[논문]유전영동을 이용한 입자분리기의 효율적인 분리를 위한 전극 형태

안재민; 채승엽; 박석호; 김병규

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.1.49

유전영동을 이용한 입자분리기의 효율적인 분리를 위한 전극 형태
The Electrode Shape for the Efficient Separation of Cell in Dielectrophoresis-Activated Cell Sorter 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.1 = no.280, 2009년, pp.49 - 55

안재민 (한국한공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 채승엽 (한국한공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 박석호 (전남대학교 기계시스템공학부) , 김병규 (한국항공대학교, 항공우주 및 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the optimal shape of microelectrode that generates dielectrophoretic(DEP) force to separate particles in homogeneous medium. The principle of the particles sorting is based on the use of the relative strengths of negative DEP (nDEP) and drag forces, as in a general DEP-activated cell sorter (DACS). To numerically calculate the DEP force and drag force, the simulation is implemented in MATLAB 7.0. The properties of particles, which are used in simulation, are similarly selected as those of cells to apply cell separation. The most optimized shape of electrode is selected by numerical simulation according to a variety of electrode shape such as rectangle, trapezoidal, and right-triangle. Through, in addition, parameter study, we found that applied frequency is more significant factor on the separation than various parameters, such as applied voltage and permittivity of medium, that decide on the strength of DEP force.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 수치적 해석을 바탕으로 설계된 전극형상에서 입자의 분리지점을 계산하고 그 전극에 인가될 전압, 주파수, 그리고 매질의 유전율을 변화시켜가며 세포 분리에 가장 효율적인 변수를 찾는다. 그러므로 가장 우선적인 변수는 전극의 형상이다.
본 논문에서는 실제 입자분리기 제작에 앞서 마이크로채널 내에서의 여러 전극 형상에 대한 입자 분리 지점을 계산함으로서 분리효율 극대화를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다. 직각삼각형, 사각형, 그리고 사다리꼴의 전극에서 입자의 분리 지점을 계산하여 가장 효율적인 전극 모양을 제시하였다.
이 논문은 세포분리기 제작 및 실험을 하기 전에 수치적 해석을 통하여 최적화된 전극모양을 찾고 그에 따른 전압 등의 실험 변수를 변화시켜가며 가장 효율적인 실험변수를 찾는데 있다. 손쉽게 활용 가능한 공학용 프로그램인 MATLAB 7.

제안 방법

그러므로 가장 우선적인 변수는 전극의 형상이다. DACS에서 가장 일반적으로 쓰이는 여러 형상의 전극(직사각형, 직각삼각형, 사다리꼴) 주위에서의 유전영동과 항력을 수치적으로 비교 분석하였으며 입자의 크기에 따른 분리지점을 찾아 가장 효율적인 전극 형상을 제시한다.
이를 위하여 마이크로채널 내에서 입자에 작용하는 유전영동과 항력을 수치적으로 계산하고 비교함으로써 입자들이 분리될 위치를 분석하였다. 또한 입자 분리의 변수로서 인가전압(voltage), 주파수(frequency), 매질의 성질을 변화시켜가며 분리 효율에 영향을 많이 미치는 변수를 도출하였다.
식 (3)에서 보듯이 유전영동을 계산함에 있어서 전기장의 항은 형상비례계수로 대체 하여 계산하였다. 또한 주파수, 매질의 유전율, 전압은 각각 20%, 40%, 60%로 변화시켜가며 입자가 분리되는 위치를 계산하였다.
사다리꼴 형상의 전극과 직각삼각형 형상의 전극은 직사각형 형상의 전극의 폭(200 ㎛)을 유지하였으며 각각의 치수는 Fig. 3에서와 같이 사다리꼴 전극은 200 ㎛ × 45 ㎛ × 15 ㎛, 직각삼각형 전극은 200 ㎛ × 60 ㎛이다.
이 논문은 세포분리기 제작 및 실험을 하기 전에 수치적 해석을 통하여 최적화된 전극모양을 찾고 그에 따른 전압 등의 실험 변수를 변화시켜가며 가장 효율적인 실험변수를 찾는데 있다. 손쉽게 활용 가능한 공학용 프로그램인 MATLAB 7.0을 이용하여 전극 모양에 따른 입자들이 받는 유전영동과 항력을 계산하고 비교함으로써 입자들이 분리될 위치를 분석해보았다. 뿐만 아니라 실제 입자 분리 실험 시 변수로 지정할 수 있는 전압, 주파수, 매질의 유전율 중 가장 효율적인 변수를 제시하였다.
전극 주위에서의 입자 분리 지점은 분리 효율과 직접적으로 연관되는 변수로서 분리하고자하는 입자들 간의 분리 지점을 최대화함으로써 분리 효율을 높일 수 있다. 이를 위하여 마이크로채널 내에서 입자에 작용하는 유전영동과 항력을 수치적으로 계산하고 비교함으로써 입자들이 분리될 위치를 분석하였다. 또한 입자 분리의 변수로서 인가전압(voltage), 주파수(frequency), 매질의 성질을 변화시켜가며 분리 효율에 영향을 많이 미치는 변수를 도출하였다.
입자 분리에 가장 효과적인 실험 변수인 주파수에 따라 각 전극에서 입자 분리 지점을 해석하였다. 가장 전형적인 형상의 전극을 이용하여 보다 효율적인 전극형태를 고안해 낼 수 있을 것이라 기대된다.
본 논문에서는 실제 입자분리기 제작에 앞서 마이크로채널 내에서의 여러 전극 형상에 대한 입자 분리 지점을 계산함으로서 분리효율 극대화를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다. 직각삼각형, 사각형, 그리고 사다리꼴의 전극에서 입자의 분리 지점을 계산하여 가장 효율적인 전극 모양을 제시하였다. 전극 주위에서의 입자 분리 지점은 분리 효율과 직접적으로 연관되는 변수로서 분리하고자하는 입자들 간의 분리 지점을 최대화함으로써 분리 효율을 높일 수 있다.

대상 데이터

실제 세포분리기에 적용하고자 해석에 사용된 입자의 전기적 성질은 MCF7(초기 유방 종양 세포)의 유전율과 전도도를 사용하였다. 또한 매질은 PBS 용액의 전기적 성질을 이용하였다.

성능/효과

변수들 중 실험 시 번거로움을 줄이고 지나친 변수 조절은 세포에 악영향을 미칠 것을 고려한다면 가장 효율적인 변수는 주파수로 결론지었다. 또한 기본적인 모양의 전극 형태 중에서 직각삼각형의 형태가 가장 효율적이라는 것을 보여 주었다. 이는 실제 세포분리를 위한 전극 설계에 있어서도 각 위치 별 전극너비의 변화율이 큰 것이 보다 효율적인 전극 형상이 될 것이라 판단된다.
뿐만 아니라 실제 입자 분리 실험 시 변수로 지정할 수 있는 전압, 주파수, 매질의 유전율 중 가장 효율적인 변수를 제시하였다. 변수들 중 실험 시 번거로움을 줄이고 지나친 변수 조절은 세포에 악영향을 미칠 것을 고려한다면 가장 효율적인 변수는 주파수로 결론지었다. 또한 기본적인 모양의 전극 형태 중에서 직각삼각형의 형태가 가장 효율적이라는 것을 보여 주었다.
0을 이용하여 전극 모양에 따른 입자들이 받는 유전영동과 항력을 계산하고 비교함으로써 입자들이 분리될 위치를 분석해보았다. 뿐만 아니라 실제 입자 분리 실험 시 변수로 지정할 수 있는 전압, 주파수, 매질의 유전율 중 가장 효율적인 변수를 제시하였다. 변수들 중 실험 시 번거로움을 줄이고 지나친 변수 조절은 세포에 악영향을 미칠 것을 고려한다면 가장 효율적인 변수는 주파수로 결론지었다.
우선 채널 폭에 따라 동일한 형상비례계수를 가지는 직사각형 전극에서 주파수, 매질의 유전율, 전압을 변화에 따른 입자의 분리지점을 해석하여 입자 분리에 가장 효과적인 변수를 도출하였다. 단, 유량은 유전영동이 아닌 항력에 영향을 미치는 변수로서 실험 변수에서 제외된다.
위 세 결과를 종합해보면 입자를 분리시키기 위한 가장 효율적인 변수는 매질의 유전율을 바꾸는 것이다. 그러나 세포가 존재하는 매질을 바꾸는 것은 세포성장에 안정성 측면에서 바람직하지 않다.
이와 같은 결과는 유전영동을 이용한 입자분리시 이용할 수 있는 기본적인 모양의 전극형태 중에서 직각삼각형의 형태가 가장 효율적이라는 것을 보여 준다. 실제 세포분리를 위한 전극 설계에 있어서도 전극면적변화의 기울기가 큰 것이 보다 효율적인 전극 형상이 될 것이라 판단된다.

후속연구

입자 분리에 가장 효과적인 실험 변수인 주파수에 따라 각 전극에서 입자 분리 지점을 해석하였다. 가장 전형적인 형상의 전극을 이용하여 보다 효율적인 전극형태를 고안해 낼 수 있을 것이라 기대된다. 또한 기본적인 형상의 전극 해석을 통하여 보다 복잡한 전극 해석에 응용이 가능하다.
이는 실제 세포분리를 위한 전극 설계에 있어서도 각 위치 별 전극너비의 변화율이 큰 것이 보다 효율적인 전극 형상이 될 것이라 판단된다. 비록 전형적인 전극을 이용하여 세포 분리지점을 계산하였지만 이는 보다 복잡한 전극 설계에 있어 기초 자료로서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	살아있는 세포의 분석 및 분리가 필수인 분야는?	분자 생물학, 약물 검사와 진단 그리고 세포 대체 치료법(CRT)에서 살아있는 세포의 분석 및 분리는 필수적이다. 세포를 분리함에 있어서 지금까지의 세포 분리 방법인 FACS(fluorescence-activated cell sorter)와 MACS(magnetic-activated cell sorter)는 대상세포를 분리하기 위해 표식자(immumo-labeling)를 사용하고 많은 양의 샘플을 필요로 한다.
	유전영동(Dielectrophoresis)을 이용한 세포분리 장치에 관한 연구는 어떤 단점을 극복하기 위해 수행되고 있는가?	분자 생물학, 약물 검사와 진단 그리고 세포 대체 치료법(CRT)에서 살아있는 세포의 분석 및 분리는 필수적이다. 세포를 분리함에 있어서 지금까지의 세포 분리 방법인 FACS(fluorescence-activated cell sorter)와 MACS(magnetic-activated cell sorter)는 대상세포를 분리하기 위해 표식자(immumo-labeling)를 사용하고 많은 양의 샘플을 필요로 한다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에 유전영동(Dielectrophoresis)을 이용한 세포분리 장치에 관한 연구가 선진국을 중심으로 활발히 연구 중이다.
	DACS란?	DACS(DEP-activated cell sorter)는 세포의 고유 전기적 특성과 세포에 가해지는 교류 전기장의 상호작용에 의한 세포분리 방법이다. 유전영동은 단일 세포의 전기적 특성파악, 병원균조사 바이러스와 거대분자의 조직을 통해 세포를 분리하는데 비파괴성, 효율성이 입증되었고 의학진단, 마이크로 생물학 등 여러 분야에서 응용되었다.

참고문헌 (9)

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Schnelle, T. et al., March 1999, "The Influence of Higher Moments on Particle Behaviour in Dielectrophoretic Field Cages," Journal of Electrostatic, Vol. 46, pp. 13-28

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Durr, M. et al., 24 Feb 2003, "Microdevices for Manipulation and Accumulation of Micro- and Nanoparticles by Dielectrophoresis," Electrophoresis, Vol. 24, Issue 4, pp. 722-31

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Park, J., 2005, "Design and Analysis of MEMS-based Cell Manipulation System for Cellomics," Seoul National University, Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Ph. D, pp. 46-48
Coley, H. M., Labeed, F. H., Thomas, H. and Hughes, M. P., 2007 "Biophysical Characterization of MDR Breast Cancer Cell Lines Reveals the Cytoplasm is Critical in Determining Drug Sensitivity," Biochimica Et Biophysica Acta-General Subjects, Vol. 1770, pp. 601-608

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