 소개하고자 한다.

1. 서론

 미세유체장치(Microfluidic Devices)는 작은 체적에서 유체의 흐름, 혼합, 반응 등을 조절하는 고도 의 정밀도를 요구하는 기술 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 미세유체장치는 의료 진단, 화 학반응 연구, 바이오센서 등 다양한 응용 분야에서 사용되고 있으며, 그중 3D 프린팅 기술은 이를 효 율적으로 제작하는 데 기여하고 있다.

 본 보고서는 미세유체장치의 제작에 3D 프린팅 기술을 활용하는 방법과 이를 통해 이루어진 활용 분야에 대해 다룬다. 3D 프린팅은 기존의 포토리소그래피(photolithography) 방식에 비해 사용자가 원 하는 디자인을 직관적이고 편리한 방법으로 제작할 수 있다. 특히 미세유체장치의 복잡한 구조와 작 은 특성들을 정확하게 제작할 수 있는 장점이 있다. 먼저 3D 프린팅의 주요 기술 중 Fused Deposition Modeling(FDM), Digital Light Processing(DLP), 그리고 Selective Laser Sintering(SLS)에 대해 간략히 소개하고, 각 기술이 미세유체장치 제작에 어떻게 활용되는지 살핀다.

2. 본론

2.1. 미세유체장치 제작을 위한 3D 프린팅 기술

 Fused Deposition Modeling(FDM) 방식은 열가소성 소재를 사용하여 노즐을 움직여가며 적층해 3 차원 모델을 생성하는 방식으로, 형상이 가지는 특정 높이에서의 단층을 따라 녹여 층을 쌓아가게 된 다. 이 기술은 비교적 저렴한 소재 사용이 가능하며, 사용이 간편하여 교육 및 가정 환경에서 많이 활 용된다는 장점이 있다. 그러나 수십 마이크로미터에서 100 마이크로미터 수준에 이르는 낮은 해상도 로 표면거칠기가 높아 비교적 큰 유로를 가지는 장치 제작에 활용하기에 용이하다.

 Digital Light Processing(DLP)는 광경화 수지를 활용하여 3D 모델을 형성하는 기술이다. 수업이나 회의에서 사용되는 빔프로젝터 내에 존재하는 Dynamic mirror array 나 레이저를 이용하여 광선을 조 절해 층을 형성한다. 이 기술의 장점으로는 빠른 속도와 높은 해상도가 있으나, 고가의 광경화 수지 사용으로 인해 소재 비용이 상대적으로 높고, 큰 부피의 모델 제작 시에는 시간이 소요될 수 있다. 현 재 미세유체장치를 제작하기 위해서 가장 많이 활용되는 방식이다. 일반적으로 20 마이크로미터 수준 의 해상도를 갖는 매우 정교한 제작이 가능하다.

 Selective Laser Sintering(SLS)은 레이저를 활용하여 파우더 상태의 소재를 가열해 결합시키는 방식 으로 모델을 생성하는 기술이다. 이 기술은 다양한 소재 사용이 가능하며, 지지체가 필요하지 않다는 장점이 있다. 그러나 고가의 장비와 소재가 필요하며, 특히 작은 부피의 모델 제작 시에는 효율이 낮을 수 있다.

2.2. 3D 프린팅으로 제작된 미세유체장치의 활용

2.2.1. 화학반응 및 질량분석

 Coltro 교수 연구 팀은 FDM 방식을 이용한 미세유체장치를 제작하고 화학반응을 위한 교반 및 생 성물의 질량분석을 위해 활용하였다.

 이 연구에서는 미세 분석의 빠른 결과, 높은 성능, 이동성 요구에 부응하기 위해 3D 프린팅 기술을 활용하여 제작한 미세유체장치를 소개하고, 이를 다이렉트 인퓨전 질량분광법(DI-MS)과 결합하여 화 학반응을 실시간으로 모니터링하는 방법을 다룬다. 미세유체장치는 소량의 용매와 시료 소모로 인해 유독물질 사용을 최소화하며, 효율적인 온도 제어와 빠른 혼합시간, 다양한 분석기술과의 결합 능력 등에서 기존 리액터와 대등한 성능을 제공한다고 소개하였다.

 과거에는 미세유체장치를 제작하는 데 반도체 공정과 같은 복잡한 기술과 시설이 요구되었으나, 최 근에는 3D 프린팅 기술이 도입되면서 본 연구에서는 특히 fusion and deposition modeling(FDM) 기 술을 사용하여 미세유체 혼합기를 제작하였다. 3D 프린팅은 빠르고 자동화된 제작 과정과 낮은 비용 으로 미세기기를 제작할 수 있는 장점을 제공하며, acrylonitrile butadiene styrene(ABS), polylactic acid(PLA), polyethylene terephthalate glycol(PETG), polystyrene(PS), polycarbonate(PC) 등 다양한 열 가소성 폴리머를 사용하여 제작할 수 있다.

 본 연구에서는 특히 3D 프린팅 기술로 제작된 미세유체 혼합기를 질량분석기와 직접 결합시키는 첫 시도를 소개하며, Katritzky 합성을 통해 화학반응의 성능을 평가하고 있다.

 미세유체장치는 Original Prusa i3 mk2/S 3D 프린터(Prusa Research s.r.o., 체코 프라하)를 사용하여 출력하였으며, 폴리락틱애씨드(PLA) 열가소성 필라멘트를 소재로 사용하였다. 미세유로는 단면이 1× 0.7mm 이며, 40 개의 L 자 모듈로 구성되어 있다. 또한 두 장치 모두 MS 분석에 사용하기 위해 1.5mm 지름의 구멍이 있는 채널 끝부분에 바늘을 삽입할 수 있도록 디자인되었다.

 장치의 혼합 성능 및 실제 화학반응의 확인을 위해서 Katritzky 반응을 도입하였다. Katritzky 반응 은 알데하이드나 키톤과 히드라진 또는 히드라진 유도체 간 유기화합물 합성반응이다. 이 반응은 카 르복실산 화합물을 합성하는 데 사용된다.

 실제 반응을 위해서 미세반응기에 TPP(2,4,6-triphenylpropyllium) 및 아미노산(글라이신 또는 알라 닌) 용액을 동시에 주입하고 장치 내 혼합 유로를 지나면서 혼합되도록 하였다. 이후 반응생성물은 장 치 끝에서 전기분무(electrospray)되어 질량분석기로 전달되었다. 연구 팀은 글라이신 및 알라닌과의 반응에서 생성된 양이온이 각각 m/z 366 [M]+(Fig. 4B) 및 m/z 380 [M]+에서 감지됨을 관찰하고 질 량분석 실험을 통해 반응생성물의 구조를 확인하였다. 추가로 Y-형 채널 및 3D 세편 채널로 설계된 장치들과의 비교 실험을 통해 마이크로채널 내에서 혼합의 효과를 확인하기 위해 다양한 유속(25, 50, 75 및 100 μL min−1 )으로 반응물 용액을 주입하는 실험을 수행하였다. 유속이 증가함에 따라 두 생성 물을 나타내는 m/z 366(TPP 와 글라이신 간의 반응) 및 m/z 380(TPP 와 알라닌 간의 반응)에서 상대 적 빈도가 증가함을 확인하였다.

...................(계속)

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