This paper reports a simple method of encapsulating materials inside of lipid vesicles, along with tunable size and enhanced polydispersity of the size distribution. We fabricated a contraction??expansion array (CEA) microchannel in the shape of semicircular groove arrays by using poly(dimethylsiloxane) molding technique. The device has the 50 ??m deep microchannel containing a uniform array of contraction??expansion microchannel. The channel has a width of 350 ??m and 50 ??m on the expansion and contraction region, respectively. The interval between each region is 600 ??m. The entire mixing channel consists of 30 array units. Lipid vesicles were generated in the CEA microchannel by injecting lipids??dimyristoylphosphatidylcholine and cholesterol in a molar ratio of 1:1??in isopropyl alcohol as a sample flow and phosphate buffered saline (PBS) as a buffer flow, leading to spontaneous formation of liposomes. In the CEA microchannel, the fluid experiences Dean vortices at high Re (> 5), passing through the contraction regions. The injected lipids are rapidly mixed with PBS by three-dimensional (3D) laminating effect attributed from the Dean vortices. In such a CEA microchannel, Dean vortices lead to 3D lamination effected by continuously splitting and redirecting fluid streams, resulting in enhancement of fluid mixing. In addition, the injected lipids and PBS experience high shear stress relative to reducing size distribution of lipid vesicles throughout the CEA microchannel. From the interplay between high shear stress and 3D laminating effect, the lipid vesicles are generated with monodispersity and high throughput. Consequently, the formation of lipid vesicles can be controlled with a total flow rate and a flow rate ratio between the sample and buffer fluids. Generated lipid vesicles from the CEA microchannel showed narrower size distribution than ones from the linear microchannel at a flow rate of 18 mL/h (Re = ~25). The throughput of the lipid generation in the CEA microchannel was above 10 times than previous works. We expect this technology can provide practical application with mass production in the field of nanomedicine such as precise dosage delivery.
본 연구는 확장축소 어레이 구조를 갖는 마이크로 채널(contraction-expansion array microchannel) 내에서 다기능 나노 지질소포체의(multi??functional liposome) 고속(high throughput) 합성을 연구한 것이다. 본 기술을 이용하여 지질소포체 내에 쉽게 인캡슐레이션화가 가능하였고 지질소포체의 크기와 분포를 조절할 수 있었다. 본 연구에 사용된 디바이스는 랩온어칩 제작을 위한 마이크로플루이딕 기술을 이용하여 반원의 어레이가 반복되는 채널 구조로 높이는 50 ??m, 확장 어레이 너비 350 ??m, 축소 어레이 너비 50 ??m, 간격 600 ??m, 그리고 총 30개의 어레이로 이루어져 있다. 확장축소 마이크로 채널에서 지질을 샘플채널에 흘려주고, 인산완충식염수(PBS)를 버퍼채널에 흘려주면 채널 내에서 두 물질이 만날 때 즉각적으로 지질 소포체가 형성된다. 본 연구는 축소 어레이에서 발생하는 딘플로우(Dean flow)를 이용하여 유체를 삼차원에서 얇은 필름 모양으로 쪼개주어 확산에 의한 혼합을 쉽게 하고 또한 축소 채널에서의 높은 전단 응력(shear stress) 으로 서로 다른 유체의 계면을 넓혀주기 때문에 높은 혼합율을 가지게 된다. 따라서 일자 채널과 비교했을 때 확장 축소 채널을 이용하면 더 균일한 지질소포체를 합성할 수 있고, 또한 고속합성이 가능하다. 더불어 지질 소포체의 크기와 크기 분포는 전체 유속, 샘플과 버퍼의 비율을 이용하여 조절이 가능하였다. 결과적으로 본 연구를 통해서 확장축소 어레이 구조를 갖는 마이크로 채널을 이용하여 균일한 크기와 좁은 크기분포를 가지는 나노 지질소포체를 기존연구보다 단시간에 합성할 수 있었다. 또한 본 채널에서는 지질 소포체내에 캡슐화가 용이하므로 이는 약물 전달 응용분야에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
