This thesis presents a spheroid chip for multicellular spheroid formation and extraction using removable cell trapping barriers. The previous chips using fixed trapping barriers have faced difficulties in extracting the spheroids. The present spheroid chip achieves a simple spheroid extraction using removable cell trapping barriers formed by membrane inflation.
The membrane between a top layer and a bottom layer of the spheroid chip is inflated by the membrane pressure to form cell trapping barriers in the bottom layer. The cell trapping barriers hold cells to be filled in the trapping region to form spheroids. At the reduced membrane pressure, the deflated membrane removes the cell trapping barriers, allowing spheroids to exit to the spheroid outlet. A 4 × 1 array of the spheroid chips has been designed, fabricated and characterized.
The cell trapping barriers, formed at the membrane pressure of 50kPa, hold the cells in the trapping region at an initial cell inlet pressure of 200Pa. After 24 hour incubation, the cell-cell interaction makes the trapped cells form the spheroids. The spheroids have been extracted through the spheroid outlet at the cell inlet pressure of 5kPa for the membrane pressure of 0kPa. The spheroids have the diameter of 197.2±11.7 $\mu m$, showing the viable cell percentage of 75.5% after extraction.
It is demonstrated that the spheroid chips perform uniform formation and secure extraction of the spheroid for the next stage of spheroid processing.
본 논문에서는 제거 가능한 세포 포집 구조물을 이용한 3차원 다세포군집 형성 및 추출 칩을 제안하였다. 본 방법은 기존의 고정된 구조물을 사용한 다세포 군집 형성 칩이 추출이 어려운 반면 제거 가능한 구조물을 형성함으로써 추출이 용이하다는 장점이 있다.
본 연구에서는 4×1 어레이 형태로 다세포군집을 형성하는 소자를 설계하였다. 상판의 링형 박막 제어 유로에 압력을 인가하면 박막이 부풀어 올라 하판에 세포 포집 구조물dl 형성되고, 이를 이용하여 다세포군집이 형성된다. 박막 제어 유로에 압력을 제거하면 부풀었던 박막이 줄어들면서 세포 포집 구조물이 제거 되어 형성된 다세포군집이 추출된다.
소자의 동작을 위한 압력 조건을 결정하기 위한 실험과 형성된 다세포군집을 분석하는 실험이 수행되었다. 세포 포집을 위해서 세포 포집 구조물의 높이가 채널의 높이와 같아지는 50kPa의 박막 제어 유로에 인가하는 압력과 200Pa이상의 입력 압력이 결정되었고, 형성된 다세포군집이 추출되기 위해서 0kPa의 박막 제어 유로 압력과 5kPa의 입력 압력이 결정되었다. 본 소자를 통해 형성된 다세포군집의 크기가 197.2±11.2 $\mu m$ 로 설계한 치수대비 오차는 1.4%였다. 다세포군집 추출 후, 생존한 세포의 비율은 75.5%로 측정되었다.
결론적으로 본 연구에서 제안된 다세포군집 형성 및 추출칩이 다세포군집을 성공적으로 형성하고 추출이 가능함을 확인하였다. 본 방법은 다세포군집에 기반한 약물처리시스템에 적용될 수 있다.
