Single cell manipulation technology has been instrumental in the development of Assisted Reproductive
Technologies (ARTs) for clinical and research applications. In-vitro fertilization of gametes and
embryos have now become a routine procedure to treat infertility problems in clinics. However, the success
rate of these procedures remains very low due to the inefficiency involved with manual manipulation
of microtools by human operator, resulting in low throughput, low repeatability and interoperator variability.
In particular, controlling the polar body orientation of cells as required prior to micropipette
injection remains a challenging task to perform manually by repeated release and aspiration of cells. The
current study investigates the use of a microfluidic platform to automate the process of cell positioning,
immobilization and orientation control by means of hydrodyanmic force and vision-based position control
with the aim of increasing the efficiency of micromanipulation. The device is accessible by a conventional
micropiette via a cavity, allowing immobilized cells to be processed for tasks such as microinjection
and selective biopsy. An iterative orientation control algorithm based on the dynamics of cell movement
within microchannel is proposed. Visual tracking of polar body is used to provide orientation information
of cells. Experimental results with mouse embryos indicate that cell orientation can be systematically
controlled autonomously without human intervention and provides a framework for further development
of robotics approach to precise manipulation of microparticles within microfluidic devices.
미세조작은 단일세포 단위의 물체를 정교하게 다루는 기술로써 정자주입술을 통한 불임치료 등에
보편적으로 사용되고 있다. 하지만 이러한 작업을 수동적으로 수행하는데에 있어 조작성과 접근성의
어려움으로 인해 낮은 생존율과 수율이 보고되고 있으며, 반복성이 낮고 작업자의 숙련도에 많은 영향을
받는 단점이 있다. 본 연구에서는 고효율 세포조작 시스템 구현을 목표로 세포의 방향제어가 자동적으로
가능한 시스템을 설계 하였다. 세포의 개별적 이송과 고정이 가능한 미세유체기기 내에서 영상처리를
통해 쥐 난자의 극체의 방향을 인식하고 세포의 위치를 자동적으로 제어하여 고정시에 방향이 조절
가능한 알고리즘을 제안하였다. 고정된 세포는 외부의 도구가 접근 하여 주입과 생검 등의 작입이 가능
하도록 설계 되었으며, 실험을 통해 평균적으로 40-50 초가 소요되는 방향제어 작업을 19.3초 내에 49.1%
의 성공률로 수행하였다. 본 연구를 통해 간단한 구조의 미세유체 시스템 내에서 세포의 이동특성을
활용해 세포의 위치와 방향이 사람의 개입 없이 체계적으로 조절이 가능한 것을 확인하였으며 앞으로
미세물체의 고수율/고정밀 조작을 필요로 하는 작업에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
