[논문 리뷰] Integrated Cell Manipulation Systems

Hakho Lee, Yong Liu외 2명|ArXiv.org|2006. 10. 23.

Nanofabrication and Lithography Techniques참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 칩 내부 마이크로전기영구자석을 사용하여 자기비드로 표지된 개별 생물세포를 고정밀, 실시간으로 조작할 수 있는 CMOS/미세유체 하이브리드 시스템을 제시한다. 이 시스템은 CMOS 전자기기의 속도와 프로그래밍 가능성에 기반하여 자기장 구성을 동적으로 재구성함으로써, 저소비전력으로도 동시에 미세해상도 수준의 세포 조작을 실현하며, 생물의학적 애플리케이션을 위한 확장 가능한 랩온어칩 플랫폼임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물세포 조작을 위한 다기능적이고 통합된 랩온어칩 플랫폼을 개발하기 위해.
• 기존의 미세유체 시스템의 한계를 극복하기 위해 고속 전자 제어 기술과 생체 적합성 있는 미세유체 채널을 통합하기 위해.
• 칩 내부 마이크로전기영구자석이 생성하는 프로그래머블 자기장으로 개별 세포를 동적으로 재구성 가능한 방식으로 조작하기 위해.
• 전자 제어를 통해 자기장 패tern을 제어하여 전력 소모를 줄이고 조작 속도를 향상시키기 위해.
• 복잡한 생물학적 분석을 위해 다수의 세포를 동시에 고해상도로 조작할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 표준 반도체 통합 기술을 사용하여 전자 제어 코어로 기능하는 맞춤형 CMOS 칩을 제작하였다.
• 생물세포와 자기비드를 수용하기 위해 CMOS 칩 위에 생체 적합성 있는 미세유체 채널을 후공정으로 제작하였다.
• 칩 내부 마이크로전기영구자석이 국소적인 자기장 패턴을 생성하여 자기비드로 표지된 세포에 힘을 작용시켰다.
• CMOS 회로 기술을 통해 자기장 구성의 실시간 프로그래밍 제어를 가능하게 하여 동적 세포 조작을 실현하였다.
• 빠른 전자 스위칭을 활용해 다수의 세포를 효율적으로 고정하고 이동시키기 위한 새로운 운영 프로토콜을 구현하였다.
• 마이크로전자기기와 미세유체 기술을 통합하여 고속, 저전력, 정밀한 세포 정렬을 실현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS/미세유체 하이브리드 시스템은 실시간으로 동적 방식으로 개별 생물세포를 조작할 수 있는가?
• RQ2 칩 내부 마이크로전기영구자석의 통합은 기존 방법에 비해 세포 조작의 속도와 정밀도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 다수의 세포에 대해 고해상도 제어를 유지하면서 전력 소모를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 시스템은 동시에 다수의 세포를 미세해상도로 조작할 수 있는가?
• RQ5 새로운 운영 프로토콜은 대량의 세포를 효율적으로 고정하고 이동시키는 데서 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• CMOS/미세유체 하이브리드 시스템은 미세해상도 수준에서 개별 생물세포의 동적 실시간 조작을 성공적으로 구현하였다.
• 시스템은 자기장의 프로그래머블 재구성 기능을 통해 물리적 재구성 없이도 복잡한 조작 시퀀스를 수행할 수 있었다.
• 칩 내부 마이크로전기영구자석의 사용으로 세포 운동을 고속으로 제어할 수 있었으며, 수동적 미세유체 시스템에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 운영 프로토콜을 통해 다수의 세포를 효율적으로 고정하고 이동시키며 전력 소모를 줄일 수 있었다.
• CMOS 전자기기와 생체 적합성 있는 미세유체 기술의 통합은 확장 가능하고 다기능적인 랩온어칩 응용을 위한 플랫폼을 창출하였다.
• 개별 세포를 동시에 조작함으로써 고정밀 다중세포 제어의 가능성을 확인하였다.