In this thesis, two types of size-dependent microparticle capture and release chips have been proposed and demonstrated for high retrieval efficiency: size-dependent microparticle capture and release chip and circulating tumor cell capture and release chip.
Previous microparticle separation methods, using multiple filters with different pore sizes, require additional structures and processes to release the microparticles after they are captured in the filters. In addition, those methods often result in particle loss due to clog-ging of the fixed filters. We suggest the microparticle capture and release chips, capable of size-dependent microparticle capture and release without the particle loss by using deformable membrane ring barriers.
The size-dependent microparticle separation chip has different slit gaps formed by multiple membrane ring barriers (b1 ~ b4) concentrically spread out from the inlet, which can adjusted with a unit pressure source. The chip is able to not only capture microparticles by size, but also recover the respectively captured microparticles without microparticle clogging, by simply controlling the slit gaps produced by the deformable multiple membrane ring barriers using the unit pressure source. In the experiments, we demonstrated microparticle separa-tion and release using two different sizes of PS (Polystyrene) beads (diameter = $6.51 \pm 0.43 \mu m$ and $10.32 \pm 0.39 \mu m$) immersed in 0.5% BSA (Bovine Serum Albumin) solution at a sample flow rate of 6 ml/h. At a pressure of 80 kPa, $10.32 \mu m$ and $6.51 \mu m-diameter$ beads were captured at the ring barriers of $b_3$ and $b_4$. The capture efficiency of $10.32 \mu m$ and $6.51 \mu m-diameter$ beads at the barriers were $91.7 \pm 16.7%$ and $100.0 \pm 0.0%$, respectively. Sub-sequently, at membrane pressures of 65 kPa and 50 kPa, the $6.51 \mu m$ and $10.32 \mu m-diameter$ beads were respectively released from the outermost barrier ($b_4$). The release efficiency of $10.32 \mu m-diameter$ beads at the $b_3 barrier and $6.51 \mu m-diameter$ beads at the $b_4$ barrier were $90.9 \pm 8.1%$ and $97.1 \pm 4.0%$, respectively. We have verified that the different sizes of captured microparticles were captured and effectively released using the chip.
A circulating tumor cell (CTC) capture and release chip uses the slanted slots formed by a deformable membrane ring barrier for CTC capture and release. The chip is capable to capture the CTCs with the reduced mechanical stress and cell damage by using the slanted slots formed by the inflated membrane ring barrier. In addition, it is capable to effectively release the captured CTCs without cell clogging by deflating the deformable membrane ring barrier and opening the slots. In the experiments, we demonstrated cancer cell capture and release using two types of cancer cells (H358, LoVo) spiked in PBS solution and peripheral blood mononuclear cell (PBMC) suspension at a sample flow rate of 0.8 ml/h and a membrane pressure of 95 kPa. The average capture and release efficiency for H358 and LoVo cells spiked in PBS solution were $87.9 \pm 1.4%$, and $100.0 \pm 0.0%$, respectively. The average capture and release efficiency for H358 and LoVo spiked in PBMC suspension were $74.7 \pm 3.5%$ and $94.8 \pm 2.1%$, respectively. Finally, we have isolated and retrieved the CTCs from lung and colorectal cancer patients’ bloods. The present chip, which can form the slanted slots and open the slots using the deformable membrane ring barrier, is capable of viable CTC capture and efficient retrieval. The present chip enables the CTC researchers to continue the culture and molecular analysis of CTCs for cancer diagnosis and prognosis.
We have proposed and demonstrated two size-dependent microparticle capture and release chips using the deformable membrane ring barriers. The deformable membrane ring barriers are effective to release the captured microparticles without particle clogging. The presented chips are applicable to further research on the retrieved microparticles.
본 논문에서는 변형 가능한 박막 링 장벽을 이용한 고효율 회수가 가능한 2종류 (미소입자의 크기별 포획 및 회수 칩, 혈중암세포 포획 및 회수 칩)의 미소입자 포획 및 회수 칩을 제안하였다.
기존 다수개의 고정 필터는 미소입자의 크기별 분리 후 회수가 어려우며 별도의 회수장치가 필요한 등 그 구조와 과정이 복잡했다. 또한 고정 필터에서 미소입자의 막힘(Clogging)이 생겨 회수 시 입자의 손실이 있었다. 이에 변형 가능한 박막 링 장벽을 이용하여 1) 포획 시에는 박막에 압력을 가하여 장벽을 형성함으로써, 미소입자를 포획하고, 2) 회수 시에는 박막에 가해준 압력을 제거하여 박막 링 장벽을 없앰으로써 박막 링 장벽에 포획되어 있던 미소입자를 풀어줘 막힘 현상을 해결한 분리된 미소입자의 회수가 용이한 미소입자 포획 및 회수칩을 개발하였다.
미소입자의 크기별 포획 및 회수칩은 두께가 같고 너비가 다른 다수의 박막 링 장벽을 칩 중앙의 유체 유입구를 중심으로 동심 고리형으로 연속 배열하여 단일 압력 조절로 서로 다른 높이의 박막 링 장벽을 원주 방향으로 순차적으로 형성 또는 제거함으로써 크기별 미소입자의 분리 및 회수가 가능한 칩으로, 본 칩의 성능은 서로 다른 크기의 2가지 종류 (D = $6.51 \pm 0.43 \mu m$ and $10.32 \pm 0.39 \mu m$) 의 폴리머 미소입자를 이용한 크기별 포획 및 회수 실험을 통하여 검증하였다. 실험 결과, $10.32 \mu m$ 크기의 폴러머 미소입자의 $b_3$ 장벽에서의 포획 및 회수율은 각각 $91.7 \pm 16.7%$, $90.9 \pm 8.1%$을 보였으며, $6.51 \mu m$ 크기의 폴리머 미소입자의 $b_4$ 장벽에서의 포획 및 회수율은 각각 $100.0 \pm 0.0%$, $97.1 \pm 4.0%$을 보였다. 이를 통해 본 소자를 이용하여 크기별 미소입자의 분리가 가능할 뿐만 아니라, 미소입자의 크기별 고효율 회수할 수 있음을 확인하였다.
혈중암세포 포획 및 회수 칩은 배열된 스토퍼 배열 위에 가변 박막 링 장벽을 형성 또는 제거함으로써 경사진 슬랏을 형성 또는 개방하여 활성유지된 혈중암세포를 고효율로 분리 및 회수하기 위한 칩으로, 본 칩의 성능은 폐암ㆍ대장암 세포주 각 1종 (NCI-H358, LoVo)을 PBS 용액 또는 PBMC 부유액에 스파이킹한 샘플을 이용하여 실험함으로써 검증하였다. 그 결과, PBS 용액에 암세포를 스파이킹한 샘플을 이용한 실험의 경우, 포획 및 회수율은 각각 $87.9 \pm 1.4%$, $100.0 \pm 0.0%$를 보였으며, PBMC suspension에 암세포를 스파이킹한 샘플을 이용한 실험의 경우는 포획율 $74.7 \pm 3.5%$, 회수율 $94.8 \pm 2.1%$을 보이며, 기존 고정 경사진 필터의 회수율 대비 12% 이상 향상된 고효율 회수 성능을 확인할 수 있었다. 그리고, 실제 폐ㆍ대장암 환자 혈액을 이용하여 혈중암세포를 분리 및 회수하여 확인해봄으로써 본 칩의 실용성을 확인하였다.
본 논문에서는 변형 가능한 박막 링 장벽을 이용하여 고효율로 회수가 가능한 크기별 미소입자 분리 및 회수 집 2가지, 변형 가능한 박막 링 장벽을 이용한 미소입자 분리 및 회수 칩 및 혈중암세포 분리 및 회수 칩을 제안하였고, 이를 실험을 통해 검증하였다. 가변 박막 링 장벽을 필터로 이용함으로써 기존 고정 필터의 문제점이었던 분리 후 회수 시 막힘 현상에 의한 미소입자의 손실 문제를 해결하여 회수를 용이하게 할 수 있어 미소입자에 대한 후속 연구 수행이 가능하다.
