This thesis presents a novel method and device for cell deformability monitoring based on the cell lysis rates through a filter array having gradually increased orifice length. Compared to the conventional filtration, the present method is insensitive to the cell volume deviation since the lysis rate is dependent on the ratio of cell surface area to volume. The present method also provides simple and inexpensive system by eliminating optical components.
The present cell deformability monitoring chips consist of four filters with variable orifice lengths with electrical sensing zones located before and after each filter. We design and fabricate three types of devices with 3 different orifice lengths: 2, 6.7, 11.2, 16μm for T-device, 2, 4.5, 6.7, 9μm for L-device and 9, 11.2, 13.6, 16μm for U-device. Since the tension of the cell membrane passing through the filters is proportional to the orifice length, each device types impose various tensions. Devices are fabricated by photolithography and PDMS molding process.
In the experimental study, we use normal and chemically treated erythrocytes to compare the lysis rate depending of cell deformability. The maximum differences of lysis rate between normal and chemically treated erythrocytes are measured as 21.2 3.5% in the 6.7μm long orifice of T-devices, and 16.6 4.6% in the 4.5μm long orifice of L-devices. We estimate that the orifice length range of 4~7μm effectively discriminate the deformability difference of erythrocytes. For an improved accuracy of the cell deformability measurement, we suggest a modified design preventing plugging of the erythrocytes.
In this work, we verify that the present cell deformability monitoring chips have potentials for quantifying the deformability of the cells in different physical condition.
본 논문에서는 순차적으로 증가하는 미소유체 통로 길이에 따른 통과 세포의 파괴율을 바탕으로 한 세포변형성 검사기를 제안하고 그 성능을 평가하였다. 이는 기존의 검사기에 비하여 세포 부피의 편차에 적게 영향을 받으며, 광학적 측정장비를 필요로 하지 않아 간단하고 저렴하게 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다.
제안된 검사기는 다양한 통로길이를 가지는 네개의 필터와, 각 필터 양단에 위치한 계수구역으로 이루어져 있다. 각 소자들의 통로의 길이는 T-소자의 경우 2, 6.7, 11.2, 16μm, L-소자의 경우 2, 4.5, 6.7, 9μm, U-소자의 경우 9, 11.2, 13.6, 16μm로 구성되어 있다. 필터를 통과하는 세포에 인가되는 장력은 필터의 통로길이에 비례하므로, 제안된 검사기는 다양한 범위의 장력을 인가할 수 있도록 설계, 제작되었다.
실험적 연구에서는 정상 적혈구와 화학적으로 처리된 적혈구를 사용하여 세포의 변형성에 따라 파괴율이 달라짐을 확인하였다. 측정된 파괴율 차이의 최대치는 T-소자의 경우 6.7μm 통로길이의 필터에서 $21.2 \pm 3.5%$, L-소자의 경우 4.5μm 통로길이의 필터에서 $16.6 \pm 4.6%$ 로 각각 나타났다. 이를 바탕으로 적혈구의 변형성을 가장 효과적으로 구분해낼 수 있는 필터 통로의 길이는 4~7μm 사이에 존재함을 확인하였다. 이와 같은 결과를 보다 높은 신뢰도로 검증하기 위하여 향상된 구조를 제안하였는데 이는 적혈구가 두개의 통로로 동시에 들어가게 되는 현상을 방지할 수 있다.
본 연구에서는 제안된 세포 변형성 검사칩이 서로다른 특성을 가지는 세포의 변형성을 정량화하는데 사용될 수 있다는 가능성을 확인하였다. 이와 같은 검사칩은 다른 요소들과 함께 집적화하여 자가진단 등에 사용하는데 적합하다는 장점을 가지고 있다.
