Korean Chemical Engineering Research

141 PISSN 0304-128X, EISSN 2233-9558

액적 기반의 미세유체 시스템을 이용한 초고속 대용량 스크리닝

정헌호· 노영무·장성찬·이창수^† 충남대학교 화학공학과 305-764대전광역시 유성구 궁동 220

(2013년 8월 27일 접수, 2013년 9월 19일 수정본 접수, 2013년 9월 25일 채택)

Droplet-based Microfluidic Device for High-throughput Screening

Heon-Ho Jeong, Young-Moo Noh, Sung-Chan Jang and Chang-Soo Lee^†

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University, 220 Gung-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-764, Korea (Received 27 August 2013; Received in revised form 19 September 2013; accepted 25 September 2013)

요 약

액적기반의 미세유체 시스템은 마이크로 시험관으로서 화학, 생물학 연구에 적용하기 위해 개발되었다. 미세유체 시 스템에서 피코부피(picoliter)의 매우 작은 액적은 소형화된 시스템 내에서 잘 정형화 되고 구획화된 반응기로 제공되 어 진다. 매우 작은 액적에서의 반응은 자동화된 초고속 대용량 스크리닝 시스템을 통하여 저가이면서 고효율적으로 수행될 수 있다. 본 총설에서는 액적 기반의 미세유체시스템의 기능들인 액적 형성, 정교한 액적 제어, 다양한 응용분 야에 대해 소개하고자 한다. 또한 화학적, 생물학적 새로운 응용분야에 관해 알아보고, 기존의 방법과 비교하여 액적 기반의 미세유체 시스템이 갖는 장점에 관해 논의하고자 한다.

Abstract − Droplet based microfluidic systems have been developed for the application of biological and chemical research field. A picoliter droplet in microfluidic device provides a compartmentalized and well-defined reactor in min- iaturized system. The microfluidic system with small droplets can reduce reagent cost and enhance efficiency through automated high-throughput screening system. In this review, we summarize the functionality of droplet based microf- luidic system including droplet generation, precise droplet control, and various applications. In addition, this article reviews current applications in chemistry and biology, and discuss advantages of droplet based microfluidics compared with conventional manner.

Key words: Microfluidic Device, Droplet, High-throughput Screening, Micro-reactor, Emulsion

1. 서 론

미세유체 기술은 마이크로 크기의 미세유로를 기반으로 이루어지 는 기술로서 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 응용이 가능하다[1-3].

흔히 손가락만한 크기의 시스템 하나로 실험실에서 수행할 수 있는 연구를 가능하게 하는 “랩온어칩”(Lab-on-a-chip)의 기본 기술로 각 광을 받고 있다[4-6]. 미세유체 시스템은 값비싼 시약을 매우 적은 부 피만으로 실험이 가능하여 비용이 절감되는 장점이 있다[7]. 또한 매 우 빠른 혼합으로 인한 반응시간 단축, 고감도의 검출, 자동화가 가 능하여 초고속 대용량 스크리닝(High-throughput screening) 기술로 이용될 수 있다[8,9]. 최근의 미세유체시스템은 단 한번의 실험으로 다양한 조건의 실험을 할 수 있는 기술, 재사용(reusable) 및 휴대

(portable)가 가능한 시스템, 그리고 외부 동력시스템인 시린지 펌프 없이(pump-less) 피펫만으로 구동이 가능한 시스템이 개발되어 사용 자가 매우 편리하게 이용할 수 있는 수준까지 개발이 되고 있다[10-14].

액적기반의 미세유체 기술은 서로 섞이지 않는 오일(oil)과 수용액 (aqueous)을 이용하여 크게는 나노리터(nano-liter)부터 작게는 피코 리터(pico-liter) 부피를 제어할 수 있다. 이때 액적은 마이크로반응 기의 역할을 하여 초소형화된 마이크로공장(microfactory) 내에서 다 양한 화학적, 생물학적 반응을 통해 고효율로 고품질의 최종산물을 얻을 수 있다. 마이크로 액적은 미세유체시스템 내에서 유체의 전단 력, 물리적, 전기적 힘을 이용한 기술이 개발되었다. 이는 기존의 대 용량 액적 형성방법보다 매우 균일한 크기의 액적이 형성되며, 각 단 일 액적은 결국 단분산성 분자의 몰수를 갖게 되어 고품질의 최종산 물을 얻는데 유리할 수 있다[15,16]. 또한 각 액적들은 계면활성제에 의해 안정화되어 액적 간의 오염이 되지 않으며, 개별적인 마이크로 반응기로서 분석 또는 응용할 수 있다[17,18]. 앞서 언급한 장점들로 인해 미세유체 기술을 이용한 액적 제어 기술이 다양하게 발전되고 있으며, 응용범위가 매우 다양해지고 있다.

†To whom correspondence should be addressed.

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총 설

액적기반의 미세유체 기술은 크게 두 가지인 연속적인 동적 액적 시스템과 정적 액적 마이크로어레이로 나눌 수 있다. 동적 액적은 연 속적인 흐름을 이용하여 액적을 형성한 후 마이크로채널의 하류부분 에서 고감도의 검출기로 정량/정성 분석을 한다[19,20]. 액적은 매우 빠른 속도로 형성 및 이동되어 액적 내에서 강한 대류흐름이 존재하 여 혼합이 효과적으로 이루어진다[21]. 이때 액적 내의 조성은 서로 다른 조성의 두 채널의 연결지점에서 접촉하면서 변화할 수 있으며, 이와 동시에 액적을 형성하여 혼합이 이루어진다. 다른 방법으로는 마이크로 채널의 하류부분에 추가적인 시스템으로 두 액적의 융합을 유도할 수도 있다[22]. 따라서 이러한 매우 빠른 연속적인 흐름에서 의 액적 제어를 통해 초고속 대용량 스크리닝을 구축할 수 있다. 하 지만 동적 액적은 마이크로 채널 내에서의 체류시간이 짧아 off-chip 에서 추가적인 저장시스템이 필요하며, 액적 내의 조성을 변화시키 는 기술이 제한적인 단점이 있다. 외부의 저장시스템에서는 액적들 이 서로 맞닿아 있어 서로 융합이 되어 오염이 될 수 있다. 또한 서 로 다른 액적의 조성을 분석하기 위해서는 추가의 암호화 기술이 필 요하게 된다.

이와 반대로 정적 액적 기반의 마이크로어레이 기술은 형성된 액 적을 정형화된 자리에 위치시켜 정성/정량 분석하는 방법이다 [23,24]. 고정화된 액적은 실시간 관찰이 가능할 뿐만 아니라 마이크 로어레이의 위치를 암호화하여 특정 액적을 선별하여 장시간 동안 관찰 및 분석할 수 있다. 또한 마이크로어레이 플랫폼은 정형화된 시 스템이므로 관찰 및 분석의 자동화가 가능하여 초고속 대용량 스크 리닝이 가능하다. 하지만 액적의 마이크로 어레이의 개수의 증가는 시스템 크기의 증가를 초래하는 단점을 가지고 있다. 또한 극소량의 부피를 외부환경의 변화로부터 장시간 고정하기 위해서는 액적의 부

피 및 조성을 유지할 수 있는 기술이 요구된다[25,26].

앞서 언급한 동적/정적 액적 기반의 미세유체시스템은 정교한 액적 제어 기술이 필수불가결하며, 두 시스템의 장점을 극대화할 수 있는 시 스템 개발이 요구되고 있다. 또한 기존의 초고속 대용량 스크리닝을 위 해 이용된 고가의 로봇 시스템을 대체할 수 있는 기술로 기대를 모 으고 있다. 액적 기반의 초고속 대용량 스크리닝 기술은 수천~수만 가지의 경우의 수를 갖는 약물 및 화학 합성 물질을 개발하는데 응 용이 가능할 뿐만 아니라, 기존의 방법으로 어려움이 많았던 단일세 포, 효소, 및 분자에 대한 연구도 가능하다.

본 총설에서는 액적기반의 미세유체칩을 기반으로 액적의 형성과 제어 방법에 대해 알아보고자 하며, 이를 기반으로 다양한 화학적/생 물학적 응용을 위한 초고속 대용량 스크리닝 기법을 소개하고자 한다.

2. 미세유체 시스템을 이용한 액적 형성

미세유체 채널 내에서 유체는 층류(laminar flow) 흐름을 보이며, 두 물질의 혼합은 확산으로만 이루어진다는 특징이 있다. 또한 체적에 대한 표면적이 넓다는 특징이 있고, 관성보다는 표면장력의 영향을 많이 받는다. 이러한 특징을 이용하여 최근에 여러 분야에 응용이 되 면서 미세유체 기반 액적 생성 시스템들이 제시되고 있다. 반도체 기 본 공정인 포토리소그래피(Photolithography)와 소프트리소그래피 (softlithography) 공정을 통하여 제작된 미세유체 시스템은 구조에 따 라서 T-junction, flow-focusing, 마이크로 밸브를 이용한 시스템으 로 나뉘어지며, 액적 기반 미세유체 시스템으로 만들어진 액적의 경우 크기의 분포가 매우 좁은 단분산성의 액적을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 액적의 생성은 서로 섞이지 않는 두 유체를 미세유체

Fig. 1. Microfluidic method for generation of droplets. (a) T-junction [16], (b) Flow-focusing [27], (c) Microvalve [28], and (d) digital microf- luidics [29].

채널에 주입하고 서로 교차되는 지점에서 연속상의 전단력(shear stress)에 의해 분산상이 끊어지게 되면서 액적이 생성되는 원리이 다(Fig. 1).

2-1. T-junction and flow-focusing

미세유체 기술을 이용한 액적 형성 방법으로 가장 많이 쓰이는 방 법은 T자 형태로 접해있는 채널을 이용한 방법이다(Fig. 1A). T 자 형태의 채널 접합부(T-junction)에서 서로 섞이지 않는 두 유체를 만 나게 하여 유체의 흐름 차에 의해 액적을 형성하는 방법이다[16]. T- junction 채널에는 Inlet을 통하여 연속상(continuous phase)과 분산상 (dispersed phase)을 주입하면 접합부에서 두 유체가 만나게 되며 분 산상의 앞부분이 주 채널로 들어오게 되고, 주 채널을 흐르는 연속 상의 전단력(shear force)에 의해 목 부분에서 분산상이 점차 가늘어 지다가 끊어지게 된다. 이렇게 형성된 액적은 연속상을 따라 이동하 게 된다. 이런 현상은 일정하게 주입되는 유체에 의해 반복적으로 일 어나면서 크기가 균일한 액적을 생성할 수 있게 된다. 이때 형성되 는 액적의 크기는 두 채널의 너비와 높이, 유체의 속도, 두 유체의 계 면 장력 등의 다양한 변수에 의해 결정된다. T-junction 방법보다 좀 더 안정적이고 제어가 편리한 액적을 형성하기 위해 변형된 디자인은 flow-focusing 방법이다(Fig. 1B). 이 방법은 분산상과 연속상이 채널의 입구에서 만나게 되고, 분산상의 양쪽으로 대칭적으로 위치한 연속 상의 전단력에 의해 끊어지게 되며 액적을 형성하게 된다[27]. T- junction이나 flow-focusing은 연속상의 전단력에 기초를 두고 있기 때문에 비슷한 변수를 통해 액적의 크기를 조절을 할 수 있다. 따라 서 채널의 크기, 액적의 유속, 점도 등의 변수는 액적 형성에 중요한 물리적 변수가 된다.

2-2. 마이크로밸브(Microvalve)

단분산성의 미세 액적을 이용한 많은 분야의 연구가 활발해지고 있지만 화학적, 생화학학적 스크리닝, 나노 입자 합성, 단백질 결정 화, 효소 속도론(enzyme kinetics), PCR 반응과 같은 정교한 부피 조 절이 필요한 분야에 이용되기 위해서는 유체 흐름을 더욱 정교하게 조절하여 액적을 형성시킬 수 있어야 한다[28]. 따라서 T-junction과 같은 디자인의 분산상 채널 입구에 마이크로 밸브를 위치시켜 놓으 면 밸브를 열고 닫음으로써 유체의 흐름을 정교하게 조절할 수 있고, 액적 생성은 T-junction의 원리와 비슷하여 서로 섞이지 않는 유체를 연속상과 분산상에 흘려주고 분산상의 흐름을 밸브로 조절하여 액적 을 만들 수 있다(Fig. 1C). 액적이 열려있는 마이크로 밸브에 위치하 였을 때 마이크로 밸브를 닫게 되면 액적이 절단되면서 앞부분의 액 체는 주채널로 이동하면서 단일 액적이 형성된다. 또한 밸브의 작동 빈도수 조절을 통하여 액적의 크기 및 생성빈도수를 정교하게 조절 이 가능하다는 장점을 가지며, 액적 형성을 실시간으로 조절이 가능 하다는 장점을 갖는다.

2-3. 디지털 미세유체(Digital Microfluidics)

디지털 미세유체 기술은 전기장을 이용하여 액적의 생성, 이동, 혼 합 등의 제어를 하게 된다[29]. 따라서 기존의 미세유체 칩을 사용하 기 위한 부수적 장치들 때문에 특정 분야에만 사용되는 단점을 보완 해 줄 수 있는 기술이다. 디지털 미세유체 시스템의 원리는 바닥면 과 윗면에 놓여진 전극을 통하여 전압을 변경하여 액적과 표면의 계 면장력을 조절하게 된다(Fig. 1D). 이를 이용하면 전극을 통하였을

때 액적의 계면장력이 줄어들며 액적이 표면에 더 많이 wetting되 며, 이 현상을 이용하여 디지털 미세유체 칩의 액적이 이동하게 된 다. 또한 디지털 미세유체 칩을 이용하면 컴퓨터로 프로그램화 된 논 리적인 유체의 이동과 혼합을 조절할 수 있으며, 미리 설정된 경로 를 통하여 원하는 방향으로 이동을 할 수 있다는 장점이 있다. 액적 의 혼합과 분리도 프로그램화하여 혼합이 필요하거나 분리가 필요할 때 미세유체장치 내에서 액적을 만나도록 설정하거나 분리되도록 제 어가 가능하게 된다. 디지털 미세유체 기술은 전기장을 이용해야 하 기 때문에 전극을 포함하는 별도의 칩 제작 방법이 복잡하다는 단점 도 가지고 있지만, 정교한 액적의 제어를 필요로 하는 다양한 분야 에 응용이 될 수 있는 기술이다.

3. 미세유체 시스템을 이용한 액적 제어

미세유체 시스템 내에서의 액적 형성 기술은 앞서 기술한 몇 가지로 정형화가 되었고, 따라서 액적 제어 기술 개발의 집중도가 높아졌다.

최근 몇 년간 유체역학에 따른 다양한 구조의 구현을 통해 칩 내에 서의 다양한 액적 제어 기술이 개발되었다.

3-1. 다중액적 형성과 동기화(Multiple droplets generation and synchronization)

미세유체 시스템 내에서 액적 하나 하나는 수 펨토리터에서 수백 나노리터의 부피를 가진 “시험관”으로 생각될 수 있고, 각각 다른 시 약을 포함한 두 가지 이상의 액적을 동시에 형성하는 기술은 액적 기반 미세유체 시스템의 장점인 초고속 대용량 스크리닝(high-throughput screening), 조합 합성(combinatorial synthesis) 등을 부각시킬 수 있는 기술이다.

다중 액적을 형성하기 위해서 분산상을 제어하는 기술의 필요성이 제기되었고, 기존의 T-junction 방법과 Flow-focusing 방법에서의 여 러 가지 변형 기술이 개발되었다. 분산상의 주입구에 시약이 담긴 카 트리지를 교체하며 분산상을 주입하는 방법, 이미 생성된 액적에 다 른 성분의 분산상을 추가하는 방법, 그리고 분산상이 연속상과 합류 하는 채널 부분에 분산상 여러 개의 유로를 하나로 합치는 등의 방 법을 통해 다중 액적을 형성하였다(Fig. 2A)[30]. 또한 액적의 생성

Fig. 2. Generation of multi-component droplet method. (a) Sequential injection of solution [30] and (b) On demand generation using microvalve at separated injection microchannels [31].

자체를 제어하기 위해 칩의 구조를 이중층으로 만들고 Microvalve를 분산상의 유로에 설치하는 방법 또한 개발되었다(Fig. 2B)[31].

액적을 다중으로 형성하는 기술 자체는 분산상의 주입구와 유로 를 추가하고 칩 내부의 압력을 조절하여 해결할 수 있었으나, 형성 한 뒤 액적을 제어하는 과정에서 각각의 액적의 이동 속도를 예상 할 수 없고, 액적이 융합되는 위치가 정확히 조절되지 않는 문제가 있었다.

위 문제를 해결하기 위해서는 유체역학적 특성을 이용하기 위한 추가적인 구조가 필요하며 생성된 액적을 동기화할 수 있는 몇 가지 기술이 개발되었다[32,33]. 미세유체 시스템에서의 다중액적 형성과 동기화를 하는 가장 대표적인 방법은 액적이 이동하는 채널 바깥쪽 으로 연속상이 흘러갈 수 있는 교차로를 추가하여 유체의 흐름 균형 을 맞춰주는 방법과 다중 액적의 이동경로 사이에 채널을 만들어 양 쪽으로 흘러가는 유체의 저항 균형을 맞춰주는 방법이 있다(Fig. 3).

액적의 동기화는 액적이 이동하는 채널 각각에서 연속상에 걸리는 유체의 저항이 동일할 때 가능하다. 연속상이 분산상과 만나기 전의 유로 양쪽으로 갈라지는 채널을 두어 액적의 이동 경로에 각각 연결 하면 불균일한 채널의 저항을 어느 정도 균일하게 할 수 있는 조절 시스템이 된다. 균일하게 형성된 채널 내의 저항을 통해 연속상과 분 산상의 유속을 조절하면 액적을 Y자형 채널에서 융합되게 하거나 한 쌍으로 흘러가게 할 수 있다(Fig. 3A). 유체역학적으로 저항이 계산 된 철도 구조의 채널을 배치함으로써 채널에서 유체의 저항을 동일 하게 하고, 서로 다른 유속을 가지는 액적들이 채널을 지나가면서 동 일한 속도를 갖게 하는 기술도 소개된 바 있다. 또한 위아래로 생성 된 액적의 크기가 다를 때에도 크기 비율에 반비례한 액적의 숫자로 동기화되는 것을 보여주었다(Fig. 3B).

3-2. 액적 분할(Droplet splitting)

생성된 액적들을 분할하는 것은 동일한 시간 동안 하나의 시스템 내에서 형성할 수 있는 액적의 수를 두 배 혹은 그 이상으로 증가시 킬 수 있어 시스템의 처리능력을 향상시킬 수 있는 중요한 기술이다.

칩 내에서 이미 생성된 액적의 농도를 제어하여 다양한 병렬 실험을 하는데 액적 분할 기술이 이용될 수 있다.

현재까지 개발된 액적을 분할하는 방법은 두 갈래로 갈라지는 유 로를 이용하는 방법과 채널 내에 장애물을 설치하는 방법 등 채널의 구조를 이용하는 방법들이 있다[34-36]. 이는 기본적으로 액적의 한 부분에 힘을 가하여 분할되도록 유도하고 있다. 최근에는 마이크로 밸브를 이용한 액적 분할 방법이 소개되었다(Fig. 4). 마이크로밸브 의 작동으로 인해 마이크로 채널의 공간이 비좁아져 액적에 가해지 는 압력이 증가된다. 액적이 비좁아진 유로를 통과하면서 액적은 연 속적으로 분할이 된다. 또한, 마이크로밸브의 압력의 조절에 따라 유 체의 저항이 조절되기 때문에 액적의 분할 정도를 정교하게 제어할 수 있다. 이는 다양한 크기로의 액적을 분할하기 위해 여러 형태의 구조물을 두는 것 보다 마이크로밸브를 이용하여 하나의 구조에서 다양한 형태의 액적 분할을 유도할 수 있는 장점이 있다. 이러한 액 적 분할 미세유체시스템을 통하여 균일한 분산성을 갖는 액적을 효과적으로 형성할 수 있다.

3-3. 액적 융합(Droplet merging)

미세유체 시스템 내에서 서로 같거나 다른 성분의 액적들을 융합 하는 기술은 다방면의 화학적, 생물학적 연구에 응용이 될 수 있는 기술로써 다양한 크기의 입자 제조, 유체 거동의 동역학적 연구, 그 리고 생체분자 합성 및 모방에 있어 매우 중요한 기술이다. 액적의 융합이 일어나는 시점이 불규칙하거나 원치 않는 액적과 융합이 되는 경우는 앞서 말한 응용분야에 있어 효율이 떨어지는 결과를 불러올 수 있다. 현재까지는 미세유체 시스템 내부의 채널 구조를 변형하거 나 추가 설치함으로써 액적의 융합을 유도하는 방법이 많이 개발되 었다. 굉장히 빠른 유속에서 서로 다른 액적의 생성 빈도수를 제어 하는 것이 가장 중요한데 이것은 분산상과 연속상의 유속을 서로 조 절하고 채널의 구조를 변형하여 유체역학적인 설계를 통하여 가능하 다[37]. 앞서 기술된 두 액적의 흐름을 동시화시킨다면 서로 다른 두 조성의 액적의 융합을 유도할 수 있고 액적 내에서의 연속적인 혼합 하에 반응을 진행시킬 수 있다. 뿐만 아니라 서로 다른 시약을 포함 한 액적 각각의 계면장력을 이용하여 융합시키는 방법[38], 채널의 구조를 통해 유속이 느려지는 구조가 있는 부분을 설치하는 방법 Fig. 3. Droplet synchronization. (a) Passive synchronization of two

droplet generator [32] and (b) Parallel synchronization using a railroad-like structure [33].

Fig. 4. Microvalve based droplet splitting [35]. (a) Structure of microv- alve integrated microfluidic channel and (b) Time-lapse image of droplet splitting by microvalve.

[39], 그리고 액적이 진행하는 채널에 다른 액적이 들어오는 채널을 설치하여 융합시키는 기술들이 개발되었다(Fig. 5)[40].

서로 다른 계면장력을 가진 액적은 채널 내에서 연속상의 흐름에 따라 이동속도가 다르게 된다. 높은 계면장력을 가진 액적은 낮은 계 면장력을 가진 액적보다 이동속도가 느리게 되는데, 이것을 이용하여 두 종류의 액적을 교차 생성하고 길게 이어진 관형 반응기 형태의 채 널에서 융합시킨 뒤 반응을 관찰하였다(Fig. 5A). 일정한 폭으로 이 어진 채널에 폭이 넓어지는 부분을 설치하여 액적의 속도를 순간적 으로 느리게 하고, 다음 액적과 융합된 다음에 다시 좁아진 채널 폭 을 통해 이동하게 하는 방법 또한 제안되었다(Fig. 5B). 이 때 채널 은 급격히 넓어지므로 액적의 크기 또한 그에 맞게 형태가 바뀌며, 유체의 흐름은 채널 사이의 공간으로 나뉘면서 액적에 적용되는 압 력이 감소하여 더 이상 이동하지 않는다. 이 때문에 본 채널의 폭과 같은 부분에 기둥을 설치하였다. 일정한 빈도와 크기로 생성되는 액 적이 이동하는 채널에 다른 시약을 포함한 액적이 들어오는 채널을 연결하여 두 액적을 한 쌍으로 형성시켜 준 뒤, 주 채널 내의 유체 흐름에 영향을 미칠 수 있는 연속상이 들어오는 가지 채널을 연결하 여 융합시킨 기술 또한 소개된 바 있다(Fig. 5C). 이러한 융합기술은 액적 내의 조성을 변화시켜줄 수 있으며, 반응을 개시할 수 있어 생 화학적 반응에 있어 가장 요구되는 기술 중에 하나이다. 액적 간의 융합에 있어 오류를 줄이기 위해 액적의 동기화가 같이 이루어지는 것이 중요하다고 할 수 있다.

3-4. 액적 고정(Droplet trapping)

미세유체 시스템 내에 액적을 고정하는 것은 연속적인 흐름상태에 있는 액적보다 지속적인 관찰을 용이하게 하고 동시다발적인 제어를 가능하게 하는데 그 의미가 있다. 암세포를 포함한 동물 세포주들과 미생물들의 독성 테스트와 항생제 스크리닝을 하는 실험에는 실시간 이면서 지속적인 관찰이 요구되기 때문에, 액적을 채널 내에 고정시 키는 것은 매우 중요하다. 액적을 시스템 내의 구조물에 고정시키기 위해서는 정밀한 유체역학적 계산이 필요한데, 연속상이 지나가는 채널 중간에 위치한 공간에 입자를 고정시킨 방법이 소개되었다. 유 체의 흐름을 양갈래로 나누어지도록 하며 한쪽 방향에는 고정화될 수 있는 좁은 채널로 연결되도록 설계할 수 있다. 이때 입자가 고정 채널에 위치하게 되면, 더 이상 고정채널방향으로의 유체 흐름이 차 단된다. 이러한 형태의 구조를 연속적으로 위치시켜 액적 어레이를 형성할 수 있게 된다[41,42]. 또 다른 방법으로는, 넓은 폭의 마이크 로채널 내에 구조물을 두어 액적을 고정화할 수도 있다. 유체의 흐 름에 따라 구조물의 좁은 영역에 고정화되며, 반대로 유체를 흘려 주면 다시 빠져나오는 형태를 취할 수 있게 된다[23,43]. 더 나아가, 마이크로밸브를 이용하여 유체의 유로를 설정하여 원하는 위치에 액 적을 고정화시켜 어레이 형태의 플랫폼을 형성시키는 기술이 고안되 었다[44]. 고정채널에서 액적들이 연속적으로 융합이 되면서 채널 내 부를 완전히 채워줄 수 있으며, 마이크로 밸브의 작동에 따라 다양 한 조성의 액적 어레이를 형성할 수 있게 된다. 이러한 액적의 고정 Fig. 5. Various droplet merging methods. (a) Interfacial tension-mediated droplet merging [38] and (b) Pillar structure method [39], and (c)

flow-induced droplet merging [40].

화 기술은 마이크로 액적 어레이를 형성할 수 있는 기본기술이며, 정 형화된 분석 플랫폼을 구축하기 위해 다양한 기능의 어레이를 개발 하려는 노력이 이루어지고 있다.

3-5. 액적 분류 및 방출(Droplet sorting and releasing) 액적을 미세유체 시스템 내에서 분류하고 방출하는 기술은 오류가 있는 액적을 제거하고 원하는 액적을 선택적으로 수집할 때 중요하 게 사용된다. 마이크로채널 내에서 액적의 크기에 따른 유체역학적 특성의 차이를 이용하여 액적을 분류한 방법, 전기신호를 이용하여 액적의 신호를 감지하여 유체의 흐름을 제어하여 분류하는 방법, 그 리고 디지털 미세유체 기술을 이용한 액적제어를 통해 분류하는 방 법들이 소개되었다. 섞이지 않는 두 유체를 Rayleigh-Plateau 불안정 성에 따라서 연속상 내에 분산상을 길게 늘어뜨리면서 액적을 형성 할 수 있다[45]. 분산상에 포함된 세포는 액적의 크기보다 큰형태로 액적 내로 캡슐화가 되며 세포를 포함하지 않은 액적은 상대적으로 크기가 작다. 서로 다른 크기의 액적은 유체역학적 흐름이 서로 다 르며 이를 이용하여 세포를 포함한 액적만을 분류해 낼 수 있다[46].

크기가 큰 액적은 폭이 넓어진 영역에서 직선형태로 이동을 하며, 상 대적으로 크기가 작은 액적은 유체의 전단 흐름을 따라 이동하여 꺽 이는 흐름을 보이고 있다[47,48]. 이러한 특성을 이용하여 세포가 포 함된 액적과 빈 액적은 액적의 크기가 달라지며 이에 따라 분류할 수 있음을 증명하였다. 또한 액적의 검출 신호를 이용하여 전기적 제어 를 통해 액적을 분류하는 기술도 개발되었다[49]. 액적 내의 신호는 레이저를 이용하여 검출하며, 이와 동시에 전기신호를 이용하여 액 적의 흐름을 유도하게 된다. 따라서 액적의 신호 유무에 따라 액적의 흐름을 제어하여 저장채널과 제거채널로 나누어 분류할 수 있게 된 다. 액적 기반의 마이크로 어레이에서도 고정화된 저장채널로부터 전기적 힘을 이용하여 액적을 선택적으로 방출할 수 있는 기술도 개 발되었다[50]. 어레이 채널에 위치한 액적을 전기적 힘을 이용하여 유체가 흐르는 바깥 채널 쪽으로 밀어내어 방출시킬 수 있다. 이러 한 초고속 대용량 액적 분류기술을 바탕으로 원하고자 하는 샘플만 을 분류하여 분석의 효율성과 정확성을 증대시킬 수 있게 된다.

4. 액적기반의 초고속 대용량 시스템의 응용 미세유체시스템을 이용한 정밀한 액적의 제어를 통해 기존의 상 업화 및 연구를 위해 이용하였던 화학적/생물학적 반응들을 적용하 기 위해 많은 연구가 진행되었다. 마이크로액적과 같이 소형화된 반 응기에서는 매우 빠른 혼합으로 인해 균질의 생산물이 형성되어 그 가치가 높아지고 있다. 따라서 액적 기반의 다양성 있는 응용분야를 소개하며 새로운 부가가치에 대해 알아보고자 한다.

4-1. 화학반응(Chemical reaction)

미세유체 시스템 기반의 액적은 현존하는 수많은 화학물질에 대 한 반응들을 초고속 대용량 스크리닝을 위한 매우 이상적인 분석 플 랫폼으로 제공될 수 있다. 마이크로 액적은 표면적 대 체적비 (surface-to-volume)가 높으며 액적 내에서 연속적인 순환흐름으로 인 한 혼합으로 화학반응에 매우 적합하다. 또한 나노리터 이하의 수준 에서 수행되기 때문에 비용이 매우 절감되며, 환경적인 면에서 오염 배출을 줄일 수 있는 장점도 있다.

마이크로 반응기로서의 액적은 유기물질 합성에도 이용되어 왔다.

한 예로, ouabain hexaacetate (Ac6-OUA)의 탈아세틸화(deacetylation) 반응을 마이크로 액적 내에서 수행하였다[51]. Ouabain (OUA) 유도 체는 독성이 있는 강심배당체(cardiac glycoside)이며, 신경세포의 나 트륨 이온 펌프(Na-K-ATPase)를 억제하는 물질이다. 기존의 방법에 서는 Ac6-OUA의 선택적인 탈아세틸화 반응으로 단지 22% 수율로 ouabain triacetate (Ac3-OUA)를 얻었지만, 액적 기반의 미세유체 시 스템에서는 수율이 85%로 급격하게 증가되었다. 또한 수용성의 마 이크로 액적 내에서 촉매반응을 통해 Suzuki-Miyaura coupling 반응 연구도 가능하다[52,53]. 이는 2상의 촉매역할을 할 수 있는 양친매 성 물질을 제작하여 액적을 안정화시킬 수 있는 계면활성제로 이용 하였다. 계면활성제는 구아니딘(guanidine)과 팔라듐 촉매제의 친수 성 머리부분과 플르오르성(fluorous) 물질로 구성된 꼬리부분으로 구 성하여 액적 내에서 촉매반응을 유도하였다[54]. 플르오르-물의 계 면에서 정렬된 촉매제는 액적의 안정화와 촉매반응의 역할을 동시에 수행할 수 있는 기능성 마이크로 액적을 제작하여 산업적 촉매반응 에 이용할 수 있음을 증명하였다(Fig. 6A).

마이크로 액적은 유기물 기반의 반응뿐만 아니라 무기물을 이용 한 나노물질 합성에도 매우 유용하다[55-59]. 현재 다양한 기능성 나 노입자를 이용하여 화학적 촉매, 플라즈몬, 광전자 공학, 생물학적 센 서 등을 개발하여 왔다[60-62]. 이러한 나노입자의 기능성을 높이기 위해 액적 기반의 마이크로 시스템을 이용하게 되었다. 미생물을 이 용하여 나노입자를 형성하기 위해서는 금속 결합 단백질(metal binding protein)을 미생물에서 발현시켜 금속이온의 결합체를 형성 하여 나노입자를 합성할 수 있다(Fig. 6b)[57,63]. 이때 균질의 나노 입자를 합성하기 위해서는 미생물과 금속이온의 농도를 일관되게 유 지해 주어야만 한다. 미세유체 시스템은 단분성의 부피를 갖는 액적 을 형성할 수 있어, 개별적인 액적에 포함된 미생물과 금속이온의 농 도의 차이를 효과적으로 줄일 수 있다. 이렇게 매우 균일한 환경에 서의 합성 조건은 기존의 대용량상태 보다 균일한 나노입자를 합성 할 수 있어 성능 또한 증가시킬 수 있다. 또 다른 예로 기능성 마이 크로 입자를 제작하기 위해 표면에 균일하게 나노입자를 형성하기 위해서도 마이크로 액적을 이용한다(Fig. 6c) [64]. 이는 플라즈몬 실 리카입자(silica particle)를 제작하기 위해 표면에 금을 나노미터크기 의 두께로 형성시킬 경우 각 실리카 입자에 매우 균일한 두께의 금 을 코팅할 수 있으며, 실리카입자의 표면에 형성된 금나노입자의 두 께에 따른 흡광도 차이를 줄여 매우 뚜렷한 흡광 peak를 보이므로, 신호를 검출하는데 있어 효과적으로 noise를 줄일 수 있다(Fig. 6D).

미세유체 시스템에서는 이보다 더욱 복합한 반응들도 수행할 수 있다. 약물을 개발하기 위해서는 다양한 화학물질들의 조합을 통해 서 이루어진다[65,66]. 화학물질의 조합은 수천~수만 가지의 반응 조 건을 달리하여 수행되며 매우 높은 노동력이 요구된다. 따라서, 초고 속 대용량 스크리닝 미세유체 시스템을 이용하여 수천~수만 가지의 반응을 효과적으로 수행하고자 하는 노력이 이루어지고 있다[67]. 미 세유체 시스템 내에서 액적의 형성과 융합을 통해 반응을 유도할 수 있으며, 각 액적의 구성을 달리하여 조합시켜 더욱 효과적으로 약물 합성을 할 수 있는 방법이 개발되었다(Fig. 7). 이 방법은 먼저 서로 다른 조성의 액적을 암호화 하여 라이브러리(library)를 제작하여 미 세유체 시스템에 흘려준다. 그리고 튜브 내에서는 오일을 이용하여 각기 다른 성분의 액적 플러그(plug)를 채운 후 미세유체 칩 내에서 순차적으로 액적을 형성하여 준다. 미세유체 칩 내에서는 암호화된 액적과 각기 다른 성분의 액적 플러그로부터 형성된 액적을 순차적

으로 정렬시킨 후 전기적 힘으로 액적들을 융합을 하여 조합적인 합 성을 수행할 수 있다. 이러한 미세유체 시스템은 단 한번의 셋팅으 로 수많은 경우의 수를 갖는 화학 합성을 수행할 수 있어 초고속 대 용량 스크리닝 기술로서 각광받고 있다.

따라서 이러한 액적 기반의 미세유체 시스템을 유/무기 합성에 응 용하여 기존의 방법보다 질적으로 높은 물질들을 제작할 수 있으며, 약 물개발에 소요되는 시간과 노동력을 매우 효과적을 줄일 수 있게 된다.

4-2. 중합효소 연속 반응(Polymerase chain reaction, PCR) 현대의 분자생물학은 PCR을 기반으로 하는 유전자 분석법을 기

반으로 급속히 발전되어 왔으며, reverse transcriptase PCR (RT-PCR), digital PCR 등의 방법이 있다. 최근에는 액적 기반의 미세유체 시스 템을 이용하여 PCR을 수행하기 위한 방법론이 개발되고 있다[68,69].

PCR을 수행하기 위해서는 열전달이 매우 잘 일어나며, 혼합이 매우 빠른 나노리터 이하의 액적이 효과적이다. 세포로부터 추출된 유전 자는 매우 극소량으로서 매우 적은 부피이면서 저농도의 샘플을 다 루기 위해서는 미세유체 시스템이 매우 유리하다.

액적 기반의 미세유체 시스템 내에서 온도제어를 통해 PCR을 수 행할 수 있는 방법이 개발되고 있다[70,71]. 형성된 PCR 액적이 연 속적인 흐름 하에 있는 경우 미세유체시스템 내에서 체류시간을 높 Fig. 6. Droplet-based chemical reaction. (a) Catalytic reaction in biphasic solution [54], (b) Nanoparticle synthesis using metal binding protein

[57], and (c-d) Gold nanoshell synthesis [64].

이기 위해 매우 긴 미세유체 채널로 디자인이 되었으며, 각 채널의 영역은 65도와 95도로 나뉘어져 있다(Fig. 8A). 액적은 길게 연결되 어 있는 미세유체 채널의 두 온도영역을 연속적으로 통과하면서 PCR이 수행될 수 있다. 이때 매우 길며 복잡한 미세유체 채널이 요 구되는 단점이 존재하고 있으며, 채널의 길이가 길수록 압력강하로 인한 액적의 이동 속도의 변화로 일관성 있는 반응이 진행될 수 없 다. 이와 반대로, 미세유체채널 내에 정체된 상태의 PCR 액적은 체 류시간을 증대시킬 수 있으며, 동적액적에서는 개별적인 액적을 연 속적으로만 분석할 수 있지만, 정적 액적은 단 한번의 이미징으로 수 천~수만 개의 데이터를 분석해 낼 수 있어 초고속 대용량 스크리닝 을 할 수 있다[72].

액적 제어기술을 이용하여 여러 단계의 실험이 가능하여 PCR의 반응물을 이용한 in vitro transcription and translation (IVTT) 시스템 을 미세유체 기술을 이용하여 적용할 수 있다[73]. IVTT 시스템은 PCR에 의해 증폭된 DNA를 이용하여 단백질을 합성하는 기술로서 의학진단, 단백질 공학(protein engineering), 유도진화(directed evolution)의 분석에 응용될 수 있다[74]. 예를 들어 β-galactosidase 효소와 암호화되어 있는 lacZ gene을 포함한 마이크로 액적을 형성 한 후 PCR에 의해 증폭을 시킨다(Fig. 8B). 증폭된 lacZ gene이 포 함된 액적은 in vitro transcription (IVT)을 위한 혼합물의 액적과 전 기적인 힘의 의해 융합을 시켜 반응이 이루어지며, IVT에 의해 형성 된 β-galactosidase는 액적이 포함되어 있는 fluorescein-di-β-D- galactopyranoside (FDG) 기질과의 반응을 통해 형광을 발현한다 (Fig. 8C). 최종적으로, 미세유체시스템의 분류(sorting) 작업을 통해 스크리닝하여 정성/정량 분석을 할 수 있다(Fig. 8D). 이러한 미세유 체시스템을 통해 유전자 분석뿐만 아니라 단백질 합성 및 분석 등 폭 넓은 응용이 가능하다. 이는 기존 방법인 microtiter plate 보다 1000

배 빠르게 분석할 수 있으며 분석비용도 100만 배 줄일 수 있어, 저비 용의 초고속 대용량 스크리닝 시스템을 구축할 수 있다.

최근에는 PCR 방법 외에 rolling-circle amplification (RCA) 기술을 액적 기반의 미세유체시스템에 적용한 분석법이 개발되었다[75].

RCA 방법은 환형의 DNA template을 이용하여 연속적으로 DNA를 증폭시키는 기술로서 외부의 온도 변화 없이 상온에서 수행될 수 있 다는 장점이 있다. 미세유체시스템으로부터 생성된 액적은 마이크로 웰(micro-well)에 고정화하며, 이때 액적과 맞닿는 기판 표면에는 RCA primer가 고정화가 되어 있다. 최종적으로 형성된 rolling-circle product (RCP)는 검출 probe와의 반응으로 형광 분석을 통해 정성/

정량 분석을 할 수 있다. 따라서 액적 기반 미세유체시스템을 이용 한 PCR을 통해 대용량의 유전자를 효과적으로 분석하여 분자생물 학, 유전학 등 새로운 연구를 창출하는데 이바지 하고 있다.

4-3. 단일 세포 분석(Single cell analysis)

다양한 종류의 세포는 군집을 이루어 조직을 형성하며, 미생물의 경우 생물막을 형성하며 생물학적 기능을 수행한다. 최근에는 이러 한 군집으로부터 분리된 단일 세포들의 생물학적 기능 및 군집형태 의 phenotype을 이해하기 위해 단일 세포를 이용한 분석법에 관심을 갖기 시작하였다. 단일 세포를 제어하기 위해서는 매우 미세하며 정 교한 제어 기능이 요구되어 미세유체 시스템에 초점이 맞추어지고 있다[76]. 우선적으로 미세유체 시스템 내에서 단일세포를 효과적으 로 분리할 수 있는 기술이 요구되며, 이를 기반으로 단일세포를 관 찰할 수 있는 분석 플랫폼이 개발되고 있다[77,78]. 마이크로 액적은 극소량의 부피안에 개별적으로 단일세포를 주입할 수 있으며, 미세 유체 기술을 이용하여 액적을 자유자재로 제어하여 단일 세포의 연 구를 수월하게 수행할 수 있다. 일반적인 미세유체 시스템을 이용하 Fig. 7. Droplet-based microfluidics for combinatorial synthesis [67].

여 액적에 단일세포를 캡슐화하게 되면 각 액적에 포함된 세포의 개 수는 무작위로 나타나며, 이중 단일세포가 들어있는 액적의 개수는

매우 적게 된다. 이 결과는 Poisson distribution의 이론에 따르게 되 며 이를 해결하기 위한 방법이 필요하게 되었다. 단일세포의 액적 효 Fig. 8. Droplet-based microfluidics for PCR [70,71]. (a) Microfludic design to control temperature for PCR, Microfluidic method for IVTT system

including, (b) PCR in droplet, (c) droplet merging with PCR and IVT solution, and (d) separation of on demand droplets.

율을 높이기 위해 미세유체 채널에서의 유체역학적 흐름을 이용하여 제어된 캡슐화 방법이 고안되었다[79,80]. 단일세포의 유동은 유체역 학적 흐름에 따라 이동하는 현상을 이용하여 무작위로 이동되는 단일 세포를 정렬시켜 캡슐화하여 단일세포 액적의 효율을 높일 수가 있 다(Fig. 9A). 마이크로채널의 기하학적 구조를 이용하여 관성력과 이 차적인 회전 흐름을 이용하여 원하는 형태로 세포를 정렬시켜 캡슐 화하면 단일세포 액적의 효율을 40%에서 80%로 증가시킬 수 있게 된다(Fig. 9B).

단일세포 액적은 극소량으로 세포에 필요한 영양분을 충분히 제 공하지 못할 수도 있다. 세포에 필요한 영양분이 충분하면 단일세포 로 캡슐화된 액적은 미세유체시스템으로 액적의 크기를 제어하여 적 절한 크기의 액적을 형성해 주는 것이 중요하다. 또한 극소량으로 제 한된 액적은 단일세포로부터 분비되는 항체는 검출이 가능한 농도까 지 소요되는 시간을 줄여줄 수 있어 단일세포 연구에 있어 효과적 분 석 플랫폼을 제공해 준다[81]. 더 나아가, 단일세포 액적은 인공적으 로 형성한 혼성세포(hybridoma)의 기능을 분석하는데 이용할 수 있 다. 그 예로, ACE-1 막 단백질을 발현하는 혼성세포를 이용하여 ACE-1 단백질의 활성 측정을 위해 액적 기반의 미세유체시스템을 이용하였다[82]. ACE-1 단백질은 혈압조절 기능을 수행하여, 혈관 병리학 및 리모델링(remodeling) 연구에 있어 중요하다. 이러한 단일 혼성세포의 ACE-1 단백질의 활성을 측정하기 위해 기질이 포함된 액적과 융합시켜 형광 분석을 할 수 있다. 각 단일 혼성세포의 활성 은 다양하며, 가장 활성이 좋은 혼성세포만을 분리해 낼 수 있으며 이러한 선별과정을 통해 활성이 좋은 세포를 이용하여 다른 연구분 야에 응용할 수 있게 된다. 이와 같이 각 단일세포들은 제각각 활성 이 다르게 나타나며 이들의 특징을 연구하기 위해 액적 기반의 미세 유체 시스템이 폭넓게 응용되고 있음을 알 수 있다. 또한, 하루 내에 300,000개에 달하는 단일 혼성세포들을 분석해 낼 수 있어 더욱 발 전된 초고속 대용량 스크리닝 기술을 보여주고 있다.

5. 결 론

본 총설에서는 액적 기반의 미세유체시스템의 초고속 대용량 스 크리닝을 통해 다양한 응용분야에서 효율적인 분석으로 연구의 양질 의 발전에 이바지하고 있음을 소개하였다. 미세유체 시스템과 생명 공학과의 융합을 통해 새로운 연구를 창출할 수 있는 기회 또한 많 아질 수 있다. 연구의 깊이는 점점 저분자 수준에서의 관찰을 요구

하고 있으며 미세유체 시스템의 개발은 이를 가능하게 만들고 있다. 공 학적 관점에서 미세유체 시스템 기반의 액적 제어 기술을 통해 극소 량의 샘플을 더욱 손쉽게 제어할 수 있는 기술 개발과, 생명공학의 관점에서 새로운 라이브러리 개발을 융합하여 초고속 대용량 스크리 닝 시스템을 구축하게 되면 약물개발, 유전자분석, 조직공학 등의 비 약적인 발전을 이룩할 수 있을 것이다. 약물개발을 위해서는 물질 스 크리닝, 화학합성, 세포 기반의 약물 테스트 등 복잡한 절차가 요구 되기 때문에 다기능성의 미세유체시스템과 같은 효과적인 분석 플랫 폼이 중요한 역할을 하게 된다. 또한 유전자 분석을 위해 필요한 절 차인 세포 분해, 유전자 추출, 증폭, 분석 등을 한 미세유체시스템에 서 수행할 수 있도록 개발이 되고 있다. 따라서 이러한 복잡한 절차 의 과정을 하나의 미세유체시스템에 통합시켜 초고속 대용량 스크리 닝을 통해 효과적인 연구를 수행함으로써 더욱 폭넓은 응용분야를 가지게 될 수 있을 것이다. 이와 같이 액적기반의 미세유체기술을 생 명공학에 접목시키기 위해서는 일반적인 사용자가 특별한 기술 훈련 없이 매우 편리하게 이용할 수 있도록 개발되어야 한다. 따라서 간 단한 피펫 및 프로그램 사용만으로 구동이 가능한 미세유체기술이 각광 받을 것이다.

감 사

이 논문은 2013년도 미래창조과학부의 재원으로 첨단의료기기사 업본부-신기술융합형성장동력사업(2013K000339), 한국연구재단 (No. NRF-2011-0017322)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구비 지원에 감사드립니다.

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