College Of Engineering
서울공대 이야기

LOC(Lab on a chip)와 미세유체역학(Microfluidics)

 

서울대학교 공과대학 기계항공공학부 교수

한동철

 

최근 들어 LOC(Lab on a chip)가 이슈화되고 있는데, 이는 MEMS(Micro electro mechanical system)라는 학문이 발전한 것에서 그 이유를 찾을 수 있다. 그동안 80년대에 발전한 반도체 공정으로 마이크로 단위의 기계적인 초소형의 구조물을 제작할수 있게 되면서 MEMS 연구는 다양한 방면으로의 응용 연구가 진행되었으며, 캠코더에 손떨림 보정으로 들어가는 가속도/각속도 센서와 잉크젯 프린터의 초소형 펌프산업 등에 응용되었다. 그러다가 90년대가 되면서 이러한 MEMS의 연구는 바이오산업 쪽으로 눈을 돌리게 되었다. 그 이유는 80년대 말부터 시작된 휴먼지놈프로젝트 (Human Genome Project)라는 인간 유전자 전체의 지도작성이 본격화되면서 이를 위한 생물학적인 새로운 도구(Tool)이 필요하게 되었기 때문이다. 이것은 마치 19세기 현미경이 발명된 것을 시초로 새로운 생물학적인 기구나 기계가 세상에 나오면서 생물학이 비약적으로 발전했던 역사적인 과정에 비유할 수 있다.

 

유전자 지도작성에 있어서 컴퓨터와 융합된 로보틱스기술 덕분에 수없이 반복되는 유전자 작업(Gene work)은 어느 정도 인간의 수작업에서 벗어날 수 있게 되었다. 그러나 주된 실험상의 플랫폼이 마이크로플레이트(96, 384 well)이므로 시약과 실험 프로토콜 상에 한계를 가질 수 밖에 없다. 이유는 기존의 파이펫 구조를 로보트를 사용하여 XYZ 방향으로 접근하며 micro dispensing을 통하여 100 마이크로리터 이하의 약이나 시료를 적용하기 때문에, 액체의 증발과 반응시간의 문제가 아직까지 있다는 점에 있다. 이러한 로보트가 사람의 작업을 대신하는 방식인 고속 스크리닝 실험(High Throughput Screening)은 대규모 다국적 제약회사들에게 신약개발과 관련하여, 시설투자와 효율성을 고려할 때 주요한 문제가 된다.

 

이를 위해 90년대 중반 이후 바이오칩(Bio chip)을 이용하여, 대량의 병렬작업(Parallel Process)을 적은 시료를 사용하여 고속으로 수행하려는 연구가 진행되어, DNA칩과 같은 새로운 개념의 생물학적인 도구가 개발되었다. 이를 통하여 인간유전자의 연구가 마치 금광을 찾아내듯 각 개인 간의 유전적 차이를 찾아내는 SNP(single nucleotide polymorphism) 연구로 확대되어 각국의 제약업계 쪽에서는 차세대 신약개발에 전력투구하고 있다.

 

그러나 아직까지도 유리평면상의 2차원적인 어레이구조(Micro Array)에 대한 시약 및 시료등의 유체 적용이 섬세히 이루어지지 못한다. 이에 대한 해결책은 미세유체역학(MicroFluidics)에서 찾을 수 있다. 마이크로 단위의 채널과 웰을 갖는 MEMS 구조물을 통하여 구현된 LOC들은, 수많은 병과 시험관이 존재하는 실험실이나 공장 구조물이 칩상에 올라가기 위해 무엇이 필요한가를 생각하면 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 이러한 구조물 자체의 크기를 점점 줄여가는 방식은 최근 나노공학의 접근 방식 중 Top down에 해당하며 실제 적용하기에 유리한 면을 갖게 된다. 그러나 마이크로나 나노 단위에서의 액체의 물리/화학적인 거동은 기존의 현상과는 무척 다르므로 단순한 스케일의 축소라고 말할 수는 없다. 왜냐하면 이러한 작은 유체관에서는 옷에 물이 흡수될 때와 같이 물이 중력을 이기고 올라가는 모세관힘(Capillary Force)이 큰 역할을 하며, 액체의 점도가 큰 것처럼 움직이게 된다. 이러한 현상에 대한 이해를 바탕으로 바이오칩의 유체회로에 대한 접근이 미세유체역학 (microfluidics)이라 할 수 있겠다.

 

이러한 미세유체기술의 목적은 생물학적인 분리 및 분석 방법의 소형화이다. 다종의 실험을 손 위에 올라갈 수 있는 칩 위에 구현함으로써 극소량의 용매, 시료와 반응액을 작은 채널을 정확히 통과시키며, 혼합하거나 분석하여 전기영동(electrophoresis), 형광측정(fluorescent detection), 면역분석(immunoassay) 등의 전통적인 모든 실험 방법을 시행한다.

 

이러한 미세유체기술의 첫 번째 장점은 소형화를 통해 시료절감 효과를 얻을 수 있다는 것이다. 보통 100마이크로리터 이상이 필요하는 마이크로타이터 실험도 나노리터 이하의 시료와 반응액으로로도 합성, 분리, 정제를 수행할 수 있다. 미세유체의 물리적인 특성상 소량의 반응은 보다 정확하고 빠르게 일어난다. 더욱이 매우 높은 표면적대 부피의 비가 확산현상을 더욱 가속하며 고속스크리닝(High-throughput screening)을 위한  96, 384, 1536 등의 마이크로플레이트에서 증발문제를 해결할 수 있다. 두 번째 장점으로 자동화를 통해서 반복적인 분석이나 시료의 준비과정 등에서 실험적으로 액체를 사용하면서 발생할 수 있는 오차를 줄여준다. 세 번째 장점은 집적화이다. 정제, 표식화, 반응, 분리, 측정 등의 다양한 기능을 하나의 칩에 구현하여 시료의 채널상의 자동이송으로 완성된다.

 

이러한 미세유체역학은 또한 생물학쪽에서는 바이오칩의 한 분야로 분리되기도 한다. 생체물질과 용도, 시스템화 정도에 따라 DNA칩, Protein Chip, Cell chip, Lab-on-a-chip 등으로 구분되며 이러한 것의 기반으로는 MEMS 기술로 반도체공정 기술을 기반으로 수 마이크로미터의 초소형 정밀기계제작 기술이다. 이를 의료 및 생명공학에 응용하려는 시도가 BioMEMS이다.

세계적으로 구체적인 응용 사례와 연구 동향을 살펴 보면 채널구조를 갖는 LOC의 경우 정자의 운동성분석(sperm motility), 전기영동(electrophoresis), 적혈구의 변형성 측정(red blood cell deformability) 등이 있으며 우물구조와 결합하여 인공수정(In vitro fertilization), 면역검사(Immunoassay), 유전자증폭기(polymerase chain reaction)로 응용하며, 표면의 구조물을 여러 가지 형태로 변형하여 세포 자체의 생리(Cell analysis)를 연구하는 생물학적인 도구로 사용되기도 하며, 신약개발과 관련된 바이오칩의 약물검사(drug screening)에도 많은 연구와 상업화가 진행되고 있다. 따라서 국내에서도 반도체 강국으로서의 MEMS 기술과 이러한 미세유체역학에 대한 활발한 연구를 통하여 새로운 생물학적인 또는 의학적인 새로운 개념의 세계적인 도구(Tool)가 개발되길 기대한다.

 

 

 

참고그림: 세포갯수 측정을 위한 마이크로칩의 한 형태. (㈜디지털바이오테크놀러지 www.digital-bio.com  )

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