매년마다 신장질환으로 고통 받는 사람들이 증가하는 추세이다. 가장 흔한 치료법 중 하나는 혈액 투석인데, 이 방법은 많은 시간이 걸리고, 비용이 많이 드는 방법이다. 이러한 이유 때문에, 인공신장 연구의 중요성이 대두되고 있다. 혈액에서 크레아티닌을 여과하는 것은 신장의 주요 기능 중 하나이다. 우리는 이 기능에 초점을 맞춘 새로운 2 채널 마이크로 플루이딕 칩을 고안하였다. 두 개의 PDMS 층을 결합하기 위하여, 아크릴을 가공한 하우징 시스템이 개발하였으며, 이 방법은 여과막을 쉽게 바꿀 수 있다는 이점이 있다. 우리는 알루미늄 양극 산화물(AAO)을 여과막으로 사용하였다. 여과된 용액은 자페반응(Jaffe reation)을 이용하여, 크레아티닌 농도별 흡광도 차이를 분석하였다. 크레아티닌의 양에 대한 표준식을 만들어, 측정한 데이터를 보간하여 여과된 용액의 농도를 확인하였다. 실험을 통하여 유량 및 크레아티닌 농도에 따른 여과율을 얻을 수 있었다.
매년마다 신장질환으로 고통 받는 사람들이 증가하는 추세이다. 가장 흔한 치료법 중 하나는 혈액 투석인데, 이 방법은 많은 시간이 걸리고, 비용이 많이 드는 방법이다. 이러한 이유 때문에, 인공신장 연구의 중요성이 대두되고 있다. 혈액에서 크레아티닌을 여과하는 것은 신장의 주요 기능 중 하나이다. 우리는 이 기능에 초점을 맞춘 새로운 2 채널 마이크로 플루이딕 칩을 고안하였다. 두 개의 PDMS 층을 결합하기 위하여, 아크릴을 가공한 하우징 시스템이 개발하였으며, 이 방법은 여과막을 쉽게 바꿀 수 있다는 이점이 있다. 우리는 알루미늄 양극 산화물(AAO)을 여과막으로 사용하였다. 여과된 용액은 자페반응(Jaffe reation)을 이용하여, 크레아티닌 농도별 흡광도 차이를 분석하였다. 크레아티닌의 양에 대한 표준식을 만들어, 측정한 데이터를 보간하여 여과된 용액의 농도를 확인하였다. 실험을 통하여 유량 및 크레아티닌 농도에 따른 여과율을 얻을 수 있었다.
The number of people suffering from renal disease increases every year. One of the most common treatments (clinical care options) for renal diseases is hemodialysis. However it takes a long time and has a high cost. Therefore, the importance of artificial kidney research has risen. Filtering creatin...
The number of people suffering from renal disease increases every year. One of the most common treatments (clinical care options) for renal diseases is hemodialysis. However it takes a long time and has a high cost. Therefore, the importance of artificial kidney research has risen. Filtering creatinine from blood is one of the prime renal functions. Thus, we designed a novel two channel microfluidic chip focused on that function. In order to bond the individual polydimethylsiloxane layers, we have developed a housing system using acrylic plastic frame. This method has significant advantages in changing filter membranes. We use anodic aluminum oxide for the filter membrane. We analyzed the difference in the absorbance values for various creatinine concentrations using the Jaffe reaction. For the purpose of acquiring a standard equation to quantify the creatinine concentration, we interpolated the measured data and confirmed the concentration of the filtered solution. Through this experiment, we determined how the filtration efficiency depended on the flow rate and creatinine concentration.
The number of people suffering from renal disease increases every year. One of the most common treatments (clinical care options) for renal diseases is hemodialysis. However it takes a long time and has a high cost. Therefore, the importance of artificial kidney research has risen. Filtering creatinine from blood is one of the prime renal functions. Thus, we designed a novel two channel microfluidic chip focused on that function. In order to bond the individual polydimethylsiloxane layers, we have developed a housing system using acrylic plastic frame. This method has significant advantages in changing filter membranes. We use anodic aluminum oxide for the filter membrane. We analyzed the difference in the absorbance values for various creatinine concentrations using the Jaffe reaction. For the purpose of acquiring a standard equation to quantify the creatinine concentration, we interpolated the measured data and confirmed the concentration of the filtered solution. Through this experiment, we determined how the filtration efficiency depended on the flow rate and creatinine concentration.
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문제 정의
본 실험에서는 마이크로 플루이딕을 기반으로 한 크레아티닌 여과장치를 개발하여 실험을 진행하였다. 하우징 시스템을 통하여 PDMS 와 filter membrane 을 결합하는 어려움을 해결하였다.
하우징 시스템을 통하여 PDMS 와 filter membrane 을 결합하는 어려움을 해결하였다. 본 실험에서는 유량과 농도에 따른 효율을 얻을 수 있었다. 따라서 앞으로 더 다양한 실험 조건을 이용한 실험을 계획 중이다.
본 실험을 통하여 유량과 농도에 따른 효율성을 보았다. 각각의 실험조건에 따라 실험을 3 번씩 진행하였다.
가설 설정
기공의 크기가 20nm 이기 때문에 적혈구(6-8µm), 백혈구(8~10 µm), 혈소판(2~3µm) 등 몸에 필요한 성분을 제외하고 크레아티닌(0.6nm)만 여과한다고 가정하였다.
제안 방법
PolyDimethysiloxane(PDMS) 채널은 softlithography 를 통해서 제작하기가 쉽고 간편하며, 저렴한 가격 때문에 마이크로플루이딕 장치에서 널리 사용되고 있다.(6) 본 연구에서는 크레아티닌을 여과하는 기능에 초점을 맞춰, PDMS 를 기반으로 한 두 개의 채널을 가지는 마이크로 플루이딕 칩을 만들었다.
마이크로 플루이딕 칩을 구현하기 위하여 PDMS를 사용하였다. 2 채널 마이크로플루이딕 채널을 만들기 위해 마스크(Fig. 1)를 디자인한 후 4 인치 실리콘 웨이퍼 위에 포토리소그래피(SU-8 100 MicroChem Co. MA) 기술을 이용하여 마스터 몰드를 만들었다. 마이크로 채널의 크기는 200µm, 세로 75µm 로 디자인하였다.
본 실험을 통하여 유량과 농도에 따른 효율성을 보았다. 각각의 실험조건에 따라 실험을 3 번씩 진행하였다. Sample 을 통해 흡광도를 측정하여 평균 값을 얻은 후 표준 그래프에 대입하여 크레아티닌이 여과된 양을 구할 수 있었다.
두 개의 칩을 정확히 맞추기 위하여 십자가 마크와 사각형을 이용하였고, 2 개의 원형 표식을 이용하여 밑채널의 입구와 출구를 만들었다.
Sample 을 통해 흡광도를 측정하여 평균 값을 얻은 후 표준 그래프에 대입하여 크레아티닌이 여과된 양을 구할 수 있었다. 이 값을 통해 초기의 크레아티닌 농도와 여과된 크레아티닌 농도를 통하여 효율을 측정하였다. 그 결과 유량이 느려질수록 효율이 줄어들었고(Table 1), 농도가 줄어 들었을 땐 효율이 증가하는 것을 볼 수 있었다.
(9) PDMS 를 결합하는 일반적인 방법은 플라즈마 처리를 이용하지만, AAO 의 polymer ring 때문에 플라즈마 처리를 하여도 2 개의 PDMS 의 결합이 이루어 지지 않았다. 이를 해결하기 위하여 2 개의 아크릴을 가공하여 볼트의 체결력을 기반으로 한 하우징 시스템을 개발하였다. (Fig.
LTD) 을 이용하여 크레아티닌 용액의 농도를 측정할 수 있었다. 크레아티닌 용액과 CRE 발색액 1 을 1:31 의비율로 혼합한 후, CRE 발색액 2 를 1:7 비율로 섞어준 다음 UV-VIS Spectrophotometer 를 이용하여 505nm 와 600nm 의 흡광도를 측정한 다음 두 값의 차이를 통해 크레아티닌 용액의 농도를 알 수 있었다.
8 에서와 같이 10mg/dl 부터 80mg/dl 까지 직선 보간이 되는 것을 확인하였다. 하지만 표준 그래프라고 보기엔 noise 가 있어서 10mg/dl 부터 80mg/dl 까지 희석하지 않고 크레아티닌 용액을 측정해 보았다. 아래의 Fig.
대상 데이터
마이크로 채널의 크기는 200µm, 세로 75µm 로 디자인하였다.
마이크로 플루이딕 칩을 구현하기 위하여 PDMS를 사용하였다. 2 채널 마이크로플루이딕 채널을 만들기 위해 마스크(Fig.
본 실험의 장비는 시린지 펌프, 시린지, 튜빙, 마이크로 플루이딕 칩으로 구성되어 있다(Fig. 7). 2 개의 시린지를 이용하여 한 쪽에는 크레아티닌 용액과 다른 쪽에는 증류수를 이용하여 위, 아래 채널로 흘려 보내는 시스템이다.
필터로 사용한 물질은 알루미늄 양극 산화물(AAO)을 이용하였다. AAO(Anodisc 25, Whanman)의 특징은 앞면이 20nm, 뒷면이 200nm 인 기공이 존재하여 여과막 역할을 한다(Fig.
이론/모형
(10) 본 연구에서는 Jaffe 반응을 기반으로 한 Clinimate CRE 시약(SEKISUI MEDICAL CO. LTD) 을 이용하여 크레아티닌 용액의 농도를 측정할 수 있었다. 크레아티닌 용액과 CRE 발색액 1 을 1:31 의비율로 혼합한 후, CRE 발색액 2 를 1:7 비율로 섞어준 다음 UV-VIS Spectrophotometer 를 이용하여 505nm 와 600nm 의 흡광도를 측정한 다음 두 값의 차이를 통해 크레아티닌 용액의 농도를 알 수 있었다.
성능/효과
6nm)만 여과한다고 가정하였다.(8) 기공의 크기와 높이의 비율이 클수록 즉 종횡비가 클수록 여과 효율이 떨어질 것이라 생각하였다. 우리가 사용한 필터는 앞면기공의 크기가 20nm 로 AAO 의 두께(68 µm )에 비해 기공의 크기가 작아 여과하는데 어려움이 있어 보이지만, 1µm 정도만 20nm 의 기공을 가지고 그 이후엔 기공의 크기가 200nm 이기 때문에 이러한 문제를 해결할 수 있었다.
(9) PDMS 를 결합하는 일반적인 방법은 플라즈마 처리를 이용하지만, AAO 의 polymer ring 때문에 플라즈마 처리를 하여도 2 개의 PDMS 의 결합이 이루어 지지 않았다. 이를 해결하기 위하여 2 개의 아크릴을 가공하여 볼트의 체결력을 기반으로 한 하우징 시스템을 개발하였다.
그 결과 유량이 느려질수록 효율이 줄어들었고(Table 1), 농도가 줄어 들었을 땐 효율이 증가하는 것을 볼 수 있었다. (Table 2) 대체적으로 유량과 농도에 상관없이 약 50%의 효율을 얻을 수 있었다. 실험 결과 특정 유량까진 효율이 증가하는 것을 알 수 있었다.
이 값을 통해 초기의 크레아티닌 농도와 여과된 크레아티닌 농도를 통하여 효율을 측정하였다. 그 결과 유량이 느려질수록 효율이 줄어들었고(Table 1), 농도가 줄어 들었을 땐 효율이 증가하는 것을 볼 수 있었다. (Table 2) 대체적으로 유량과 농도에 상관없이 약 50%의 효율을 얻을 수 있었다.
확산을 통하여 크레아티닌이 얼마나 여과되는지 측정하는 시스템 이다. 신장에서 일어나는 여과과정과 동일하게 증류수와 크레아티닌 용액을 역방향으로 흐르게 하여 크레아티닌의 확산 효율을 높였다.(9)
하지만 너무 빠른 유속에선 오히려 누수가 발생되는 현상을 볼 수 있었다. 실제로 3ml/hr 의 유속으로 실험한 결과, 누수가 발생하였고 이를 막기 위해 볼트의 체결력을 강하게 한 결과 AAO 가 깨지는 현상을 볼 수 있었다. 또한 농도가 낮을수록 여과 효율이 좋은 현상을 통해 표면적이 작기 때문에 특정 농도 이상에서는 효율이 오히려 떨어지는 것으로 볼 수 있다.
(Table 2) 대체적으로 유량과 농도에 상관없이 약 50%의 효율을 얻을 수 있었다. 실험 결과 특정 유량까진 효율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 유량이 빠를수록 저항을 이겨내고 기공을 통해 빠져나가는 크레아티닌 양이 증가한 것으로 볼 수 있다.
후속연구
또한 농도가 낮을수록 여과 효율이 좋은 현상을 통해 표면적이 작기 때문에 특정 농도 이상에서는 효율이 오히려 떨어지는 것으로 볼 수 있다. 따라서 더 진한 농도의 크레아티닌을 실험할 경우 표면적을 넓히는 방법 즉, 채널의 길이를 더 늘림으로써 이를 해결할 수 있을 것으로 보인다.
본 실험에서는 유량과 농도에 따른 효율을 얻을 수 있었다. 따라서 앞으로 더 다양한 실험 조건을 이용한 실험을 계획 중이다. 위 채널과 아래 채널의 유량을 다르게 하여 실험을 진행할 예정이다.
이를 해결하기 위하여 고정 부분을 추가할 계획이다. 이 시스템을 통해 향 후 AAO 가 아닌 다른 막을 이용하여 높은 여과 효율을 갖는 적합한 막을 찾을 수 있기 때문에, 인공신장연구에 도움을 줄 수 있는 기대효과를 가져다 줄 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 신장질환의 치료법에는 어떤 방법이 있는가?
매년마다 신장질환으로 고통 받는 사람들이 증가하고 있다.(1) 현재 신장질환의 치료법은 크게 혈액투석과 복막투석의 방법이 있다. 혈액투석은 피를 뽑아 체외에서 정제한 후 다시 체내로 보내는 방법이다.
혈액투석이란 무엇인가?
(1) 현재 신장질환의 치료법은 크게 혈액투석과 복막투석의 방법이 있다. 혈액투석은 피를 뽑아 체외에서 정제한 후 다시 체내로 보내는 방법이다.이 방법은 매주 2~3 회 치료를 해야 하며 소요시간은 약 5 시간 정도 걸린다.
신장의 기능 두 가지는 무엇인가?
신장의 기능은 크게 2 가지로 볼 수 있다. 첫째는 크레아티닌, 요소 같은 노폐물을 배출하는 것이다. 둘째는 노폐물과 같이 여과된 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 같은 필수 성분을 다시 재흡수 하는 것이다. 일반적으로 신장의 기능을 평가하는 방법은 크게 2 가지가 있다.
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