[論文レビュー] Integrated Cell Manipulation Systems

Hakho Lee, Yong Liu+2 more|ArXiv.org|Oct 23, 2006

Nanofabrication and Lithography Techniques参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、オンチップのマイクロエレクトロマグネットを用いて、磁性ビーズで標識された個々の生物学的細胞を高精度かつリアルタイムで操作できる、CMOS/マイクロフルイディクスハイブリッドシステムを提示する。このシステムは、CMOS電子回路の高速性とプログラマビリティを活用して磁界を動的に再構成し、低消費電力で同時に顕微鏡分解能の細胞操作を実現する。これはバイオメディカル用途向けにスケーラブルなラボオンアチッププラットフォームを示している。

ABSTRACT

A new type of microfluidic system for biological cell manipulation, a CMOS/microfluidic hybrid, is demonstrated. The hybrid system starts with a custom-designed CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) chip fabricated in a semiconductor foundry using standard integration circuit technology. A microfluidic channel is post-fabricated on top of the CMOS chip to provide biocompatible environment. The motion of individual biological cells that are tagged with magnetic beads is directly controlled by the CMOS chip that generates localized magnetic filed patterns using an on-chip array of micro-electromagnets. The speed and the programmability of the CMOS chip further allow for the dynamic reconfiguration of the magnetic fields, substantially increasing the manipulation capability of the hybrid system. The concept of a hybrid system is verified by simultaneously manipulating individual biological cells with microscopic resolution. A new operation protocol that exploits the fast speed of electronics to trap and move a large number of cells with less power consumption is also demonstrated. Combining the advantages of microelectronics, the CMOS/microfluidic hybrid approach presents a new model for a multifunctional lab-on-a chip for biological and medical applications.

研究の動機と目的

• 生物学的細胞操作のための多機能的で統合型のラボオンアチッププラットフォームの開発を目的とする。
• 従来のマイクロフルイディクスシステムの制限を克服するため、高速な電子制御と生体適合性のあるマイクロフルイディクスチャネルを統合する。
• オンチップマイクロエレクトロマグネットが生成するプログラマブルな磁界を用いて、個々の細胞の動的かつ再構成可能な操作を可能にする。
• 磁界パターンの電子的制御を通じて、磁界パターンの再構成を実現し、消費電力を低減するとともに操作速度を向上させる。
• 複雑な生物学的アッセイに適した、複数の細胞を同時に高分解能で操作できる能力を実証する。

提案手法

• 標準的な半導体統合技術を用いて、電子制御コアとしてのカスタムCMOSチップをプロセスする。
• 生物学的細胞および磁性ビーズを収容するため、CMOSチップ上に生体適合性のマイクロフルイディクスチャネルをプロセス後に形成する。
• オンチップマイクロエレクトロマグネットが局所的な磁界パターンを生成し、磁性ビーズで標識された細胞に力を及ぼす。
• CMOS回路が、磁界配置のリアルタイムでプログラマブルな制御を可能にし、動的かつ細密な細胞操作を実現する。
• 高速な電子スイッチングを活用して、複数の細胞を効率的に捕らえたり移動させたりするための新規な操作プロトコルを実装する。
• マイクロエレクトロニクスとマイクロフルイディクスの統合により、高速で低消費電力かつ高精度な細胞位置決めを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOS/マイクロフルイディクスハイブリッドシステムは、リアルタイムで動的かつ高精度な個別細胞操作を可能にするか？
• RQ2 オンチップマイクロエレクトロマグネットの統合は、従来の方法と比較して細胞操作の速度と精度をどのように向上させるか？
• RQ3 複数の細胞に対して高分解能制御を維持しつつ、システムは消費電力をどの程度低減できるか？
• RQ4 本システムは、顕微鏡分解能で複数の細胞を同時に操作できるか？
• RQ5 新規な操作プロトコルは、多数の細胞を効率的に捕らえたり移動させたりする上で、どの程度の性能を示すか？

主な発見

• CMOS/マイクロフルイディクスハイブリッドシステムは、顕微鏡分解能で個々の生物学的細胞の動的かつリアルタイムな操作を成功裏に実証した。
• 磁界のプログラマブルな再構成が可能となり、物理的な再設定なしに複雑な操作シーケンスを実現した。
• オンチップマイクロエレクトロマグネットの使用により、細胞の運動を高速に制御でき、受動的マイクロフルイディクスシステムを著しく上回った。
• 操作プロトコルにより、消費電力を低減しつつ、複数の細胞の効率的な捕らえ方と移動が可能になった。
• CMOSエレクトロニクスと生体適合性マイクロフルイディクスの統合により、スケーラブルで多機能なラボオンアチップアプリケーションのプラットフォームが実現された。
• 個々の細胞を同時に操作することで、高精度で多細胞制御の実現可能性が確認された。