Microfluidic chip calorimeter is a promising tool for cell-based assay because all living organisms and many related biological processes produce heat flux associated with the metabolic activity, an indicator of diseases. However, it has been challenging for chip calorimeters to provide both high sensitivity and accurate sample-manipulation capability. In the previous study, vacuum-insulated parylene microfluidics enabled the measurements of the heat generated from ~ nL scale samples with a few nW resolution. However, in the case of the chip calorimeter for measuring the metabolic rate of cells, an efficient measurement chamber for stable cells and drugs manipulation is required with improved sensitivity.
Parylene microfluidic system provides excellent thermal insulation and physical strength to form a thin-film microfluidics. However conventional fabrication technique using sacrificial photoresist has problems of long fabrication time and contamination from residual photoresist inside channel. We developed a new molding and bonding method with nano-adhesive layers deposited by initiation chemical vapor deposition (iCVD) for the parylene microfluidics. In this study, the effective fabrication process was used for development of flexible microfluidics and cell and drug injection channel of chip calorimeter.
Flexible thin-film parylene microfluidics was fabricated by completely detaching from the substrates and it was developed as a rollable system with micro-scale radius of curvature. The compact packed system and the tunable Dean flow mixer with reconfigurable 3D geometry of 2D microfluidic was demonstrated.
A highly sensitive thin-film parylene microfluidic chip calorimeter with on-chip valve system capable of accurate sample-manipulation was developed. The chip calorimeter consisted of the vanadium oxide thermistors with high temperature coefficient of resistance of -3.2 %/K and the vacuum insulated parylene microfluidics. It provided excellent power resolution of a few nW with several hundred nL of sample. Using the fabricated chip calorimeter, we demonstrated the measurement of cellular metabolic rate by dissolving Hela cells.
모든 살아있는 세포는 물질 대사를 통해 생명현상을 유지하며 이와 관련된 생물학적 과정에는 물질의 열적 흐름이 동반된다. 세포의 종류, 상태, 외부의 환경이나 질병에 의해 대사량의 변화가 유도되며 이에 따라 나타나는 열적 변화를 비표지방식으로 실시간 측정을 할 수 있는 칩 열량계는 세포 기반 분석을 위한 강력한 기술 중 하나이다. 칩 열량계를 이용한 세포 검정법이 많은 장점을 가짐에도 불구하고 민감도 및 정확한 시료 조작의 문제점들로 인해 널리 사용되지 못하였으나, 선행 연구에서 진공단열 된 얇은 박막 페릴렌 미세유체 칩 열량계를 통해 pL 스케일 샘플에서 발생한 열을 수 nW의 해상도를 가지고 측정을 가능하게 했다. 하지만 세포의 대사량 측정을 위한 칩 열량계의 경우, 더 향상된 민감도와 안정적인 세포 및 시료 조작이 가능한 효율적인 측정 챔버를 필요로 한다.
페릴렌은 기상으로 증착되어 conformal 코팅이 가능하고 높은 기계적 강도를 가짐으로 박막 미세유체 채널을 형성하기에 적합하며 화학적 및 열적 안정성을 제공한다. 하지만 감광제를 희생층으로 사용하여 채널을 제작하는 종래의 제조 기술은 긴 제조 시간, 낮은 결합 강도 및 채널 내부의 잔류된 감광제에 의한 오염 문제를 유발했다. 본 연구에서는 페릴렌 박막을 고분자 기상 중합 반응(initiated chemical vapor deposition, iCVD)에 의해 증착된 나노 접착층을 이용하여 몰딩 방법으로 결합함으로써 채널을 쉽고 효과적으로 제작하는 기술을 개발하였다. 본 연구에서는 개발된 얇은 박막 패릴렌 채널 제작 공정을 플렉시블 채널 제작과 세포 및 시료 주입을 위한 칩 열량계 채널 제작에 이용하였다.
플렉시블 채널의 경우, 얇은 박막 페릴렌 미세 채널을 기판으로부터 완전히 분리하여 제작되었으며 채널이 마이크로 스케일 곡률 반경을 제공함에 따라 이를 Rollable 시스템으로 개발하였다. 2D 미세유체의 3D형태를 자유롭게 재조정하여 2D 미세유체의 컴팩트 팩킹 시스템 및 유체의 섞임 정도를 조정할 수 있는 딘 흐름 믹서(Dean flow mixer) 로 응용되었다.
또한 본 연구에서 정확한 샘플 조작이 가능한 온-칩 밸브 시스템을 갖춘 고감도 얇은 박막 페릴렌 미세유체 칩 열량계를 제작하였다. 제작된 칩 열량계의 경우, - 3.2% / K의 높은 온도 계수 (TCR)를 제공하는 바나듐옥사이드 기반의 서미스터를 사용하였으며, 앞서 개발된 나노 접착층을 이용하 제작된 얇은 박막 페릴렌 미세유체의 사용 및 진공단열을 통해 수백 nL의 샘플에서 nW의 분해능을 제공하였다. 본 연구에서 개발된 칩 열량계를 이용하여, 측정 챔버 안에 주입된 Hela 세포의 용해를 통해 발생하는 온도변화를 측정함으로써 세포의 대사량 측정을 데모하였다. 이전 연구에 비해 월등하게 향상된 미세유체 칩 열량계는 세포의 증식 및 제어된 자극에 대한 세포의 물질대사의 변화를 감지하는데 특히 유용하게 사용될 수 있다.
