Inertial microfluidic systems have widely used for particle/cell separation, fluid exchange and flow cytometry. Among them, rare-cell enrichment and separation from blood using the inertial microfluidic system has attracted much attention due to the high throughput and simplicity of the systems. Inertial focusing position is determined by the balance of a shear gradient lift force and a wall effect lift force. In particular, the direction of the shear gradient lift force is expressed as the product of shear rate and its gradient. When a complex velocity profile with an inflection point is created, new focusing positions can be formed by only opposing shear gradient lift forces. In this dissertation, the velocity profile was controlled by using co-flows or changing channel geometry, which was applied to separate rare cells from the blood. In Chapter 1, the basics of inertial microfluidics are introduced. In Chapter 2, we developed a co-flow system in a rectangular channel and created the complex velocity profile without replacing device, which resulted in creation of the inflection points. The co-flows were formed by flowing two miscible liquids of different viscosities. In the co-flow system, the dependency on flow rate, particle size was investigated, which was applied to rare cell separation from a dilute blood. In Chapter 3, we have studied the dependency on the viscosity ratio between the fluids of co-flows, and it was applied to a real-time tuning of inertial focusing position by adjusting the viscosity ratio in real time. In Chapter 4, inertial lift force toward inflection point was enhanced by combining co-flow system and channel geometrical change. In this chapter, not only the dependency on particle size and flow rate, but also separation of rare cells from untreated whole blood was investigated. In Chapter 5, we summarized the novelty of research and discussed future perspectives of inertial microfluidics using inflection point focusing.
관성 미세유체역학 시스템은 입자/세포 분리, 유체 교환, 유세포 분석기 등 여러 응용 분야에 널리 사용된다. 여러 분야 중, 관성 미세유체역학을 이용한 희귀 세포의 혈액으로부터의 농축 및 분리는 시스템의 높은 처리량과 간소화와 같은 장점으로 많은 연구가 이루어 지고 있다. 관성 집중점은 전단 변화도에 의한 관성력과 벽과의 상호작용으로 인한 양력의 균형에 의해 결정된다. 특히, 전단 변화도에 의한 관성력의 방향은 전단율과 이것의 기울기의 곱으로 표현된다. 변곡점을 가지는 복잡한 형태의 속도 분포가 형성이 되면, 그에 따라 전단 변화도에 의한 관성력에 의해서만 새로운 집중점이 형성될 수 있다. 본 학위논문에서는 동축류 또는 미세관 구조의 변화를 통해 속도 분포를 통제하고, 이를 혈액으로부터의 희귀 세포 분리에 응용하는 연구를 진행하였다. 첫 번째 장에서는 관성 미세유체역학의 기초를 소개하였다. 두 번째 장에서는 장치의 변경없이 동축류를 이용하여 복잡한 속도 분포 및 그에 따른 변곡점을 형성할 수 있는 시스템 개발을 소개하였다. 동축류는 점도가 다른 섞일 수 있는 두 액체를 평행하게 흘려주어 형성하였다. 해당 동축류 시스템에서는 유량, 입자의 크기에 대한 상관성을 연구하였고, 이를 희석된 혈액에서 희귀 세포를 분리하는 응용에 사용하였다. 세 번째 장에서는 동축류를 이루는 액체 간의 점도비에 대한 상관성을 연구하고, 점도비를 실시간으로 조절함으로써 관성 집중점의 실시간 변화에 적용하였다. 네 번째 장에서는 변곡점으로 향하는 관성 양력을 동축류와 미세관의 구조 변화 효과를 병합함으로써 강화시켰다. 본 장에서는 입자의 크기와 유량에 대한 상관성뿐만 아니라, 전처리를 하지 않은 혈액에서 희귀 세포를 분리하는 연구까지 진행되었다. 마지막 장에서는 전체 연구의 중요성에 대해 정리하고 변곡점 집중을 이용한 관성 미세유체역학의 이 후의 가능성에 대해 논의하였다.
