최근 랩온어칩 시스템이라고도 불리는 미세 유체 장치는 시약 사용량 감소, 반응 속도 가속화, 장치 소형화, 강력한 재현성, 향상된 고처리량 기능 등 다양한 장점으로 인해 큰 관심을 받고 있다. 미세 유체 장치는 일반적으로 마이크로 크기의 채널로 구성되며 따라서 매우 적은 양의 유체, 유체 흐름의 정밀한 제어, 혼합, 조작, 빠른 반응은 물론 센서, 검출기, 이미징 시스템과 같은 다양한 분석 도구를 칩에 직접 통합할 수 있다. 미세 유체 장치의 다용도성 덕분에 바이오 분석 및 진단, 세포 분리 및 농축, 랩온어칩, 마이크로리액터, 나노 및 미세 입자 합성을 포함하되 이에 국한되지 않는 광범위한 생명공학 응용 분야에 활용될 수 있다. 그러나 기존의 미세유체 장치는 전통적으로 photolithography를 통해 제작되며, 일반적으로 복잡하고, 고가의 장비와 시설이 필요하다. 또한, 미세유체장치의 크기가 작아 생산성이 떨어지고 이로인해 산업화가 어렵다. 미세유체장치를 이용한 유체 혼합은 주로 확산에 의해 구동되기 때문에 층류 영역에서도 작은 장치 내에서의 완전한 혼합은 여전이 해결해야할 과제로 남아있다.
이 논문은 위와 같은 문제들을 해결하고자, 기능성 나노입자와 연속적인 mRNA 합성을 위한 미세유체장치의 설계 및 제작에 대해 설명한다. 첫번째로, 전기방사로 제작한 PCL 섬유 매트릭스와 3D 프린팅으로 제작된 Macrochannel을 템플릿으로하여 섬유형 유체채널을 갖는 미세유체칩(MTMC)를 제조하였다. 섬유 매트릭스로 제조된 미세섬유채널에 의해, MTMC는 수많은 micro-단위의 접합부를 포함하며, 전기방사를 통해 얻은 작은 섬유직경에 의해 일반적인 미세유체장치보다 더 작은 크기인 2.84 μm ~ 83.6 nm의 에멀젼과 1.03 μm ~ 45.7 nm 크기의 나노입자를 생산할 수 있다. MTMC는 이론적으로 낮은 전단력으로 시간 당 58조 개의 PEG-DA 나노입자를 생산하였으며, 높은 전단력을 가진 ultrasonication을 통해 제조된 입자보다 약물의 캡슐화 효율이 높다.
두 번 째로, 유사한 구조의 미세유체장치를 사용하여 지질 나노입자를 제조하였다. 미세섬유채널의 직경을 줄이고 연속상의 유속을 증가시키면 보다 균일한 크기의 분포를 가진 더 작은 LNP의 생산이 가능하며, 기능성 약물인 DOX를 함유한 LNP는 종양 치료에 대한 잠재적 응용 가능성을 보여준다. 시험관 내 실험에서 특히 HepG2 세포에서 LNP의 크기가 작을수록 세포 흡수효율이 높으며, 살상율이 더 높다는 것을 입증하였다. 이를 통해 본 논문에서 제작한 미세유체장치가 효과적인 나노입자 제조 플랫폼으로 활용될 수 있음을 증명하였다.
마지막으로, 미세유체장치를 혼합 및 반응기로 활용하기 위해 3개의 섬유형 마이크로믹서가 연결되어 있는 형태의 생물반응기를 설계, 제작하였다. 제작한 미세유체 생물반응기(Microfluidic bioreactor, MBR)는 0.95의 혼합 효율(ME)의 우수한 혼합 효율을 보여주며, 생물분자가 흡착되기 어려운 과불화폴리에테르 소재를 사용하여 효율적인 생물반응기로 활용이 가능하다. MBR 내에서 합성된 mRNA는 전통적인 방식으로 제작한 mRNA와 동일한 서열 및 체외/생체 내 성능을 보였다. 일련의 연구들을 통해 본 연구에서 제작한 미세유체장치는 효과적인 기능성 나노입자 및 연속적인 mRNA 생산을 위한 플랫폼으로 활용될 수 있음을 시사한다.