We present continuous cell separation chips using dielectrophoresis (DEP). Previous DEP cell separation chips are based on the discontinuous cell mixture flow controlled by microfluidic components and require the larger electrode area for the higher throughput screening. The present continuous cell separators have reduced the numbers of microfluidic components and have realized high-throughput screening by increasing the flow-rate over small electrode area.
We design two different types of the continuous cell separators: the two-electrode separator and three-electrode separator. The cells in negative DEP affinity are separated from the centerline of the mixture flow stream in the two-electrode separator, while the cells in positive DEP affinity are separated from the central stream line in the three-electrode separator.
In the experimental study, we use the mixture of viable (live) and nonviable (dead) yeast cells as sample cells to be separated. We obtain the continuous cell separation conditions in the DEP affinity test for the yeast mixture: the electric field frequency of 5MHz for the sinusoidal potential of $8V_p-p$ across the electrode array of 20㎛ gaps immersed in the medium conductivity of 5μS/cm. Viable yeast cells show the positive DEP affinity while nonviable yeast cells show the negative DEP affinity under these conditions. We observe that two-electrode separator cannot separate the nonviable yeast cells, since the negative DEP force acting on the nonviable yeast cells is too week to overcome the potential barrier at the electrode edges. Using the three-electrode separator, we separate the viable and nonviable yeast cells from the mixture at the flow rates of 0.1, 0.5, and 1㎕/min. Purity of the separated viable cells has been in the range of 95.9~97.3% and that of the separated nonviable cells is measured in the range of 64.5~74.3%. We also find that the purity of the separated viable yeast cells is maintained for the increased flow rate, while that of the separated nonviable yeast cells decreases for the increased flow rate.
The present continuous cell chips is able to separate other cell mixtures, having differential DEP affinity, such as cancerous cells from healthy erythrocytes, leukaemic cells from blood, and trophoblast (placental) cells from maternal blood, for applications to integrated biological analysis systems.
본 논문에서는 세포들 간의 dielectrophoresis (DEP) 친화도 차이를 이용한 극소형 연속 세포 분리기에 관한 연구를 수행하였다. 기존의 DEP 현상을 이용한 세포 분리기는 미소유체 요소들의 제어에 의한 불연속적인 세포 혼합물의 흐름을 기본으로 하고 있고, 고용량 선별을 위해서는 전극의 면적이 커져야만 하는 단점이 있다. 제안하고자 하는 세포 분리기에서는 연속적인 세포 분리를 구현함으로써 미소유체 요소에 의한 제어의 필요성을 제거하였고, 작은 전극 면적 내에서 유량을 증가시키면서 고용량 선별을 가능케 하였다.
이론적 고찰에서는 DEP 이론을 사용하여 효모 세포의 DEP 친화도를 이론적으로 예측하였고, 이를 바탕으로 활성효모와 비활성효모가 용액의 전도도와 인가 전기장의 주파수에 따라서 서로 다른 DEP 친화도를 가짐을 이론적으로 확인하였다. 채널의 단면에 불균일 전기장을 인가하기 위하여 두 가지 종류의 시편을 고안하였다. 이전극 분리기에서는 음의 DEP친화도를 갖는 입자들이 유로을 따라 흐르면서 유로의 중앙으로부터 분리되고, 삼전극 분리기의 경우에는 양의 DEP 친화도를 갖는 입자들이 유로의 좌우로 분리되는 구조를 갖도록 설계하였다.
이와 같이 설계된 시편에서의 세포 분리 실험은 활성효모와 비활성효모의 혼합물를 사용하여 수행하였다. 용액의 전도도와 인가 전기장의 주파수에 따른 효모의 DEP 친화도를 측정하였고, 이를 바탕으로 하여 연속적인 세포분리를 위한 조건 (용액 전도도: $5\mu S/cm$, 전기장 주파수: 5MHz)을 결정하였다. 이전극 분리기에서는 효모 세포들의 분리가 이루어지지 않았음을 확인하였는데, 이는 음의 친화도를 갖는 비활성효모에 미치는DEP 힘의 크기가 작기 때문에 비활성효모가 전극의 모서리 부분의 에너지 장벽을 극복하지 못한 것으로 해석된다. 삼전극 분리기를 이용한 연속적인 세포 분리에서는 0.1, 0.5, $1\mu l/min$. 의 유량에서 활성효모와 비활성효모의 혼합물을 사용하여 실험을 수행하였다. 분리된 활성효모와 비활성효모의 순도는 각각 95.9~97.3%, 64.5~74.3%로 측정되었다. 분리된 활성효모의 순도는 유량이 증가함에 따라 일정하게 유지되는데 비해, 비활성효모의 순도는 유량의 증가에 따라 감소하는 경향을 확인하였는데, 이는 유량이 증가함에 따라 활성효모가 전극상에 위치하는 시간이 짧아 충분히 분리되지 못한 것으로 해석된다.
결론적으로, 제안된 연속적인 세포 분리기는 서로 다른 DEP 친화도를 갖는 세포 혼합물의 분리에 적용할 수 있고, 직접화된 생물학적 분석 시스템의 시료 전처리 요소로서 사용될 수 있음을 확인하였다.
