점탄성 유동 특성을 이용한 콜로이드 입자 집속 및 세포 손상 분석을 위한 미세유체소자
Measurement of cell damage and colloidal particle focusing under viscoelastic fluids
- 주제(키워드) Viscoelastic fluid , Chinese hamster ovary (CHO) cells , Deformability , Bioreactor , Particle focusing , Cross-slot channel , Colloidal particles
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 김주민
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000024771
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Mammalian cells have been widely used in bioreactors to produce biological products such as pharmaceutical materials. The productivity of such bioreactors is vastly affected by flow-induced cell damage in complicated flow environments, such as agitation-driven turbulence and oxygen bubble bursting at the interface between the culturing medium and air. However, there is no systematic approach to diagnose the cell damage caused by the hydrodynamic stress. In this work, we propose a novel microfluidic method to accurately assess the mechanical cell damage under controlled extensional stress field, generated in a microfluidic cross-slot geometry. The cell damage in the extensional field is related to the oxygen bubble bursting process. We employed viscoelasticity-induced particle focusing, to align the cells along the shear-free channel centerline, so that all the cells experience a similar extensional stress field, which also preclude the cell damage due to wall shear stress. We applied our novel microfluidic sensor to find the critical extensional stress to damage the Chinese hamster ovary (CHO) cells; the critical stress is found to be ~250 Pa. Our current results are relevant in the design of practical bioreactors, as our results clearly demonstrate that the control of bubble bursting process is critical in minimizing cell damage in bioreactor applications. Further, our results will provide useful information on the biophysical cell properties under fluid flow environments. Next, we demonstrated that colloidal materials are focused along four the corners in the confinement channel under dilute λ DNA solutions whereas colloidal particles are aligned along the centerline and four corners under elasticity dominant flow utilizing the synthetic polymer solution. We elucidated that the margination effect is responsible for the migration of the colloidal particles in the microchannel. We demonstrated that the particle focusing efficiency depend on the particle size, shape and λ-DNA concentration. We also used the YOYO-1 dye stained λ-DNA molecules to observe the distribution of the λ-DNA with fluorescent microscopy. As a result of combination of particle migration under elasticity dominant flow and margination effect in the DNA solution, colloidal particles tend to migrate toward the four corner regions of confined microchannel.
more초록/요약
포유류의 세포는 의약품과 같이 생물학적 제품을 생산하는 생물반응기에서 폭넓게 이용되어왔다. 이러한 생물반응기를 설계할 때, 세포가 손상 될 수 있는 수력학적 응력에 대해 이해하는 것은 반응기의 생산성을 높이는데 필수적 요소라고 할 수 있다. 생물반응기내의 세포는 스파저에서 공급된 산소 거품이 배양 배지와 공기 계면에서 파열 과정에서 발생한 신장 유동에 의해 손상이 발생 된다. 본 연구에서는 산소 거품이 계면에서 파열하는 과정을 십자 모양의 미세유로 모사하였다. 이 미세유로를 이용해 정교하게 통제할 수 있는 신장 유동 장을 생성하였고, 또한 세포들이 유사한 신장 응력 이력을 갖게 하기 위해서 용액의 점탄성을 이용한 입자 집속 기술을 사용하였다. 본 연구진이 개발한 미세유체 소자와 수치해석 방법을 통하여, 포유류 세포 중 Chinese hamster ovary (CHO) 세포가 손상되는 임계 응력이 약 250 Pa 라는 것을 밝혔다. 산소 거품의 지름이 커질수록 발생하는 응력의 크기는 작아지기 때문에, 지름의 크기를 조절한다면 생물 반응기내에서 산소 거품 파열 과정에 의해 발생하는 세포의 손상을 방지할 수 있다. 이 미세유체 소자는 CHO 세포 손상을 발생시키는 임계 응력뿐만 아니라, 생물반응기에 사용되는 다른 동물세포, 식물세포, 미생물, 효소 등을 손상시키는 임계 응력 분석에 활용될 수 있을 것이라고 생각한다. 그 다음 본 연구진은 탄성 지배적 흐름 환경을 갖는 합성 고분자 용액에 분산된 콜로이드 입자가 좁은 사각 채널의 네 코너와 중앙으로 정렬되는 것과는 달리 묽은 λ-DNA 용액에 분산된 콜로이드 입자는 좁은 사각 채널의 네 코너에 분포한다는 것을 관찰하였다. 또한 입자의 크기, 모양 그리고 λ-DNA 농도가 입자 집속 효율에 미치는 영향을 확인했다. 본 연구진은 margination 효과가 이러한 콜로이드 입자의 거동의 원인이라는 것을 밝혔다. 미세유로 내에서 λ-DNA의 거동을 확인하기 위해 YOYO-1으로 염색된 DNA 분자를 형광현미경으로 관찰하였다. 그 결과, 탄성 지배적 흐름에서의 콜로이드 입자 거동과 DNA 용액에서 margination 효과가 함께 나타나게 되면 콜로이드 입자가 좁은 미세유로 내에서 네 코너로 가는 경향을 있다는 것을 확인하였다.
more목차
Chapter 1. Microfluidic Assessment of Mechanical Cell Damage by Extensional Stress 1
1.1 Introduction 1
1.2 Experimental 5
1.3 Result & Discussion 10
1.4 Conclusion 19
Chapter 2. Colloidal particle focusing in confined microchannel under λ-DNA solutions 20
2.1 Introduction 20
2.2 Experimental 23
2.2.1 Material 23
2.2.2 Microfluidics & Image analysis 24
2.3 Result & Discussion 26
2.4 Conclusion 30
Conclusion & Outlook 31
Reference 32
국문 요약 37
