Development of a Portable Digital Microfluidic System for Automated 3D Cell Culture and Electroporation Platform

Abstract

이 연구에서는 3차원 세포 배양을 위한 ECD 기반 디지털 미세유체 자동화 플랫폼을 개발하였다. 이를 위해 부피가 큰 주사기 펌프를 대체하는 이중 자석 솔레노이드 펌프, 채널을 필요로 하지 않는 오일 내 액적 기반 3차원 세포 배양 기술, 효율적인 세포 배양액 교체를 위한 흡입 기반 액적 디스펜싱 기술, 그리고 단일 장치 내에서 샘플 처리 및 세포 배양액 교체가 가능한 electromagnetic dispensing and suction (EMDS) 시스템을 개발하였다. 특히, 고전압 부스터 컨버터, 휴대용 배터리 팩, 반도체 릴레이 회로를 집적화하여 기존 ECD 시스템의 낮은 휴대성 문제를 해결하였다. 또한, 액적을 자동으로 조작하고 정확도를 향상시키기 위해 이미지 기반의 피드백 제어와 실시간 모니터링을 도입하였다. ECD 기반 액적 세포 배양 시스템에서 동시 분리, 분할, 수집 및 분배 기술이 개발되었으며, 스페로이드를 손상시키지 않고 99% 이상의 배양 배지를 제거하여 효율적으로 세포 배양액을 교체하는 것을 성공적으로 시연하였다. 액적 핀치오프 거동에 대한 체계적인 분석을 통해 모세관 수(Ca)가 액적 크기 결정에 중요한 역할을 하며, 유속을 조정해 정밀한 제어가 가능하다는 것을 보여주었다. 이러한 결과는 특히 작은 액적 분배에 있어 오일 기반 액적 처리에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 시스템 소형화를 위해 반대 방향으로 배열된 두 개의 자석을 사용한 새로운 솔레노이드 펌프를 개발하였으며, 이중 자석 솔레노이드 펌프 의 독특한 자석 배열은 기존 솔레노이드 펌프의 본질적인 힘 변화 문제를 근본적으로 해결하였다. 체계적인 매개변수 조사와 수학적 모델을 통해 개발된 솔레노이드 펌프는 직류 전원을 사용하는 소형 시스템에서 빠른 응답 시간과 맥동 없는 흐름으로 최대 99.9% 일정한 힘을 제공할 수 있음을 확인하였다. 또한, 이중 자석 솔레노이드 펌프는 고전적인 비선형 제어 과제를 효율적으로 해결하고 정확하고 빠른 액적 분배를 가능하게 하여 소량의 액적을 다루는 미세유체 기술에 높은 활용 가능성을 보였다. 이 펌프를 사용한 EMDS 시스템은 액적 공급, 분리 및 수집을 하나의 장치에서 수행할 수 있었다. EMDS 시스템에서 세포 현탁액 공급, 스페로이드 형성 및 배양액 수집을 포함한 3차원 세포 배양 전 과정을 성공적으로 시연함으로써 기존 디지털 미세유체 시스템의 한계를 해결한 새로운 디스펜싱 장치로의 가능성을 검증하였다. 또한, 기존 3D 배양 시스템의 한계를 극복하기 위해 새로운 채널이 필요 없는 오일 내 액적 기반 3D 세포 배양 방법을 제안하였다. 이 방법은 간단하고 사용자 친화적인 조작이 가능하며, 기존 방법과 비교하여 3차원 세포 배양 방법으로서 성능을 검증하였다. 체계적인 배양 조건 조사를 통해 세포 수와 액적 크기에 대한 작동 범위를 결정하였으며, 이 방법은 액적 크기를 제어함으로써 용이한 스페로이드 성장 확장 가능성을 확인하였다. 이 접근 방식은 다양한 생물학적 응용 분야에 맞춰 스페로이드 크기를 조정할 수 있는 가능성을 보여주었다. 이 연구에서 개발된 다양한 기술과 시스템을 단일 플랫폼으로 통합하면 액적 기반 3D 세포 배양을 위한 효율적이고 높은 휴대성과 정밀성을 갖춘 솔루션을 제공하여 오가노이드 연구와 광범위한 생물학적 응용 분야에서 새로운 가능성을 열 수 있을 것으로 기대된다.|This study developed an ECD-based digital microfluidic automation platform for 3D cell culture. The ECD-based digital microfluidic automation platform includes a dual-magnet solenoid actuator that can replace a large syringe pump for system miniaturization, a water-in-oil droplet 3D cell culture technique, a suction-based dispensing technique for efficient cell culture medium exchange of spherical droplets, and an electromagnetic dispensing and aspiration (EMDS) system to implement sample supply and cell culture medium exchange in a single device. In particular, the low portability problem of the existing ECD system was solved by integrating a high-voltage boost converter, a portable battery pack, and a semiconductor relay circuit. In addition, image-based feedback control and real-time monitoring were introduced to manipulate the droplet and improve accuracy automatically. Simultaneous separation, dispensing, splitting, and collection techniques were developed for use in an ECD-based droplet cell culture system, and efficient cell culture medium exchange was successfully demonstrated by removing more than 99% of the culture medium without damaging the spheroids. Systematic analysis of droplet pinch-off behavior showed that the capillary number (Ca) plays an important role in determining the droplet size, and precise control is possible by adjusting the flow rate. These results are expected to be effectively utilized in oil-based droplet processing, especially in distributing small droplets. To miniaturize the system, a novel solenoid pump using two magnets arranged in opposite directions was developed, and the unique magnet arrangement of the developed dual-magnet solenoid pump helped to fundamentally solve the inherent power variation problem of the conventional solenoid pump. Through systematic parameter investigation and mathematical modeling, the developed solenoid pump was confirmed to provide up to 99.9% constant power with fast response time and pulsation-free flow in a compact system using DC power. In addition, the developed dual-magnet solenoid pump efficiently solved classical nonlinear control problems and enabled accurate and fast droplet dispensing, showing high potential for use in microfluidic technology handling small volumes of droplets. In addition, the EMDS system using the dual-magnet solenoid pump was able to perform droplet supply, separation, and collection in a single device. By successfully demonstrating all processes of 3D cell culture, including supply of cell suspension, spheroid formation, and collection of culture medium for analysis, in the EMDS system, the possibility of a new dispensing device that solves the limitations of the dispensing devices used in the existing digital microfluidic system was verified. Furthermore, to overcome the limitations of conventional 3D culture systems, a new channel-free, droplet-based 3D cell culture method in oil was proposed. This method was simple and user-friendly, and its performance as a 3D cell culture method was verified by directly comparing it with existing methods. A systematic investigation of culture conditions determined the operating range for cell number and droplet size, and the method confirmed the easy scalability of spheroid growth by controlling the droplet size. This approach showed the possibility of adjusting the spheroid size for various biological applications. Integrating the various technologies and systems developed in this study into a single platform is expected to provide an efficient, highly portable, and precise solution for droplet-based 3D cell culture, opening up new possibilities in organoid research and a wide range of biological applications.