마이크로플루이딕스(microfluidics·미세유체공학)와 밀리플루이딕스, 랩온어칩 제조 가이드

마이크로플루이딕스는 과학과 공학 분야에서 가장 멋진 기술 중 하나입니다. 이 기술은 바이오디펜스, 화학 공학, 의료 테스트 분야의 최첨단 개발에서 중요한 역할을 하고 있습니다.

이 가이드에서는 마이크로플루이딕스의 개요와 이 기술이 과학자들이 새로운 발견에 어떻게 도움이 되는지를 설명하고 마이크로플루이딕 칩 특유의 제작 방법을 알려드리겠습니다. 

마이크로플루이딕스는 일반적으로 직경이 100μm 미만으로 규모가 작은 채널이 연결된 공간에 갖힌 유체를 정밀하게 제어하고 조작하는 과학입니다. 

사람들은 마이크로플루이딕스라는 용어를 다르게 사용합니다. 사용하는 과학자나 엔지니어에 따라 다른 의미가 됩니다. 많은 교수들에게 마이크로플루이딕스는 직경 100µm(마이크로미터)에서 1µm 사이의 채널을 통해 소량의 유체를 연구하고 조작하는 데 중점을 둔 과학 분야입니다.

반면에 엔지니어는 직경 100µm ~ 1µm의 채널을 통해 유체의 이동을 이끄는 부품(종종 칩이라고 함)의 제조를 설명하기 위해 마이크로플루이딕스라는 용어를 사용할 수 있습니다.

가장 기본적인 형태의 마이크로플루이딕스는 단지 수십 마이크로미터에 불과한 소량의 유체와 관련된 작업입니다. 참고로 마이크로미터는 100만분의 1미터입니다. 사람의 머리카락 한 가닥의 지름은 대략 100㎛입니다.

이 초소형 규모 작업으로 얻을 수 있는 이점은 막대합니다. 샬레와 스포이트를 사용하는 기존의 테스트 방법과 비교할 때 마이크로플루이딕스는 샘플 크기가 훨씬 더 작으므로 값비싼 화학 물질과 시약을 훨씬 더 적게 사용해도 됩니다. 마이크로플루이딕스 방식이 다양한 물질을 테스트하는 데 더 안전하기도 합니다. 독성 물질을 더 잘 통제하고 억제할 수 있기 때문입니다.

과학자들은 특히 마이크로플루이딕스를 사용했을 때 유체 혼합 방식 및 유체 간 상호 작용 방식을 더 세밀하게 제어할 수 있습니다. 액체를 천천히 확산시키거나 나란히 흐르게 하거나 초미세 크기의 작은 물방울로 분리할 수 있습니다. 과학자와 엔지니어는 전하(electric charges), 주사기 펌프, 심지어 액체를 밀어내는 음향학 마이크로 채널도 사용할 수 있습니다.

이러한 비용 및 제어 상의 이점으로 마이크로플루이딕스는 약리학 및 생명공학 분야의 선구자들 사이에서 빠르게 성장하고 있는 관심 분야입니다. 마이크로플루이딕스 분야의 혁신가들은 환자에게서 바이러스를 테스트하고 토양에서 유해한 화학 물질을 탐지하며 언젠가는 동물 실험을 쓸모없게 만드는 더 빠르고 저렴한 방법을 개발하고 있습니다.

밀리플루이딕스는 가로 1mm인 채널에서 유체를 조작하고 관찰하는 것과 관련이 있습니다. 밀리플루이딕스는 마이크로플루이딕스보다 유체를 더 많이 사용하지만 기존 테스트 방법으로 수행되는 테스트와 비교하면 여전히 필요한 유체의 양은 적습니다.

밀리플루이딕 채널을 이용하면 종종 프로젝트 요구 사항에 따라 마이크로플루이딕 채널과 동일한 수준에서 유체를 혼합할 수 있습니다. 밀리플루이딕스는 마이프로플루이딕스와 같은 이점을 다수 제공하지만 밀리플루이딕 칩은 종종 제조하기가 더 쉽고 저렴합니다

마이크로플루이딕스와 밀리플루이딕스의 실제 응용 분야는 단순화된 일반 의학 검사에서 획기적인 연구 프로젝트에 이르기까지 다양합니다. 다음의 다양한 응용 분야에서 볼 수 있듯 마이크로플루이딕스와 밀리플루이딕스는 미래를 형성하는 데 일조하고 있습니다.

재생의학은 줄기 세포가 분열하여 다른 유형의 분화 세포가 되는 능력 때문에 수년간 줄기 세포 연구에 집중해 왔습니다. 예를 들어 의사가 줄기 세포를 근육 조직에 주입하면 줄기 세포가 분화하고 근육 세포가 되어 손상된 조직을 복구하고 재생하는 데 도움이 됩니다.

시험관 내(체외)에서 배아 줄기 세포를 배양하고 개발하는 것은 줄기 세포 연구자들에게 가장 큰 도전 과제 중 하나였습니다. 이는 생체 내(체내)에서 생성되는 모르포겐 및 신호 전달의 부족 때문입니다. 모르포겐은 배아 발달이라는 오케스트라의 지휘자와 같습니다. 그들은 배아 세포의 발달을 자극하는 데 핵심 역할을 합니다.

최근에 로잔연방공과대학(Swiss Federal Institute of Technology Lausanne)의 과학자들이 이 모르포겐 문제를 극복하는 방법을 찾았습니다. 마티아스 뤼돌프(Matthias Lütolf) 박사와 그의 팀은 창자배 형성이라는 배아 줄기 세포 발달 과정을 복제했습니다. 이는 인간 임신 3주차에 발생하는 낭배형성이라는 과정이며 체외에서 마이크로플루이딕 세포 배양 장치로 모르포겐 요법을 세밀하게 제어했습니다.

이것은 실험실 내 장기 배양 과정에서 이룬 중요한 발전입니다. 뤼돌프 박사는 유전 공학과 생명 공학 뉴스(Genetic Engineering & Biotechnology News, GEN)와의 인터뷰에서 "장기 목표 중 하나는 이식용 장기 기관 생산입니다."라고 설명했습니다.

뤼돌프 박사와 그의 팀이 사용하는 마이크로플루이딕 장치와 같은 3D 세포 배양 장치는 생명 공학 외에도 제약 공학에 혁명을 일으킬 것입니다. 사실, 3D 세포 배양이 언젠가는 동물 실험을 완전히 쓸모없게 만들 것입니다.

약물 검사는 일반적으로 체외 배양, 즉 2D 검사에서 시작합니다. 이러한 검사에서 유망한 결과가 나타나면 일반적으로 다음 단계는 동물 모델에서 약물을 테스트하는 것입니다. 그 이유는 동물 실험이 인간 임상 실험으로 넘어가기 전에 과학자들이 인체 내부에서 일어나는 일을 복제할 수 있는 가장 근접한 실험이었기 때문입니다.

3D 세포 배양은 제약 테스트 및 엔지니어링 분야에서 새로운 지평을 여는 유망한 분야입니다. 이런 방식으로 배양하면 세포는 체외에서 쉽게 볼 수 있는 장치 안에서 체내에서와 더 유사하게 분열할 수 있습니다. 테스트는 신중하게 제어할 수 있으며 동물 테스트보다 더 정확한 결과를 제공할 수도 있습니다.

와이스(Wyss) 연구소의 연구원들은 인간의 "오르간 온 칩스(Organs-on-Chips)"를 개발했고 과학자들은 이를 이용해 대략 컴퓨터 USB 드라이브 크기의 장치로 박테리아, 바이러스, 치료법이 체외 조직에 미치는 영향을 연구할 수 있게 되었습니다.

동물 실험이 완전히 사라지기 전까지 더 많은 연구와 개발이 필요하지만 3D 세포 배양은 실제로 제약 및 생물 공학의 새로운 미래가 될 수 있습니다.

그리 멀지 않은 미래에 마이크로플루이딕스는 환자 검사에 근본적인 변화를 가져올 수 있습니다. 진단 테스트에 필요한 혈액이나 조직이 더 적어지므로 결과적으로 환자의 경험을 개선할 수 있습니다. 유전자 검사에도 더 쉽게 접근할 수 있습니다.

특히 검사실 검사를 이용할 수 없는 지역에 거주하는 환자의 경우, 워싱턴 대학의 생명 공학 교수인 폴 예거(Paul Yager)가 개발한 것과 같은 랩 온 어 칩 장치를 이용하면 말라리아와 같은 질병을 저렴하게 진단할 수 있습니다.

한편, 신시내티 대학의 제이슨 하이켄펠드(Jason Heikenfeld) 교수는 완전히 비침습적인 마이크로플루이딕 땀 분석 검사를 개발 중인 연구팀을 이끌고 있습니다. 어떤 증례에는 채혈할 필요가 없을 수도 있습니다. 그리고 하이켄펠트 교수의 프로토타입은 어떤 스마트폰으로도 편리하게 전원을 공급받을 수 있습니다.

최전선에 있는 병사들에게 생화학무기 탐지는 사활을 건 문제입니다. 방위고등연구계획국(DARPA)가 마이크로플루이딕스 연구에 수년 간 자금을 지원해온 이유입니다.

프란티셰크 스벡(Frantisek Svec)과 장 프레셋(Jean Fréchet)이 진두지휘하는 버클리 연구소의 연구와 개발 덕분에 실제로 화학전의 위협은 곧 간단히 탐지할 수 있을 지도 모릅니다. 스벡과 프레셋은 현재 희석된 양의 화학 물질, 미생물, 독소 및 오염 물질의 존재를 현장에서 완벽하게 테스트할 수 있는 플라스틱 마이크로플루이딕 칩을 연구하고 있습니다.

군인들이 토양 또는 공기 시료로 이전에는 광범위한 장비가 필요했던 테스트를 곧 간단히 수행할 수 있습니다. 스벡이 말했듯 "우리는 시료를 실험실로 가져가는 대신 실험실을 시료가 있는 곳으로 운반하게 될 것입니다."

다른 분야와 마찬가지로 마이크로플루이딕스의 응용 분야는 기술을 휘두르는 인간의 욕구에 따라 결정됩니다. 마이크로플루이딕스와 관련된 많은 연구가 삶의 질과 사회 전체를 개선하는 데 초점을 맞추고 있지만, 우리는 이를 더 불쾌한 목적으로도 사용할 수 있음을 인정해야 합니다.

마이크로플루이딕스는 생물 방어 능력을 증진하는 방향으로 발달하고 있지만 그 가운데 생화학 무기를 개발하는 데 사용될 가능성이 늘 존재합니다. 미 해군 연구소 같은 국방 기관에서 발표한 연구는 일부 국가가 다른 나라 모르게 무기를 개발하기 위해 (작은 크기로 인해 숨기기가 더 쉬운) 마이크로플루이딕스를 사용할 가능성에 주목했습니다.

개별 마이크로플루이딕 프로젝트에는 맞춤형 설계 칩이 필요합니다. 맞춤형 설계 칩은 이러한 복잡한 부품을 정확하게 생산할 수 있는 고급 기술로 주문형으로 제조해야 합니다. 마이크로플루이딕스 분야가 계속 발전하고 빠르게 적응함에 따라 마이크로플루이딕 칩 자체가 제조되는 방식이 알려지고 변화하고 있습니다. 

마이크로플루이딕 칩은 (때로는 종이 같은 다른 재료도 사용하지만) 일반적으로 유리나 실리콘, 플라스틱으로 제작합니다. 다음으로 마이크로플루이딕과 마이크로플루이딕 칩을 제조하는 데 사용하는 일반적인 방법 5가지를 설명해드리고자 합니다. 칩을 설계하고 생산하는 데 방법을 조합해서 사용하는 엔지니어와 제조사가 많다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

많은 엔지니어, 과학자 및 설계자가 자체 연구실에서 프린팅 또는 제조기를 통해 인하우스로 칩을 생산하므로 짧은 시간 안에 더 자유롭게 프로토타이핑해 볼 수 있습니다

포토리소그래피는 마이크로플루이딕스 분야에 사용되는 최초의 제조 방법 중 하나이며 오늘날에도 종종 습식 또는 건식 에칭과 함께 사용됩니다. 포토리소그래피는 본질적으로 원하는 패턴이나 형태를 구성 요소로 소성하는 데 UV 광의 힘을 이용합니다.

이 영상에서는 포토리소그래피 프로세스를 설명하고 마이크로플루이딕과 미세전자기계시스템(MEMS)분야의 응용 사례를 보여줍니다.

마이크로 열성형에는 플라스틱을 사용할 수 있으며 일반 열성형과 흡사하지만 훨씬 더 작은 규모로 진행할 수 있습니다. 얇은 플라스틱 시트를 가열한 다음 수형 또는 암형 금형으로 형태를 잡아 마이크로플루이딕 필름을 만듭니다.

때때로 마이크로 몰딩이라고도 하는 마이크로 사출 성형은 고전적인 사출 성형의 소형 버전입니다. 이 제조 공정은 동일한 칩 설계를 여러 번 사용해야 하는(또는 단일 설계의 대량 주문이 필요한) 연구실에서 사용하기에 아주 적합합니다. 

마이크로밀링, 또는 에팅은 마이크로플루이딕 칩을 만드는 데 널리 사용되는 방법입니다. 빈 슬래브(일반적으로 웨이퍼라고 함)로 시작하여 채널과 홈을 에칭하거나 파냅니다. 마이크로플루이딕과 마이크로플루이딕 칩을 밀링할 수 있는 데스크톱 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계가 많습니다. 

3D 프린팅은 본질적으로 CNC 가공이나 에칭과 같은 절삭 가공과 반대입니다. 여기에는 기존 웨이퍼에 채널을 굴착하는 것이 포함되지만 3D 프린터는 원자재로 마이크로플루이딕 칩을 만듭니다.

적층 제조(3D 프린팅)를 이용하면 인하우스 프린팅으로 인한 상당한 비용 및 시간 절약과 복잡한 3차원 디자인을 신속하게 테스트할 수 있는 기능을 포함하여 기존 칩 생산 방법보다 얻을 수 있는 이점이 많습니다. 

첫 번째이자 가장 중요한 것은 사내 3D 프린팅과 관련된 비용 절감입니다. 맞춤형 밀리플루이딕 칩을 주문하면 일반적으로 엄청난 비용이 발생하며 프로토타입을 손에 넣기까지 최대 2개월이 걸릴 수 있습니다. 그러는 대신 SLA 장비로 실험실에서 바로 필요한 형상을 프린팅하면 몇 달이 아닌 몇 시간 안에 준비를 마칠 수 있습니다.

다음은 Form 3 프린터로 3D 프린팅한 단일 대형 칩과 리소그래피를 사용하여 제조한 단일 대형 칩을 비교한 것입니다.

SLA 프린터를 사용하면 연구팀이 유체 칩을 빠르게 테스트할 수 있으므로 실시간 피드백을 기반으로 조정할 수 있습니다.

복잡한 디자인은 사용자가 CAD에서 생성할 수 있는 것만을 사용할 수 있으며 실험실 내 최초 마이크로플루이딕과 마이크로플루이딕 칩을 빠르게 테스트할 수 있습니다. 3D 프린팅 마이크로플루이딕 칩에는 어떤 3차원 경로로도 채널을 만들 수 있습니다. 이것과 비교해 보면 에칭된 유리 채널은 2차원 평면과 직사각형 단면 모양으로 제한됩니다. 이것은 다양한 채널에서 유체가 혼합되는 방식을 이해하려는 학생들에게 특히 도움이 될 수 있습니다. 

3D 프린팅 인하우스 밀리플루이딕 모델은 3D 채널 덕분에 독특하고 강력한 기능이 두드러집니다. 예리한 3D 피쳐가 좁은 채널에서 층류의 발생을 방해하고 설계자가 유체가 혼합되는 시기와 방식을 제어할 수 있게 합니다.

Formlabs 엔지니어링 팀은 이러한 3D 기능을 테스트하고자 했으므로 트위스트 채널이 포함된 고유한 3D 밀리플루이딕 형상을 설계, 프린팅, 테스트했습니다. 믹서는 수돗물에 용해된 표준 식품 염료를 사용하여 테스트했습니다. 주사기 하나는 노란색으로, 다른 주사기는 파란색으로 채웠습니다. 각 색상을 칩에 직접 프린팅된 혼합 포트를 통해 주입했습니다. 그런 다음 혼합물의 균일성을 관찰할 수 있는 흰색 표면에 혼합물을 투사했습니다. 

Formlabs에는 광학적으로 투명한 레진용 옵션이 몇 가지 있으며 이런 점이 3D 프린팅 칩에 또 다른 이점을 더합니다. 소재가 다양하면 칩 설계와 혼합 물성이 더 좋기 때문입니다. Clear Resin(표준 레진 계열)은 시제품 제작에 적합하지만 Surgical Guide Resin과 High Temp Resins으로도 일반적인 밀리플루이딕 응용 분야에 필요한 특성을 얻을 수 있습니다.

Surgical Guide Resin은 Clear Resin보다 강성이 좋습니다. 안쪽으로 오목한 피쳐를 생성하는 데 탁월하며 오토클레이브(가압 멸균)가 가능한 생체적합성 소재입니다. Surgical Guide Resin은 초정밀 채널 형상을 얻기 위해 50μm 층 높이로 프린팅할 수도 있습니다. 이런 점은 칩과 채널 디자인을 훨씬 더 작게 만드는 데 도움이 되어 진정한 마이크로플루이딕 3D 프린팅 칩을 얻을 수 있습니다.

한 가지는 확실합니다. 마이크로플루이딕스와 밀리플루이딕스는 앞으로도 계속 새롭고 흥미로운 과학 발전에 힘을 실어줄 것입니다.

인하우스 프린팅은 마이크로플루이딕스와 밀리플루이딕스 분야에서 새로운 기회를 창출합니다. 엔지니어링 응용 분야, 고급 의료 분석 및 교육 기관에서 사용되는 중요한 맞춤형 칩 디자인을 합리적인 가격의 고해상도 SLA 3D 프린터로 사내에서 디자인하고 프린팅할 수 있습니다.

무료 보고서를 다운로드하여 관련된 이점과 과제를 모두 알아보세요.