Integrated Cell Isolation System Utilizing Micro-magnetophoretic Circuit and Microfluidic Channel Technologies

Abstract

This study introduces a micro-magnetophoretic platform that integrates a multilayer Ni80Fe20 thin film circuit with a PDMS microfluidic channel to achieve one-step isolation of rare, especially magnetically labeled cells. A four-layered Ta/NiFe/Ta/NiFe stack was designed to amplify the out-of-plane magnetic force while preserving in-plane domain mobility, yielding a 2.5-fold increase in the z-direction force relative to a single 100 nm NiFe film. A size-selective triangular isolation pattern, whose performance can be tuned either by notch width or by uniform geometric scaling, was connected into a circuit capable of separating beads and bead-cell conjugates, by diameter under a rotating field of 10-17 mT at 0.5-1 Hz. The hydrodynamic analysis confirmed that, within the 150 µm-high channel and at flow rates of 5-30 µL/min (Re≈0.03), Stokes drag (≈4 pN for a 10 µm cell) is negligible compared with the calculated magnetic forces (≈100 pN in-plane, >nN out-of-plane). Alignment of the flow direction with the magnetophoretic pattern axis was shown to minimize phase lag and prevent bead detachment from patterns. The performance was measured by two types of separation experiments using mixed populations of 4.5 µm and 8 µm beads, as well as MCF-7 cells spiked at 10,000:1,000,000 cells ratio into THP-1 cells. This demonstrated selective trapping and subsequent release of cells with high purity and exclusion rate. The results establish the micro-magnetophoretic-microfluidic hybrid as a compact, reproducible, and potentially scalable alternative to multi-step enrichment workflows in liquid biopsy applications.|본 논문은 다층 Ni80Fe20 연자성 박막으로 이루어진 미세자기영동 회로와, PDMS 미세유체 채널을 통합한 미세자기영동-미세유체 통합 플랫폼을 제안하며, 이를 통해 매우 희소하게 존재하는 세포를 자성표지를 통하여 단일 단계로 분리한다. Ta/NiFe/Ta/NiFe 4중층 적층구조를 설계하여 평면 내 자구(磁區) 이동성을 유지하면서도 수직방향의 자기포텐셜 구배를 증폭함으로써, 단일 100 nm NiFe 박막 대비 약 2.5배 높은 수직방향의 자기력을 구현하였다. 노치 폭 조절과 기하학적 축척 조절을 통하여 마이크로 자성 비드의 선택성을 조절할 수 있는 삼각형 격리 패턴을 자기영동 회로 형태로 연결함으로써, 10-17 mT 및 0.5-1 Hz의 회전 자기장 내에서 자성 비드 및 자성 비드-세포 복합체를 직경별로 분리할 수 있도록 구현하였다. 150 µm 높이의 미세유체 채널, 5-30 µL/min 유량(레이놀즈 수 ≈ 0.03) 조건에서 유체의 스토크스 저항력(10 µm 직경의 세포 기준 ≈ 4 pN)은 계산된 자기력(평면 내 ≈ 100 pN, 수직방향 >nN)에 비해 무시 가능한 수준임을 유체역학적 분석으로 확인하였다. 유체의 유동방향을 자기영동 회로의 패턴 축과 정렬하여 위상지연을 최소화하고 자기영동 패턴으로부터의 입자 이탈을 최소화하였다. 제작된 플랫폼의 성능평가는 두 종류의 실험으로 진행되었으며, 하나는 4.5 µm 및 8 µm 직경을 갖는 자성 비드의 혼합물을 대상으로, 또 하나는 MCF-7:THP-1 = 10,000:1,000,000 비율로 스파이크(혼합)한 세포 혼합물 시료를 대상으로 수행하였다. 해당 분리 실험에서, 높은 순도와 제거율로 자성 비드 및 세포 혼합물의 선택적 포획 및 방출이 이루어짐을 입증하였다. 본 결과는 제안된 미세자기영동-미세유체 통합 플랫폼이 액체생검 분야의 기존 다단계 세포 농축공정을 대체할 수 있는 소형, 재현성, 확장성을 가진 플랫폼임을 보여준다.