In this dissertation, we proposed nanostructure integrated microfluidic device for the analysis of breast cancer cells and nanowire utilized detection device. The microfluidic device could efficiently and economically complete the experiments performed in the laboratory using a small sample amount in the microfluidic channel. Nanostructures have been actively studied in the field of bioanalysis due to their various electrical, mechanical, and chemical characteristics. In this study, we developed an efficient microfluidic device using advantages of microfluidic system and nanostructure.
This study introduced two types of biological analysis devices. The first device is a microfluidic device for sample preparation, especially for cell lysis. We first analyzed the cell lysis probability by analyzing the flow shape and shear rate in the channel through the numerical analysis method. For device fabrication, zinc oxide nanowires were integrated into microfluidic channels and the cells were lysed mechanically. At this time, the zinc oxide nanowire was synthesized on the substrate or integrated on the surface of a microstructure prefabricated in microchannel. When cells introduced into the microfluidic channel, the cell membrane was caught on the surface of the nanowire, and stretched by the flow. Cells that have stretched longer than a certain length would burst, and intracellular materials such as proteins were extracted. In this study, cell lysis was performed using MCF 7 cells, and the obtained samples were analyzed for estrogen receptor alpha (ER-alpha) using an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). We confirmed the effect on the cell lysis efficiency by controlling the velocity in the microfluidic device. Although the efficiency of cell lysis was improved up to Re = 9, due to the deformation effect of the PDMS channel, the efficiency of collision with the nanowire or microstructure decreased under the abnormal condition, thereby reducing the dissolution efficiency. Based on the size of the cells, the arrangement of microstructures, the speed of the fluid can be adjusted to effectively lysis of the cells.
The second device was a device for immunoassay using nanowires. We have proposed a platform for the detection of carcinoembryonic antigen (CEA) using the large reaction surface area of nanowires and the excellent fluorescence signals of quantum dots. CEA was detected by sandwich immunoassay on the nanowire, and the fluorescence signal from the tagged quantum dots was analyzed for CEA concentration. The fluorescence resonance energy transfer (FRET) phenomenon occurred in which the energy of the quantum dots was transferred to the zinc oxide nanowire, and the signal of the quantum dots was reduced. In order to suppress this phenomenon, biotin-streptavidin linker was used to reduce the distance between two nanomaterials, and analysis using ZnO nanowire and quantum became possible. The proposed immunoassay method has excellent selectivity and wide dynamic range. It also showed the possibility of multiple detection by showing the possibility of labeling using several kinds of quantum dots.
In the real breast cancer diagnosis, from the biopsy to diagnosis takes 4 ~ 7 days due to the complicate or time-consuming process such as paraffin embedding. However, if we successfully connect these devices, it will take less than one day until diagnosis which means it shorten the days with anxiety to the patients and time to decide in-depth or other examination for diagnosis to doctors.
본 학위 논문에서는 나노구조물을 집적한 유방암 세포 분석용 미세유체소자의 설계와 제작에 대한 내용을 제안한다. 미세유체소자는 적은 샘플양을 사용하여 실험실에서 행해지던 실험을 효율적이고 경제적으로 미세유체 내에서 행할 수 있는 이점을 가지고 있다. 본 연구에서 미세유체 내에 집적된 기능성 물질인 나노구조물은 다양한 전기적, 기계적, 화학적 특성들을 바탕으로 생물 분석 분야 연구에서 활발하게 이용되고 있다. 본 연구에서는 미세유체소자와 나노구조물, 특히 나노선의 장점을 이용하여 효율적인 미세유체소자를 개발하였다.
본 연구에서는 세포의 분석을 위한 두가지 소자를 소개한다. 첫번째 소자는 시료를 준비하는 미세유체소자로써, 세포막을 터트려 세포 내 물질을 추출하는 위한 소자이다. 먼저 수치해석 방법을 이용하여 채널 내에서 유동의 형상과 전단 속도 등의 분석을 통해 세포 용해 확률을 추론하였고, 실제 실험과 비교하였다. 실제 소자 제작을 위해 산화아연 나노선을 미세유체채널 내에 집적하고 나노선의 강성을 이용한 기계적 자극과, 유동에 의한 전단력을 이용하여 세포를 용해시켰다. 이때 산화아연 나노선은 기판 표면, 혹은 채널 내에 미리 제작된 마이크로 구조물에 집적시켜 제작하였다. 세포가 미세유체채널 내에 들어가게되면, 나노와이어 표면에 세포막이 걸리게되고, 주변이 유동에 의해 늘어나게 된다. 일정 길이 이상 늘어난 세포는 터져 용해되게 되고, 이때 안에 위치하는 단백질, 핵산 등의 물질이 추출된다. 본 연구에서는 다양한 크기의 암세포를 이용하여 소자의 디자인과 용해 효율 사이의 관계를 알아보고, 특정 세포를 선정하여 효율적인 세포 용해를 위한 소자를 설계, 제작하였다. 실제 소자 제작을 위해 유방암 세포주인 MCF 7 세포를 선정하여 세포용해를 시행하고, 얻어진 시료를 효소면역분석법 (enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)으로 Estrogen Receptor alpha (ER-alpha)의 농도를 측정하는 방법으로 세포용해 효율을 평가하였다. 유동에 의한 전단력의 변화와 세포용해와의 관계를 확인하기 위하여 미세유체소자 내의 속도를 변화시켜 유속이 세포용해 효율에 미치는 영향을 확인하였다. Re = 9 까지는 세포용해의 효율이 좋아지지만, PDMS 채널의 변형현상에 의해 그 이상 조건에서는 나노선 혹은 마이크로 구조물에 부딪히는 효율이 줄어듦으로써 용해 효율이 줄어든다. 세포의 크기를 바탕으로 마이크로 구조물의 배열, 유체의 속도 조정을 통해 효과적으로 세포를 용해할 수 있다.
두번째로 개발한 소자는 나노선을 이용한 면역 분석용 소자이다. 나노선의 넓은 반응 표면적과, 양자점의 우수한 광학적 특성를 이용하여 특정 항원 (Carcinoembryonic Antigen (CEA)) 검출을 위한 플랫폼을 제안하였다. 나노선 면역분석 기판을 이용하여 샌드위치 면역분석법으로 CEA를 검출하고, 이를 양자점의 형광신호를 이용하여 그 농도를 분석하게된다. 이때 양자점의 에너지가 산화아연 나노선으로 넘어가는 형광 공명 에너지 전이 (Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET) 현상이 일어나 양자점의 신호가 감쇄되는 현상을 발견하였다. 감쇄된 형광신호는 측정효율에 크게 영향을 미치므로 이 현상을 억제하여 측정효율을 높이기 위하여 바이오틴-스트렙타비딘 결합을 이용하여 두 나노물질 사이의 거리를 증가시켰고, 나노선 기판과 양자점 표지를 이용한 분석이 가능하게 되었다. 본 연구에서 제안된 면역분석방법은 우수한 선택성과 넓은 작동 영역을 가지고 있다. 또한 여러 종류의 양자점을 이용한 라벨링이 가능함을 보여줌으로써 다중 검출의 가능성을 보여주었다.
본 연구에서 제안된 소자들을 연속적으로 연결함으로써 현재 수 일이 소요되고 주관적으로 이루어지는 유방암 분석을 단기간에 객관적인 결과를 통해 가능할 것으로 예측하였다.
