This thesis presents a diamagnetic repulsion magnetophoresis system for enhancing separation effect of different size particles by tuning the magnetic susceptibility of medium using paramagnetic solution. To demonstrate this system, various concentrations of paramagnetic solution were applied to separate 8- and 10-$\mum$ polystyrene beads in a microfluidic channel with a magnetic field. As the concentration of paramagnetic solution increased, the distance between two different beads was widened as well as the deflection of those beads became larger under the magnetic field. For cell separation, red blood cells and U937 cells were applied with various concentrations of paramagnetic solution. By using 40 mM gadolinium diethylenetriaminepentaacetic acid solution, we have achieved label-free separation of U937 cells from red blood cells using paramagnetic solution. The separation purity and throughput was 90 % and $1\times10^{5}$ cells/h, respectively. This new approach would be a powerful tool for label-free separation of rare cells and for multi-target separation with high resolution.
본 연구에서는 상자성 용액을 이용하여 자기영동기반의 비표지 방식으로 세포를 분리하였다. 미세채널 내에서 세포를 분리하는 기술은 대표적으로 전기적 힘을 이용한 유전영동, 자기장을 이용한 자기영동, 미세채널 구조물에 의한 영동을 이용한 유체영동, 초음파로 분리하는 음향유동 등 4가지가 있다. 이런 분리방법들과 비교할 때, 자기장을 이용한 자기영동은 높은 생체 적합성을 가지고 있어서 빠르고 효율적으로 세포를 분리하는 방법으로 자기력을 사용하는 것이 유리하다.
기존의 자기영동을 적용하여 분리하는 방법들은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 하나는 외부의 자기장 세기를 크게 함으로써 분리효율을 높이는 연구이고, 다른 하나는 분리하려는 목표물에 나노 혹은 마이크로 철 입자 등을 붙여, 목표물의 자화율을 높여 분리하는 방법이다. 이런 기존의 연구방법과 달리, 본 연구는 상자성 용액을 이용하여 매질의 자화율을 변화시켜 사이즈가 다른 두 물질을 비표지 방식으로 분리하려고 하였다.
크기가 다른 10 마이크로미터 크기와 8 마이크로미터 크기의 폴리스티렌 입자는 매질의 자화율이 커짐에 따라 더 많은 힘을 받게 되고 따라서, 자석으로부터 더 많이 밀려나게 된다. 또한 매질의 자화율이 커짐에 따라 또한 두 입자간의 밀려나는 정도의 차이도 점차 커지게 된다. 결과적으로 PBS 용액에서는 분리가 되지 않던 두 입자는, 상자성 물질의 농도가 100 mM인 용액에서는 두 입자는 서로 분리가 된다.
세포의 경우도 비슷한 양상을 보여주었다. PBS 용액에서는 분리가 되지 않던 U937 세포와 적혈구는, 상자성 물질의 농도가 높아짐에 따라 분리가 되기 시작한다. 그러나, 세포의 경우는 폴리스티렌 입자와 달리, 높은 농도의 상자성 용액을 이용하면, 삼투압과 상자성 물질의 독성 때문에 세포가 손상 받게 된다. 따라서 세포를 분리할 때는 삼투압이 비슷한 40 mM의 용액을 사용하여 두 종류의 세포분리 실험을 수행하였다. 최종적으로 얻은 U937 세포의 분리순도는 90%이고, 처리량은 $1\times10^{5}$ 개/시간 이었다. 다른 기존의 연구와 비교할 때, 이러한 결과는 분리순도는 비슷하나, 처리량 정도에서 좀 떨어진다. 이것은 자기장의 세기가 더욱 강한 소자를 사용하면 높일 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 실험에서 사용한 상자성 용액인 Gd 용액보다 더 독성이 낮은 상자성 용액을 사용할 경우, 더 높은 농도에서 분리가 가능하므로 분리효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 이런 기술들은 매질의 자화율의 크기에 따라 분리도가 커지므로, 한번에 여러 개의 sample을 분리하는 기술에도 사용할 수 있고, 나아가서 혈액이나, 혈중종양세포 등도 비표지 방식으로 분리할 수도 있을 것으로 기대된다.
