KR20170116098A - 자유-낙하 액적 내에 음장을 이용하여 정렬시킨 입자를 투여하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

자유-낙하 액적 내에 음장을 이용하여 정렬시킨 입자를 투여하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

자유-낙하 액적(12) 내에 입자(10)를 투여하기 위한 장치는 노즐(16)에 유체적으로 결합되는 유체 챔버(14), 상기 유체 챔버(14)에서 음장을 발생하도록 구성됨으로써 상기 유체 챔버(14)에서 액체내의 입자(10)들을 소정의 배열로 정렬시킬 수 있는 음향 변환기(18); 및 하나 이상의 입자를 함유하는 단일 액적을 선택된 순간에 표적화된 방식으로 노즐로부터 투여하도록 구성된 드롭-온-디맨드 메커니즘(drop-ondemand mechanism)을 갖는다.

Description

자유-낙하 액적 내에 음장을 이용하여 정렬시킨 입자를 투여하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 자유-비행 액적(free-flying liquid drop)내에 입자를 분배하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 드롭-온-디맨드 메커니즘(drop-on-demand mechanism)을 이용하여 자유-비행 액적내에 입자를 분배하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
세포 및 기타 미세 입자는 자유-분사식 프린팅 방법(free-jet printing method) 또는 폐쇄식 유체 공학(closed fluidics)에 의해 처리되거나 분석될 수 있다. 이러한 경우, "입자"라는 용어는 고체 유기 또는 무기 미세 입자 및 생물학적 세포 모두를 포함하는 일반적인 용어로 이해되어야 한다.
자유-분사식 프린팅 방법에서, 입자/세포를 인식하기 위한 센서를 포함하는 센서 기술을 갖추고 있는 분배 시스템과 센서 없이 작동하는 그러한 분배 시스템 사이에는 차이가 있을 수 있다. 센서 없이 작동하는 시스템은 분배된 입자의 양을 제어하거나 그러한 입자를 분석할 수 없다. 센서 기술을 갖추고 있는 디스펜서 시스템(dispenser system), 또는 입자 디스펜서(particle dispenser)에서, 소위 드롭-온-디맨드 디스펜서와 연속-분사식 디스펜서 사이에는 차이가 있을 수 있다. 드롭-온-디맨드 디스펜서는 전형적으로 높은 수준의 제어를 허용하는 반면, 연속-분사식 디스펜서는 전형적으로 더 많은 처리량을 포함한다.
디스펜서, 또는 액적 발생기(drop generator)는 일반적으로는 많은 양의 액체를 자유-비행 액적의 형태로 분배하기 위한 장치로 이해된다. 드롭-온-디맨드 기술 또는 드롭-온-디맨드 메커니즘은 일반적으로는 선택된 시점에서 적시에 개별 액적이 노즐로부터 선택적으로 발생되는 기술 또는 메커니즘으로 이해된다. 다시 말하면, 개별 액적은 요청이 있을시에(명령이 있을시에) 별도의 구동 신호를 사용하여 발생시킨다. 드롭-온-디맨드 프린팅 기술과는 대조적으로, 연속-분사식 프린팅 기술에서는, 가느다란 액체 제트(liquid jet)가 압력-구동 방식으로 노즐로부터 분배되고, 이때 상기 액체 제트는 노즐에서 배출된 후, 예를 들면, 정전기적으로 편향될 수 있는 개별 액적으로 분해된다. 따라서, 연속-분사식 프린팅 기술에서는, 각각의 개별 액적마다 별도의 구동 신호가 제공되지 않으며, 개별 액적이 선택된 시점에서 선택적으로 발생되지 않을 수도 있다.
음향 방사력(acoustic radiation force)이란 용어는 음장의 충돌시에 대상물이 경험하게 되는 힘의 시간-가중 평균으로 이해된다. 음향 영동학(Acoustophoretics) 또는 음향 영동(acoustophoresis)은, 음파의 한정된 충돌에 의해 발생되는 한정된 운동 또는 배열을 위하여, 음파, 또는 그들의 선택적 처리 또는 조작에 의해 발생되는 현탁액에서의 입자의 운동으로 이해된다. 또한, 이러한 경우, 관측 용적(observation volume)은 측정 또는 관측이 수행될 수 있는 정의된 2-차원 그리드 또는 용적 영역(volume area)으로 이해된다. 이러한 경우, 입자를 처리한다는 것은, 예를 들면, 마이크로 챔버 또는 마이크로 채널 내측의 입자를 편향시키거나 배열한다는 것으로 이해되며, 이러한 관점에서 상이한 타입이 공지되어 있다. 예를 들면, 처리를 위한 기술적인 방법은 음향 영동, 전기 영동 및 유체 역학이다.
종래의 기술에서, 예를 들면, 나까무라(Nakamura) 등의 문헌[참조: "Biocompatible inkjet printing technique for designed seeding of individual living cells", Tissue Engineering(2005), 11(11-12), pages 1658-1666]에서 알 수 있는 바와 같이, 예를 들면, 살아있는 세포를 프린팅할 수 있는 생체 적합성 프린팅 헤드(biocompatible printing head)가 공지되어 있다. 농도에 따라, 개별 세포가 프린팅될 수 있다. 그러나, 입자/세포를 감지하기 위한 센서 기술은 전혀 없다. 유소프(Yusof) 등의 문헌[참조: "Inkjet-like printing of single-cell", Lab on a Chip (2011), 11(14), pages 2447-2454]에는 광학 세포 인식을 포함하는 프린트 헤드가 기술되어 있지만, 세포는 투여 챔버(dosage chamber) 내에서 임의로 배열된다. 비교가능한 배열에서 조차도, 야마구치(Yamaguchi) 등의 문헌[참조: "Cell patterning though inkjet printing one cell per droplet", Biofabrication (2012), 4(4)]에 기술되어 있는 바와 같이, 입자는 노즐내에 균일하게 분포되어 있다.
또한, 어거스트 쿤트(August Kund)는 이미 19세기에 유체내에서의 입자의 균일한 배열이 음파에 의해 일어날 수 있다고 문헌[참조: "Annalen der Physik und Chemie", Band CXXVII, Nr. 4, 1866]에서 기술하였다. 맨드랄리스(Mandralis) 등의 문헌[참조: "Fractionation of suspension using synchronized ultrasonic and flow fields", AlChE Journal (1993), 39(2), pages 197-206]에는 미세 입자에 대한 이러한 효과의 적용에 대해 기술되어 있다. 또한, 티. 라우렐(T. Laurell 외) 등의 문헌[참조: "Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles", Chemical Society Reviews (2007), 36(3), pages 492-506]에는 음향 영동에 의하여 미세 유체 구조물에서 세포를 처리 또는 조작하는 방법이 기술되어 있으며, 연속 흐름 조건하에서 가능한 다른 상이한 배열이 나타나 있다.
아이. 레이바쳐(I. Leibacher) 등의 문헌[참조: "Impedance matched channel walls in acoustofluidic systems", Lab on a chip(2014), 14(3), pages 463-470]에는, 정상 음파(standing sound wave)를 이용하여 마이크로 유체 공학 시스템(micro fluidic system)내에서 입자를 조작하는 방법에 대한 기초가 기술되어 있다.
예를 들면, FACS(Fluorescence-Activated Cell Sorting)와 같은 유동 세포 계측법(Flow cytometry)은 전압 또는 광선을 개별적으로 고속으로 통과시켜 세포를 분석할 수 있는 측정 방법으로 이해된다. 예를 들면, 유동 세포 계측 방법은 미국 특허 제 3,380,584 호에 공지되어 있다. 전형적으로는, 연속-분사식 프린팅 방법이 유동 세포 계측법에 사용된다. 이러한 방법은, 액적이 연속적으로 발생되지만, 제어된 방식으로 액적 스트림을 중단시킬 수 없다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 기법을 이용하여 세포를 포함하는 입자를 선택적으로 선별하는 경우, 내용물에 따라 상이한 위치에 액적을 배치할 필요가 있다. 이는 비행중에 정전기 편향에 의해 야기된다. (예를 들면, 96개 또는 384개의 웰을 가진 미소 역가판(microtiter plate)에서) 위치의 수 및 요구되는 침착 정확도가 높을수록, 공정이 더 어렵고 보다 기술적으로 정교해진다.
EP 0421 406 A2 호에는 입자를 분배하기 위한 열 잉크젯 프린팅 헤드가 기술되어 있다. 입자는 저장조에 임의로 배치되며, 분출되지 않을 때까지 비행 중에 검출기에 의해 분석된다.
WO 2013/003498 A2 호에는, 세포를 포함하는 음향적으로 집중된 입자가 측정 영역을 통하여 유동하는 유동 세포 계측 방법이 기술되어 있으며, 여기서는 이러한 입자의 정성 파라미터 및 정량 파라미터를 광학적으로 판독하여 이를 특성화한다.
US 2012/0298564 A1 호에는, 입자를 채널내에 보다 정확하게 위치시켜 보다 양호한 센서 결과를 얻기 위하여 하나 또는 수개의 입자를 음향적으로 처리하는 방법이 기술되어 있다.
WO 2011/154042 A1 호에는, 자유-비행 액적내에 함유된 입자/세포를 분배하기 위한 장치 및 방법이 기술되어 있다. 입자를 함유하는 액적이 개구로부터 분출될 수 있는, 드롭-온-디맨드 발생기를 가진 디스펜서가 제공된다. 본 명세서에 따르면, 입자는 드롭-온-디맨드 디스펜서내에서 유체 역학 또는 유전 방식으로 집중된다.
본 발명의 목적은, 입자를 자유-유동성 액적내에 신뢰할 수 있는 방식으로 분배할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위의 청구항 1에 따른 장치 및 청구항 11에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 실시태양은,
노즐에 유체 결합된(fluidically coupled) 유체 챔버;
상기 유체 챔버내에서, 상기 유체 챔버내의 액체내의 입자들을 소정의 배열로 정렬시킬 수 있는 음장을 발생하도록 구성된 음원; 및
선택된 시점에서, 하나 또는 수개의 입자를 함유하는 개별 액적을 노즐로부터 선택적으로 분배하도록 구성된 드롭-온-디맨드 메커니즘
을 포함하는, 자유-비행 액적내에 입자를 분배하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 실시태양은,
노즐에 유체 결합된 유체 챔버내의 액체내의 입자들을 소정의 배열로 정렬시키기 위하여 상기 유체 챔버내에서 음장을 발생시키는 단계; 및
선택된 시점에서, 하나 또는 수개의 입자를 함유하는 자유-비행 액적을 노즐로부터 분출하기 위하여 개별 액적을 노즐로부터 선택적으로 분배하도록 구성된 드롭-온-디맨드 메커니즘을 적용하는 단계
를 포함하는, 자유-비행 액적내에 입자를 분배하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 실시태양은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세하게 기술된다.
도 1은 자유-비행 액적내에 입자를 분배하기 위한 장치의 하나의 실시태양을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a-2c는 유체 챔버내의 상이한 입자 정렬 상태를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은, 센서 기술을 포함하는, 자유-비행 액적내에 입자를 분배하기 위한 장치의 하나의 실시태양을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 실시태양은 입자-운반 액체를 분배하는 것에 기초하며, 여기서 액체 내의 입자는 고체 입자뿐만 아니라, 특히, 살아있는 세포, 겔 입자, 유적 또는 액체로 충전된 입자를 포함하는 비가용성 물체로 이해된다. 예를 들면, 액체는 살아있는 세포를 함유하는 버퍼 현탁액(buffer suspension)일 수 있다. 입자는 드롭-온-디맨드 메커니즘을 이용하여 자유-비행 액적내에 분배되며, 여기서 입자는 음장을 이용하여 정렬되거나 집중된다. 특히, 본 발명의 실시태양은, 음향 영동 방법을 이용하여, 액체 내의 입자를 분류하여 이를 디스펜서의 노즐에 규칙적인 방식으로 공급하는 것이 가능하다는 발견에 기초한다. 따라서, 본 발명의 실시태양은 유체 챔버내에서 상응하는 음장을 발생시키기 위하여 음파를 발생할 수 있는 마이크로액터 시스템(microactor system)의 기술을 이용할 수 있다. 실시태양에서, 입자는, 속도 분포가 보다 균일하고, 따라서, 입자가 보다 예측 가능한 방식으로 진행하는, 채널의 형상을 포함할 수 있는 유체 챔버의 중심부에 공급될 수 있다. 또한, 정렬된 입자는, 그들이 액체-운반 구조물, 즉 유체 챔버의 에지 영역에서 스위치-오프(switch-off)와 같은 간섭 효과로부터 격리되기 때문에 더 잘 감지될 수 있다.
실시태양에서, 장치는 특정 입자 또는 특정 개수의 입자를 선택적으로 분배하기 위하여 센서를 구비할 수 있다. 음원은 입자를 관심이 있는 용적(ROI, volume of interest)으로 정렬시키는 음장을 발생하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우, 센서는 단지 보다 관심이 적은 영역(ROI, 관심이 있는 용적), 즉 채널의 보다 작은 부분만을 모니터링하면 되므로 더 빠르고 보다 효율적으로 작동할 수 있다. 실시태양에서, 음원, 즉, 음향 액추에이터(acoustic actuator)는 디스펜서의 외측으로부터 액체- 운반 구조물, 즉 유체 챔버까지 연결될 수 있으며, 디스펜서의 유체 챔버에 통합될 필요는 없다. 이는 분배 장치 자체가 변경될 필요가 없다는 이점을 갖는다. 따라서, 디스펜서의 제조 비용 및 복잡성은 변하지 않게 유지할 수 있다.
따라서, (예를 들면, WO 2011/154042 A1 호에 기술되어 있는 바와 같이) 유체 역학에 의해 분배될 입자를 집속하는 것은 필요하지 않다. 유체 역학에 의한 이러한 집속은 음향 영동 집속을 이용함으로써 피할 수 있는 드롭-온 디맨드 메커니즘을 이용하는 단계적 분배(step-by-step dispensing)에서 몇 가지 단점을 포함한다. 특히, 가스 버블 형성과 관련하여 해당 유체 구조물을 충전할 때 발생하는 문제를 피할 수 있도록 다수의 액체 저장조 또는 유입구를 가질 필요가 없다. 또한, 음향 영동은 보다 정밀한 집속을 가능하게 하며, 이는 생산 공차에 덜 의존하므로, 따라서 더 견고하다. 또한, 유전체 집속은 디스펜서의 변화를 수반하는 전극을 투여 챔버에 삽입해야 한다는 단점이 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 본 발명의 실시태양에서, 디스펜서, 즉 그것의 유체 구조물은 변경될 필요가 없는 반면, 집속을 위해 사용되는 음원은 필요에 따라서 조정되거나 스위치 오프될 수 있다.
본 발명의 실시태양은, 드롭-온-디맨드 디스펜서, 즉 불연속 흐름을 생성하고 연속 흐름을 생성하지 않는 디스펜서에서의 음향 집속(acoustic focusing)이 구현될 수 있다는 최초의 발견에 기초한다. 본 발명의 실시태양에서, 유체 챔버는 노즐을 향해 가늘어지는 채널의 형상을 포함한다. 이러한 형상은 음향 영동에 적절하며 예기치 못한 이점을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 유체 챔버의 중심에서의 입자의 집속 이외에도, 또한 흐름 방향을 가로지르는 입자를 유지할 수 있는 가능성을 제공하는 상이한 정상 음상(standing sound image)이 발생될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본 발명자들은, 분배 공정 사이에서 드롭-온-디맨드 디스펜서의 노즐에서 발생하는 휴면상태의 안정한 메니스커스(resting stable meniscus)가 음장에 의해 영향을 받지 않아서 불안정해진다는 사실을 발견하였다. 드롭-온-디맨드 디스펜서와 음향 영동의 조합 및 그로 인하여 얻을 수 있는 이점은 단지 이러한 발견에 의해서만 가능하게 되었다.
현탁액 중의 입자가 임의적으로 분포되는 드롭-온-디맨드 분배 입자에 대한 기술과 비교하였을 때, 본 발명의 실시태양은 입자를 검출하는 노력을 상당히 감소시킨다. 이로써, 검출 속도 및 정확도가 증가될 수 있다. 따라서, 액적이 입자를 함유하는지, 그렇다면 얼만큼 포함하는지에 대한 예측성이 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시태양은 입자의 수를 보다 정확하게 측정할 수 있으며, 따라서 처리량이 증가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시태양은, 드롭-온-디맨드 메커니즘을 이용하는 디스펜서내의 입자들의 음향 영동 정렬 또는 집속이 개별 입자들을 노즐에 선택적으로 공급하거나 입자들을 선택적으로 억제하기 위하여 유리한 방식으로 이용될 수 있다는 발견에 기초한다. 이와는 대조적으로, WO 2013/003498 A2 호 및 US 2012/0298564 A1 호에 기술 되어 있는 기술은 연속 흐름에서 입자를 더 잘 분석하기 위하여 음향 방사력을 이용하지만, 여기에 기술된 배열은 단일 입자를 형성할 수 없다.
도 1은 자유-비행 액적(12)내에 입자(10)를 분배하기 위한 장치의 하나의 실시태양의 개략도를 나타낸다. 상기 장치는, 도시된 실시태양에서는, 채널의 형상을 포함하는 유체 챔버 (14)를 포함한다. 유체 챔버(14)의 상단부는 유입구를 나타내며, 유체 챔버(14)의 하단부는 상기 유체 챔버(14)에 유체 결합된 노즐(16)을 나타낸다. 상기 장치는, 유체 챔버(14)에서, 유체 챔버(14)의 액체내의 입자(10)를 일렬로 배열시킬 수 있는 음장을 발생하도록 구성된 음원(18)을 포함한다. 또한, 상기 장치는, 선택된 시점에서, 입자(10)를 함유하는 개별 액적(12)을 노즐(16)로부터 선택적으로 분배하도록 구성된 드롭-온-디맨드 메커니즘(20)을 포함한다. 드롭-온-디맨드 메커니즘은, 예를 들면, 유체 챔버에서 접하는 기계적 멤브레인, 및 유체 챔버의 용적을 감소시켜 노즐(16)로부터 자유-비행 액적(12)을 분출시키기 위하여 기계적 멤브레인을 작동하도록 구성된 압전식 작동 요소를 포함하는 압전식 작동 메커니즘일 수 있다. 드롭-온-디맨드 메커니즘의 예시에 관해서는, 본원에서 참고로 인용된 WO 2011/154042 A1 호의 교시 내용을 참조할 수 있다.
예를 들면, 음원(18)은 적절한 주파수에서 음장을 발생하도록 구성된 피에조 컨버터(piezo converter)에 의해 형성될 수 있다. 음원은 유체 챔버와 기계적으로 접촉하며, 이는 또한 액체와도 접촉한다. 음원(18)의 여기 주파수는 유체 챔버(14)의 공진 주파수일 수 있으며, 즉, λ = 2ㆍb/n이 파장에 대해 적용되며, 여기서 b는 유체 챔버(14)의 폭이며 n은 진동 모드이다. 이에 따르면, 모드 n=1 에서, 유체 챔버(14)내에서 정상파가 발생됨으로써 입자(10)가 도 1에 도시된 바와 같이 라인을 따라 유체 챔버내에서 중앙에 정렬될 수 있다. 입자는 연속적으로 흐르지는 않지만 주문형 분배에 의해 노즐(16)을 향해 단계적으로 이송된다. 관심 영역(ROI) 또는 관심 용적(22)은 적절한 위치, 예를 들면, 노즐(16) 부근에 위치된다. 입자가 상응하는 용적(22)내에 배열되어 있는지에 관한 정보를 감지하기 위하여 도 1에 도시되지 않은 센서 또는 검출기가 제공될 수 있다. 관심 용적은 그 다음의 액적 중의 하나와 함께 노즐에서 분배되는 용적일 수 있다. 실시태양에서, 관심 용적은 그 다음의 분배 동작에서 분출되는 용적일 수 있다.
따라서, 실시태양에서, 드롭-온-디맨드 메커니즘은 입자들을 단계적으로 노즐 방향으로 이동시키도록 구성될 수 있으며, 음원은 입자들을 운동 방향에 평행한 적어도 하나의 라인을 따라 정렬시키는 제 1 주파수를 가진 음장을 발생하도록 구성된다. 또한, 라인은 노즐을 향하여 유체 챔버에서 중앙에 정렬될 수 있다. 운동 방향에 대해 횡방향으로 대향하는 유체 챔버의 챔버 벽, 예를 들면, 도 1의 좌측 및 우측 챔버 벽은 음장 주파수의 파장의 절반의 정수배에 상응하는 거리만큼 서로 이격되어 배치될 수 있다. 본 발명의 실시태양에서, 유체 챔버는 흐름 방향으로 원형 또는 직사각형, 예를 들면, 정사각형 흐름 단면을 포함할 수 있다.
도 2a는 노즐(26) 및 유입구(28)를 포함하는 유체 챔버(24)의 개략도를 도시한 것이다. 유입구(28)는 유입구 영역(30)에 유체 결합될 수 있다. 본 발명의 실시태양에서, 도 2a에 도시된 유체 구조물을 나타내는 유체 구조물은, 예를 들면, 실리콘 및 유리로 이루어진 마이크로칩 내에 형성될 수 있다. 예를 들면, 유체 챔버(24), 노즐(26) 및 유입구(28)를 포함하는 유체 구조물은 실리콘 기판 내에 형성될 수 있으며, 유리 기판으로 보호될 수 있다. 유체 챔버(24) 내에서 공진 음장을 발생시킬 수 있는, 도 2a-2c에 도시되지 않은 음원이 제공된다. 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 유체 챔버(24)는 노즐(26) 쪽으로 가늘어지고 노즐에서 종결된다. 또한, 투여 챔버는 유입구 쪽으로 가늘어지고 유입구(28)의 전방에서 유체 저항으로 종결된다. 이러한 경우, 음파는 액체와 액체 챔버를 형성하는 재료, 예를 들면 실리콘 사이의 계면에서 반사된다. 예를 들면, 액체는 물, 또는 세포일 수도 있는 입자가 현탁된 완충 용액일 수 있다. 도 2a의 예시에서, 음장은 전혀 존재하지 않으며, 입자(10)는 유체 챔버 (24) 내에 임의로 배치된다.
본 발명의 실시태양에서, 음원은 유체 챔버(24) 내에서 각각의 액적 분출과 함께 노즐(26)을 향하여 단계적으로 이동하는 입자를 유체 운동과 평행하게 배열시키는 음장을 발생하도록 구성된다. 이러한 경우, 음원의 주파수는 입자의 운동 방향을 가로지르는 실리콘 벽의 거리가 λ/2의 배수(정수 배수)가 되도록 선택되며, 여기서, λ는 액체 내의 음파의 파장이다. 이러한 경우, 유체 챔버의 벽은 유체 챔버를 형성하는 재료와 임피던스 불연속성이 발생하는 액체 사이의 계면이다. 이에 따르면, 하나 또는 수개의 압력 노트 라인(pressure knot line)이 유체 운동에 평행하게 생성될 수 있다. 이러한 경우, 음향 집속은 유체 운동에 평행하게 발생할 수 있다. 노즐 및 유체 챔버는, 주 진동 모드 및, 따라서, 주 압력 노드 라인(main pressure node line)이 유체 챔버내의 중심에 놓이고 노즐을 향해 정렬될 수 있도록 배열될 수 있다. 이에 따르면, 각각의 액적 분출, 즉 각각의 주문형 작동시에 입자를 정의된 방식으로 노즐(26)을 향하여 이동시킬 수 있다. 도 2b에서, 압력장(pressure field)의 대응 노드 라인은 점선 프레임(32)으로 도시되어 있다.
여기 케이스(excitation case)는, 도 2b를 참조하여 상술된 바와 같이, 입자를 노즐(26)에 선택적으로 공급하기 위하여 특히 유리하다. 또한, 이러한 여기 케이스는 광학 입자 인식이 수행될 경우에 유리하다. 입자는 관심 영역내에 선택적으로 배치되거나 집속될 수 있다. 이러한 경우, 입자가 유체 챔버 또는 채널의 에지에 위치할 경우에 유체 챔버 또는 채널 내에서 비-집속 입자와 함께 통상적으로 발생할 수 있는 입자의 음영을 피할 수 있다. 또한, 관심 영역에 상응하는 광학적 감지 영역을 더 작게 설계하여, 또한, 처리량을 더 많게 할 수 있다.
지금부터는, 도 2c를 참조하여 제 2 여기 케이스를 기술한다. 도 2c에 도시된 케이스에서, 음원의 주파수는 상술한 음장과 비교하였을 때 90도 만큼 회전된 공진 음장을 발생시키도록 적응된다. 여기서, 정상파가 유체 운동 방향에 평행하거나, 또는, 바꾸어 말하면, 노트 라인이 유체 운동 방향에 대해 횡 방향(즉, 수직 방향)이다. 이는 노즐 방향 및 또한 유입구 방향 모두를 향하여 테이퍼링된 방식으로 구성된 유체 챔버의 기하학적 형상으로 인하여 가능할 수 있다. 즉, 유체 챔버가 스트림 방향으로 대향하는 2개의 단부에서 테이퍼링되도록 구성됨으로써, 정상 음파가 그들에 의해 형성된 벽에서의 반사에 의해 생성될 수 있다. 유입구(28) 및 노즐(26)의 개구의 작은 치수로 인하여, 챔버 폭(b)과 비교하였을 때, 개구는 음장에 대한 어떠한 간섭 효과도 거의 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 유체 운동 방향을 횡단하는 하나 또는 수개의 노드 라인을 포함하는 공진 음장이 생성될 수 있다. 예를 들면, 도 2c는 이러한 3개의 노드 라인(34)을 나타낸다. 입자는 이러한 노드 라인에서 유지될 수 있다. 이러한 경우, 주파수는, 유체 챔버의 대향 벽의 유체 운동 방향, 즉, 도 2c에 도시된 길이(l)에서, 거리가 액체내의 음파 파장의 절반의 정수배에 상응하도록 선택되어야 한다. 실시태양에서, 노즐(26)의 개구 및 유입구(28)의 치수는 유체 운동 방향을 가로지르는 유체 챔버의 폭의 50% 이하, 유리하게는 25% 미만일 수 있다. 실시태양에서, 개구의 폭은 10㎛ 내지 125㎛일 수 있으며, 전체 챔버 폭은 750㎛ 내지 1250㎛일 수 있다. 실시태양에서, 개구의 폭은 챔버 폭의 1% 내지 15%, 예를 들면, 10%일 수 있다.
상응하는 여기 상태에서, 도 3c를 참조하여 설명된 바와 같이, 유체 운동에도 불구하고 입자를 유지할 수 있다. 이에 따르면, 입자가 노드 라인, 즉 압력 최소값에서 유지되기 때문에, 노즐(26)로부터 입자가 분배되지 않고 액체, 예를 들면, 완충액이 분배될 수 있다. 따라서, 가끔씩, 예를 들면, 주기적으로, 입자를 분배하지 않고 액체를 분배함으로써 노즐의 건조 단계를 피할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시태양은 노즐의 막힘을 초래할 수 있는 침강에 대항하여 입자를 유지할 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 입자의 유무에 관계없이 음원을 적절하게 제어함으로써, 입자의 손실 없이 분배 사이에서 스위칭할 수 있다. 따라서, 입자의 분배된 용적 및 분배된 개수를 서로 독립적으로 선택할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시태양은, 드롭-온-디맨드 메커니즘이 입자가 노즐을 향하여 단계적으로 이동하도록 구성되며, 여기에서 음원은 입자들을 운동 방향에 수직인 적어도 하나의 라인을 따라 정렬시키는 제 1 주파수를 가진 음장을 발생하도록 구성된 장치 및 방법을 제공한다. 이러한 실시태양에서, 유체 챔버는 노즐 및 유입구 개구가 형성되는 운동 방향으로 대향하는 챔버 벽을 포함할 수 있으며, 여기에서 운동 방향으로 대향하는 챔버 벽은 서로 제 2 주파수의 파장의 절반의 정수배에 상응하는 거리를 포함한다. 도 2a-2c에 도시되어 있는 바와 같이, 유체 챔버가 이러한 방향으로 경사진 챔버 벽을 포함하는 경우, 예를 들면, 챔버 벽의 경사진 코스에 기인한 계산된 평균값을 초래하는 가상 벽 위치가 대응 거리를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
도 3은 음향 영동 집속 및 드롭-온-디맨드 메커니즘을 이용하여 자유-비행 액적내에 입자를 분배하기 위한 장치의 하나의 실시태양을 도시한 것이다. 상기 장치는, 예를 들면, 도 1 및 도 2a-2c에 기술된 유체 챔버(24)에 의해 형성될 수 있는 유체 챔버(44)를 포함한다. 유체 챔버(44)는 노즐(46)에 유체 결합되며, 분배 칩(47)내에 형성될 수 있다. 음원(48)은 분배 칩(47)에 직접 부착될 수 있다. 다른 방법으로, 음원(48)은 분배 칩이 부착되는 (도시되지 않은) 홀더에 부착될 수 있다. 예를 들면, 홀더는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 도 1을 참조하여 기술된 주문형 메커니즘(20)에 상응할 수 있는 드롭-온-디맨드 메커니즘(50)은, 선택된 시점에서, 입자를 함유할 수 있는 개별 액적을 노즐(46)로부터 선택적으로 분배하기 위하여 제공된다. 음원(48)은, 예를 들면, 도 2a-2c를 참조하여 상술한 바와 같이, 유체 챔버(46)내의 액체 내에서 입자의 배열을 유발하도록 구성될 수 있다. 입자가 관심 영역(22), 예를 들면, 노즐의 그 다음의 액적들 중의 하나와 함께 분배되는 용적에 배치되는지에 관한 정보를 감지하도록 구성된 센서(52)가 제공된다. 관심 영역 또는 관심 용적은 노즐 영역내에 배치될 수 있다. 예를 들면, 관심 용적은 그 다음의 주문형 분배 작업에서 그 다음의 액적과 함께 노즐에서 분출되는 내용물인 노즐의 최종 용적일 수 있다.
센서(52)에 의해 감지된 정보는, 예를 들면, 액적 발생기의 관측 용적내의 입자/세포의 개수, 크기, 위치, 유형, 색상 및 임의의 다른 특성에 관한 정보일 수 있다. 예를 들면, 센서(52)는, 관측 용적내에 위치된 입자/세포의 특성이, 공지된 이미지 처리 기법을 이용하여, 예를 들면, 공지된 패턴 등과 비교함으로써 도출될 수 있도록, 입자/세포가 포함된 관측 용적의 이미지를 전달하는 카메라일 수 있다. 예를 들면, 이것은 그의 동작을 제어하기 위하여 센서(52), 음원(48) 및 드롭-온-디맨드 메커니즘(50)에 결합된 컨트롤러(54)에 의해 수행될 수 있다. 또한, 컨트롤러(54)는 감지된 정보에 따라 그를 제어하기 위하여 흡입 수단(56)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 관측 용적(22) 내에 입자가 전혀 위치되어 있지 않거나 또는 원하는 타입의 입자가 전혀 위치되어 있지 않은 것으로 감지된 경우, 도 3에서 화살표(58)로 도시되어 있는 바와 같이, 흡입 수단(56)은 상응하는 액적을 흡입하기 위하여 컨트롤러(54)에 의해 작동될 수 있다. 그러나, 입자 또는 원하는 타입의 입자가 관측 용적(22)내에 위치되어 있는 있는 경우, 도 3에서 화살표(62)로 지시되어 있는 바와 같이, 흡입 수단(56)은 상응하는 액적이 캐리어(60) 상으로 분출되도록 활성화되지 않는다. 예를 들면, 캐리어(60)는 입자가 함유된 분배된 액적을 추가로 처리할 수 있는 미소역가판 또는 다른 수단일 수 있다. 따라서, 실시태양은 분배된 액적을 감지된 정보에 따라 제 1 위치(캐리어(60)) 또는 제 2 위치(흡입 수단 (56))로 분배하도록 구성된다. 예를 들면, WO 2011/154042 A1 호에 기술되어 있는 바와 같이, 상이한 위치에 액적을 분배하기 위하여 대안적인 가능성이 제공될 수 있다는 사실에 대해 더 이상의 설명이 필요하지 않다.
이에 따르면, 예를 들면, 오직 정확하게 하나의 입자 또는 하나의 세포만을 함유하는 액적만이 트레이(60) 상으로 분출될 수 있는 반면, 다른 모든 액적은 흡입 수단(56)에 의해 흡입된다. 예를 들면, 흡입 수단(56)은 폐기물 용기에 연결될 수 있다.
또한, 컨트롤러(54)는, 도 2b 및 도 2c를 참조하여 상술한 바와 같이, 유체 챔버(44) 내에서 상이한 주파수를 가진 음장을 발생시키기 위하여, 예를 들면, 압력장의 노드 라인을 발생시키기 위하여 음원(48)을 제어하도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시태양은 입자, 예를 들면, 생물학적 세포를 액체 중에 분배, 계수 및 특성화하는데 사용될 수 있는 시스템을 제공한다. 이러한 경우, 세포가, 예를 들면, 유입 챔버 및 유입구를 통하여 유체 챔버(투여 챔버)내로 개별적으로 유동하도록 액체 내의 세포 농도가 설정될 수 있다. 집속이 없는 경우, 개별적으로 공급되는 입자는 챔버내에서 임의로 분배된다. 음향 영동 집속에 의해, 입자는 분사 노즐 쪽을 향한 라인을 따라 정렬될 수 있다. 이어서, 예를 들면, 드롭-온-디맨드 다이렉트 볼륨 임펠러(drop-on-demand direct volume impeller)일 수 있는 액적 발생기를 이용하여 하나의 입자를 각각 분배할 수 있는데, 여기에서 함유된 세포(들)을 포함하는 특정 액체 용적이 각각의 분산시에 노즐로부터 분배된다. 이에 따르면, 추가의 입자들이 저장소로부터 전진할 수 있다. 음장은 음원에 의해 디스펜서의 유체 챔버, 즉, 투여 챔버 내로 결합될 수 있다. 주파수는 원하는 입자 패턴이 공진에 기인하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 모든 입자는 유체 챔버의 중간부에 집속될 수 있는 반면, 노즐도 또한 스트림에 대해 전방 단부에서 유체 챔버를 제한하는 벽의 중앙에 형성될 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(54)에서 수행되는 이미지 처리 알고리즘이 다음 액적 내의 입자 수를 예측할 수 있도록 카메라의 시야, 즉 관심 영역 내의 입자의 위치 및 수를 인식하기 위하여 이미징 광학계(imaging optics)가 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시태양은 개별 세포 또는 특정 개수의 세포를 프린팅하기에 적합하다. 다른 실시예들은 개별 박테리아 또는 다른 유기체 또는 이들 그룹의 프린팅을 지칭할 수 있다. 다시 말하면, 다른 실시예들은 현탁액 내의 유적 또는 특정 개수의 유적 그룹의 프린팅을 지칭할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시태양은 또한 현탁액 내의 개별 인공 입자 또는 이러한 인공 입자의 그룹, 예를 들면, 비드, 양자점(quantum dot) 등의 프린팅을 지칭할 수도 있다. 추가의 실시태양은 특정 입자만을 분배하기 위하여 음향 콘트라스트를 가진 입자의 사전 선택을 지칭할 수 있다.
음향 영동의 기초를 형성하는 기술에 관해서는, 예를 들면, 상기에서 언급된 아이. 레이바쳐의 명세서를 참조할 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 배열 내의 액체 내의 입자들을 정렬하기 위해서는, 입자가 압력장의 노드에서 수집되도록 정상 음파를 액체내에서 발생시킨다. 정상파는 진행파와 반사파의 간섭에 의해 발생된다. 반사는 두 재료의 전이에서 임피던스 불연속성에 의해 달성된다. 재료의 음향 임피던스(Z)는 그의 재료 밀도(p)와 그의 음속(c)에서 유래한다:
Z = pㆍc
예를 들면, 재료로서 사용될 수 있는 물과 실리콘은 다음과 같은 특성들을 포함한다:
Figure pct00001
반사 계수(R)와 투과 계수(T)는 임피던스 불연속점에서 반사되거나 투과되는 파 강도(wave intensity)의 비율을 제공한다:
Figure pct00002
상기 식에서,
Figure pct00003
이다.
계면 물/실리콘 계면에 대해서는 하기 값을 적용한다:
물/실리콘 → R I = 75%, T I = 25%
따라서, 파 강도의 75%가 수로(water channel)를 제한하는 실리콘 벽에서 반사됨으로써 공진이 생성될 수 있다.
명백하게, 상기 언급된 재료들은 단지 예시적인 것으로, 본 발명의 실시태양은 상응하는 음장을 발생시킬 수 있는 한은 상이한 음향 임피던스를 가진 다른 재료를 이용하여 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시태양은, 개별 액적을 분배하기 위한 드롭-온-디맨드 메커니즘, 입자 또는 세포가 질서 정연하게 감지 영역에 공급되도록 분배 유닛에서 음장을 발생하는 음원, 및 분배되기 전에 개별 입자 또는 수개의 입자 또는 세포를 인식하기 위한 인식 메커니즘을 포함하는, 입자 및 세포를 분배(프린팅, 투여)하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
실시태양에서, 디스펜서의 채널 기하 형태에 따라, 이는 경우에 따라서는 유체 운동에 관계없이 상이한 입자 배열 사이에서 스위칭될 수 있다. 충분한 에너지가 결합되면, 음원은 자유롭게 선택할 수 있는 위치에 부착될 수 있다. 제어 유닛은 용량 케이스에 대응하여 여기 주파수를 선택할 수 있다. 예를 들면, 여기 주파수는 흐름 방향을 가로지르는 음장의 공진 주파수에 상응할 수 있거나, 또는 흐름 방향에 평행한 음장의 공진 주파수에 상응할 수 있다. 대안적으로, 여기 주파수는 이러한 주파수의 임의의 조합일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시태양은 디스펜서, 특히 드롭-온-디맨드 디스펜서에서 액체내에 입자 또는 세포를 일렬로 정렬시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 본 발명의 실시태양에서, 이는 음향 영동 집속에 의해 달성된다. 이에 따르면, 입자가 상응하는 배열을 달성하기 위하여 액체에 비례하여 이동될 수 있도록 액체 내의 입자에 힘이 인가된다. 따라서, 실시태양에서, 유체 챔버 내에 입자들을 보유할 수 있는 반면, 액적은 입자 없이 분출된다.
유체 구조물, 예를 들면, 유체 챔버 및 노즐의 전형적인 치수는 1㎛ 내지 1000㎛ 범위일 수 있다. 예를 들면, 분출된 액적의 전형적인 액체 용적은 1 피코리터(picoliter) 내지 1 마이크로리터(㎕)의 범위일 수 있다. 이미징 센서는, 상술된 바와 같이, 입자 센서로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 형광 측정 센서 또는 다른 광학 센서(예를 들면, 라만 분광기), 전기 센서 또는 기계식 센서가 사용될 수 있다. 일반적으로는, 관심 영역에 존재하는 입자에 관한 정보를 감지할 수 있는 임의의 센서가 사용될 수 있다.
입자의 음향 배열로 인하여, 본 발명의 실시태양은 입자 검출로부터의 센서 신호가 보다 더 균일해질 수 있기 때문에 입자 검출 도중에 정확도를 증가시킬 수 있다. 이미지 검출에서, 작은 이미지 영역 또는 더 큰 배율이 선택될 수 있다. 또한, 입자 위치를 항상 동일하게 유지하는 경우, 배경의 변동성이 감소될 수 있다. 입자가 액체 채널 또는 유체 채널의 에지에 위치하지 않도록 입자의 배열이 선택되는 경우, 에지 효과, 예를 들면, 음영에 의한 검출 오차가 여전히 방지된다. 이는 입자 손실, 즉 미검출된 입자의 수를 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한, 검출 또는 샘플링 속도는 많은 센서 시스템에서 증가될 수 있다. 이는 측정 영역, 또는 측정 용적(관심 영역)을 현저하게 감소시킨다. 또한, 유체내에서의 입자의 운동은 그들의 위치가 일정할 경우에 더 예측가능하다. 특히, 이는 그 다음 액적 내의 입자의 수가 보다 높은 신뢰도로 예측될 수 있다는 이점을 갖는다. ROI가 더 작기 때문에, 일정한 입자 크기에서 신호-대-잡음비를 향상시킬 수 있다.
장치와 관련하여 본원에서 기술된 기능적 특징은, 당업자에게 자명한 바와 같이, 상응하는 기능을 제공하도록 구성된 상응하는 방법의 특징을 나타내는 반면, 방법과 관련하여 본원에서 기술된 특징도 또한 상응하는 특징을 실행하도록 구성된 상응하는 장치의 특징을 나타낸다.

Claims (15)

  1. 자유-비행 액적내에 입자(10)를 분배하기 위한 장치로서,
    노즐(16, 26, 46)에 유체 결합된(fluidically coupled) 유체 챔버(14, 24, 44);
    상기 유체 챔버(14, 24, 44)에서, 상기 유체 챔버(14, 24, 44)내의 액체내의 입자(10)들을 소정의 배열로 정렬시킬 수 있는 음장(acoustic field)을 발생하도록 구성된 음원(18, 48); 및
    선택된 시점에서, 하나 또는 수개의 입자(10)를 함유하는 개별 액적(12)을 노즐(16, 26, 46)로부터 선택적으로 분배하도록 구성된 드롭-온-디맨드 메커니즘(drop-on-demand mechanism)(20, 50)
    을 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음원(18, 48)이 조정가능한 주파수를 포함하는, 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 드롭-온-디맨드 메커니즘(20, 50)이 입자(10)를 단계적 방식으로 노즐(16, 26, 46) 방향으로 이동시키도록 구성되며,
    상기 음원(18, 48)이, 입자(10)를 운동 방향에 평행한 적어도 하나의 라인(32)을 따라 정렬시키는 제 1 주파수를 가진 음장을 발생하도록 구성되는, 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 운동 방향에 대해 횡방향으로 대향(opposite)하는 상기 유체 챔버(14, 24, 44)의 챔버 벽들이, 상기 제 1 주파수의 파장의 절반의 정수배에 상응하는 서로에 대한 거리를 포함하는, 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 라인(32)이 상기 유체 챔버(14, 24, 44)에서 노즐(16, 26, 46)을 향하여 중앙에 정렬되는, 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 드롭-온-디맨드 메커니즘(20, 50)이 입자(10)를 단계적 방식으로 노즐(16, 26, 46) 방향으로 이동시키도록 구성되며,
    상기 음원(18, 48)이, 입자(10)를 운동 방향에 수직인 적어도 하나의 라인(34)을 따라 정렬시키는 제 2 주파수를 가진 음장을 발생하도록 구성되는, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유체 챔버(14, 24, 44)가, 상기 노즐(16, 26, 46) 및 유입구 개구(28)가 형성되는 운동 방향으로 대향하는 챔버 벽들을 포함하며,
    상기 운동 방향으로 대향하는 챔버 벽들이, 제 2 주파수의 파장의 절반의 정수배에 상응하는 서로에 대한 거리를 포함하는, 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수 또는 제 2 주파수중 어느 하나를 가진 음장을 발생시키기 위하여 상기 음원(18, 48)을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는, 노즐(16, 26, 46)에서 분배되는 관심 용적(22)내에서 입자(10)가 그 다음의 액적(12) 중의 하나와 함께 배열되어 있는지에 관한 정보를 감지하도록 구성된 센서(52)를 더 포함하며,
    상기 음원이, 상기 입자(10) 중의 하나를 상기 관심 용적(22) 내에 배열하는 음장을 발생하도록 구성되는, 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    분배된 액적(12)을 감지된 정보에 따라 제 1 위치 또는 제 2 위치에 분배하도록 구성되는 장치.
  11. 자유-비행 액적(12)내에 입자(10)를 분배하기 위한 방법으로서,
    노즐(16, 26, 46)에 유체 결합된 유체 챔버(14, 24, 44)내에서, 유체 챔버(14, 24, 44)내의 액체내의 입자(10)를 소정의 배열로 정렬시키기 위하여 음장을 발생시키는 단계; 및
    하나 또는 수개의 입자(10)를 함유하는 자유-비행 액적(12)을 노즐(16, 26, 46)로부터 분출시키기 위하여 선택된 시점에서 개별 액적(12)을 상기 노즐(16, 26, 46)로부터 선택적으로 분배하도록 구성된 드롭-온-디맨드 메커니즘(20, 50), 및 상기 유체 챔버(14, 24, 44)에서 상기 유체 챔버(14, 24, 44)내의 액체내의 입자(10)를 소정의 배열로 정렬시킬 수 있는 음장을 발생하도록 구성된 음원(18, 48)을 적용하는 단계
    를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 드롭-온-디맨드 메커니즘(20, 50)을 적용함으로써, 상기 입자(10)를 단계적 방식으로 상기 노즐(16, 26, 46) 방향으로 이동시키고, 상기 입자(10)를 운동 방향에 평행한 적어도 하나의 라인(32)을 따라 정렬시키는 제 1 주파수를 가진 음장을 발생시키는, 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 드롭-온-디맨드 메커니즘(20, 50)을 적용함으로써, 상기 입자(10)를 단계적 방식으로 상기 노즐(16, 26, 46) 방향으로 이동시키고, 상기 입자(10)를 운동 방향에 수직인 적어도 하나의 라인(34)을 따라 정렬시키는 제 2 주파수를 가진 음장을 발생시키는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 입자(10)가 운동 방향에 수직인 라인(34)을 따라 정렬되어 유지되는 동안, 드롭-온-디맨드 메커니즘을 적용함으로써, 입자(10)를 전혀 함유하지 않는 액적(12)이 노즐(16, 26, 46)로부터 분출되는, 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    노즐(16, 26, 46)에서 분배되는 관심 용적 내에서 입자(10)가 그 다음의 액적(12) 중의 하나와 함께 배열되고 상기 입자(10) 중의 하나가 음장에 의해 관심 용적(22) 내에 배열되어 있는지에 관한 정보를 감지하는 단계, 및
    액적(12)을 감지된 정보에 따라 제 1 위치 또는 제 2 위치로 분배하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
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