다중 미세유로를 이용한 인공 신단위 장치에 관한 연구
A Study on the Artificial Nephron Device Using Multiple Microchannels
- 주제(키워드) artificail nephron , diffusion , separation , blood purification
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 최범규
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000046430
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약
본 논문은 혈액으로부터 노폐물인 요소를 효과적으로 분리할 수 있는 장치를 제시하고 있다. 앞선 연구들은 막 구조를 통한 물질의 이동 현상을 통해 혈액 정화를 하고 있다. 막에 의한 혈액 정화는 큰 관리 시스템과 비싼 투석액이 필요하다. 이와 같은 단점을 보완하고자 E.Weinberg 등은 마이크로 채널에 기반한 새로운 개념의 혈액 정화 장치를 제안하고 있다. 하지만 그들의 장치는 아직 다공성 막 구조를 갖고 있다. 본 논문에서 제안된 장치는 막 구조가 없는 다중의 마이크로 채널에서 요소의 연속적 분리 방법을 제시한다. 이 분리의 원리는 인체의 신단위의 작동 원리와 유사하다. 인체의 네프론은 비교적 단순한 여과, 재흡수, 분비 작용을 한다. 제안된 장치는 네프론의 기능을 두 개의 분리 단계로 대체한다. 첫 번째 사구체 마이크로 채널은 알부민과 같은 대분자 물질과 포도당, 요소와 같은 소분자 물질을 확산에 의해 분리시킨다. 두 번째 세뇨관 마이크로 채널은 포도당과 요소를 Pinched flow를 이용하여 분리시킨다. 인공 신단위 장치의 설계는 수학적인 계산과 유한 요소 해석을 통해 이루어졌다. 또한 장치는 PDMS와 실리콘 웨이퍼를 이용한 소프트 리소그래피를 통해 제작되었다. 마지막으로 알부민과 포도당 그리고 요소로 유사 인체 혈액 용액을 조성하고, 마이크로 채널 내에서의 입자 분리 실험을 수행하였다. 실험결과는 혈액 분석 장치를 이용해 확인할 수 있었다. 인공 신단위 장치는 막구조와 투석액이 없이 오직 다중의 마이크로 채널을 통한 혈액 정화의 가능성을 보여준다. 또한 본 장치는 전기장이나 자기장과 같은 다른 외부의 힘없이, 유체의 유동만으로 다중의 입자를 분리해낼 수 있는 장점을 갖고 있다. 끝으로, 제안된 인공 신단위 장치의 소형화와 집적화가 실현된다면, 휴대용 인공 신장의 개발할 수 있을 것이다.
more초록/요약
This thesis presents a device that can effectively fractionate wastes urea from a blood. In the previous researches, the blood purification was done by mass transfer through the membrane. The blood purification by membrane needs large control system and expensive dialysates. And the concept of blood purification based on a microchannel is introduced by E. Weinberg's group. But their devices still have porous membrane structures. This thesis proposes the method of urea's sequential fractionation in the multiple microchannels without the membrane. This principle of fractionation is analogous to that of a human's renal unit(nephron). The function of nephron is accomplished by the relatively simple mechanisms of filtration, reabsorption and secretion. The proposed devices replace the nephron's functions by two fractionation steps. In the first glomerulus microchannel, large particles albumin and small particles glucose and urea are separated by diffusion. And in the second tubule microchannel, urea and glucose are separated by the principle of pinched flow fractionation(PFF). The artificial nephron device is designed by analytical solutions and finite element method analysis. And the device is fabricated by soft lithography. In the end, microfluidic separation experiments is executed using the mixed solution of albumin, urea and glucose. The experiment's results is inspected by a blood chemistry analyzer. The artificial nephron device proposes possibility on blood purification by only multiple microchannels without membranes and dialysates. Also, since the device utilizes only the laminar flow profile inside microchannels, complicated outer field such as electric or magnetic field control could be eliminated. And if the miniaturization and integration are realized , it will be able to develop the portable artificial kidney.
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