미세유체칩에서 조직 슬라이스와 양방향 흐름을 이용한 약물 대사 및 입자 분리 혁신

초록

버포르테 교수는 정밀 절단 조직 슬라이스를 미세유체 인큐베이터에 적용해 약물 대사 실험을 수행하는 방법을 제시한다. 동시에 가변 단면 채널에서 압력 구동 흐름과 전기동역학 흐름을 반대 방향으로 결합해 양방향 흐름을 만들고, 이를 이용해 입자를 효율적으로 분리하는 새로운 원리를 소개한다.

상세 분석

본 논문은 두 가지 독립적인 미세유체 기술을 하나의 플랫폼에 통합함으로써 ‘분석적·세포적 제어’를 실현한다. 첫 번째 파트에서는 기존의 ‘bottom‑up’ 방식과 달리, 살아있는 조직을 그대로 보존하는 ‘top‑down’ 접근법을 채택한다. 정밀 절단 조직 슬라이스(precision‑cut tissue slice, PCTS)는 200–400 µm 두께로, 조직의 미세구조와 효소 활성을 거의 변형 없이 유지한다. 이를 미세채널에 삽입하고, 온도·산소·영양 공급을 정밀하게 제어하는 인큐베이터를 설계하였다. 채널 내부는 3D 프린팅 및 PDMS 복합 구조로 이루어져, 유체 흐름을 미세하게 조절하면서도 슬라이스 표면에 균일한 shear stress를 제공한다. 약물 용액을 연속 흐름으로 주입하면, 대사산물은 실시간으로 수집·분석이 가능하며, 전통적인 배양 플라스크 대비 시료량을 10배 이상 절감한다. 또한, 전기화학적 센서와 결합해 대사산물의 전위 변화를 즉시 감지할 수 있다.

두 번째 파트는 입자·세포 분리를 위한 ‘양방향 흐름’ 개념이다. 채널의 단면을 점진적으로 넓히거나 좁히는 가변형 구조를 설계하고, 한쪽 끝에 압력 구동(펌프)으로 유체를 전진시키고, 반대쪽 끝에 전극을 배치해 전기구동(전기영동·전기삼투) 흐름을 역방향으로 발생시킨다. 두 흐름이 일정 구간에서 만나면, 유체는 ‘스톱‑앤‑고’ 패턴을 형성하고, 입자는 전하·크기·형상에 따라 서로 다른 정지점에 머무른다. 수치해석(FEM)과 실험을 통해 Reynolds 수가 0.01 이하인 저레놀즈 영역에서도 안정적인 흐름 제어가 가능함을 확인하였다. 특히, 0.5 µm에서 10 µm까지의 입자 크기 차이를 5 % 이하의 오차로 구분할 수 있었으며, 전압·압력 조합을 실시간으로 변조함으로써 다중 단계 연속 분리도 구현했다.

이 두 기술의 통합은 약물 대사 연구와 미세입자 분석을 동시에 수행할 수 있는 ‘멀티‑모달’ 플랫폼을 제공한다. 조직 슬라이스는 실제 인간 혹은 동물 조직의 대사 특성을 반영하므로, 신약 후보물질의 효능·독성 평가에 높은 신뢰성을 부여한다. 반면, 양방향 흐름 기반 입자 분리는 혈액 내 순환 세포, 외부 나노입자, 바이오마커 등을 빠르고 효율적으로 정제할 수 있어, 임상 진단·정밀 의료에 직접 적용 가능하다. 논문은 또한 시스템의 스케일업 가능성을 논의하며, 마이크로플루이딕 칩을 병렬 배열하거나, 3D 프린팅을 이용해 대량 생산할 수 있는 설계 원칙을 제시한다. 최종적으로, 압력·전기 구동의 독립적 제어와 가변 단면 설계가 결합된 이 접근법은 기존의 단일 구동 방식이 갖는 한계를 극복하고, 미세환경에서의 세포·분자 상호작용을 정밀하게 조작할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한다.