Microfluidic(미세유체) Droplet 생성 방법
Droplet 생성은 가장 널리 사용되는 microfluidic 기술 중 하나이다. 이는 micro 채널에서 서로 섞이지 않는 두 개의 유체가 직각으로 만나, 미세하고 균일한 크기의 droplet이 형성되는 과정으로 이루어진다.
가장 일반적으로 생성되는 droplet은 water-in-oil(W/O) droplet이다. 본 섹션에서는 microfluidic 채널에서 droplet이 형성되는 원리, 다양한 생산 방식, 그리고 각 방식의 장단점에 대해 설명한다.
Droplet microfluidics의 정의
Droplet microfluidics는 균일한 micrometer 크기의 droplet을 생성하고 조작할 수 있는 강력한 기술이다. Microfluidics 기반의 droplet 생성 및 제어는 다음과 같은 장점을 제공한다:
- 기존의 batch emulsion 방식과 달리 연속적인(in-line) droplet 생성을 통해 높은 균일성(monodispersity) 확보
- 각각의 droplet을 pL 단위의 biochemical reactor로 활용 가능
- droplet 생성을 통한 생산 공정 및 생체 분석 장치의 소형화 실현
Microfluidics 기반의 droplet은 입자 합성[1] 및 물리화학적 분석[2]을 포함한 다양한 응용 분야에서 활용된다. 또한, 정밀한 droplet 제어를 통해 단일 세포 분석[3] 및 신약 테스트[4][5] 등의 연구도 가능하다.
microfluidic droplet은 어떻게 생성될까?
microfluidic 기반의 droplet 생성은 일반적으로 물과 기름처럼 같은 서로 섞이지 않는 두 개의 액체를 활용한다. droplet 생성은 microfluidic 칩을 이용하여 이루어지며, 칩의 설계 및 재료에 따라 다양한 물리적 요인이 영향을 미친다. droplet 생성을 위한 대표적인 microfluidic 칩 설계 방식으로는 동류(co-flow), T-접합(T-junction), 유동 집중(flow-focusing) 방식이 있다[6][7][8][9].
동류(co-flow) 방식의 droplet 생성
동류 방식은 내부 모세관을 통해 분산상이 흐르고, 외부 모세관을 통해 연속상이 흐르는 동심 모세관 구조를 갖는다. 분산상이 주 채널로 유입될 때, 연속상이 가하는 점성 스트레스(viscous stress)에 의해 인터페이스가 늘어나다가 단절되면서 droplet이 형성된다[7][10][11][12][13].
이 방식의 주요 장점은 구조가 단순하다는 점이다. 하지만 droplet의 크기와 생성 빈도가 제한적이라는 단점이 있다.
T-접합(T-junction) 방식의 droplet 생성
T-접합 방식(Thorsen et al in 2001. [16])은 가장 단순하면서도 널리 사용되는 droplet 생성 방법이다.
이 방식에서는 분산상이 연속상의 흐름과 직각으로 주입되며, 두 유체가 T-접합 지점에서 만나면 연속상이 분산상을 전단(shear)하여 droplet이 생성된다[17][18][19].
T-접합 방식의 장점은 설계가 간단하고, droplet 생성 원리를 쉽게 이해하고 제어할 수 있다는 점이다. 또한, droplet 크기 및 생성 빈도를 정밀하게 조절할 수 있다. 그러나 칩의 설계 및 재료에 의해 생성 가능한 droplet의 크기 및 빈도 범위가 제한된다.
유동 집중(flow-focusing) 방식의 droplet 생성
유동 집중 방식(Anna et. al. in 2003 [14])은 분산상이 주 채널로 직접 주입되고, 연속상은 수직으로 배치된 두 개의 채널을 통해 주입된다. 이때, 연속상이 분산상을 양쪽에서 압착(pinching)하면서, 점성력(viscous force)과 표면 장력(surface tension)의 상호작용에 의해 droplet이 형성된다[15].
T-접합 방식과 비교했을 때, 유동 집중 방식은 대칭적인 흐름 구조를 가지며, droplet 크기 및 생성 빈도의 유연성이 높다는 장점이 있다. 하지만 droplet 단절 현상에 대한 연구 및 제어 기술이 아직 제한적이다.
droplet 생성 방식
microfluidic 기반의 droplet 생성 방식은 실험 조건에 따라 다양한 생성 패턴(regime)을 나타낸다. 주요 패턴은 다음과 같다:
- 스퀴징(squeezing): droplet이 채널의 전체 너비를 차지하는 플러그(plug) 형태로 생성됨. 분산상과 연속상의 유량 비율에 의해 크기 조절 가능.
- 드리핑(dripping): droplet이 채널의 너비와 유사한 구형 형태로 생성되며, 점성 전단력(viscous shear force)에 의해 단절됨. 작은 방울이 일정하게 생성되는 패턴
- 제팅(jetting): droplet이 두 유체의 교차점에서 떨어진 곳에서 고속으로 생성되며, 매우 작은 크기의 droplet을 높은 빈도로 생성됨
- 안정적인 co-flow: 두 유체가 서로 섞이지 않고 나란히 흐르는 패턴
Drop-Seq 기술 개요
Drop-Seq과 In-Drop 기술은 micro유체학을 이용하여 단일 세포를 droplet 내에 캡슐화하여 동시에 수천 개의 세포를 분석할 수 있도록 한다. 이 기술은 DNA 및 RNA 발현을 연구하는 데 필수적인 도구로, 암, 자가면역질환, 당뇨병 등의 질환 연구에 활용될 수 있다.
micro유체 기반의 dPCR 최신 연구 동향
디지털 PCR(dPCR)은 기존 PCR 대비 높은 민감도와 정량적 분석이 가능한 기술로, micro유체학과 결합하여 단일 세포 및 PCR 혼합물을 micro droplet 내에 캡슐화 할 수 있다. 이 방식은 고속 droplet 생성 빈도와 적은 시약 소비량을 통해 대량 증폭과 비용 절감을 동시에 실현할 수 있다.
Fluigent Droplet 생성 패키지
Fluigent의 droplet 생성 패키지는 droplet 크기 및 생성 빈도를 제어할 수 있는 통합 솔루션을 제공한다. 패키지에는 다음과 같은 구성품이 포함된다:
- 압력 컨트롤러: Flow EZ
- 유량 센서: Flow Unit
- droplet 생성 칩: Fluigent EZ-Drop
- 계면활성제가 포함된 연속상: dSURF
- 튜빙 및 리저버
복합 에멀전 생성 플랫폼
Fluigent의 복합 에멀전 생성 플랫폼은 이중 에멀전(double emulsion), 키토산 micro캡슐, PLGA micro캡슐, UV-중합 micro캡슐 등 다양한 복합 구조를 제어하며 생성할 수 있도록 설계된 전용 시스템이다. 패키지에는 다음과 같은 구성품이 포함된다:
- 압력 컨트롤러: Flow EZ
- 유량 센서: Flow Unit
- droplet 생성 칩: Raydrop
- 초고속 카메라
- 튜빙 및 리저버
이 사용하기 쉬운 플랫폼은 다수의 응용 프로그램을 대상으로 드롭 생성 및 제어를 가능하게 합니다:
이중 에멀전
키토산 마이크로캡슐
PLGA 마이크로캡슐
UV 경화 마이크로캡슐
Scientific references
[1] Jean-Christophe Galas, Denis Bartolo and Vincent Studer, « Active connectors for microfluidic drops on demand », New Journal of Physics, n°11, 075027, 2009
[2] M. C. Jullien, et al., “Droplet breakup in microfluidic Tjunctions at small capillary numbers”, Physics of fluids, n°21, 072001, 2009
[3] Macosko et al, “Highly Parallel Genome-Wide Expression Profiling of Individual Cells Using Nanoliter Droplets, n° ,pp 1202-1214, 2015
[4] L. Yu, M. C. W. Chen, K. C. Cheung, “Droplet-based microfluidic system for multicellular tumor spheroid formation and anticancer drug testing”, Lab Chip, n°10, pp. 2424-2432, 2010
[5] Shembekar et al, « Droplet-based microfluidics in drug discovery » Lab Chip, n°16, pp. 1314-1331, 2016
[6] Ralf Seemann et al, « Droplet based micro?uidics », 2011
[7] Tomasz Glawdela, Caglar Elbuken and Carolyn L. Ren, « Droplet Generation in Microfluidics », 2013
[8] Pingan Zhuab and Liqiu Wang, « Passive and active droplet generation with microfluidics: a review » , Lab Chip, n°17, pp. 34-75, 2017
[9] G F Christopher and S L Anna, « Microfluidic methods for generating continuous droplet streams », 2007
[10] Pingan Zhu · Xin Tang · Liqiu Wang « Droplet generation in co?flow microfluidic channels with vibration », 2016
[11] C. Cramer, P. Fischer, and E. J. Windhab, 2004. “Drop formation in a co–flowing ambient fluid,” Chemical Engineering Science, vol. 59, pp. 3045–3058
[12] Y. Hong and F. Wang, 2007. “Flow rate effect on droplet control in a co-flowing microfluidic device,” Microfluidics and Nanofluidics, vol. 3, pp. 341–346
[13] R. Xiong, M. Bai, and J. Chung, 2007. “Formation of bubbles in a simple co–flowing microchannel,” Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 17, pp. 1002–1011,
[14] Shelley L. Anna, Nathalie Bontoux and Howard A. Stone, « Formation of dispersions using ‘‘?ow focusing’’ in microchannels », 2002
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[16] T. Thorsen, Richard W. Roberts, Frances H. Arnold et S.R. Quake : Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device. Physical Review Letters, 86(18):4163–4166, 2001
[17] Tomasz Glawdel • Carolyn L. Ren , « Global network design for robust operation of micro?uidic droplet generators with pressure-driven ?ow », 2012
[18] Evandro Piccin, Davide Ferraro, Paolo Sartori , Enrico Chiarello, Matteo Pierno, Giampaolo Mistura, « Generation of water-in-oil and oil-in-water microdroplets in polyester-toner microfluidic devices », 2014
[19] Qiang Liao, Shu-Zhe Li, Rong Chen, Hong Wang, Xun Zhu, Wei Zhang, and Xue-Feng He, « Coalescence with droplets caused acceleration of the liquid movement in microchannels »,2015