DNA 분석을 위한 일체형 PDMS/유리 마이크로바이오칩에 대한 연구

Abstract

본 논문은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용해 세포의 분리(cell lysis), DNA 추출(DNA purification) 및 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)이 PDMS(Polydimethylsiloxane)와 유리(pyrex7740, Dow Corning, U.S.A)로 제작된 칩 상에서 구현되는, 집적된 형태의 마이크로바이오칩 (microbiochip)에 관한 연구이다. 본 논문에서 제작된 마이크로바이오칩은 기존에 연구되었던 세포의 분리, DNA 추출, 중합효소연쇄반응용 칩과 같은 단일 반응용 칩에서 한 단계 발전하여 이런 일련의 과정을 하나의 칩 상에서 구현하였다. 이 시스템은 채취가 용이한 구강세포를 칩에 장착된 마이크로 히터를 이용하여 마이크로칩 상에서 용해시키고 이때 세포가 분리되며 나오는 DNA를 PDMS pillar 와 마이크로 비드로 제작한 filter를 이용하여 추출해내는 필터 방식이 사용된다. 별도의 부가 장치가 필요 없는 수동형 체크밸브(passive check valve)를 이용하여 일정방향으로의 유체의 유동을 제어하여 Cell lysis, DNA filtering 같은 cell 전처리 과정과 DNA증폭 과정인 PCR을 하나의 칩에서 구현하였다. 본 논문에서 제작된 마이크로바이오칩은 기존에 연구되었던 실리콘(silicon) 대신 폴리머 재료인 PDMS를 사용하여 대량 생산을 가능케 하고, 이로 말미암아 칩의 제작 단가를 낮추고, 생화학적 안정성을 보장할 수 있게 하였다. 제작된 마이크로바이오칩은 반응 시료가 이동할 수 있는 채널과 유체의 유동을 제어하는 밸브가 형성되는 PDMS칩과 시료에 반응 에너지를 공급할 마이크로 히터 및 박막형 온도 센서가 제작된 유리칩으로 이루어진 이종형(異種形, hybrid type) 칩이다. 칩을 제작하기 앞서 칩에서 이루어질 물리적 현상에 대해서 상용 해석 프로그램인 CFD-ACE+(ESI group, France)를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고 이를 통해 칩 설계를 수행하였다. PDMS칩은 SU-8(Microchem, U.S.A) 음성후막감광제를 이용한 마이크로 몰딩(micro molding) 기법을 통해 제작되었다. 유리칩은 유리 기판에 금속 박막을 수백~수천Å 단위로 증착 시킨 후 사진식각법 및 습식 식각법을 이용해 제작되었다. 각기 제작된 칩은 산소 플라즈마 접착(bonding) 공정을 거쳐 최종적으로 완성되었다. 온도 제어 시스템은 상용 제어 시스템인 LabVIEW(National Instrument, USA)를 이용하여 전압 공급기, 신호 처리기, 그리고 데이터 수집 보드를 구성하여 사용하였다. 남성불임의 원인이 되는 불임 유전자의 미세결절 확인을 타깃으로 하여 제안된 칩 상에서 구강세포를 용해시켜 DNA를 추출하고, 추출된 DNA의 복제를 위해 중합효소연쇄반응실험을 수행하였으며, 같은 반응 실험을 일반 생화학 실험실에서 행하는 방법으로도 수행하여 두 실험 결과를 비교, 분석 하였다. 실험 결과 일반실험실에서 3시간에 걸쳐 행하여지는 일련의 여러 작업들이 자동화되어 1시간 안에 하나의 칩 상에서 수행되어 남성불임 유전자의 미세결절 유무를 확인 할 수 있었다. 이와 같이 제안된 마이크로바이오칩은 시료의 전처리 및 반응을 소형화된 칩에서 빠르게 수행하여 남성불임과 같은 유전병의 검사뿐 아니라 법의학이나 환경오염 검사 같이 실험실이 아닌 현장에서 바로 사용될 수 있는 이동식 생화학 분석기로서의 가능성을 가지고 있다고 할 수 있다.; This thesis proposed the integrated microbiochip, made of PDMS (Polydimethylsiloxane) and glass(pyrex7740, Dow Corning, U.S.A) using MEMS technology for cell lysis, DNA purification and polymerase chain reaction. Proposed microbiochip advanced in previous research that single reaction biochip such as cell lysis chip, DNA purification chip and PCR chip, these reactions are performed in single integrated microbiochip. In this system, easily extracted buccal cell is lysed using micro heater that integrated microchip and then DNA is purified through the filter composed of PDMS pillar and micro bead in micro channel. Because passive check valve enables directional flow control without external equipment such as pneumatic pump, passive check valve is used to realize integration of cell lysis, DNA purification and PCR. Instead of silicon, using low cost polymer, PDMS mass production is available, thus chip unit cost can be reduced and biocompatibility is guaranteed. Proposed microbiochip is a hybrid type chip which is composed of PDMS chip containing sample and glass chip on which micro heater and thin film temperature sensor is patterned. Before the fabrication, simulation about physical phenomenon using commercial simulation program CFD-ACE+ CFD-ACE+(ESI group, France) was done, and then the chip was designed from the simulation results. PDMS chip was fabricated through micro molding method using SU-8(Microchem, U.S.A) negative thick photoresist. Glass chip was fabricated using photolithography and wet etching after deposition of metal thin film with thickness of from several hundred to thousands A. Each chip was finally bonded through plasma treatment. To generate the proper temperature needed to two biochemical reactions on chip, temperature control system was constructed. This temperature control system has power supply, signal conditioner, DAQ board and PC with LabVIEW to control these peripheral devices. As a target to confirm micronodules of infertility gene caused male infertility, in supposed integrated microbiochip, sample preparation and PCR were done with both conventional way and proposed microbiochip and results were compared with each other and analyzed. From the results, experimentation on proposed integrated microbiochip showed same results to that of conventional way nevertheless of shorter process time and process automation that of conventional way. This result shows that as the sample preparation and sample reaction could be rapidly performed in miniaturized integrated microbiochip, proposed microbiochip has the possibility of portable biochemical analyzer and medical self diagnosis kit used in diagnosis of hereditary disease, forensic science and environment contamination inspection.