Microfluidic 장치에 수동 펌핑을위한 고속 비말 기반 전달 시스템

수동 펌핑을 위해서는 출구 쪽에 큰 액적을, 입구 쪽에 작은 액적을 배치해야 합니다. 이렇게 하면 유동을 유도하는 데 필요한 압력 차이가 발생합니다. 서로 다른 유체의 액적을 교대로 배치하면 채널 내로 패킷이 흐르게 되며, 최종적으로 출구에서 수집됩니다.

입구에서 안정적인 유체 껍질(fluid shell)을 형성할 수 있을 만큼 충분히 높은 빈도로 소량의 액적을 전달함으로써 높은 유량을 달성할 수 있습니다. 안녕하세요, 저는 위스콘신 대학교 메디슨 의과대학 생체 의공학과의 Justin Williams 연구실 소속 Pedro Reto입니다. 그리고 저 또한 Williams 연구실의 Brian Mogan입니다.

저는 UW Medicine 의생명공학과의 S 교수님 연구실 소속 Aaron Burier입니다. 오늘은 미세유체 장치에서 수동 펌핑을 수행하는 절차를 보여드리겠습니다. 저희 연구실에서는 이 절차를 통해 미세 채널 내의 흐름을 분석하고, 생물학적 응용을 위한 채널 내 유체 교환을 연구하고 있습니다.

그럼 시작하겠습니다. 먼저, 소프트 리소그래피 기술을 사용하여 폴리메틸실록산(polymethyl siloxane)으로 미세유체 장치를 제작합니다. 다음으로, 장치를 절단한 후 가역적으로 처리합니다.

PDMS 장치를 유리 슬라이드 위에 누르고 공기 방울을 밀어내어 부착합니다. 가역적 부착을 통해 장치를 여러 번 재사용할 수 있습니다. 이제 장치에 액체를 채웁니다.

식용 색소를 섞은 물을 사용합니다. 액체가 스스로 채널 내부로 들어가지 않는 경우, 입구에 액체 한 방울을 떨어뜨리고 반대쪽 끝에서 피펫을 사용하여 액체를 채널 쪽으로 흡입합니다. 장치 내부를 액체로 채운 후, 입구에는 작은 방울을, 출구에는 더 큰 방울을 떨어뜨립니다.

입구의 작은 액적은 작아지고 출구의 액적은 커지는 것을 관찰하여 유체가 이동하고 있는지 확인하십시오. 더 진행하기 전에 수동 펌핑의 기본 관계에 대해 설명하겠습니다. 펌핑되는 액적의 역학은 높이와 길이와 같은 채널 치수 및 입구에 배치된 액적의 크기 등 여러 요인에 따라 달라집니다.

이러한 요인들이 유동에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해하실 수 있도록 몇 가지 예를 들어보겠습니다. 먼저 두 개의 유사한 채널로 시작하겠습니다. 두 채널의 너비와 높이는 동일하지만, 하나가 다른 하나보다 더 깁니다.

이제 각 채널의 입구에 동일한 크기의 액적을 배치합니다. 짧은 채널의 입구에 있는 액적이 긴 채널의 액적보다 더 빠르게 붕괴되는 것을 확인하십시오. 이는 채널이 길수록 유체 저항이 커져 내부의 흐름이 더 느려지기 때문입니다.

다음으로, 길이와 높이는 같지만 너비가 서로 다른 두 개의 채널을 살펴보겠습니다. 각 채널의 입구에 동일한 액적을 배치하고 액적이 붕괴되는 과정을 관찰해 보겠습니다. 너비가 더 좁은 채널에서 입구의 액적이 붕괴되는 데 더 오랜 시간이 걸리는 것을 확인해 보십시오.

이는 더 얇은 채널이 더 넓은 채널보다 더 큰 유체 저항을 갖기 때문입니다. 마지막으로, 두 개의 동일한 채널을 준비하고 각 입구에 서로 다른 크기의 액적을 배치해 보겠습니다. 더 큰 입구 액적이 더 작은 입구 액적보다 붕괴하는 데 더 오랜 시간이 걸리는 것을 확인할 수 있습니다.

이는 작은 액적(drop)이 더 큰 액적보다 부피가 작고 내부 압력이 더 높기 때문입니다. 작은 액적이 더 유리하다는 점을 알게 되었고, 이러한 작은 액적들이 얼마나 빠르게 붕괴하는지 관찰했으므로, 이제 생물학적 실험을 수행할 수 있도록 채널 입구에 부피적으로 정밀한 액적을 전달하는 방법에 대해 알아보고자 합니다.

Lee Company의 마이크로 디스펜싱 스타터 키트를 사용하여 vol 밸브, 오리피스 크기가 0.0100 inches인 노즐, 소프트 튜브 어댑터로 구성된 밸브를 하나 이상 조립합니다. 여기서는 이전 단계에서 수행한 대로 튜브 밸브 커넥터를 통해 밸브가 컨트롤 박스에 연결되어 있습니다. 그리고 여기 루트에 있는 스파이크 전압원이 있습니다.

그런 다음 제어 전압원이 있으며, 이어서 유지 전압원이 있습니다. 마지막으로 접지에 연결하여 입구를 겨냥하는 동안 밸브를 제자리에 유지합니다. Bioscience Tools사의 소형 홀더를 사용하십시오.

이는 밸브를 특정 위치에 정확하게 조준하고 고정하는 방법을 제공합니다. 실험 중에 3/4 온스 주사기를 사용하여 PDMS 장치보다 몇 피트 위에 배치할 리저버 시스템을 만드십시오. 이 리저버는 노즐을 구동하기 위한 압력 수두(pressure head)를 제공합니다.

주사기에 주사 바늘을 연결합니다. 이제 주사 바늘을 내경 1.14 millimeter 튜브에 연결하고, 이를 다시 내경 1.58 millimeter 튜브에 연결합니다. 이때 PDMS를 밀봉제로 사용하십시오.

이제 내경 1.58 millimeter 튜브를 밸브의 소프트 튜브 어댑터에 연결하십시오. 주사기 바늘과 밸브 사이에 라인이 연결되었으므로, 주사기 저장조를 액체로 채워 밸브 내부를 세척하고 튜브에 물이 가득 차도록 하십시오. 밸브 옆에 자석을 배치하면 액체가 저장조에서 밸브를 통해 0.01 inch 노즐 밖으로 흐르기 시작하는 것을 확인할 수 있습니다.

우리는 LabVIEW와 Lee Company의 spike and hold 제어 박스를 사용하는 컴퓨터로 이 시스템을 제어합니다. 시스템을 보정하려면, 밸브 하나를 페트리 접시나 무게 측정을 위한 웨이 보트(whey boat)로 향하게 합니다. 이제 원하는 시간 동안 밸브를 열고 노즐에서 나오는 총 수량을 측정하여 무게를 잽니다.

이 부피를 시스템의 총 개방 시간으로 나눕니다. 이 교정을 통해 사용자는 임의의 시간 동안 노즐에서 분사되는 물의 부피를 구할 수 있습니다. 시스템 교정을 마친 후, 이전의 교정 분사 결과를 바탕으로 노즐을 채널 입구로 조준하여, 너무 커서 주변을 더럽히거나 너무 작아 인지되지 않는 일이 없도록 채널 입구에 액적 하나가 분사될 정도의 부피를 분사합니다.

실험 사이에 기포를 제거하는 것을 잊지 마십시오. 수동 펌핑의 기본 원리를 이해하고 시스템 보정 방법을 설명했으므로, 이제 모든 과정이 올바르게 진행될 때 사용자가 확인해야 할 내용을 살펴보겠습니다. 다음 영상은 저주파수에서의 고유량부터 고주파수에서의 저유량까지 미세유체 채널을 통해 흐르는 유체의 모습입니다.

이를 통해 사용자는 자동 유체 전달 시스템과 함께 과거 펌핑의 성능을 이해할 수 있습니다. 다음 동영상에서 사용되는 장치의 크기는 너비 2.22 millimeter, 길이 10 millimeter, 높이 260 micrometer입니다. 입구 및 출구 직경은 각각 1.78 millimeter와 5.11 millimeter입니다.

위에서 보여준 것과 같이 교차 흐름을 생성하려면 두 개 이상의 밸브가 필요합니다. 다음은 현재 사용 중인 장치에서 가능한 최대 유량을 보여주는 비디오입니다. 이 경우에는 유체를 전달하기 위해 단일 밸브가 사용되었습니다.

시스템의 균형을 유지하기 위해서는 밸브를 입구 상단에서 직접적으로 조준하는 것이 중요합니다. 입구에서 형성되는 물방울의 모양을 확인하십시오. 이는 장치가 수동으로 펌핑할 수 있는 최대한의 속도로 입구에 물을 공급함으로써 유지되는 일정 압력을 나타냅니다.

또한, 어느 시점에서 입구 방울이 넘쳐흐르는 것을 확인하십시오. 이는 아마도 출구 방울을 교란함으로써 발생했을 가능성이 큽니다. 입구의 넘침 현상을 제거하면 시스템이 다시 평형 상태를 되찾고 흐름이 계속됩니다.

지금까지 시판되는 마이크로 노즐을 이용한 수동 펌핑 시스템의 설정, 보정 및 작동 방법을 살펴보았습니다. 이러한 실험을 수행할 때는 채널 내에 기포가 유입되는 것을 방지하기 위해 항상 일정한 압력원을 확보하는 것이 중요하며, 원하는 유량과 교환을 달성하기 위해 채널 기하 구조와 액적 크기 사이의 상관관계를 파악해야 합니다. 예를 들어, 출구 액적이 너무 커지면 주변이 오염되거나 입구까지 도달할 수 있으므로 이를 방지하고 PDMS 장치를 깨끗하고 건조하게 유지해야 합니다.

이상입니다. 시청해 주셔서 감사하며, 실험에 좋은 결과가 있기를 바랍니다.