JP5512754B2

JP5512754B2 - 磁場を利用する自己細胞抽出装置およびこれを利用する方法

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Publication number: JP5512754B2
Application number: JP2012155505A
Authority: JP
Inventors: 聖煥張; 榮殷柳; 正▲ユップ▼ 金; 承▲ミン▼ 玄; ▲キュン▼▲ヒュン▼ 黄
Original assignee: Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Current assignee: Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: KR101211862B1; EP2659984B1; US9205432B2; EP2659984A2; EP2659984A3; US20130284676A1; JP2013230137A

Description

本発明は、磁場を利用する自己細胞抽出装置およびこれを利用する方法に関し、より詳細には、細胞液から有効細胞を容易に抽出することができる磁場を利用する自己細胞抽出装置およびこれを利用する方法に関する。

一般的に、生化学試料は、２種以上の物質が混在して存在するため、所望する成分のみを分析したり、混合物から特定成分のみを精製したりするための分離技術は、試料の前処理過程において極めて重要である。特に、微細流路、混合器、ポンプ、バルブなどを単一チップに集積化して少量の試料を高速および高効率に処理しようとする概念であるラブオンチップ（Lab-on-a-chip)において、精製および分離のような試料準備過程は、下位分析過程に先立って先行しなければならない核心技術である。

また、生物学または医学的分析において重要な細胞に基づいた臨床診断（Cell-based diagnostics）は、血液分析、細胞研究、微生物分析、または組織移植からなる。最近では、細胞研究および細胞分析、またはタンパク質とＤＮＡ分析技術の発展に伴い、このような臨床診断の手順を微細流体素子（Microfluidic Device）の形態に単一化、集積化しようとする研究が先行している。

しかし、既存の微細流体チャネルなどを利用した細胞分離方法および装置の場合には、細胞分離性能が期待に達しておらず、実質的な利用に困難があった。

したがって、本発明は、このような従来の問題点を解決するためのものであって、分離チャネルを利用して細胞を選択的に分離すると同時に磁場を発生させ、能動的に有効細胞が分離チャネルを遮断することを防ぐことができる磁場を利用する自己細胞抽出装置、および、これを利用する方法を提供することを目的とする。

上述した目的は、本発明により、細胞液から分離対象となる有効細胞を抽出するための装置であって、上部基板および磁性を有する下部基板が相互結合し、内部に前記細胞液が流動するための流動路が形成される流路ケーシングと、前記流動路上に配置され、前記細胞液に含まれる細胞のうちで抽出対象となる前記有効細胞の通過を選択的に遮断する分離チャネルを備えた分離部と、前記流路部の内部に磁場を形成し、前記分離チャネルを遮断する前記有効細胞を前記分離チャネルから分離する磁場制御部と、を含む磁場を利用する自己細胞抽出装置によって達成される。

前記分離チャネルは、前記細胞液の流動方向に沿って幅が次第に狭まるように構成してもよい。

前記分離部は、前記細胞液の流動方向に沿って幅が次第に広くなり、前記分離チャネルを形成するように相互離隔して配置される複数の微細構造物を含んでもよい。

前記複数の微細構造物は、前記磁場制御部および前記下部基板の間に発生する磁場の勾配を増加させるように構成してもよい。

前記流動路の両端部には、前記細胞液が投入されるための投入ポート、および、前記分離部を通過した非有効細胞を外部に排出させるための排出ポートをそれぞれ形成してもよい。

前記下部基板は、高分子樹脂および強磁性粒子の混合液が硬化して形成されたものとしてもよい。

前記磁場制御部は、前記分離チャネルが前記有効細胞によって遮断される場合に、前記流動路内に磁場を作動させて制御してもよい。

前記磁場制御部は、電磁石で構成され、印加される電流を制御して磁場の強度を調節してもよい。

また、上述した目的は、本発明により、流路ケーシングの流動路内に抽出対象である有効細胞と非抽出対象である非有効細胞を含む細胞液を投入させる投入段階と、複数の分離チャネルそれぞれに前記細胞液を通過させ、前記非有効細胞を通過させて前記有効細胞を選択的に抽出させる抽出段階と、前記有効細胞が前記分離チャネルを遮断しないように前記流動路内に磁場を発生させる磁場発生段階と、を含む磁場を利用する細胞抽出方法によって達成される。

前記磁場発生段階では、前記投入段階と同時に磁場を発生させ、前記有効細胞が前記分離チャネルを遮断することを防いでもよい。

前記磁場発生段階では、磁場を選択的に発生させ、前記分離チャネルを遮断する前記有効細胞を前記分離チャネルから分離してもよい。

本発明によれば、分離チャネル磁場を利用して分離対象となる有効細胞を容易に自己抽出（self-extraction）することができる、磁場を利用する自己細胞抽出装置が提供される。

また、磁場を発生させ、抽出対象である有効細胞が分離チャネルを遮断することを防ぐことができる。

また、分離チャネルが有効細胞によって遮断される場合にのみ磁場を選択的に発生させ、有効細胞が自己除去されるようにできる。

本発明の一実施形態に係る磁場を利用する自己細胞抽出装置の概略的な斜視図である。図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置の概略的な分解斜視図である。図１の上部基板を除去した磁場を利用する自己細胞抽出装置の概略的な平面図である。図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置の切断線IV-IV’に沿って切断した断面を示す図である。図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置によって有効細胞を分離する作動原理を示す図である。図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置によって有効細胞を分離する作動原理を示す図である。図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置において、分離チャネルを遮断する有効細胞が分離する原理を示す図である。図７の磁場を利用する自己細胞抽出装置の切断線VIII-VIII’に沿って切断した断面を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る磁場を利用する自己細胞抽出装置について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る磁場を利用する自己細胞抽出装置の概略的な斜視図である。図２は、図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置の概略的な分解斜視図である。図３は、図１の上部基板を除去した磁場を利用する自己細胞抽出装置の概略的な平面図である。図４は、図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置の切断線IV-IV’に沿って切断した断面を示す図である。

図１〜図４を参照すれば、本発明の一実施形態に係る磁場を利用する自己細胞抽出装置１００は、抽出対象である有効細胞２０と非抽出対象である非有効細胞１０を含む細胞液から有効細胞２０のみを選択的に自己抽出する細胞抽出装置に関し、流路ケーシング１１０と分離部１２０と磁場制御部１３０を含む。

前記流路ケーシング１１０は、内部に細胞液が流動するための流動路１１４を形成するものであって、上部基板１１１と側壁１１２と下部基板１１３を含む。

前記上部基板１１１は、流動路１１４が形成されるように後述する側壁１１２および下部基板１１３と結合するものであって、平板形状に形成される。本実施形態において、上部基板１１１としては、ポリジメチルシロキサン（PDMS:PolyDimethylSiloxane)、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE:polytetrafluroethylene）、ポリメチルメタクリレート（PMMA:PolyMethylMethcrylate)、シクロオレフィン共重合体（COC:CyclicOlefin Copolymer)などが利用されてもよいが、一般的な高分子物質であれば制限なく用いられてもよい。

前記側壁１１２は、上部基板１１１と後述する下部基板１１３の間に介在して両構成要素を連結するものであって、流路ケーシング１１０の内部に流動路１１４、投入ポート１１５、および排出ポート１１６が備えられるように内部に空間を形成する。

すなわち、側壁１１２は、上部基板１１１と下部基板１１３の間で枠を構成し、内部には流動路１１４としての空間を形成する。これを詳しく説明すれば、側壁１１２には、中央領域が最も広い幅を有して、両端部に行くほど幅が狭まる形態の流動路１１４が形成される。また、流動路１１４の一端部には細胞液が投入されるための投入ポート１１５が形成され、流動路１１４の他端部には分離部１２０を通過した非有効細胞１０を外部に排出させるための排出ポート１１６が形成される。

一方、後述する下部基板１１３と側壁１１２は、単一工程内において同じ素材で一体形に成形されてもよいが、精密加工によって別途に製作されて、互いに頑丈に付着する形態で製作されてもよい。

前記下部基板１１３は、上述した側壁１１２および後述する分離部１２０と一体形に製作され、流動路１１４を下方で締め切るものであって、上部基板１１１と同じ平板形状に形成される。

前記分離部１２０は、流路ケーシング１１０内部の流動路１１４上に備えられ、細胞液から抽出対象となる有効細胞２０のみを選択的に抽出するためのフィルタの役割を行うと同時に、後述する磁場制御部１３０から発生する磁場の勾配を増加させるための構造物の役割を行うものであって、複数の微細構造物１２１および微細構造物１２１の間の分離チャネル１２２で構成される。

前記微細構造物１２１は、分離チャネル１２２を形成するように複数が流動路１１４の幅方向に沿って相互離隔するように配置されるものであって、それぞれの微細構造物１２１は細胞液の流動方向（Ｄ）に沿って幅が次第に広くなる形状を有する。

したがって、細胞液の流動方向（Ｄ）に沿って幅が広くなる微細構造物１２１間の離隔空間の間に形成される分離チャネル１２２は、微細構造物１２１の形状とは反対に、細胞液の流動方向（Ｄ）に沿って幅が次第に狭まる形状を有する。

一方、微細構造物１２１の幅、幅の変化程度、高さなどは、細胞液の流動速度、細胞液の種類、および抽出しようとする有効細胞２０の種類や大きさなどを総合的に考慮した上で設計することが好ましい。

また、微細構造物１２１は、後述する磁場制御部１３０との間で発生する磁場の勾配を増加させる構造物の役割を行うものであって、生成される磁場勾配も考慮した上で形状を決定することが好ましい。

一方、一体形に形成される側壁１１２、下部基板１１３、および分離部１２０は、磁性を有することができるように強磁性粒子１１８を液型の高分子樹脂１１７と混合させた混合材を硬化して製作する。

本実施形態で用いられる強磁性粒子１１８は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）などのナノまたはマイクロ粒子が用いられてもよい。また、本実施形態において、高分子樹脂１１７としては、ポリジメチルシロキサン（PDMS:PolyDimethylSiloxane）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE:polytetrafluroethylene）、ポリメチルメタクリレート（PMMA:PolyMethylMethcrylate）、シクロオレフィン共重合体（COC:Cyclic Olefin Copolymer）などが利用されてもよいが、一般的な高分子物質であれば制限なく用いられてもよい。

また、混合材には、強度、電気伝導性、熱伝導性などの特性が向上されるように、別途の非強磁性添加物がさらに含まれてもよい。

このような非強磁性添加物としては、炭素ナノチューブ（CNT:Carbon NanoTube）、炭素繊維、ガラス繊維、またはこれらのうちの２つ以上が混合されて用いられてもよく、硬化後に混合材の特性が向上することを助けるものであれば制限されない。

したがって、上述した流路ケーシング１１０および分離部１２０の構造によれば、両端部に投入ポート１１５と排出ポート１１６が形成される流動路が流路ケーシングの内部に備えられ、下部基板１１３、側壁１１２、および分離部１２０は均一に分布した強磁性粒子１１８を含んでいるため磁性を有するようになる。

前記磁場制御部１３０は、抽出対象となる有効細胞２０が分離チャネル１２２を遮断することを防いだり、または、有効細胞２０が分離チャネルを遮断したりしている場合にのみ選択的に作動し、これを遮断解除するために、下部基板１１３および微細構造物１２１内の強磁性粒子１１８と作用して磁場を発生させることにより、下部基板１１３の下方に備えられる。

また、本実施形態において、磁場制御部１３０は、磁性の強度および作動を制御可能なように電磁石の形態で備えられ、印加される電流量を調節して全体的な磁場の強度を調節することができる。しかし、磁場制御部１３０の形態はこれに制限されることはなく、永久磁石の形態で備えられてもよい。

また、磁場制御部１３０は電磁石として備えられてもよく、永久磁石など磁場を発生させることができれば制限なく使用してもよい。

以下において、上述した磁場を利用する自己細胞抽出装置１００の一実施形態の作動について説明する。

図５および図６は、図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置によって有効細胞を分離する作動原理を示す図である。

まず、抽出対象となる有効細胞２０および抽出対象ではない非有効細胞１０を含む細胞液を、流動路１１４端部の投入ポート１１５を介して連続的に投入させる。投入ポート１１５を介して投入された細胞液は、流動路１１４に沿って持続的に流動して分離部１２０に到達する。

このとき、図５に示すように、分離チャネル１２２の幅よりも小さい直径を有する非有効細胞１０は、分離部１２０の分離チャネル１２２を通過して、流動路１１４端部の排出ポート１１６を介して外部に排出される。

これと同時に、図６に示すように、分離チャネル１２２の幅よりも大きい直径を有する有効細胞は、分離チャネル１２２を完全に通過することができない。

図７は、図１の磁場を利用する自己細胞抽出装置において、分離チャネルを遮断する有効細胞が分離する原理を示す図である。

一方、上述した細胞液の流動と共に、磁場制御部１３０は、下部基板１１３および微細構造物１２１との間で磁場を発生させ、発生する磁場は流動路１１４内部に形成される。

図７に示すように、磁場制御部１３０の動作によって発生する磁場から有効細胞２０に加えられる力（Ｆ_cell）により、有効細胞２０は分離チャネル１２２を遮断せずに自己抽出（self-extraction）するようになる。

ただし、数式（１）において、Ｆ_cell：有効細胞に加えられる力、Ｖ_cell：有効細胞の体積、▽｜Ｂ｜：磁場の勾配、Δχ：有効細胞と細胞液の磁化率の差、μ０：真空での投資率、である。
すなわち、上述した有効細胞２０の自己抽出についてもう一度説明すれば、重力および細胞液自体による流動力を除けば、磁場制御部１３０から発生する磁場により、有効細胞２０に加えられる力（Ｆ_cell）は前記数式（１）のように示されるようになる。

図８は、図７の磁場を利用する自己細胞抽出装置の切断線VIII-VIII’に沿って切断した断面を示す図である。

このとき、図８に示すように、下部基板１１３から上側に突出する形態の微細構造物１２１は、流動路１１４内での磁場の勾配（▽｜Ｂ｜）を増加させる役割を行うようになる。数式（１）に示すように、分離チャネル１２２から有効細胞２０を分離するために有効細胞２０に直接作用する力（Ｆ_cell）は、磁場の勾配（▽｜Ｂ｜）の自乗に比例するものである。そのため、微細構造物１２１は分離チャネル１２２からの細胞分離の除去に用いられる力を増加させ、有効細胞２０が分離チャネル１２２を遮断することを防ぎ、全体的に有効細胞２０の自己抽出能力が向上する。

一方、本実施形態では、細胞液の抽出工程と同時に磁場制御部１３０を作動させることにより、有効細胞２０が分離チャネル１２２を遮断することを防いで有効細胞２０を自己抽出した。しかし、このような態様に限らず、他の変形例では、有効細胞２０が分離チャネル１２２を遮断した場合にのみ磁場制御部１３０が選択的に磁場を発生させることにより、分離チャネル１２２を遮断する有効細胞２０を分離チャネル１２２から抽出してもよい。

したがって、本発明によれば、抽出作業と同時に磁場を発生させたり、または磁場を選択的に発生させたりすることにより、有効細胞が分離チャネルを遮断することを防ぐことができ、有効細胞が容易に自己抽出されるようにできる。

本発明の権利範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内において多様な形態の実施形態で実現される。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、変形可能な多様な範囲まで本発明の請求範囲の記載の範囲内に存在することが理解できるであろう。

１００自己細胞抽出装置
１１０流路ケーシング
１１１上部基板
１１３下部基板
１１４流動路
１２０分離部
１２２分離チャネル
１３０磁場制御部

Claims

細胞液から分離対象となる有効細胞を抽出するための装置であって、
上部基板および磁性を有する下部基板が相互結合し、内部に前記細胞液が流動するための流動路が形成される流路ケーシングと、
前記流動路上に配置され、前記細胞液に含まれる細胞のうちで抽出対象となる前記有効細胞の通過を選択的に遮断する分離チャネルを備えた分離部と、
前記流路部の内部に磁場を形成し、前記分離チャネルを遮断する前記有効細胞を前記分離チャネルから分離する磁場制御部と、を含む磁場を利用する自己細胞抽出装置。
前記分離チャネルは、前記細胞液の流動方向に沿って幅が次第に狭まるように構成される請求項１に記載の磁場を利用する自己細胞抽出装置。
前記分離部は、前記細胞液の流動方向に沿って幅が次第に広くなり、前記分離チャネルを形成するように相互離隔して配置される複数の微細構造物を含む請求項２に記載の磁場を利用する自己細胞抽出装置。
前記複数の微細構造物は、前記磁場制御部および前記下部基板の間に発生する磁場の勾配を増加させるように構成される請求項３に記載の磁場を利用する自己細胞抽出装置。
前記流動路の両端部には、前記細胞液が投入されるための投入ポート、および、前記分離部を通過した非有効細胞を外部に排出させるための排出ポートをそれぞれ形成してある請求項４に記載の磁場を利用する自己細胞抽出装置。
前記下部基板は、高分子樹脂および強磁性粒子の混合液が硬化して形成される請求項１に記載の磁場を利用する自己細胞抽出装置。
前記磁場制御部は、前記分離チャネルが前記有効細胞によって遮断される場合に、前記流動路内に磁場を作動させて制御する請求項１に記載の磁場を利用する自己細胞抽出装置。
前記磁場制御部は、電磁石で構成され、印加される電流を制御して磁場の強度を調節する請求項１に記載の磁場を利用する自己細胞抽出装置。
請求項１に記載の磁場を利用する自己細胞抽出装置を利用する方法であって、
前記流路ケーシングの前記流動路内に抽出対象である有効細胞と非抽出対象である非有効細胞を含む細胞液を投入させる投入段階と、
複数の分離チャネルそれぞれに前記細胞液を通過させ、前記非有効細胞を通過させて前記有効細胞を選択的に抽出させる抽出段階と、
前記有効細胞が前記分離チャネルを遮断しないように前記流動路内に磁場を発生させる磁場発生段階と、を含む磁場を利用する細胞抽出方法。
前記磁場発生段階では、前記投入段階と同時に磁場を発生させ、前記有効細胞が前記分離チャネルを遮断することを防ぐ請求項９に記載の磁場を利用する細胞抽出方法。
前記磁場発生段階では、磁場を選択的に発生させ、前記分離チャネルを遮断する前記有効細胞を前記分離チャネルから分離する請求項９に記載の磁場を利用する細胞抽出方法。