KR101211862B1 - 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치 및 이를 이용하는 방법 - Google Patents

자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치 및 이를 이용하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치에 관한 것이며, 본 발명의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치는 상부기판과 자성을 가지는 하부기판이 상호 결합하며, 내부에 세포액이 유동하기 위한 유동로가 형성되는 유로케이싱; 상기 유동로 상에 배치되며, 상기 세포액에 포함되는 세포 중 분리대상이 되는 유효세포만을 선택적으로 통과시키는 분리채널을 구비하는 분리부; 상기 유동로의 내부에 자기장을 형성하여 상기 분리채널을 차단하는 세포를 상기 분리채널로부터 떼어내는 자기장 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 분리채널을 이용하여 세포를 선택적으로 분리하는 동시에 자기장을 이용하여 분리채널이 차단되는 것을 방지하여 세포 분리 성능을 향상시킬 수 있는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치가 제공된다.

Description

자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치 및 이를 이용하는 방법{APPARATUS FOR SELF-EXTRACTING CELLS USING MAGNETIC FORCE AND METHOD FOR SELF-EXTRACTING CELLS USING THE SAME}
본 발명은 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치 및 이를 이용하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세포액으로부터 유효세포를 용이하게 추출할 수 있는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 생화학 시료는 이종 이상의 물질이 혼재되어 존재하기 때문에 원하는 성분만을 분석하거나, 혼합물에서 특정 성분만을 정제하기 위한 분리 기술은 시료의 전처리 과정에서 매우 중요하다. 특히, 미세 유로, 혼합기, 펌프, 벨브 등을 단일 칩에 집적화하여 소량의 시료를 고속, 고효율로 처리하고자 하는 개념인 랩온어칩(Lab-on-a-chip)에서도 정제 및 분리와 같은 시료 준비 과정은 하위 분석 과정에 앞서 선행되어야 할 핵심 기술이다.
또한, 생물학 또는 의학적 분석에 있어 중요한 세포에 기반한 임상진단(Cell-based diagnostics)은 혈액 분석, 세포 연구, 미생물 분석, 그리고 조직 이식으로 이루어진다. 최근 세포 연구 및 세포 분석, 그리고 단백질과 DNA 분석 기술 발전에 의하여 이러한임상 진단 절차를 미세유체소자(Microfluidic Device)의 형태로 단일화, 집적화하려는 연구가 선행되고 있다.
그러나, 기존의 미세유체채널 등을 이용한 세포분리 방법 및 장치의 경우에는 세포분리 성능이 기대에 미치지 못하여 실질적으로 이용되기에 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 분리채널을 이용하여 세포를 선택적으로 분리하는 동시에 자기장을 발생시켜 능동적으로 유효세포가 분리채널을 차단하는 것을 방지할 수 있는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치 및 이를 이용하는 방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 세포액으로부터 분리대상이 되는 유효세포를 추출하기 위한 장치에 있어서, 상부기판과 자성을 가지는 하부기판이 상호 결합하며, 내부에 상기 세포액이 유동하기 위한 유동로가 형성되는 유로케이싱; 상기 유동로 상에 배치되며, 상기 세포액에 포함되는 세포 중 추출대상이 되는 유효세포의 통과를 선택적으로 차단하는 분리채널을 구비하는 분리부; 상기 유동로의 내부에 자기장을 형성하여 상기 분리채널을 차단하는 유효세포를 상기 분리채널로부터 분리하는 자기장 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치에 의해 달성된다.
또한, 상기 분리채널은 상기 세포액의 유동방향을 따라서 폭이 점점 좁아지도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 분리부는 상기 세포액의 유동방향을 따라서 폭이 점점 넓어지되, 상기 분리채널을 형성하도록 상호 이격되게 배치되는 복수개의 미세구조물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 미세구조물은 상기 자기장 제어부와 상기 하부기판 사이의 발생하는 자기장의 구배를 증가시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 유동로의 양단부에는 상기 세포액이 투입되기 위한 투입포트와 상기 분리부를 통과한 비유효세포를 외부로 배출시키기 위한 배출포트가 각각 형성될 수 있다.
또한, 상기 하부기판은 고분자 수지와 강자성 입자의 혼합액이 경화되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 자기장 제어부는 상기 분리채널이 유효세포에 의하여 차단되는 경우에 상기 유동로 내에 자기장을 작동시켜 제어할 수 있다.
또한, 상기 자기장 제어부는 전자석으로 구성되어 인가되는 전류를 제어하여 자기장의 세기를 조절할 수 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 유로케이싱의 유동로 내에 추출 대상인 유효세포와 비추출 대상인 비유효 세포를 포함하는 세포액을 투입시키는 투입단계; 복수개의 분리채널 각각에 상기 세포액을 통과시켜, 상기 비유효세포를 통과시키고 유효세포를 선택적으로 추출시키는 추출단계; 상기 유효세포가 상기 분리채널을 차단하지 않도록 상기 유동로 내로 자기장을 발생시키는 자기장 발생단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 세포 추출방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 자기장 발생단계에서는 상기 투입단계와 동시에 자기장을 발생시켜 상기 유효세포가 상기 분리채널을 차단하는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 자기장 발생단계에서는 자기장을 선택적으로 발생시켜 상기 분리채널을 차단하는 유효세포를 상기 분리채널로부터 분리할 수 있다.
본 발명에 따르면, 분리채널 자기장을 이용하여 분리대상이 되는 유효세포를 용이하게 자가추출(self-extraction)할 수 있는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치가 제공된다.
또한, 자기장을 발생시켜 추출대상인 유효세포가 분리채널을 차단하는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.
또한, 분리채널이 유효세포에 의하여 차단되는 경우에만 자기장을 선택적으로 발생시켜 유효세포가 자가제거 되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 개략적인 사시도이고,
도 2는 도 1의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 개략적인 분해 사시도이고,
도 3은 도 1의 상부기판을 제거한 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 개략적인 평면도이고,
도 4는 도 1의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 절단선 IV - IV'를 따라 절단한 단면을 도시한 것이고,
도 5 및 도 6은 도 1의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치에 의하여 유효세포를 분리하는 작동원리를 도시한 것이고,
도 7은 도 1의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치에서 분리채널을 차단하는 유효세포이 분리되는 원리를 도시한 것이고,
도 8는 도 7의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 절단선 VIII - VIII'를 따라 절단한 단면을 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 개략적인 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 상부기판을 제거한 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 개략적인 평면도이고, 도 4는 도 1의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 절단선 IV - IV'를 따라 절단한 단면을 도시한 것이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치(100)는 추출 대상인 유효세포(20)와 비추출 대상인 비유효세포(10)를 포함하는 세포액으로부터 유효세포(20) 만을 선택적으로 자가 추출하는 세포 추출장치에 관한 것으로서, 유로케이싱(110)과 분리부(120)와 자기장 제어부(130)를 포함한다.
상기 유로케이싱(110)은 내부에 세포액이 유동하기 위한 유동로(114)를 형성하는 것으로서, 상부기판(111)과 측벽(112)과 하부기판(113)을 포함한다.
상기 상부기판(111)은 유동로(114)가 형성되도록 후술하는 측벽(112) 및 하부기판(113)과 결합하는 것으로서, 평판 형상으로 형성된다. 본 실시예에서 상부기판(111)으로는 폴리디메틸실록산(PDMS:PolyDimethylSiloxane), 폴리테트라플루로에틸린(PTFE:polytetrafluroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA:PolyMethylMethcrylate), 사이클로올레핀공중합체(COC:Cyclic Olefin Copolymer) 등이 이용될 수 있으나, 일반적인 고분자 물질이라면 제한되지 않고 이용될 수 있다.
상기 측벽(112)은 상부기판(111)과 후술하는 하부기판(113)의 사이에 개재되어 양 구성요소를 연결하는 것으로서, 유로케이싱(110)의 내부에 유동로(114), 투입포트(115) 및 배출포트(116)가 마련되도록 내부에 공간을 형성한다.
즉, 측벽(112)은 상부기판(111)과 하부기판(113)의 사이에서 테두리를 구성하며, 내부에는 유동로(114)로서의 공간을 형성한다. 이를 상세히 설명하면, 측벽(112)에는 중앙영역이 가장 넓은 폭을 가지며 양단부로 갈수록 폭이 좁아지는 형태의 유동로(114)가 형성된다. 또한, 유동로(114)의 일단부에는 세포액이 투입되기 위한 투입포트(115)가 형성되고, 유동로(114)의 타단부에는 분리부(120)를 통과한 비유효세포(10)를 외부로 배출시키기 위한 배출포트(116)가 형성된다.
한편, 후술하는 하부기판(113)과 측벽(112)은 단일공정 내에서 동일한 소재로 일체형으로 성형될 수도 있으나, 정밀가공을 통하여 별도로 제작되어 서로 견고히 부착하는 형태로 제작될 수도 있다.
상기 하부기판(113)은 상술한 측벽(112) 및 후술하는 분리부(120)와 일체형으로 제작되어 유동로(114)를 하방에서 마감하는 것으로서, 상부기판(111)과 동일한 평판 형상으로 형성된다.
상기 분리부(120)는 유로케이싱(110) 내부의 유동로(114) 상에 마련되어 세포액으로부터 추출대상이 되는 유효세포(20) 만을 선택적으로 추출하기 위한 필터의 역할을 수행하는 동시에, 후술하는 자기장 제어부(130)로부터 발생하는 자기장의 구배를 증가시키기 위한 구조물의 역할을 수행하는 것으로서, 복수개의 미세구조물(121) 및 미세구조물(121) 사이의 분리채널(122)로 구성된다.
상기 미세구조물(121)은 분리채널(122)을 형성하도록 복수개가 유동로(114)의 폭방향을 따라서 상호 이격되게 배치되는 것으로서, 각각의 미세구조물(121)은 세포액의 유동방향(D)을 따라서 폭이 점점 넓어지는 형상을 갖는다.
따라서, 세포액의 유동방향(D)을 따라서 폭이 넓어지는 미세구조물(121) 간의 이격공간 사이에 형성되는 분리채널(122)은 미세구조물(121)의 형상과는 반대로 세포액의 유동방향(D)을 따라서 폭이 점점 좁아지는 형상을 갖는다.
한편, 미세구조물(121)의 너비, 폭의 변화정도, 높이 등은 세포액의 유동속도, 세포액의 종류 및 추출하고자 하는 유효세포(20)의 종류, 크기 등을 종합적으로 고려하여 설계하는 것이 바람직하다.
또한, 미세구조물(121)은 후술하는 자기장 제어부(130)와의 사이에서 발생하는 자기장의 구배를 증가시키는 구조물의 역할을 하는 것으로서, 생성될 자기장 구배 역시 고려하여 형상을 결정하는 것이 바람직하다.
한편, 일체형으로 형성되는 측벽(112), 하부기판(113) 및 분리부(120)는 자성을 가질 수 있도록 강자성 입자(118)들을 액형의 고분자 수지(117)와 혼합시킨 혼합재를 경화하여 제작한다.
본 실시예에서 사용되는 강자성 입자(118)는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등의 나노 또는 마이크로 입자가 이용될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 고분자 수지(117)로는 폴리디메틸실록산(PDMS:PolyDimethylSiloxane), 폴리테트라플루로에틸린(PTFE:polytetrafluroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA:PolyMethylMethcrylate), 사이클로올레핀공중합체(COC:Cyclic Olefin Copolymer) 등이 이용될 수 있으나, 일반적인 고분자 물질이라면 제한되지 않고 이용될 수 있다.
또한, 혼합재에는 강도, 전기 전도성, 열 전도성 등의 특성이 향상될 수 있도록 별도의 비강자성 첨가물이 더 포함될 수도 있다.
이러한 비강자성 첨가물로는 탄소나노튜브(CNT:Carbon NanoTube), 탄소섬유, 유리섬유 또는 이들 중 둘 이상이 혼합되어 사용될 수 있으며, 경화후 혼합재의 특성이 향상되는데 도움이 되는 것이라면 이에 제한되지 않는다.
따라서, 상술한 유로케이싱(110) 및 분리부(120)의 구조에 의하면, 양단부에 투입포트(115)와 배출포트(116)가 형성되는 유동로가 유로케이싱의 내부에 구비되며, 하부기판(113), 측벽(112) 및 분리부(120)는 균일하게 분포된 강자성 입자(118)를 포함하고 있으므로 자성을 가지게 된다.
상기 자기장 제어부(130)는 추출대상이 되는 유효세포(20)가 분리채널(122)을 차단하는 것을 원천적으로 방지하거나, 또는, 유효세포(20)가 분리채널을 차단하고 있는 경우에만 선택적으로 작동하여 이를 차단해제 하기 위하여, 하부기판(113) 및 미세구조물(121) 내의 강자성 입자(118)와 작용하여 자기장을 발생시키는 것으로서, 하부기판(113)의 하방에 구비된다.
또한, 본 실시예에서 자기장 제어부(130)는 자성의 세기 및 작동을 제어 가능하도록 전자석의 형태로 마련되어 인가되는 전류량을 조절하여 전체적인 자기장의 세기를 조절할 수 있으나, 자기장 제어부(130)의 형태가 이에 제한되는 것은 아니고 영구자석의 형태로 마련될 수도 있다.
전자석으로 구비될 수 있으나, 영구자석 등 자기장을 발생시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않고 이용될 수 있다.
지금부터는 상술한 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치(100)의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 5 및 도 6은 도 1의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치에 의하여 유효세포를 분리하는 작동원리를 도시한 것이다.
먼저, 추출대상이 되는 유효세포(20) 및 추출 대상이 아닌 비유효세포(10)를 포함하는 세포액을 유동로(114) 단부의 투입포트(115)를 통하여 연속적으로 투입시킨다. 투입포트(115)를 통하여 투입된 세포액은 유동로(114)를 따라 지속적으로 유동하며 분리부(120)에 도달한다.
이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 분리채널(122)의 폭보다 작은 직경을 가지는 비유효세포(10)는 분리부(120)의 분리채널(122)을 통과하여 유동로(114) 단부의 배출포트(116)를 통하여 외부로 배출된다.
이와 동시에, 도 6에 도시된 바와 같이, 분리채널(122)의 폭보다 큰 직경을 가진 유효세포는 분리채널(122)을 완전히 통과하지 못하고 추출된다.
도 7은 도 1의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치에서 분리채널을 차단하는 유효세포이 분리되는 원리를 도시한 것이다.
한편, 상술한 세포액의 유동과 함께 자기장 제어부(130)는 하부기판(113) 및 미세구조물(121)과의 사이에서 자기장을 발생시키고, 발생되는 자기장은 유동로(114) 내부에 형성된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 자기장 제어부(130)의 동작에 의하여 발생하는 자기장으로부터 유효세포(20)에 가해지는 힘(Fcell)에 의하여 유효세포(20)는 분리채널(122)을 차단하지 않고 자가추출(self-extraction)될 수 있다.
Figure 112012034665517-pat00001
(단, Fcell:유효세포에 가해지는 힘, Vcell:유효세포의 부피, ▽|B|:자기장의 구배, Δχ:유효세포와 세포액의 자화율의 차이,μ0:진공에서의 투자율)
즉, 상술한 유효세포(20)의 자가추출에 대해서 다시 설명하면, 중력 및 세포액 자체에 의한 유동력을 제외하면, 자기장 제어부(130)로부터 발생하는 자기장에 의하여 유효세포(20)에 가해지는 힘(Fcell)은 상기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
도 8는 도 7의 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치의 절단선 VIII - VIII'를 따라 절단한 단면을 도시한 것이다.
이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 하부기판(113)으로부터 상측으로 돌출되는 형태의 미세구조물(121)은 유동로(114) 내에서의 자기장의 구배(▽|B|)를 증가시키는 역할을 하게 되고, 수학식 1에서와 같이, 분리채널(122)로부터 유효세포(20)를 분리하기 위하여 유효세포(20)에 직접 작용하는 힘(Fcell)은 자기장의 구배(▽|B|)의 제곱에 비례하는 것이므로, 미세구조물(121)은 분리채널(122)로부터의 세포 분리의 제거에 사용되는 힘을 증가시켜, 유효세포(20)가 분리채널(122)을 차단하는 것을 원천적으로 방지하며 전체적으로 유효세포(20)의 자가추출 능력이 향상된다.
한편, 본 실시예에서는 세포액의 추출공정과 동시에 자기장 제어부(130)를 작동시킴으로써 유효세포(20)가 분리채널(122)을 차단하는 것을 원천적으로 방지하여 유효세포(20)를 자가추출하였으나, 다른 변형례에서는 유효세포(20)가 분리채널(122)을 차단한 경우에만 자기장 제어부(130)가 선택적으로 자기장을 발생시킴으로써 분리채널(122)을 차단하는 유효세포(20)를 분리채널(122)로부터 추출해 낼 수도 있다
따라서, 본 발명에 의하면, 추출 작업과 동시에 자기장을 발생시키거나 또는 자기장을 선택적으로 발생시킴으로써 유효세포가 분리채널을 차단하는 것을 원천적으로 막고 유효세포가 용이하게 자가 추출되도록 할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 본 발명의 일실시예에 따른 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치
110 : 유로케이싱 120 : 분리부
130 : 자기장 제어부

Claims (11)

  1. 세포액으로부터 분리대상이 되는 유효세포를 추출하기 위한 장치에 있어서,
    상부기판과 자성을 가지는 하부기판이 상호 결합하며, 내부에 상기 세포액이 유동하기 위한 유동로가 형성되는 유로케이싱;
    상기 유동로 상에 배치되며, 상기 세포액에 포함되는 세포 중 추출대상이 되는 유효세포의 통과를 선택적으로 차단하는 분리채널을 구비하는 분리부;
    상기 유동로의 내부에 자기장을 형성하여 상기 분리채널을 차단하는 유효세포를 상기 분리채널로부터 분리하는 자기장 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리채널은 상기 세포액의 유동방향을 따라서 폭이 점점 좁아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분리부는 상기 세포액의 유동방향을 따라서 폭이 점점 넓어지되, 상기 분리채널을 형성하도록 상호 이격되게 배치되는 복수개의 미세구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 미세구조물은 상기 자기장 제어부와 상기 하부기판 사이의 발생하는 자기장의 구배를 증가시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유동로의 양단부에는 상기 세포액이 투입되기 위한 투입포트와 상기 분리부를 통과한 비유효세포를 외부로 배출시키기 위한 배출포트가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하부기판은 고분자 수지와 강자성 입자의 혼합액이 경화되어 형성되는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 제어부는 상기 분리채널이 유효세포에 의하여 차단되는 경우에 상기 유동로 내에 자기장을 작동시켜 제어하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 제어부는 전자석으로 구성되어 인가되는 전류를 제어하여 자기장의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 자기장을 이용하는 자가 세포 추출장치를 이용하는 방법에 있어서,
    유로케이싱의 유동로 내에 추출 대상인 유효세포와 비추출 대상인 비유효 세포를 포함하는 세포액을 투입시키는 투입단계;
    복수개의 분리채널 각각에 상기 세포액을 통과시켜, 상기 비유효세포를 통과시키고 유효세포를 선택적으로 추출시키는 추출단계;
    상기 유효세포가 상기 분리채널을 차단하지 않도록 상기 유동로 내로 자기장을 발생시키는 자기장 발생단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 세포 추출방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자기장 발생단계에서는 상기 투입단계와 동시에 자기장을 발생시켜 상기 유효세포가 상기 분리채널을 차단하는 것을 원천적으로 방지하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 세포 추출방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 자기장 발생단계에서는 자기장을 선택적으로 발생시켜 상기 분리채널을 차단하는 유효세포를 상기 분리채널로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용하는 세포 추출방법.
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