This thesis presents a microfluidic magnetophoresis device consisting of a trapezoidal channel containing five side outlet branches and a narrow rectangular channel with three outlet branches. This unique structure enabled the sequential separation of cells loaded with tiny amounts of iron oxide and cells heavily labeled with iron oxide, in a single device. Since accurate assessment potential nanotoxicity on the basis of cellular iron content is of crucial importance, the reliable microfluidic device is required for the precise separation of cells into subpopulations according to their magnetic nanoparticle loading. As a proof of the demonstration of the proposed magnetophoretic platform, we attempted the sequential separation of Raw 264.7 cells with high heterogeneity in uptake capabilities (1-50 pg of iron per cell). Consequently, we were able to differentiate the bulk cell population into seven subpopulations according to their mean iron oxide loading. Before the post-analysis, a simple retrieval method for precipitated particles is applied to prevent sample loss. Finally, We evaluated potential nanotoxicity effects from the production of excess reactive oxygen species (ROS) and the inhibition of proliferation on the separated subpopulations, and found that 46.6% of cells loaded with iron over the threshold value (16.4 pg) had higher ROS levels than the control group. Cells loaded with over 3.7 pg of iron exhibited transiently inhibited cell cycle progression. Furthermore, cells loaded with over 35.4 pg of iron exerted a significant effect on cell proliferation. The proposed system could be useful in the investigation of nanotoxicity effects of iron oxide nanoparticle-induced cells, based on their iron oxide nanoparticle loading.
철 나노입자는 수 나노에서 수십 나노 크기를 가진 입자로써 최근 많은 생물의약 분야에 응용되고 있다. 이런 분야에 응용하기 전에, 보통 생체시료는 철 나노입자로 표지 하는 과정을 필요로 한다. 특히 세포의 경우에는 세포의 흡입 작용을 통하여 철 나노입자를 세포 내부에 표지하는 방식을 사용한다. 생물학적 적합성을 지닌 철 나노입자는 대량으로 표지되면 세포 생존능력뿐만 아니라 활성산소 증가나 세포분열의 감소 등 여러가지 잠재적 독성을 나타낸다. 이런 독성은 세포 내부에 함유된 철 나노입자의 양이 증가함에 따라 증가하는 용량 의존적 독성을 보인다. 본 학위논문에서는 이런 용량 의존적 독성을 효과적으로 평가하기 위하여, 철 나노입자 함량 별로 사다리꼴 자기영동채널을 이용하여 세포들을 선별하고, 선별된 세포를 수거하여 각각 함량 별로 독성을 평가할 수 있는 시스템을 제안하였다. 제안된 자기영동 시스템의 성능을 분석하기 위하여, 철 나노입자의 섭취능력에서 큰 이질성을 지닌 대식세포를 이용하여 세포를 순차적으로 분리 하였다. 다음 분리된 세포로 활성산소의 증가와 세포분열의 억제 정도를 평가하였다. 실험결과 철분 함량이 16.4 pg 이상인 세포의 하위 집단에서는 평균 대조군 보다 높은 활성산소의 증가를 나타내었고, 철분 함량이 35.4 pg 이상인 세포 하위 집단에서는 대조군 보다 훨씬 높은 세포분열의 억제 영향을 지닌 것을 확인할 수 있었다. 제안된 기술은 철 나노입자의 함량 별로 세포의 나노 독성을 평가하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대 된다.
