This study presents a continuous particle separator to achieve density-dependent and size-independent particle separation based on gravity force and buoyant force on the particles immersed in dissimilar density fluids. The previous particle separators based on size or dielectrophoretic (DEP) property of particles are suitable for size-dependent and density-independent particle separation; thus having difficulty to collect particles such as RBCs and WBCs based on identical biological property. Also, they can give mechanical or electrical damage on particles. In this study, we propose a density-dependent and size-independent particle separator capable to collect particles based on identical biological properties without any particle damage.
The present particle separator has a separation channel whose inlet and outlet are connected to the upper and lower channels, respectively. The fluid of lower density is supplied into the upper inlet channel while the fluid of higher density is entered into the lower inlet channel. The particles of two different densities, lower and higher density particle, contained in the upper inlet fluid tend to enter into the upper outlet channel and the lower outlet channel, respectively. We have designed the width, height, and length of the separation channel as $500\mum$, $200\mum$, and 8cm, respectively. The present particle separator was fabricated by SU-8 photolithography and PDMS molding process.
For the polystyrene (PS) microbeads having the identical density of 1.05g/ml with the different diameters of $6\mum$ and $10\mum$, $6\mum$-bead and $10\mum$-bead were separated at the upper outlet with the maximum efficiency of $97.9\plusmm1.12%$ $6\mum$-bead and 100%. In the separation test of PS microbeads having the identical size of $6\mum$ with the different densities of 1.05g/ml and 1.5g/ml, the bead having density of 1.05g/ml and 1.5g/ml was separated at the maximum efficiency of $89.3\plusmm1.46%$ and 100%, respectively. In addition, RBCs and WBCs were extracted based on density with the efficiency of $91.4\plusmm4.47%$ and $85\plusmm0.97%$, respectively.
The present particle separator capable to collect particles based on gravity force and buoyant force in dissimilar density fluids demonstrates the separation performance of separation particles such as RBCs and WBCs based on identical biological properties without any particle damage. The present separator has the potential for use in the pretreatment of whole blood.
본 논문에서는 서로 다른 밀도의 유체 내에서 입자가 받는 중력과 부력의 차이를 이용한 입자 분리기를 제안하였다. 제안된 입자 분리기는 기존의 분리기에 비해 적혈구, 백혈구와 같은 생물학적 성질을 가지는 입자들을 높은 효율로 분리할 뿐만 아니라, 입자에 기계적 또는 전기적 손상을 않아 안정적으로 세포를 분리할 수 있는 장점이 있다.
제안된 입자 분리기는 상하로 이루어진 미소채널을 형성하여 입자가 유입부를 통해 채널 안으로 유입되면 입자와 유체의 밀도차이에 의하여 가벼운 입자는 상부 유출부로, 무거운 입자는 하부 유출부로 각각 분리된다.
제안된 구조의 성능을 평가하기 위해 이론적으로 분석된 유량 범위 내에서 크기가 다르고 밀도가 같은 미소입자의 분리, 크기가 같고 밀도가 다른 미소입자의 분리 그리고 적혈구와 백혈구의 분리실험을 수행하였다. 그 결과, 크기가 $6\mum$ 및 $10\mum$로 다르고 밀도가 1.05g/ml로 같은 미소입자는 최대 $97.9\plusmm1.12%$, 100%의 효율로 각각 분리되고, 크기가 $6\mum$로 같고 밀도가 1.05g/ml 및 1.5g/ml로 다른 미소입자는 최대 $89.3\plusmm1.46%$, 100%의 효율로 각각 분리되어, 크기가 아닌 밀도에 따른 입자 분리성능을 증명할 수 있었다. 적혈구와 백혈구 역시 크기와 밀도가 서로 다르지만 밀도에 의해 각각 $91.4\plusmm4.47%$, $85\plusmm0.97%$의 효율로 각각 분리되었다.
결론적으로 본 연구에서 제안된 입자분리기는 서로 다른 밀도의 유체 내에서 입자가 받는 중력과 부력의 차이를 이용함으로써 같은 생물학적 성질을 가지는 입자들을 효과적으로 분리할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 방법은 진단을 위한 혈액의 전처리에 응용될 수 있다.
