This thesis presents a novel separation principle for size separation of microparticles and cells with high throughput using inertial fluid field in a contraction-expansion array (CEA) microchannel. The CEA microchannel allows inertial size separation by a force balance between inertial lift and Dean drag forces in fluid regimes in which inertial fluid effects become significant. An abrupt change of the cross-sectional area of the channel curves fluid streams and produces a similar effect compared to Dean flows in a curved microchannel of constant cross-section, thereby inducing Dean drag forces acting on particles. In addition, the particles are influenced by inertial lift forces throughout the contraction regions. These two forces act in opposite directions each other throughout the CEA microchannel, and their force balancing determines whether the particles cross the channel, following Dean flows.
To understand the inertial fluid behavior in the CEA microchannel, I firstly fabricated the CEA microchannel using soft lithography technique and numerically simulated the fluid patterns throughout the contraction and expansion regions. The CEA microchannel exploits centrifugal forces acting on fluids travelling along the contraction and expansion regions of the microchannel. Around an entrance of the contraction region, the centrifugal forces induce a secondary flow field where two counter-rotating vortices enable to envelop a sample flow with a buffer flow in three dimensions. Centrifugal effects at that region result in Dean vortices that continuously split and redirect fluid streams, thereby enabling appreciable mixing. From these inertial fluid behaviors, I presented 3D laminating mixer which provides a level of 90% mixing in the relatively large range of Reynolds number from 4.3 to 28.6.
I next investigated particles migration depending on their sizes in the CEA microchannel. The particles migrate by force balance between inertial lift force throughout the contraction region and Dean drag force being induced from Dean flow at the entrance of the contraction region. I theoretically analyzed the particle migration using simulated results and experimental ones. From the force balance, I demonstrated complete separation of microparticles and efficient exchange of the carrier medium. In order to enhance the separation performance, I engineered the separation cutoff value of the particle size by simple geometrical changes of CEA microchannel. The separation cutoff value of the particle size can be controlled by modulation of the force balance between inertial lift and Dean drag forces. The modulation is achieved by changing the channel aspect ratio at contraction region, which causes the change of magnitudes of the inertial lift forces on the particles. I presented blood plasma separator which provides a level of yield and throughput of 62.2% and 1.2 mL/h, respectively.
기존의 미세유체 소자를 이용한 세포 분리기술은 세포가 가지는 고유의 특성을 이용하여, 전기장, 자기장 및 음파 등의 외부의 힘을 통하여 각종 세포를 분리하였다. 이와 같은 외부의 힘을 이용하는 분리기술은 분리과정에 있어 외부의 힘에 의하여 세포에 손상을 줌으로서, 분리 이후 세포의 고유의 특성이 변할 수 있는 문제점을 가지 있으며, 세포가 마이크로 채널을 지나갈 때 외부의 힘을 받을 수 있는 노출 시간이 길어짐에 따라 분리 효율이 높아지므로 처리율이 낮은 문제점을 가지고 있다. 이에, 세포의 손상을 줄이기 위한 방법으로, 마이크로채널의 기하학적 구조 특성의 변형을 이용한 유동장만을 이용한 분리방법이 개발 되고 있는데, 기존의 마이크로 채널내 유동장의 특성을 이용한 분리 방법은 마이크로채널내 층류를 이용한 분리 기술을 바탕으로 하기에 그 분리 처리율이 낮은 단점을 가지고 있다.
본 연구에서는 위와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 높은 유속하에서 발생되는 관성효과를 이용하여 높은 처리율과 높은 분해능으로 세포를 분리하고자 하였다. 높은 분해능을 가지는 분리소자를 제작하기 위하여는 채널내 관성효과를 이용할 수 있는 기하학적 구조를 설계할 필요가 있는데, 본 연구에서는 확장 축소 영역을 가지는 마이크로채널을 형성시킴으로서 높은 분해능을 가질 수 있는 소자를 제안하였으며, 설계된 마이크로채널내 발생되는 관성효과를 연구하고자 하였다.
이를 위해, 미세공정기술을 이용하여, 실리콘 웨이퍼위에 감광물질을 도포하고 소프트 리소그라피 방법을 통해 웨이퍼 표면에 설계한 마이크로 패턴을 형성시킴으로서, 확장 축소 미세구조물 제작하였다. 이렇게 제작된 미세유체 채널 내에 빠른 유속으로 유체를 흘림으로서 미세채널 내의 구조체 특성에 의해 유발되는 유체의 유동장 형태 연구하였는데, 전산유체역학 툴을 이용하여 유동장 수치해석을 수행하였고, 유체의 특성을 관찰하기 위해 서로 다른 두 가지의 유체를 채널내 주입하여, 두 유체가 채널 내에서 유발하는 유동형태를 형광 현미경 및 콘포칼 현미경을 이용하여 2D/3D 관찰하였으며, 미세채널 내의 구조체 특성에 의해 유발되는 유체의 유동장내에서 미세입자의 거동특성을 연구하였다.
위와 같은 실험을 통하여, 서로 다른 두 유체가 제작된 미세유체 채널 내에 주입 될 때, 구조물을 통과하는 관성유체에 의해 유발되는 유동장인 딘플로우에 의해 주입된 서로 다른 두 유체가 고속으로 혼합이 되는 현상과 구조물을 통과할 때 발생하는 딘플로우를 통해 3차원으로 혈액세포가 정렬 되는 현상 및 구조물을 통과하면서 발생되는 딘플로우에 의한 딘항력과 축소영역의 전구간에서 발생되는 관성양력을 통해 서로 다른 크기의 입자들이 서로 분리되는 현상을 관찰하였다.
주입된 입자들은 제작된 확장 축소 마이크로채널을 통과하면서, 딘플로우에 의하여 발생되는 딘항력과 이와는 반대의 방향으로 작용하는 관성양력의 힘 균형에 의하여 배출되는 위치가 결정이 된다. 이런 딘항력과 관성양력의 힘 균형을 조절함으로써 원하는 크기의 세포를 분리 할 수 있는데, 제작된 확장 축소 마이크로채널의 높이를 서로 다르게 함으로서 채널내에서 유발되는 전단력을 조절하여 줌으로서 관성양력을 조정할 수 있으며, 또한 축소영역의 길이를 조절하여 줌으로서 입자가 받는 관성양력을 조정할 수 있음을 전산수치 해석 및 미세입자 관찰을 통하여 증명 하였다.
위와 같은 힘 균형 조절을 통하여, 혈액내 존재하는 혈장을 고효율로로 분리 하였으며, 또한 희소한 세포인 혈중암세포를 모델로서 전혈내 암세포를 고효율로 분리하였다.
본 연구에서 제안한 확장 축소 구조를 가지는 소자는 단층 공정으로 제작할 수 있기에 간편히 제작할 수 있고, 전혈을 이용하여 세포를 분리 할 수 있기에 칩 외부에서 희석과정이 필요 없으며, 높은 처리율을 가짐에도 불구하고 낮은 레이놀즈수에서 소자가 구동되므로 세포파괴와 같은 피해가 없이 분리기능을 수행할 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한, 이와 더불어 채널내 서로 다른 방향의 힘인 관성양력과 딘항력을 이용함으로서 높은 처리율과 높은 분리 분해능을 가진다.
