Single-Droplet Multiplex Bioassay on a Robust and Stretchable Extreme Wetting Substrate through Vacuum-Based Droplet Manipulation

연구 배경

액적 기반 미세유체 시스템은 채널망, 펌프, 튜브 없이 적은 시료를 다룰 수 있으나, 전기습윤·자기력·빛·음향파를 이용한 구동은 전해질이나 자성 입자 같은 첨가물을 필요로 하는 경우가 많고, 전기습윤은 높은 전압을 거는 닫힌 구조를 요구합니다. 같은 저자들이 앞서 개발한 변형형 초소수성 플랫폼은 물방울을 자유롭게 이동시킬 수 있었지만 시료에서 소량을 분주하지는 못했습니다. 저자들이 아는 한, 혈액처럼 표면장력이 낮거나 점성이 있는 생체액 액적을 이동·혼합·분주까지 모두 다룰 수 있는 액적 기반 시스템은 없었습니다.

설계와 접근

얇은 PDMS 기판(약 340 μm)에 접착제와 불소화 실리카 나노입자를 차례로 분사해, 표면에너지가 낮은 재진입(re-entrant) 형태의 마이크로·나노 구조를 갖는 SPO 층을 만들었습니다. 섀도 마스크를 통한 산소 플라즈마 처리(100 W, 45초)로 노출 부위의 플루오로알킬실레인을 분해해 SPI 점을 형성했습니다. 매달린 기판 아래의 진공 팁이 움직이는 국소 오목부를 만들면 액적이 부착력이 낮은 SPO 영역을 따라 이동하고, SPI 점을 지날 때 일부가 점에 고정됩니다. 모액적에 작용하는 중력이 점의 Furmidge 부착력을 넘으면 딸 액적이 분리되므로, 분주에 필요한 최소 질량과 분주량은 점의 직경과 액체의 표면장력에 따라 달라집니다.

평가 방법

물, 에틸렌글리콜(EG), 헤파린 처리 혈액(헤파린 0.75 U/mL), 디메틸설폭사이드, 하이드로젤에 대해 접촉각과 미끄럼각을 측정하고, 일축 인장과 반복 인장 조건에서는 EG 액적의 접촉각과 미끄럼각을 측정했습니다. 액적 이동에는 직경 10 mm 진공 팁(20 kPa)을 3 mm/s로 움직였고, SPI 점은 직경 2 mm, 간격 15 mm로 배치했습니다. 물과 EG에 대해 점 직경에 따른 분주 거동을 측정했습니다. 발색 분석에서는 각 점에 효소·발색 시약 1 μL를 분주해 건조한 뒤 시료 1 μL를 분주했고, 스캔한 색 강도로 포도당·요산·젖산을 정량했습니다. 정상 및 당뇨 ICR 생쥐 시료의 포도당을 측정해 시판 혈당계와 비교했습니다.

연구 내용과 주요 결과

SPO 표면은 시험한 모든 액체에 대해 150°를 넘는 접촉각과 10° 미만의 미끄럼각을 보였고, SPI 영역의 접촉각은 거의 0이었습니다. 표면장력 33 mN/m 이상의 액체에 대해 발액성이 유지되었으며, 이는 혈액·혈장·땀·소변의 표면장력(46~72 mN/m)보다 낮은 값입니다. 코팅은 100% 일축 인장에서도 발액성을 유지했고, 100% 인장을 1000회 반복한 뒤에도 결함이나 박리 없이 접촉각과 미끄럼각이 변하지 않았습니다.

SPO 표면의 부착력은 2.6 mN으로 계산되었으며, 이는 약 3 μL보다 큰 물방울이 오목부를 따라 이동할 수 있음을 뜻합니다. 200 μL EG 액적은 팁을 따라 이동하면서 경로의 각 SPI 점에 수 μL를 남겼습니다. 점 직경을 1 mm에서 2 mm로 키우면 물은 0.05~1 μL, EG는 0.4~1.4 μL의 딸 액적이 분주되었고, 물은 직경 0.6 mm의 점까지 분주되었습니다. 붉은 색소로 물든 점은 두 번째 액적에 대해서도 젖음성을 유지했으며, 한 점에 로다민 B와 말라카이트 그린을 차례로 올린 경우 두 흡수 피크(557, 627 nm)가 함께 나타나 순차 분주한 액체가 점 위에서 섞이고 반응할 수 있음을 시사했습니다.

색 강도는 포도당 0~20 mM, 요산 0.25~4 mM, 젖산 0~20 mM 범위에서 선형이었고, 분석 기판은 2주 보관 후에도 젖음성과 발색 반응이 안정적이었습니다. 열마다 다른 시약을 둔 3 × 3 배열에 세 가지 혼합 시료를 각각 한 액적으로 분주한 결과, 측정 농도는 설계 농도와 20% 오차 이내로 일치했으며 저자들은 이를 FDA 기준과 연결해 설명했습니다. 포도당은 당뇨 생쥐 시료에서 13.3 mM, 정상 생쥐 시료에서 7.5 mM으로 측정되어 당뇨 판정 기준(13 mM)과 비교되었고, 시판 혈당계도 비슷한 값을 보였습니다.

남은 과제

분주에 필요한 최소 모액적 질량의 실측값은 계산값보다 작았고 점 직경이 커질수록 차이가 커졌으며, 저자들은 이를 액적 메니스커스 변형에 따른 불균일한 부착력으로 설명했습니다. 직경 0.6 mm보다 작은 점에서는 부착력이 물의 표면장력에 비해 무시할 만큼 작아 분주가 일어나지 않았습니다. 생쥐 시료는 초록에서 혈장(plasma), 방법 절에서 혈청(sera)으로 표기되어 있습니다.

다른 연구와의 연결

관련 액적 마이크로어레이 연구는 마이크로어레이의 개별 나노리터 액적에 부유 세포를 담아 병렬 처리·염색·영상 관찰에 이용하는 반면, 이 시스템은 기판 변형으로 하나의 시료 액적을 무늬 위에서 이동시키며 시약이 놓인 여러 구역에 나누어 줍니다.