칩 외부에서 생각하기: 미세유체 설계 및 개발

May 11, 2023

스티브 그린

2023년 5월 25일

10:15

Oxford Product Design의 디자인 책임자인 Steve Green은 의료용 미세유체 장치의 설계 및 개발에서 덜 논의된 몇 가지 과제를 탐구합니다.

그리니멀 Shutterstock

칩

광범위하게 말하면, 미세유체공학은 일반적으로 마이크로미터 규모의 매우 작은 형상 내에 제한된 유체의 동작, 조작 및 제어를 포함합니다. 의료 산업에서 미세유체공학은 여러 응용 분야에서 점점 더 중요한 도구가 되었습니다.

미세유체공학의 주요 장점 중 하나는 혈액이나 타액과 같은 매우 적은 양의 생물학적 물질을 처리할 수 있다는 것입니다. 이는 작은 샘플을 채취하는 진단 테스트에 특히 유용할 수 있습니다.

연구자와 임상의가 높은 정밀도와 정확도로 소량의 생물학적 물질을 처리하고 분석할 수 있도록 함으로써 미세유체공학은 진단, 약물 발견 및 맞춤형 의학의 발전을 촉진하는 데 도움을 줍니다.

진단 분야에서 미세유체공학은 임상 환경 내에서 질병이나 상태를 신속하게 감지하는 데 사용할 수 있는 현장 진료 시스템을 개발할 때 널리 사용되고 있습니다. 이러한 장치는 휴대 가능하고, 테스트당 저렴하고, 사용하기 쉽고, 빠른 결과를 얻을 수 있도록 설계되어 긴급 상황에 이상적입니다.

이는 우리가 의료에 접근하는 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 엄청난 잠재력을 지닌 흥미롭고 빠르게 발전하는 분야로, 미디어, 학계, 벤처 자본가들로부터 많은 관심을 받고 있습니다. 시장에 침투하기 시작하는 장치가 있지만 이러한 이점의 실현은 아직 투자된 비용과 노력을 반영하지 못할 수 있습니다.

개발 중에 많은 노력과 관심을 끄는 명백한 과제는 미세유체 장치(또는 '칩') 자체입니다. 유체 역학, 표면 화학, 미세 가공 기술 간의 상호 작용과 기본 물리 및 화학에 대한 이해는 주의를 집중시키는 기술적 장애물을 만듭니다. 또한 신뢰할 수 있고 재현 가능하며 확장 가능한 결과를 얻으려면 설계 및 개발 프로세스 전반에 걸쳐 노력의 신중한 균형과 최적화가 필요합니다.

그러나 미세유체 '칩'은 더 큰 시스템의 작은 부분일 뿐이며 이러한 장치를 다른 구성 요소 및 요구 사항과 통합하는 것은 어려울 수 있습니다.

다음은 무시해서는 안 되는 '칩 외부'에 있는 미세유체 시스템의 몇 가지 측면입니다.

시스템 통합: 많은 경우 미세유체 시스템은 펌프, 밸브, 센서 등 외부 시스템과 통합되어야 합니다.

인터페이스 : 유체 흐름은 압력 구배에 의해 구동됩니다. 깨끗하고 안정적이며 누출이 없고 사용하기 쉬운 유체 연결 및 인터페이스를 설계하는 것은 중요한 엔지니어링 과제가 될 수 있습니다.

제어(감지 및 피드백): 미세유체 시스템에 대한 폐쇄 루프 제어를 달성하려면 센서와 피드백 메커니즘을 통합해야 하는 경우가 많습니다. 이는 시스템의 크기가 작기 때문에 어려울 수 있으며, 이를 위해서는 마이크로 스케일에서 작동할 수 있는 특수 감지 기술의 개발이 필요할 수 있습니다.

안정성과 견고성 : 미세유체 시스템은 온도, 습도, 진동 등 환경 조건의 변화에 ​​민감할 수 있습니다. 안정적이고 견고한 시스템을 개발하려면 구성요소와 재료의 세심한 설계는 물론 고급 제어 알고리즘도 필요합니다.

샘플 소개 : 생물학적 샘플을 미세유체 장치에 도입하는 것은 샘플 준비, 취급 및 보관과 같은 과제를 제시합니다. 샘플량 및 농도; 오염 및 교차 반응성; 분석법 개발 및 검증. 미세유체 장치가 신뢰할 수 있고 정확한 결과를 생성할 수 있도록 이러한 과제를 신중하게 관리해야 합니다.

사용자 인터페이스와 사용자 경험