This thesis presents the cell electroporation (EP) and viability monitoring chips using a single channel with multiple electric field zones to find the optimum cell EP and viability conditions for stable cell transfection. The previous chips utilize one cell chamber with integrated multiple electrodes or multiple parallel microchannels with a pair of external electrodes to form multiple electric fields, thus resulting in complex structure. Therefore, we present two different types of single-microchannel cell EP and viability monitoring chips using the multiple electric field zones generated by a pair of external electrodes across stepwise (prototype S) and tapered (proto-type T) channel widths; thus making it possible to find the optimum cell EP rate and viability conditions for stable cell transfection.
The present cell EP rate and viability monitoring chips have a single microchannel of stepwise (proto-type S) and tapered (prototype T) widths between an inlet and an outlet port. After seeding cells in the micro-channel, we supplied a pulse signal to the electrodes plugged in the inlet and outlet ports; generating multiple electric field zones along the microchannel by channel width change in a single channel. The stepwise widths of prototype S were designed as 200, 222, 250, 286, and 334$\mu$m so that 5 discrete electric fields (0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5kV/cm) are generated in the single channel at the supplied voltage of 340V. The tapered widths of prototype T were designed to change from 200$\mu$m to 334$\mu$m so that continuous electric field (0.3~0.5kV/cm) is formed at the voltage of 319V. And then, we observed the EP rate and viability of cells in the multiple electric field zones of the single channel by staining the cells with Propidium Iodide and Calcein AM, respectively. The present cell EP and viability monitoring chips were fabricated by PDMS molding process.
In the experimental study, we used H23 and A549 human lung cancer cell lines to characterize the EP rate and viability of the cells in the discrete electric fields of 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5kV/cm generated by 100msec and 340V single pulse (prototype S). The H23 and A549 cells show the maximum percentage of viable and electroporated cells of 51.4±3.0% and 26.6±0.7%, respectively at the identical electric field of 0.4kV/cm. In the case of prototype T, we used the H23 cells to analyze the EP rate and viability of the cells in the continuous electric field of 0.3~0.5kV/cm formed by 319V single pulse for 100msec. The H23 cells show the maximum percentage of viable and electroporated cells of 54.7±4.8% at the optimum electric field of 0.44kV/cm. There-fore, we experimentally verified that the present chip is capable of finding the optimum cell EP and viability conditions for stable cell transfection.
In this thesis, we designed, fabricated, and characterized the cell EP and viability monitoring chips us-ing multiple electric field zones generated in a single microchannel with stepwise and tapered widths between a pair of electrodes. The present chip is capable of monitoring the EP and viability of the cells for use in the inte-grated cell chips for transfection study.
본 논문에서는 한 쌍의 전극 사이에서 다수의 전기장 분포가 생성되는 단일 미세유로를 이용한 세포 전기천공 및 활성도 분석칩을 제안하였다. 세포의 전기천공 및 활성도 분석은 세포의 안정적인 형질 주입을 위한 최적의 전기장 조건을 찾는데 중요하다. 기존의 세포 전기천공 분석칩은 다수의 전기장 분포를 형성하기 위해 다수의 전극패턴 또는 다수의 미세유로를 필요로 하여 구조가 복잡한 단점이 있다. 반면, 본 연구에서 제안하는 방법은 한 쌍의 전극 사이에서 계단 형상 또는 기울어진 형상의 폭을 갖는 단일 미세유로 내에 다수의 전기장 분포를 형성함으로써 간단한 구조로 세포의 전기천공 및 활성도를 분석할 수 있다.
제안된 세포 전기천공 및 활성도 분석칩은 계단 형상 (소자 S) 또는 기울어진 형상 (소자 T) 의 폭을 갖는 단일 미세유로로 구성되며 미세유로의 유입구와 유출부에는 전극이 삽입되어 있다. 미세유로 내에 세포를 주입한 후, 전극에 전압을 인가하면 미세유로의 폭의 변화에 따라 다수의 전기장 분포가 생성되며, 이러한 전기장 분포에 따른 미세유로 내 세포의 전기천공 및 활성도 분석을 통해 세포의 안정적인 형질 주입을 위한 최적의 전기장 조건을 찾을 수 있다. 소자 S는 340V의 펄스 전압에 대해 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5kV/cm의 단속적인 전기장을 생성하도록 미세유로의 길이는 8.5mm로, 폭은 200μm에서 334μm까지 변화하는 계단 형상으로 설계하였다. 소자 T는 319V의 펄스 전압에 대해 0.3kV/cm에서 0.5kV/cm까지 연속적인 전기장을 형성하도록 미세유로의 길이는 8mm로, 폭은 200μm에서 334μm까지 변화하는 기울어진 형상으로 설계하였다. 설계된 소자는 PDMS 몰딩 공정 및 PDMS와 유리기판의 접합 공정을 통해 제작되었다.
소자 S의 경우, H23, A549의 두 종류의 인간 비소세포 폐암 세포주를 이용하여 그 성능을 실험적으로 검증하였다. 340V의 단일 펄스전압을 100msec 동안 전극에 인가한 후, Propidium Iodide 및 Calcein AM 형광 프로브를 이용하여 단일 미세유로 내 세포의 전기천공 및 활성도를 각각 측정하였다. 그 결과, H23 및 A549 세포의 활성을 유지한 채 전기천공된 비율이 0.4kV/cm의 전기장에서 각각 51.4±3.0% 및 26.6±0.7%로 가장 높은 값을 보였다. 소자 T의 경우 H23 한 종의 폐암 세포주를 이용하였으며, 319V의 단일 펄스전압을 100msec 동안 전극에 인가한 결과, H23 세포의 활성을 유지한 채 전기천공된 비율이 0.44kV/cm의 전기장에서 54.7±4.8%의 최대값을 보였다. 따라서, 계단 형상 및 기울어진 형상의 폭을 갖는 단일 미세유로 내에 생성되는 다수의 전기장 분포를 이용하여 간단한 구조로도 세포의 활성을 유지한 채 전기천공되는 최적의 전기장 조건을 분석할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
본 연구에서는 한 쌍의 전극 사이에서 다수의 전기장 분포가 생성되는 단일 미세유로를 이용한 세포 전기천공 및 활성도 분석칩을 설계, 제작하고 그 성능을 시험적으로 검증하였다. 제안된 세포 전기천공 및 활성도 분석칩은 세포의 형질 주입 연구를 위한 집적화된 세포칩으로 응용될 수 있다.
