This thesis presents a novel optoelectrofluidic printing system that facilitates not only optoelectrofluidic patterning of microparticles and mammalian cells but also harvesting the patterned microparticles encapsulated within poly(ethylene glycol) dicarylate (PEGDA) hydrogel sheets. Although optoelectrofluidic technology has numerous advantages for programmable and on-demand patterning and feasibility of manipulating single microparticles, practical applications using existing laboratory infrastructure in biological and clinical research fields have been strictly restricted due to the impossibility to recover the final patterned product. In order to address these harvesting limitations, PEGDA was employed to utilize optoelectrofluidic printing system. The concentration of hydrogel precursor and the chamber height were optimized to figure out the suitable harvesting condition of the polymerized PEGDA hydrogel sheet. Also, the Clausius-Mossotti (CM) factor was calculated to investigate the dielectrophoretic mobility of the microparticle and cells. Based on the optimized conditions of the optoelectrofluidic system, three basic abilities of optoelectrofluidic printing system were characterized: Controlling the number of microparticles, controlling distance between microparticle columns, and controlling the ratio of two different microparticles. Furthermore, the optoelectrofluidic patterning and printing of HepG2 cells were demonstrated with minimum resolution of about 10 μm in 5 min. The dielectrophoretic force exerted to cells was verified based on the simulation and the appropriate ranges of frequency was defined experimentally. Finally, optoelectrofluidically cell-patterned hydrogel sheets successfully recovered under a highly viable physiological condition.
본 연구에서는 광전자유체방식(Optoelectrofluidic)으로 패턴된 미세입자를 수득하기 위한 수화젤 시트 프린팅 시스템을 제안하였다. 미세입자 패터닝 기술은 생물학적 연구에 필수적이기 때문에 다양한 패터닝 방법이 개발되었지만, 지금까지 개발된 패터닝 방식은 복잡하고 정교한 공정 과정 또는 비싼 장비가 필요하다는 한계점이 있다. 최근 광전자유체방식은 한 개 또는 수 개의 미세입자를 자유자재로 조작할 수 있을 뿐만 아니라 프로그램화가 가능하기 때문에 미세입자 패터닝 기술로 꾸준하게 발전되어왔다. 그러나 현재 광전자유체방식으로 패터닝된 미세입자를 추가적인 연구를 위해 응용하는 것이 불가능하여 패터닝 기술로써의 장점이 제한되었다. 그러므로 광전자유체방식으로 패터닝된 미세입자를 수득하여 다양한 연구에 사용될 수 있도록 하기 위한 프린팅 시스템이 필요하였다.
본 연구에서는 광중합이 가능한 수화젤 전구체 내에서 미세입자를 패터닝하고 중합시킴으로써 수화젤 시트 형태로 수득이 가능하도록 하였다. 수화젤 전구체의 농도나 디바이스의 높이에 따라 수득가능성과 핸들링가능성을 판단하고, 시뮬레이션을 기반으로 하여 실험적인 검증을 통해 실제로 효율적인 패터닝이 가능한 주파수 조건을 찾았다. 이를 바탕으로 수화젤 전구체 내에서 광전자유체방식으로 할 수 있는 기본적인 세 가지 기능을 확인하고 분석하였으며, 이 기능들을 조합하여 다른 패터닝 기술에서는 불가능한 새로운 패턴 제작 가능성을 입증하였다.
뿐만 아니라 개발된 프린팅 시스템이 동물세포 패터닝에도 응용될 수 있는지 확인하였다. 기본적인 세포 실험을 위해 동물세포에 적합한 물질들을 사용하였고, 동물세포가 일정 시간 동안 수화젤 전구체와 광개시제에 담겨있을 때의 세포 생존율에 영향이 없음을 확인하였다. 또한 앞의 과정과 마찬가지로 수화젤 전구체의 농도와 디바이스의 높이에 영향을 받는 경화된 수화젤의 수득가능성을 판단하고, 시뮬레이션을 기반으로 하여 실험적인 검증을 통해 실제로 효율적인 패터닝이 가능한 주파수 조건을 찾았다. 이를 바탕으로 실제 동물세포를 패터닝하고 높은 생존율을 가지는 상태로 수화젤을 수득함으로써 동물세포 또한 광전자유체 프린팅 시스템에 적용이 가능한 것을 입증하였다.
