점탄성 유동 특성을 이용한 콜로이드 입자 집속 및 세포 손상 분석을 위한 미세유체소자

Abstract

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.