Studies bio-systems such as information on human nucleic acid, proteins and cells are being developed focusing on enabling direct diagnoses of individuals’ disease and the analysis of the possibility of disease expression based on gene in line with the modernized society. Since existing biotechnology required analysis conducted through large and expensive equipment, individuals had to use hospitals etc. that had relevant equipment and technology and this worked as great burdens in terms of time and money. As a way to solve this problem, researchers began to develop the lab-on-a-chip (LOC) referred to microfluidic biochips and bioMEMS using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) or NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) technology. LOC offers a number of advantages over conventional laboratory tasks. Technologies to fabricate devices to manipulate process and control small volumes of fluids enhanced analytical performance compared to macroscale techniques, low cost, and access a large number of individual experiments per unit time. In addition, the researches of microdroplets in the microfluidic system are emerged as a new and exciting platform for applications within the chemical and biological sciences. Condensed particle to volume ratio in a droplet enables a fast analysis because of the confined density of target molecules released or saved in a droplet.
In present day, we developed a simple method for the generation and manipulation of a microdroplet array in a closed system with a novel designed chip called as a ‘Fishbone’ structure. This novel structure was used to make a stationary style microdroplets array in the field of a continuous-flow system by introducing a new type of chip design. In hundreds or thousands of chambers, microdroplets were generated using the surface property and manipulation of carrier fluid. Using this array, we succeeded in performing polymerase chain reaction (PCR) within the hundreds of trapped water droplets. We then generated a random droplets array using microparticles and enzyme aggregates. First, we analyzed the tendency of distribution of particles or biomolecules on suspension state in microdroplets array. Then we performed biological experiment with random droplets array using CLEA to show an example to verify that this chip can be used as a screening chip. Finally, we attempted to see whether selective retrieval of a specific droplet can be successfully performed. The result exhibited a novel and simple way to generate microdroplets inside of microfluidic system, the original way to stir the components trapped inside of microdroplets and it could serve as a new efficient tool for screening of biomolecules.
We also describe fabrication of a poly (dimethyl siloxane) (PDMS)-based chip to analyze multiple protein interactions utilizing glycidyl methacrylate (GMA) photopolymer for a site-specific immobilization of capture proteins in a closed system. The viability of this strategy was successfully demonstrated by simultaneous detection of two different antigen-antibody interactions.
From these results achieved, our novel methods and structures would be widely used as efficient tools for biological analysis in microfluidic systems.
인간의 핵산 정보나 단백질, 세포 등의 바이오시스템에 대한 연구는 현대화 사회에 맞추어 개인의 직접적인 질병 진단, 유전자에 의한 질병 발현 가능성 분석을 가능하게 하는 데에 초점을 맞추고 개발되고 있다. 기존의 생명공학 기술이 크고 고가의 장비를 통한 분석이 필요했기에, 개인은 장비와 기술을 가지고 있는 병원 등을 이용하여야 하였고, 이는 시간과 비용 면에서 큰 부담으로 작용한다. Lab-on-a-chip이나 bioMEMS라고도 불리는 이런 미세유체 바이오칩은 기존의 실험실 규모의 실험에 비해서 많은 장점을 제공해준다. Mi-croelectromechanical system (MEMS)를 바탕으로 제작하는 소량의 부피 유체를 조절하고 연계 과정을 제어할 수 있는 소자를 제작할 수 있는 기술들은 기존의 실험에 비해서 저렴하고 다수의 샘플을 동시에 빠르게 분석할 수 있게 해 주었다. 또한 MEMS를 바탕으로 하는 미세유체 시스템 내부에서 미세유체방울에 대한 연구는 화학적 또는 생물학적 연구에 크게 기여하고 있다. 미세유체 방울 내부에 집적된 입자들은 기존의 실험실 규모의 실험에 비해서 고농도의 실험이 가능하며, 이는 빠른 분석이 가능하게 한다.
본 연구에서는 ‘생선가시’ 형태의 칩을 이용하여 미세유체방울을 기존의 방법에 비해 효과적으로 만들어냄과 동시에 이를 배열 형태로 구현하였다. 수백, 수천개의 마이크로미터 크기의 공간에 기존의 방법과는 다른 표면처리 방식을 통하여 미세유체방울 배열을 제작하였다. 이 구조체는 복잡한 과정 없이 생물학적 실험의 동시 분석을 가능하게 해주었다. 우리는 이 구조체 내부의 picoliter 크기의 미세유체방울들 속에서 polymerase chain reaction을 성공적으로 수행하였다. 또한 우리는 다양한 크기의 입자나 생물학적 물질의 비균등성 배열 형성을 성공하였다. 유리 입자 및 폴리스티렌 미세 입자를 이용하여 비균등성 입자 분포를 확인한 후, crosslinked enzyme aggregate를 이용하여 생물학적 최적화 모델 스크리닝에 대한 모델을 제시할 수 있었다. 최종적으로 위와 같이 형성된 비균등 배열에서 특정 유체방울을 선택적으로 회수할 수 있는 방법을 구현하였다.
또한 다른 연구에서는 glycidyl methacrylate (GMA) 3차원 광학고분자를 이용하여 마이크로유체 시스템 내부에 특정 물질을 고정화시키고, 이를 이용하여 다수의 샘플을 동시분석 할 수 있는 시스템을 구현하였다.
우리의 이와 같은 새로운 방법이나 구조체는 미세유체 시스템 내부에서 생물학적 물질 분석 및 규명에 효과적인 도구로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
