Living cells undergo anabolic and catabolic metabolic pathways. Cellular metabolic rate pertains to the speed at which a cell performs metabolic processes, including energy production, chemical synthesis, and nutrient degradation. It quantifies the collective level of activity and effectiveness of the cell's metabolism. Cellular metabolic rate is a reliable measure of the physiological condition of cells and any alterations they may undergo. Chip calorimeter is an effective label-free tool for measuring cellular metabolic heat production in real time. The chip calorimeter is designed to measure hundreds of cells, and can even measure a single cell, whereas the normal bench-top calorimeter typically measures tens of thousands of cells. Nevertheless, numerous chip calorimeters suffer from inadequate resolution and challenges in sample manipulations, impeding accurate assessments of cell metabolism. The previous study demonstrated the high power resolution of a thin-film parylene microfluidic chip calorimeter with a vacuum-insulated design. Additionally, the integration of on-chip PDMS valves allowed accurate control over fluidic processes. The chip calorimeter utilized vanadium pentoxide thermistors with a high-temperature coefficient of resistance of $-4.3 %/K$. It achieved excellent power resolution in the range of many hundreds of $pW$, using only tens of $nL$ of sample. Double-layer PDMS microfluidics enabled precise fluid manipulation. The parylene microfluidics fabrication process involved the application of nano-adhesive layers created by iCVD for molding and bonding, resulting in the rapid creation of an expanded parylene chamber. Despite the significant benefits, there was still potential for enhancing the chamber volume to improve the chip's performance and addressing the bonding failure issue that arose during the manufacturing process, resulting in reduced yield in wafer-scale production.
Unlike biological reactions, which may be regulated by altering concentration to manage heat generation, the metabolic power per cell exhibits a limited range of variability. Therefore, the volume-specific power resolution, defined as the power resolution of a chip calorimeter divided by its measurement chamber volume, is a crucial parameter for assessing the performance of the chip calorimeter in measuring the metabolic heat of cells. Furthermore, increasing the chamber space allows for a greater number of cells to be consistently sustained during the measurements.
This study focuses on maximizing the volume-specific power resolution of parylene microfluidic chip calorimeter and minimizing the bonding failure. To improve the resolution of power measurement, we increased the volume of the chamber by two times. This was achieved by using a double-layer SU-8 chamber mold and a wafer bonding machine to increase the height of the measurement chamber. To mitigate the bonding failure, a surface profilometer was used to investigate flatness error. Better bonding was observed after edge bead removal was performed for PDMS mold. The chip calorimeter, which has a greater resolution for power per unit volume, is anticipated to make significant contributions to the field of cell-based assay for drug discovery. Additionally, it is predicted to find applications in various sectors of the pharmaceutical industry and biomedical fields.
세포는 동화작용과 이화작용의 대사경로를 거치며 세포대사율이라 불리는 속도적 개념을 가진다. 이는 세포가 에너지 생성, 화학적 합성, 영양소 분해 등의 대사과정을 얼마나 신속하게 수행하는지를 의미한다. 세포대사율은 세포의 생리적 상태와 가능한 모든 변화를 정량화하는 중요한 지표로 활용된다. 칩 열량계는 비표지방식으로 세포대사열량을 실시간으로 측정하는 효과적인 도구로서, 수백 개의 세포부터 단일 세포까지 측정이 가능하다. 기존 탁상용 열량계 경우 보통 수만개의 세포를 측정하는데 비해 칩 열량계는 훨씬 적은 세포를 타겟으로 한다. 해상도가 낮고 샘플 조작이 어려워 정확한 세포대사 평가에 제약이 있었다. 선행 연구에서, 진공 단열 설계를 도입한 박막형 파릴렌 미세유체 칩 열량계의 높은 출력 해상도를 입증하였다. 더불어, PDMS 밸브를 적용해 유체 조작을 정확하게 제어할 수 있었다. 이를 위해 $-4.3 %/K$의 높은 저항 온도계수를 갖는 바나듐 펜토옥사이드 고민감도 저항 온도센서를 사용했으며, 수십 $nL$의 적은 샘플을 통해 수백 $pW$의 전력 분해능을 달성했다. 이중층 PDMS 미세유체를 도입해 유체를 정밀하게 조작했고, iCVD 공정으로 증착한 나노접착층을 활용해 확장된 패릴린 챔버를 신속하게 제조할 수 있었다. 세포대사율은 제한된 범위의 가변성을 보이므로, 칩 열량계의 전력 분해능을 측정 챔버 부피로 나눈 부피비 전력 분해능이 세포의 대사열을 정량화하는 중요한 매개변수로 확인했다. 본 연구는 챔버 부피를 2배 이상 증가시킴으로써 부피비 전력 분해능을 최대화하고 접합 실패를 최소화하는 제조 방법 개선을 얻고자 했다. 이중층 SU-8 챔버 몰드와 웨이퍼 본딩 기계를 활용해 측정 챔버의 높이를 효과적으로 증가시켜 부피비 전력 분해능을 향상시켰으며 표면 프로파일계를 이용해 평탄도 오차를 측정했다. PDMS 몰드의 가장자리를 제거해 보다 우수한 접합을 확인할 수 있었으며 이를 활용해 약물 발견을 위한 세포 기반 분석 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 예상되며 제약 산업 및 바이오 의료 분야에서 다양한 응용 분야를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.
