[논문 리뷰] Magnetophoretic separation of blood cells at the microscale

Edward P. Furlani|ArXiv.org|2006. 12. 01.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자성 소재의 배열을 사용하여 영구자석을 사용하지 않고도 지속적이고 라벨 프리 방식으로 적혈구와 백혈구를 분리하는 수동형 미세유체 시스템을 제안한다. 외부의 편향 자기장에 의해 비균일한 자기장을 생성함으로써, 이는 반자성 백혈구와 양자성/약한 반자성 적혈구에 대해 서로 다른 자기력 작용을 유도하여 효율적이고 빠른 분리를 가능하게 하며, 시뮬레이션 결과 분리 효율이 90%를 초과하는 것으로 예측된다.

ABSTRACT

We present a method and model for the direct and continuous separation of red and white blood cells in plasma. The method is implemented at the microscale using a microfluidic system that consists of an array of integrated soft-magnetic elements embedded beneath a microfluidic channel. The microsystem is passive, and is activated via application of a bias field that magnetizes the elements. Once magnetized, the elements produce a nonuniform magnetic field distribution in the microchannel, which gives rise to a force on blood cells as they pass through the microsystem. In whole blood, white blood cells behave as diamagnetic microparticles while red blood cells exhibit diamagnetic or paramagnetic behavior depending on the oxygenation of their hemoglobin. We develop a mathematical model for predicting the motion of blood cells in the microsystem that takes into account the dominant magnetic, fluidic and buoyant forces on the cells. We use the model to study red/white blood cell transport, and our analysis indicates that the microsystem is capable of rapid and efficient red/white blood cell separation.

연구 동기 및 목표

• 라벨이 없이 지속적으로 적혈구와 백혈구를 분리할 수 있는 수동형 연속 미세유체 시스템을 개발하기 위해.
• 적혈구와 백혈구 간의 자기화성 차이를 활용하여 선택적 분리를 실현하기 위해.
• 미세스케일 환경에서 자기력, 유체역학력, 부력의 복합 작용 하에서 세포 운동을 모델링하고 예측하기 위해.
• 정적 편향 자기장 외에 외부 구동 장치나 복잡한 제어 없이도 비침습적 방식으로 효율적이고 빠른 분리를 실현할 수 있는지 검증하기 위해.
• 자기력에 기반한 확장 가능하고 저비용의 현장 진단 플랫폼을 위한 설계 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 외부 편향 자기장에 노출되었을 때 비균일한 자기장을 생성할 수 있도록, 미세유체 채널 아래에 소프트자성 소재의 배열을 통합한 시스템을 사용한다.
• 세포에 작용하는 자기장 기울기 분포를 계산하기 위해 마이크로자기모델링을 사용한다.
• 자기력, 유체역학력(스토크스 저항력), 부력의 합력을 계산하기 위한 수학적 모델을 수립한다.
• 백혈구의 반자성 거동과 적혈구의 산소 포화도에 따라 변화하는 자기성질(반자성 또는 양자성)을 고려한다.
• 이러한 힘들에 기반한 운동 방정식을 라그랑주 방법을 사용하여 적분하여 세포 궤적을 시뮬레이션한다.
• 시스템은 외부 전원이나 동작 부품이 필요로 하지 않는 수동형 설계로, 분리가 순전히 자기장 기울기와 유체 흐름에 의해 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트자성 소재의 배열을 사용한 수동형 미세유체 시스템이 지속적인 적혈구와 백혈구 분리를 실현할 수 있는가?
• RQ2 적혈구와 백혈구 간의 자기화성 차이가 비균일 자기장에서의 분리 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기력, 유체역학력, 부력 중 세포 운동에 대해 각각 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 정적 편향 자기장 외에 외부 구동 장치나 라벨 없이도 높은 분리 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ5 자성 소재의 기하학적 형상과 배열 방식이 자기장 기울기 및 채널 내 세포 집중에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 시스템은 세포에 상당한 자기력 작용을 유도할 수 있는 강력하고 공간적으로 변화하는 자기장 기울기를 생성한다.
• 백혈구는 반자성이 더 강하기 때문에 적혈구보다 자기장 최소점 쪽으로 더 큰 힘을 받으며, 이는 효과적인 분리를 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과 최적 조건에서 분리 효율이 90%를 초과하는 것으로 나타났으며, 낮은 자기장 기울기로 인해 세포 손상이 최소화된다.
• 모델 예측에 따르면 다양한 유량과 자기장 강도에서 세포 집중과 분리가 안정적으로 유지된다.
• 라벨이나 복잡한 유체 제어 없이도 지속적이고 실시간 분리를 수행할 수 있다.
• 수동 설계 덕분에 소형화 및 현장 진단 플랫폼에의 통합이 가능하다.