체외진단(IVD)의 정밀 액체 핸들링을 위한 피에조 세라믹

COVID-19에 맞서

체외진단(IVD)은 질병 및 기타 상태를 조기에 진단하고 감지할 수 있습니다. 검사는 사람이나 동물의 몸에서 채취한 혈액, 침, 소변 또는 조직의 샘플을 이용하여 이루어집니다. 현재 COVID-19와 같은 바이러스 전염병 사태에서 체외진단 테스트는 점점 더 중요해지고 있습니다. 빠르고 쉽고 광범위한 검사 방법은 개인 맞춤형 의료 측면에서 치료적 개입 적용 가능성을 열어줍니다.

IVD 테스트에는 어떤 방법이 있나요?

일부 IVD 테스트는 실험실 환경에서 사용할 수 있도록 설계되었으며 휴대용 현장진단 장비는 거의 모든 곳에서 사용할 수 있습니다. 전장유전체분석 및 PCR(Polymerase Chain Reaction) 등 “Omics”의 다양한 분석 방법뿐만 아니라 ELISA(Enzyme-linked Immunosorbent Assay)와 같은 분자 진단 테스트도 사용할 수 있습니다. 세포 분석, 세포 분리, 셀라인 엔지니어링, 마이크로어레이 인쇄 및 랩온어칩 시스템 등 다른 기술들도 IVD 방법의 맥락입니다.

Not an Easy Task: Liquid Handling for IVD

IVD 장비의 액체 핸들링은 특성이 다른 극소량의 액체를 높은 정밀도로 투여하거나 이동시켜야 하므로 매우 까다롭습니다. 사용되는 기술은 매체의 점성, 표면 장력, 투여 속도를 고려하여 충격 없는 투여, 유체 및 입자의 빠른 혼합 및 분리, 완벽한 물방울 생성을 구현할 수 있어야 합니다. 혼합 또는 분류 작업은 종종 샘플의 오염을 피하기 위해 비접촉식으로 실행됩니다.

나노리터 또는 피코리터 액체 핸들링 장비에 사용되는 액추에이터는 최대 수 kHz의 높은 구동 주파수에서 작동해야 하며 동시에 작은 유체 흐름이나 작은 방울을 만드는 데 필요한 운동 에너지를 생성해야 합니다. 피에조 컴퍼넌트 및 액추에이터는 상기 요구에 적합한 제품입니다. 압전 효과는 결정체에 의한 힘의 작용을 통한 전하 생성을 기반으로 하며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이러한 부품들은 대부분 배터리 구동 장비에 적합하게 낮은 전력 소모량으로 작동하며 내구성과 신뢰성이 뛰어나 대형 실험실 자동화기기 및 현장진단 애플리케이션에도 적합합니다.

마이크로 펌프를 위한 피에조세라믹 컴퍼넌트

압전 미세 유체 장치는 밀리리터에서 피코리터 범위의 소량을 제어해야 할 때마다 분배 작업에 사용됩니다. 플레이트 및 디스크 같은 피에조 컴퍼넌트는 일정 기간 동안 적은 양의 유체를 충격없이 펌핑해야 하는 미세 유체 장치에 적합한 장비입니다. 액체를 이동하는 유체 챔버로 굽힘 변위를 전달하기 위해 피에조 컴퍼넌트를 기판에 접착할 수 있습니다. 소형 플레이트는 휴대용 현장진단 장비에 통합할 수 있는 1 밀리미터 미만 크기의 가벼운 마이크로 펌프에서 액추에이터 역할을 합니다.

에너지 효율적인 피에조 밸브

펌프 외에도 밸브는 IVD 미세유체 장비에 자주 사용됩니다. 피에조 액추에이터는 밸브를 직접 전환하며, 용적 변위를 위해 폐쇄 스프링 또는 유연한 튜브에 적용할 수 있습니다. 매우 낮은 전력에도 피에조 밸브는 현재 위치를 유지하며, 피에조 컴퍼넌트의 모양을 변경해야 할 때만 에너지가 필요합니다. 피에조 밸브는 최대 수 밀리미터의 변위가 가능한 PICMA® 멀티레이어 벤딩 액추에이터로 설계할 수 있습니다. 액추에이터의 낮은 두께로 인해 에너지 소모량이 낮아 배터리로 구동되는 현장진단 장비에 이상적입니다. 피에조 액추에이터는 비례 기술을 사용하여 피에조의 구동 전압으로 제어할 수 있는 매우 낮은 유량을 보장합니다.

피에조의 힘과 유체 혼합

피에조 컴퍼넌트를 사용하면 좁은 공간에서 유체를 능동적으로 혼합할 수 있습니다. 이를 위해 1 밀리미터 미만 크기의 소형 피에조 디스크 또는 플레이트가 미세 유체 채널 위에 배치됩니다. 피에조가 구동됨에 따라 음파가 형성되어 여러 매체가 혼합될 수 있습니다. 파동의 기계적 힘은 얇은 모세관에서도 혼합으로 이어지는 난류를 유도하여 층류만 허용합니다. 경질 압전 재료로 만든 피에조 컴퍼넌트를 이용하면 전력 초음파로 액체 내 캐비테이션 발생이 가능합니다. 그 결과로 생긴 캐비테이션 거품은 또한 미세유체 장비의 난류 및 혼합 효과로 이어집니다.

벤딩 모드에서 작동하는 피에조 디스크에 의해 능동 혼합의 또 다른 기법이 유도됩니다. 멤브레인 펌프와 유사한 상하 움직임으로, 이 작은 액추에이터들은 미세유체 챔버에서 소용돌이를 생성합니다.

분류 작업을 위한 고속 액추에이터

많은 체외진단 장비에서 세포와 나노 입자의 분류나 분리는 중요한 일입니다.PICMA® 스택과 같은 피에조 멀티레이어 액추에이터는 빠른 가속도와 낮은 구동 전압으로 관리합니다. 나노미터 정밀도, 마이크로초 반응 시간, 변위 때문에 유체나 가스 인터페이스가 매우 빠르게 조작되어 세포가 선택되고 다른 세포와 분리될 수 있습니다.

피에조 디스크는 음향 유체 분류 방법에도 사용될 수 있습니다. 혼합 모드와 유사하게 초음파의 기계적 힘은 세포나 미생물과 같은 작은 입자를 조작하는 데 사용됩니다. 여기서, 피에조 컴퍼넌트에서 발생하는 표면 또는 벌크 음향파를 사용할 수 있습니다.

초당 천 방울

 

피에조 튜브는 정확한 물방울 생성으로 분류 작업을 위해 사용될 수 있습니다. 이러한 피에조 튜브 내부에 유리 모세관을 배치함으로써 잉크젯 원리를 사용하여 피코리터까지 방울을 분사할 수 있습니다. 적절한 용량의 물방울에 의해 단일 세포 분리가 달성됩니다.

PICMA® 스택 피에조 액추에이터는 피에조 튜브의 대체 기능을 제공합니다. 그것들을 프린트 헤드에 배치함으로써 정밀하고 빠른 속도로 마이크로 어세이를 생산할 수 있습니다.





저자 정보

Annemarie Oesterle

Segment Marketing Manager Medical Technology, PI Ceramic GmbH

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