[ 과학세특 ] 마이크로플루이딕 칩

동물실험 찬반토론 및 글쓰기 수행평가를 진행할 때, 동물실험을 대체할 수 있는 '마이크로플루이딕 칩'을 탐구하는 활동을 추천드립니다. 동물실험에 반대함을 설명하고, 그 이유로 마이크로플루이딕 칩이 동물실험을 대체할 수 있음을 설명하세요.

마이크로플루이딕 칩

1. '마이크로플루이딕스'란?

마이크로플루이딕스는 직경 100µm(마이크로미터)에서 1µm 사이의 채널을 통해 소량의 유체를 연구하고 조작하는 데 중점을 둔 과학 분야이다. 마이크로플루이딕스는 마이크로수준에서 유체의 흐름을 조절하는 방법, 장치 및 시스템 제작 기술이라고 정의할 수 있다. 마이크로플루이딕스 시스템은 미세유체의 특성을 이용하여 다양한 생명현상에 대한 연구에 응용할 수 있다.

마이크로플루이딕스

미세유체는 일상의 유체와는 다른 여러 가지 특징을 가질 수 있다. 미세유체는 레이놀즈수 (Reynolds number; Re = ρvd/µ, ρ는 유체 밀도(g/cm3), v는 유체속도(cm/s), d는 채널의 직경(cm), µ는 점도(g/cm·s))가 2000 이하로 층류 흐름 특성을 가진다. 이 조건에서는 유체의 흐름이 주로 점성에 의해 좌우된다. 마이크로플루이딕스에서는 두 종류의 유체가 접하면서 흐르는 경우, 두 유체는 접촉면에서 확산에 의해서만 혼합하게 되므로 안정된 농도 구배(gradient)를 얻을 수도 있다.

 

마이크로플루이딕스 기반의 세포 에세이 시스템에서는 마이크로chamber에 여러 종류의 세포 또는 조직을 심을 수 있고, 마이크로채널을 이용하여 chamber에 연속적으로 영양분을 공급할 수 있고, 세포 대사과정에서 생성되는 부산물을 제거할 수도 있다. 소형화된 디바이스를 사용하므로 세포 시료 및 세포 배양 등에 사용하는 생화학약품의 양을 줄일 수 있다는 장점도 유지할 수 있다. 바이오에세이로의 응용에서 기대되는 가장 큰 장점은 마이크로플루이딕스 칩의 집적도를 높여 같은 분석을 병렬로 동시에 진행함으로써 생물학 실험에서 당면하는 어려운 문제점 중에 하나인 재현성을 확보할 수 있다는 점이다. 또한 서로 관련성 있는 분석을 병렬로 동시에 진행할 수 있으므로 분석 효율을 높일 수 있다는 장점도 있다.

 

마이크로플루이딕스 칩은 반도체 공정에서 사용되던 포토리소그라피(photolithography) 등의 microfabrication 기술을 이용하여 제작할 수 있다. 정제된 Si 기판 위에 감광제(photoresist, PR)를 도포하고, 패터닝된 마스크를 통해 UV를 쪼여주어 패턴을 형성시킨다. PR을 현상하여 생성된 감광제상의 패턴은 식각법으로 깎여지고, PR을 제거하여 칩을 제조한다. 포토리소그라피법은 매우 정교한 패턴을 얻을 수 있고, Si 기판이 물리화학적으로 안정하고, 여러 가지 용매를 사용할 수 있고, 광학 특성이 우수하다는 장점이 있다. 반면에 클린룸 등의 고가의 장비가 필요하고 비용이 비싼 편이다.

 

기존의 포토리소그라피 이외에 마이크로플루이딕스 패턴 형성을 위한 다양한 방법들이 사용되고 있다. 마이크로플루이딕스의 생물공학 분야 응용에 널리 활용될 수 있는 방법으로 soft lithography법이 있다. 예를 들어, poly(dimethylsiloxane) (PDMS)으로 제조한 마이크로플루이딕스 칩은 고분자이므로 유연성이 좋으며, 분석 실험에 사용되는 세포 및 생체물질에 대해 생체적합성이 우수하며, 가시광선이나 UV에 대한 투과성이 좋아 생화학 반응 결과 등을 관측하기가 용이하다. 표면을 화학적으로 손쉽게 개질할 수 있으므로 필요한 화학 관능기를 도입할 수도 있다.

또한, 소프트리소그라피는 기존 방법에 비해 경제적이고, 짧은 시간에 마이크로플루이딕스 칩을 제조할 수 있다는 장점이 있어 마이크로플루이딕스 기반의 세포 칩 제작에 가장 많이 활용될 수 있는 기술이라고 할 수 있다.

 

2. 미세유체 기반의 세포 칩

기존의 정지상 세포 에세이의 단점을 극복하기 위하여 마이크로플루이딕스 기반의 세포 칩을 활용할 수 있다. 약물의 생리활성 분석이나 독성 평가에 활용할 수 있는 마이크로플루이딕스 기반의 세포 칩은 일반적으로 세포가 있는 마이크로 chamber와 각 chamber들을 연결하는 마이크로 채널로 구성된다.

 

Chamber에 있는 세포들은 마이크로 채널을 순환하는 배지나 시약, 독극물 등에 연속적으로 노출되고, 이때 나오는 세포 반응을 생화학적 분석 방법이나 표지 물질에 대한 형광 현미경 등을 사용하여 관찰한다. 투명성 플라스틱으로 칩을 제작하는 경우, 비표지식 광학적 센싱도 가능하다. 마이크로플루이딕스 기반의 세포 칩의 가장 큰 장점은 고효율로 세포 에세이를 할 수 있다는 점이다. 세포배양 관련 고가의 시약들을 적은 양 사용하므로 경제성도 우수하며, 여러 개의 칩을 병렬로 제작하여 동시에 사용할 수 있으므로 반복 실험을 통해 결과의 정확성을 높일 수 있다.

미세유체 기반의 세포 칩

최근에는 전극을 사용하여 나노리터 수준으로 유체를 작동시킬 수 있으며 효소 및 세포 에세이가 가능한 디지털 마이크로플루이딕스 칩 (digital microfluidics, DMF)이 개발되었다. 여러 개의 전극이 array되어 있는 평판형 칩에서 Jurkat Tcell을 이용하여 cytotoxicity를 분석한 결과, 기존의 well plate형 세포 에세이 대비 20배 이상의 민감도를 얻을 수 있었다.

마이크로플루이딕스 기반 세포 칩을 이용한 독성 및 활성 평가는 연구단계를 넘어 향후에는 스크리닝 단계에서 다음 전 임상 및 임상 단계로 넘어갈 선도화합물 결정에 활용될 수 있을 것이다.

 

3 . 마이크로플루이딕 칩이 어떻게 동물실험을 대체할 수 있는가?

마이크로플루이딕 칩(microfluidic chip)은 앞으로 실험실에서 플라스크와 시험관을 사라지게 할 획기적인 바이오기기 기술이다. 이 칩은 마이크로플루이딕스(microfluidics·미세유체공학) 기술을 토대로 미세 채널을 통해 유체를 흘려보내 여러가지 복잡한 실험을 한꺼번에 수행할 수 있는 최첨단 실험용 초정밀 기기다. 마이크로플루이딕 칩은 유리와 석영, 플라스틱, 실리콘 등의 다양한 소재를 이용해 칩 내부에는 머리카락 두께의 좁은 미세채널을 만들어 각종 실험과 진단을 할 수 있게 구성됐다. 이 칩은 극소량의 실험용 액체가 칩의 미세채널로 들어오면 전기신호나 미세 압축기를 동력으로 이 액체가 반응실(reaction chamber)로 전달되고 액체가 다시 이 반응실에서 형광 신호를 발생시키는 화학물질과 반응을 일으키는 과정을 컴퓨터로 분석하는 원리를 사용한다.

마이크로플루이딕 칩은 기존 DNA 칩과 달리 별도의 장치없이도 DNA를 분리하고 분석하는 과정을 칩 내부에서 처리할 수 있어 칩 위에 연구실을 모두 옮겨놓았다는 랩온어칩(lab-on-a-chip)이라고 불리기도 한다.