Cells are the basic structural and functional unit of organism and it contains many valuable information. The single cells have heterogeneity even in isogenic cultures with respect to the size, growth state, and gene expression. To obtain the correct information, separation and isolation of specific cells in heterogeneous cell mixture have been studied in biology, medicine, and biopharmaceuticals using microfluidic device. Basically, the cells are affected by the motion of fluid because cells live and exist in biological fluid. When the fluid flows in specific space, the cells are dragged by fluid shear force. Therefore, controlling of shear force can be one of the important factors to separate the target cells. In this study, the strategies to modify the flow pattern were proposed to study the cell movement and to show its applicability.
First, the fabrication methods were studied to induce the specific flow pattern. Not only the general method (photo- and soft- lithography) to fabricate the PDMS-based microfluidic device, but also the CNC milling and 3D printing technique to produce the 3D structures were adopted to generate the desired flow patterns.
Secondly, isolation of bacteria cell was achieved by only using the microstructures in channel. The combination of hydrogel and microfluidic system have been adopted to observe the response of cell. Typically, the polymer-based hydrogel is used to provide the specific environment. However, adoption of hydrogel leads the cellular aggregation and reduces the efficiency of bacteria separation. To resolve the bacteria aggregation and the single-cell level of separation, we adopted structures for the flow control. Micropillar was installed in microfluidic channel and it makes the flow modification. Polymer induced cell aggregates were re-dispersed by the collision with pillar, shear force and elongation force around the pillar. The fraction of single cells contained in a single droplet depends on the cell dispersion in channel. By the adoption of pillar, the cells were well dispersed and encapsulated up to 70% of single cell in the droplets. As a related investigation, shear and elongation forces enhanced device was designed and combined with droplet PCR technique. Evaluation of the design was achieved by computational fluid dynamics program. Parabolic contraction structure also showed the effective cell dispersion capability. Moreover, dispersed cell was eventually encapsulated in droplet and identified as foodborne pathogen by droplet PCR technique.
Thirdly, circulating flow inducement and its applications were investigated using external vibration force. The filtration system have been used broadly in many chemical and biological industries. However, the incidence of filter fouling brought the serious issues to the system, such as dismantlement of the device or filter change. Also, the blood solution which contains red blood cell, white blood cell and plasma leads the filter clogging issue. The blood is known as the mixture of important biomarkers. Among the blood cells, white blood cell can be used as a marker for viral infection (Ebola, Influenza, and Dengue fever etc.). Furthermore, the sepsis can be diagnosed by the detection of the bacteria in the blood. The size-based mechanical filtration has been considered as the most noted method due to the size differences of red blood cell, white blood cell and bacteria. However, the use of high concentrated cell mixture inevitably lead the pore clogging with loss of its permeability. To overcome such problems, shear force was intentionally increased using circulating flow by vibration. The blood cells are differently influenced by shear force based on cell size and density, and therefore, easily separated through the filter membrane.
Based on these studies, the fluidic device which has the desired fluid pattern can be fabricated using various methods including photolithography, mechanical milling and 3D printing. Modification of internal structures and external force were adopted to induce the desired flow patterns. The effect of the modified flow patterns on cell separation was analyzed and applied to single cell isolation and filtration. These flow inducement techniques would be useful to resolve the inefficiency and to improve the conventional chemical and biological processes.
세포는 생물의 구조적, 기능적 기본 단위로 수많은 정보들을 포함하고 있다. 이들 세포들은 서로 다른 정보를 갖는 다양한 종류가 함께 존재하기 때문에, 세포가 단독으로 존재할 때와 여러 세포가 함께 할 때 다른 특성을 나타내게 된다. 따라서 정확한 정보를 얻기 위해서 특정 세포를 전체 집단에서 구별 및 분리하는 방법에 대한 연구가 생물학과 의약학 등에서 미세유체장치를 활용하여 활발하게 이루어지고 있다. 세포는 기본적으로 유체 내에서 생장 및 존재하기에 유체의 움직임에 영향을 받는다. 유체가 특정한 공간 안에서 흐르게 되면 그 안에 포함된 세포는 유체의 전단력 (shear force)에 의하여 유체와 함께 흐르게 된다. 따라서 표적 세포를 분리 및 검출에 유체의 전단력이 중요한 요인이 될 것이다. 본 연구에서는 유체의 흐름을 한정된 공간 안에서 발생시키고 유체 안에 세포를 첨가하여 흐름이 세포에 미치는 영향을 해석, 응용하였다.
첫 번째로, 유체의 흐름을 유도하기 위한 장치 제작법과 그 활용에 대한 연구를 진행하였다. 일반적인 포토리소그래피, 소프트리소그래피 방식을 이용한 PDMS 기반의 유체 장치뿐 아니라3D구조를 만들기 위한 CNC 밀링 및3D프린팅 기법을 사용하여 다양한 디자인을 갖는 유체 장치를 제작하여 수많은 화학, 생물 공정에 사용 가능하게 하였다.
두 번째로, 유로의 구조만으로 유체의 특정한 흐름을 유도하여 이를 세포 분리에 응용한 연구를 진행하였다. 먼저 고분자 기반의 하이드로겔과 미세유체 장치를 이용한 미생물의 담지에 관한 연구를 진행하였다. 특정한 환경에 대한 세포의 반응을 관찰하고자 단일 세포 수준으로 세포를 분리하는 연구가 미세유체 장치를 이용하여 많이 진행되고 있다. 이때 다양한 환경을 조성하기 위해 하이드로겔이 주로 사용되는데 고분자 기반의 하이드로겔과 세포가 만나면 depletion 효과로 인해 세포들이 뭉치는 현상이 발생한다. 이런 뭉침 현상을 이해하고 유체역학을 기반으로 채널에 기둥을 배치한 디자인의 장치를 제작함으로써 세포의 뭉침 현상을 제어하였다. 장치는 포토리소그래피와 소프트리소그래피를 이용하여 PDMS로 제작하였다. 세포의 모델로 대장균을 도입하여 하이드로겔로 인한 미생물의 뭉침을 관찰하였고 유체가 기둥 주위를 흐르게 하여 충돌, 끌림, 신장력을 일으켜 세포의 뭉침 현상을 제어하고 채널 내의 분산도를 높였다. 연장선으로써, 유체의 흐름으로 발생하는 충돌, 끌림, 신장력이 세포 분산에 있어 탁월한 효과를 보임을 알았기에 전단력과 신장력을 높이는 장치를 설계하고 최신 분석 기술인 액적 기반 유전자 증폭 기술(PCR)과 융합한 연구를 진행하였다. 앞선 연구에서 신장력과 끌림힘이 미생물의 채널 내 분산도를 높이는 주된 요인이라는 것을 밝혀내었기에 신장력을 높이는 장치를 설계하였고 이를 CFD 프로그램으로 흐름을 해석하여 힘의 크기를 계산할 수 있었다. 실험을 통해서 미생물의 분산도를 높이고 미생물을 포함하는 액적을 제조하여 PCR로 식중독균을 검출하였다.
마지막으로, 외력을 이용한 유체의 흐름유도와 그 응용에 관한 연구를 진행하였다. 산업에서 많이 사용되는 여과 과정에 있어 여과막의 막힘 현상은 중대한 문제를 일으킨다. 산업뿐만 아니라 혈액처럼 적혈구, 백혈구, 혈장으로 구성되는 용액의 경우에도 마찬가지로 여과막의 막힘 현상이 발생한다. 혈액은 그 구성성분 각각이 중요한 생물학적 표지자로 사용될 수 있다. 혈액 중 백혈구는 바이러스 감염(에볼라, 인플루엔자, 뎅기열 등)에 의한 질병을 진단하는 데 사용할 수 있다. 또한, 혈액에 박테리아가 존재하는 경우에는 패혈증을 진단할 수 있다. 두 경우 모두에서 각각의 세포를 분리하기 위해 여과법을 사용하면 혈액 중 적혈구가1mL당10억 개 이상 존재하기에 막힘 현상이 쉽게 발생한다. 이에 여과에 진동을 도입하여 막힘 현상을 방지하고 유체의 회전을 유도하여 여과 속도를 높였다. 여과 장치는 고분자 사출법을 이용하여 제작하였다. 여과 장치에 진동을 가하게 되면 입자가 여과막에서 떨어지고 장치 디자인에 따라 유체의 회전을 일으키게 되어 입자의 밀도와 크기에 따라 유체의 영향을 받은 수준이 다르기에 백혈구 및 박테리아를 분리할 수 있었다.
이러한 연구를 통해 다양한 방식 (포토리소그래피, 밀링, 3D프린팅, 사출)으로 원하는 흐름을 나타내는 유체 장치를 제작할 수 있게 되었다. 또한 장치 내부의 구조를 변경하거나 외력을 이용하여 특정한 흐름을 유도하였다. 이를 통해 유체 내부에 존재하는 입자에 유체의 흐름으로 인한 영향을 해석, 응용하였다. 이러한 결과를 기반으로 하면 기존 공정들에 존재하는 단점을 해소하고 효율적인 공정으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
