Analysis systems for cell-based assay have been significant importance in biology, neuroscience and medicine. Recently with great progress in biotechnology, genetics, and bioengineering, more rapid and automated analytical systems are required. In this thesis, the integrated microfluidic system for high-throughput cell-based assay has been proposed and implemented using microfabrication technology.
The proposed microfluidic system is composed of cell reaction chamber, microfluidic control unit, detection unit, and electrical process/control unit. This dissertation focuses on the cell reaction chamber and microfluidic control unit with micropump, liquid metering and injection.
For a fundamental microfluidic control unit, micropump driven by continuous electro-wetting has been developed for low power consumption and low voltage operation. All parts of the micropump, including check valves, silicone rubber membranes and a CEW actuator, have been fabricated using MEMS-based technologies, and the actuation of the micropump has been successfully demonstrated. The operation voltage of the fabricated micropump was below 2.3 V and the power consumption was lower than 170㎼. The maximum flow rate was measured to be about 70㎕/min at a frequency of 25 Hz with an applied voltage of 2.3 V, and a maximum pump pressure of about 800 Pa was obtained.
Using the surface modification and channel dimension modulation method, we have proposed programmable liquid metering scheme and presented the effectiveness using computational simulation. Also the structure for sample injection without air introduction into the reaction chamber has been proposed and experimentally proved.
In this thesis, two types of cell reaction chamber have been proposed and fabricated. One is single-cell analysis device performing single-cell capturing and specific drug injection into the captured single-cell using the mentioned liquid injection structure. The device is designed, so that single-cell is autonomously captured in a cell-positioning site by a pre-defined fluid stream and specific liquid including drugs or reagents can be supplied to each single-cell through a flow injection channel. The experiment demonstrated successful positioning of single-cell on capturing sites and the drug (ink) has been successfully injected on the target cell without any air injection.
The other is micro-well array for high-throughput cell-based assay. The proposed device can provide three consecutive functions: autonomous capture of cells into multiple micro-wells; active physical sealing of micro-wells for cell confinement; and specific chemical injection into each micro-well. The cell capture experiment has been performed using polystyrene beads and CHO DG44 cells showing successful positioning of cells in micro-well array. Blue ink has been used to test the drug injection. The ink successfully injected on the target cell captured in micro-well without overflowing of injected liquid. Also the deionized water has been introduced into the cells positioned in micro-well to see the reaction. The experiment showed that the plasma membrane of exposed cell was removed while unexposed cells have maintained good status.
본 학위논문에서는 고속 세포분석을 위한 집적화된 미소 유체 시스템을 제안하였으며, MEMS 기술을 사용하여 그 구성 요소들을 구현하였다. 제안된 미소 유체 시스템은 세포 반응챔버, 미소 유체 제어모듈, 검출 모듈, 그리고 신호 제어 및 처리 모듈로 구성된다. 본 논문에서는 세포 반응챔버와 미소 유체 제어모듈로서 마이크로펌프와 극소량 액체 계량기, 그리고 용액 주입기에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 기본적인 미소 유체 제어기로서 저전력, 저전압으로 구동이 가능한 연속전기습윤에 의해 구동되는 마이크로 펌프를 개발하였다. MEMS 기술을 사용하여 밸브와 구동막과 CEW 구동기를 제작하였으며 성공적으로 동작을 증명하였다. 제작된 마이크로 펌프의 구동전압은 2.3 V 였으며, 소비 전력은 170㎼ 이하였다. 최대 펌프유량은 2.3 V, 25 Hz에서 약 70㎕/min 으로 측정되었으며, 약 800 Pa 의 최대 펌프 압력을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 마이크로 채널의 표면개질과 면적조절을 이용하여 외부에서 프로그램이 가능한 극소량 액체 계량기의 구조를 제안하였으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 그 가능성을 검증하였다. 또한 공기방울이 챔버로 유입되는 것을 차단할 수 있는 액체 주입기를 제안하고 실험적으로 증명하였다.
두 종류의 세포 반응 챔버가 제안되고 제작되었다. 하나는 단일세포 포획과 개별 약물 주입이 가능한 단일세포 분석 디바이스이다. 이 디바이스는 용액의 흐름에 따라 하나의 세포가 자동적으로 세포 반응 장소에 놓여지게 되며, 약물 주입채널을 통하여 각각의 잡힌 세포들에게 약물을 주입할 수 있도록 설계되었다. 실험을 통하여 단일세포의 포획과 각각의 세포에 특정 약물을 주입하는 것이 가능함을 보였다.
다른 하나는 앞의 단일세포 분석 디바이스의 단점들을 해결하기 위해 제안, 제작된 칩으로서, 고속 세포 분석을 위하여 마이크로 우물들이 배열된 형태의 칩이다. 제안된 칩은 다음 세 가지의 연속적인 작용을 수행한다: (1) 여러 마이크로 우물들 속으로 세포의 자동적인 포획; (2) 능동적으로 제어가능한 덮개를 이용한 마이크로 우물의 밀봉, 그로 인한 세포의 고립; (3) 고립된 각각의 세포들에게 특정 약물의 주입이다. 세포 포획 실험을 마이크로 비드와 CHO DG44세포를 이용하여 실험한 결과 성공적으로 원하는 위치에 세포를 잡을 수 있었으며, 또한 덮개를 덮은 후 약물 주입 실험을 수행한 결과, 원하는 세포에만 약물이 잘 주입되는 것을 확인하였다. 또한 세포의 반응 실험을 위하여, 살아있는 CHO 세포를 포획한 후, 약물 주입채널을 통하여 증류수를 주입한 결과, 증류수가 주입된 세포는 세포막이 터지는 것을 확인하였다.
고속 세포분석을 위한 미소 유체 시스템은 바이오기술과 의약분야, 특히 신약개발과 고속 신약 스크리닝에 있어서 획기적인 시스템이다. 제안된 디바이스들은 고속 세포분석과 고속 신약 스크리닝을 위한 미소 유체 시스템으로 적용되어 우수한 결과를 보일 것으로 예상된다.
