KR101774709B1 - 세포 자극 장치 - Google Patents

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한희탁
서정목
신세라
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 세포 자극 장치를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치는, 세포를 수용하는 세포 수용홈이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 세포 수용홈의 저면이 신축성 있는 재질로 형성되는 세포 수용부; 및 상기 세포 수용부를 지지하고, 상기 세포 수용부에 압력을 인가하여 상기 세포 수용홈을 변형시키는 압력 조절부;를 포함한다.

Description

세포 자극 장치{CELL STIMULATION APPARATUS}
본 발명은 세포 자극 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신축성 있는 소재로 제작되는 용기 바닥면에 진공 압력을 인가할 수 있는 압력 조절 장치를 이용하여 세포에 기계적 자극을 제공함과 동시에 세포를 배양할 수 있는 세포 자극 장치에 관한 것이다.
일반적으로 세포 생물학 분야에 있어서 다양한 자극에 대한 세포 반응을 연구하는 것은 유전자 수준에서의 단백질 발현, 세포 소멸, 분화 등 세포 대사 기전에 대한 중요한 단서를 제공하고 이를 통하여 질병의 발생 기전의 이해 및 신약 개발이 이루어질 수 있기 때문에 매우 중요하다.
특히, 인장력, 전단력, 압축력 등과 같은 기계적 자극의 경우 일상생활에서 쉽게 접할 수 있기 때문에 기계적 자극에 대한 세포 반응을 연구하는 것이 큰 주목을 받고 있다. 실제로, 기존 보고에 의하면 반복적인 기계적 자극은 관절염, 피부세포의 켈로이드(keloid)화와 같은 질병을 유발하며, 줄기세포의 배양 속도 조절 및 특정 세포로의 분화에 있어서도 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
이와 관련하여 초음파를 이용하여 용기 구조물 내 세포에 간접적인 자극을 인가하는 방법(한국공개특허 제10-2015-0125350호)이 있으나, 이는 간접적인 자극이기 때문에 세포에 가해지는 기계적 자극에 대한 정량화가 어려우며, 세포 배양액의 구성 및 용량에 따라 세포에 인가되는 자극의 강도가 달라지는 한계점이 존재한다.
또 다른 방법으로, Micro Electro-Mechanical System(MEMS) 공정을 통해 제작된 미세 바늘을 이용한 직접적이고 기계적인 자극을 인가하는 장치(한국공개특허 제10-2010-0067298호)가 있으나, 찌름 자극만 인가되는 한계점이 존재한다.
또한, 줄기세포 배양을 위하여 다양한 기계적 자극을 가하는 세포 배양 장치 및 그것을 이용한 줄기세포 배양방법(한국등록특허 제10-0799988호)은 인장, 압축, 비틀림의 3가지 자극을 인가할 수 있는 장치이나 모터, 펌프, 스캐폴드 등으로 구성되는 복잡하고 비효율적인 공간성으로 인하여 소수의 세포만을 대상으로 활용할 수 있기 때문에 줄기세포 배양액 제조설비와 같은 실제 산업화에 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2015-0125350호 한국공개특허 제10-2010-0067298호 한국등록특허 제10-0799988호
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 신축성 있는 소재로 제작되는 용기 바닥면에 진공 압력을 인가할 수 있는 압력 조절 장치를 구비하여 세포에 기계적 자극을 제공함과 동시에 세포를 배양할 수 있는 세포 자극 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치는, 세포를 수용하는 세포 수용홈이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 세포 수용홈의 저면이 신축성 있는 재질로 형성되는 세포 수용부; 및 상기 세포 수용부를 지지하고, 상기 세포 수용부에 압력을 인가하여 상기 세포 수용홈을 변형시키는 압력 조절부;를 포함한다.
또한, 상기 세포 수용홈의 저면은 신축성 있는 폴리머 재질로 형성된다.
또한, 상기 세포 수용홈은 상기 세포 수용부 상에 다수의 행과 열을 이루어 격자형으로 배치되고, 상기 압력 조절부는 상기 세포 수용홈 각각에 가해지는 압력을 독립적으로 제어한다.
또한, 상기 세포 수용홈에는 다수의 돌기부가 형성된다.
또한, 상기 압력 조절부에는 상기 세포 수용부를 지지하고, 공기가 출입할 수 있는 공기 구멍이 적어도 하나 이상 형성되는 스테이지부와, 상기 세포 수용부에 진공 압력을 인가하는 펌프와, 상기 펌프의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 공기 구멍은 상기 스테이지부의 상부에 형성되고, 상기 공기 구멍은 상기 세포 수용홈의 저면과 대응되는 위치에 형성된다.
또한, 상기 스테이지부에는 다수 개의 공기 흡입관이 구비되며, 상기 다수 개의 공기 흡입관은 상기 세포 수용홈과 대응되는 위치에 배치되고, 상기 다수 개의 공기 흡입관은 상기 세포 수용홈이 이루는 각 행 또는 열마다 독립적으로 제어된다.
또한, 상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행들 가운데 같은 행에 포함되는 세포 수용홈은 같이 신축되고, 상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행들은 서로 별개로 제어되며, 상기 스테이지부에는 상기 공기 흡입관 사이를 서로 연통시키는 연통관이 구비되고, 상기 연통관에는 상기 펌프 구동에 의해 상기 공기 흡입관을 통하여 흡입되는 공기의 출입을 제어하는 밸브가 구비된다.
또한, 상기 밸브는 상기 공기 흡입관 가운데 원하는 행에 배치되는 공기 흡입관을 통해서만 공기를 흡입하도록 공기의 유동을 제어한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 세포 자극 장치는, 세포를 수용하는 세포 수용홈이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 세포 수용홈의 저면이 신축성 있는 재질로 형성되는 세포 수용부; 상기 세포 수용홈의 내주면에 요철 형상으로 형성되는; 및 상기 세포 수용부를 지지하고, 상기 세포 수용부에 압력을 인가하여 세포에 가해지는 기계적 자극의 세기를 조절하는 압력 조절부;를 포함한다.
또한, 상기 세포 수용홈의 저면 및 상기 돌기부는 신축성 있는 폴리머 재질로 형성된다.
또한, 상기 압력 조절부에는 상기 세포 수용부를 지지하고, 공기가 출입할 수 있는 공기 구멍이 적어도 하나 이상 형성되는 스테이지부와, 상기 세포 수용부에 진공 압력을 인가하는 펌프와, 상기 펌프의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 스테이지부에는 다수 개의 공기 흡입관이 구비되며, 상기 다수 개의 공기 흡입관은 상기 세포 수용홈과 대응되는 위치에 배치되고, 상기 다수 개의 공기 흡입관은 상기 세포 수용홈이 이루는 각 행 또는 열마다 독립적으로 제어된다.
또한, 상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행들 가운데 같은 행에 포함되는 세포 수용홈은 같이 신축되고, 상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행들은 서로 별개로 제어되며, 상기 스테이지부에는 상기 공기 흡입관 사이를 서로 연통시키는 연통관이 구비되고, 상기 연통관에는 상기 펌프 구동에 의해 상기 공기 흡입관을 통하여 흡입되는 공기의 출입을 제어하는 밸브가 구비된다.
또한, 상기 밸브는 상기 공기 흡입관 가운데 원하는 행에 배치되는 공기 흡입관을 통해서만 공기를 흡입하도록 공기의 유동을 제어한다.
본 발명에 의하면, 세포 수용부의 저면이 수직 방향으로 인장되어 기계적 자극을 인가하기 때문에 종래 수평 방향으로 세포에 기계적 자극을 인가하는 장치에 비하여 공간 효율성이 우수하므로 대량으로 세포를 배양하는 것이 용이하다.
또한, 펌프의 흡입력을 이용하기 때문에 종래 세포에 자극을 제공하기 위하여 기계장치가 반복적으로 움직임에 따라 발생하는 마모 및 손상을 방지할 수 있다.
또한, 세포에 기계적 자극을 가하여 성장을 촉진시키고, 세포의 분화 방향을 결정할 수 있으며, 세포에서 발현되는 단백질의 양을 증가시켜 기능적 측면을 강화 시킬 수 있다.
또한, 세포 자극 장치를 실험용, 연구용, 산업용 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치의 사시도이다.
도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치의 압력 조절부를 도시하는 사시도이다.
도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치의 세포 수용부를 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 2(b)의 세포 수용부를 위에서 바라본 모습을 도시하는 도면이다.
도 4(a)는 도 1의 A-A'를 절개하여 바라본 단면도이다.
도 4(b)는 도 4(a)의 세포 수용부의 저면이 진공 압력에 의해 변형되어 세포가 신장되는 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5(a)는 도 1의 B-B'를 절개하여 바라본 단면도이다.
도 5(b)는 도 5(a)의 세포 수용부의 저면이 진공 압력에 의해 변형되어 세포가 신장되는 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5(c)는 도 5(a)의 세포 수용부 가운데 임의의 열에 배치되는 세포 수용홈의 저면이 진공 압력에 의해 변형되어 세포가 신장되는 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명의 다른 실시예에 의한 세포 자극 장치를 도시하는 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치를 이용한 인체 피부 세포(Human dermal fibroblast) 성장 촉진 실험 결과를 도시하는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치의 사시도이고, 도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치의 압력 조절부를 도시하는 사시도이며, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치의 세포 수용부를 도시하는 사시도이고, 도 3은 도 2(b)의 세포 수용부를 위에서 바라본 모습을 도시하는 도면이며, 도 4(a)는 도 1의 A-A'를 절개하여 바라본 단면도이고, 도 4(b)는 도 4(a)의 세포 수용부의 저면이 진공 압력에 의해 변형되어 세포가 신장되는 형태를 개략적으로 도시하는 도면이며, 도 5(a)는 도 1의 B-B'를 절개하여 바라본 단면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 세포 수용부의 저면이 진공 압력에 의해 변형되어 세포가 신장되는 형태를 개략적으로 도시하는 도면이며, 도 5(c)는 도 5(a)의 세포 수용부 가운데 임의의 열에 배치되는 세포 수용홈의 저면이 진공 압력에 의해 변형되어 세포가 신장되는 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치(1)는 세포 수용부(10)와 압력 조절부(20)를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 세포 자극 장치(1)에 수용되는 세포(C)는 일례로, 줄기세포, 피부세포, 신경세포 등 다양한 세포에 적용 가능하며, 바람직하게는 기계적 자극에 영향을 받는 모든 세포에 적용 가능하다.
세포 수용부(10)는 검사 시료(ex. 혈액, 균, 세포 등)를 담아 검사 시료의 상태를 검사하거나, 측정하는 데 사용하는 웰 플레이트(well plate)로 구비될 수 있다. 또한, 세포 수용부(10)는 사용자의 요구에 따라 다양한 규격으로 제작이 가능하다.
세포 수용부(10)는 세포(C)를 수용하는 세포 수용홈(11)이 다수 개 형성될 수 있고, 신축성 있는 재질로 형성될 수 있다. 일례로, 세포 수용부(10)의 내주면(12)은 폴리에틸렌 테레프타레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리스티렌(PS, polystyrene), 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane), 실리콘(Silicon) 등의 재질로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 세포 수용부(10)의 내주면(12)은 세포 배양에 적합하고, 세포 수용부(10)의 형태를 유지시킬 수 있는 물질이면 어떤 것이든 사용될 수 있다. 또한, 세포 수용부(10)의 저면(13)은 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 또는 폴리우레탄(PU, polyurethane) 등의 신축성 폴리머 재질로 형성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 세포(C)는 주변 환경에 민감하기 때문에 세포 독성이 있는 물질(ex. 은)에서는 성장하지 않으므로, 세포(C)를 수용하는 세포 수용부(10)는 생체 적합성 물질로 형성될 수 있다.
세포 수용홈(11)은 세포 수용부(10) 상에 다수의 행과 열을 이루어 격자형으로 배치되도록 형성될 수 있다. 일례로, 세포 수용부(10)에 형성되는 세포 수용홈(11)은 소정 간격 이격되어 다수 개가 형성될 수 있으며, 다수 개의 세포 수용홈(11)은 다수 개의 행(a1, a2, a3, a4)을 이루어 배치될 수 있다. 세포 수용홈(11)이 이루는 각각의 행(a1, a2, a3, a4)에 배치되는 다수 개의 세포 수용홈(11)에 가해지는 압력은 후술될 압력 조절부(20)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 또한, 세포 수용홈(11)이 이루는 각각의 행(a1, a2, a3, a4)은 세포 수용홈(11)이 이루는 각각의 열(r)을 따라 독립적으로 제어될 수 있다(이하, 도 3을 참조하여 가로 방향을 행으로 칭하고, 세로 방향을 열로 칭함).
압력 조절부(20)는 세포 수용부(10)를 지지함과 동시에, 세포 수용부(10)에 압력을 인가하여 세포 수용부(10)에 형성되는 세포 수용홈(11)을 변형시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 압력 조절부(20)는 스테이지부(21)와, 펌프(22)와, 제어부(23)를 포함할 수 있다. 스테이지부(21)는 세포 수용부(10)를 지지하는 동시에 공기가 출입할 수 있는 다수 개의 공기 구멍(210)이 형성될 수 있다. 공기 구멍(210)은 스테이지부(21)의 상부에 형성될 수 있고, 세포 수용홈(11)의 저면과 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 펌프(22)는 공기를 흡입하여 세포 수용부(10)에 진공 압력을 인가할 수 있다. 보다 상세히, 펌프(22)는 세포 수용부(10)의 저면(13)에 흡입력을 가하여 세포 수용홈(11) 내에 수용되는 세포(C)를 수직 방향으로 인장시키는 역할을 할 수 있다. 한편, 제어부(23)는 펌프(22)의 구동을 제어하는 역할을 할 수 있다. 제어부(23)는 펌프(22)의 구동 압력 및 on/off 주파수를 조절하여 펌프(22)의 작동 주기를 다양하게 조절할 수 있다. 일례로, 펌프(22)의 작동 주기는 1Hz, 0.5Hz, 2Hz 등으로 다양하게 제어될 수 있으며, 이는 사용자의 목적에 따라 다르게 조절될 수 있다.
압력 조절부(20)에는 다수 개의 공기 흡입관(24)이 구비될 수 있다. 각각의 공기 흡입관(24)은 세포 수용홈(11)이 이루는 각각의 행(a1, a2, a3, a4)마다 세포 수용홈(11)의 하부와 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
공기 흡입관(24)은 세포 수용홈(11)이 이루는 각각의 행(a1, a2, a3, a4)마다 배치되는 제1 공기 흡입관(241), 제2 공기 흡입관(242), 제3 공기 흡입관(243), 제4 공기 흡입관(244)을 포함할 수 있다.
다수 개의 공기 흡입관(241, 242, 243, 244)은 각각 세포 수용홈(11)이 이루는 행(a) 또는 열(r)을 따라 독립적으로 제어될 수 있다. 세포 수용홈(11)이 이루는 각각의 행(a1, a2, a3, a4) 가운데 같은 행에 포함되는 세포 수용홈(11)의 저면은 펌프(22)가 구동되어 흡입력이 발생할 때 수직 방향으로 같이 신축될 수 있다. 즉, 동일한 행을 구성하는 다수 개의 세포 수용홈(11)은 펌프(22)의 진공 압력에 의해 동일하게 변형될 수 있다. 한편, 세포 수용홈(11)이 이루는 각각의 행(a1, a2, a3, a4)은 열(r) 방향을 따라 서로 별개로 제어될 수 있다. 다시 말해, 각각의 행(a1, a2, a3, a4) 가운데 일부 행 또는 전체 행에 펌프(22)의 흡입력이 가해질 수 있고 이에 따라 원하는 행에만 선택적으로 진공 압력을 인가할 수 있다.
스테이지부(21)에는 다수 개의 공기 흡입관(241, 242, 243, 244) 사이를 연통시키는 연통관(25)이 구비될 수 있다. 연통관(25)은 세포 수용홈(11)과 대응되는 위치에 배치되는 다수 개의 공기 흡입관(241, 242, 243, 244)을 열(r) 방향으로 서로 연통 시킬 수 있다. 이 때 연통관(25)에는 세포 수용홈(11)이 이루는 각각의 행(a1, a2, a3, a4) 가운데 원하는 행에 배치되는 공기 흡입관(24)으로만 공기가 출입하도록 공기의 유동을 제어하는 밸브(26)가 구비될 수 있다.
밸브(26)는 각각의 공기 흡입관(241, 242, 243, 244)과 연통관(25) 사이를 선택적으로 개폐하는 제1 밸브(261)와, 제2 밸브(262)와, 제3 밸브(263)와, 제4 밸브(264)를 포함할 수 있다.
일례로, 밸브(26)가 모두 차폐된 경우(도 5(a) 참조)에는, 세포 수용홈(11) 내에 수용되는 세포(C)는 세포 수용부(10)의 저면(13)에 부착된 상태를 유지할 수 있다.
이와 반대로, 밸브(26)가 모두 개방되어 다수 개의 공기 흡입관(241, 242, 243, 244)과 연통관(25) 사이를 연통시키는 경우(도 5(b) 참조)에는, 제어부(23)에 의해 펌프(22)를 구동시켜서 다수 개의 공기 흡입관(241, 242, 243, 244)을 통해 공기를 흡입하여 세포 수용부(10)에 진공 압력을 인가할 수 있고, 이에 따라 세포 수용부(10)의 저면(13)이 아래 방향으로 인장되면서 세포(C)에 기계적 자극을 가할 수 있다.
또한, 밸브(26) 가운데 제1 밸브(261)만을 개방시켜서 제1 공기 흡입관(241)과 연통관(25) 사이를 연통시키는 경우(도 5(c) 참조)에는, 세포 수용홈(11)이 이루는 첫번째 행(a1)에만 진공 압력을 인가할 수 있고, 이에 따라 세포 수용부(10)의 첫번째 행(a1)에 배치되는 세포 수용홈(11)의 저면(13)이 아래 방향으로 인장되면서 세포(C)에 기계적 자극을 가할 수 있다.
본 발명에서는 세포 수용부(10)의 저면(13)이 압력 조절부(20)에 의해 수직 하방으로 인장되어 세포(C)에 기계적 자극을 가하는 방식이므로, 종래 수평 방향으로 기계적 자극을 인가하는 장치에 비하여 공간 효율성이 우수하므로 대량으로 세포(C)를 배양하는 것이 용이한 장점이 있다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명의 다른 실시예에 의한 세포 자극 장치를 도시하는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 세포 자극 장치는 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치(1)와 동일하게 세포 수용부(100)와, 압력 조절부(300)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의한 세포 자극 장치는 세포 수용부(100)에 형성되는 세포 수용홈(101)의 내주면(102)에 돌기부(200)가 형성될 수 있다.
보다 상세하게는, 돌기부(200)는 다수 개의 세포 수용홈(101)의 내주면(102) 및 저면(103) 상부에 요철(201) 형상으로 형성될 수 있다. 일례로, 돌기부(200)는 도 6에 요철(201) 형상으로 형성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 반구형, 삼각형 등 세포(C)가 부착될 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
돌기부(200)는 세포 수용홈(101) 내부에 수용되는 세포(C)의 부착성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 또한, 돌기부(200)는 세포(C)가 수용되어 부착되는 부분이므로 생체 적합성 물질(ex. 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄)로 형성되는 것이 바람직하다.
압력 조절부(300)에는 세포 수용부(100)에 진공 압력을 인가하는 펌프(302)와 펌프(202)의 작동을 제어하는 제어부(303)가 구비될 수 있다.
또한, 압력 조절부(300)에는 다수 개의 공기 흡입관(304)이 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 공기 흡입관(304)은 세포 수용홈(101)이 이루는 각 행마다 하나씩 구비될 수 있다. 세포 수용홈(101)은 세포 수용부(100) 상에 격자형으로 배치되도록 형성될 수 있고, 이 때, 다수 개의 공기 흡입관(304)은 세포 수용홈(101)이 이루는 각 행의 하부에 구비되는 제1 공기 흡입관(314), 제2 공기 흡입관(324), 제3 공기 흡입관(334), 제4 공기 흡입관(344)을 포함할 수 있다.
다수 개의 공기 흡입관(314, 324, 334, 344) 사이에는 세포 수용홈(101)이 이루는 열을 따라 다수 개의 공기 흡입관(314, 324, 334, 344)을 서로 연통시키는 연통관(305)이 형성될 수 있으며, 이 때 연통관(305)에는 세포 수용홈(101)이 이루는 다수의 행 가운데 원하는 행에 배치되는 공기 흡입관(304)으로만 공기가 출입할 수 있도록 공기의 유동을 제어하는 밸브(316, 326, 336, 346)가 구비될 수 있다.
밸브(316, 326, 336, 346)는 각각의 공기 흡입관(314, 324, 334, 344)과 연통관(305) 사이를 선택적으로 개폐하는 제1 밸브(316)와, 제2 밸브(326)와, 제3 밸브(336)와, 제4 밸브(346)를 포함할 수 있다. 각 밸브(316, 326, 336, 346)는 일부 또는 전체를 개방 또는 차폐시켜서 공기 흡입관(304)과 연통관(305) 사이의 공기 유동을 제어함으로써 원하는 행에 배치되는 세포 수용홈(101)을 변형시킬 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치를 이용한 인체 피부 세포(Human dermal fibroblast) 성장 촉진 실험 결과를 도시하는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치(1)에 의해 인체 피부 세포 성장 촉진 실험 수행 결과를 확인할 수 있다.
인체 피부 세포 성장 촉진 실험 수행 결과, 인체 피부 세포에 기계적 자극(진공 압력)을 인가하여 인체 피부 세포의 성장이 같은 기간 동안 1.2배 촉진되는 것을 확인할 수 있으며, 또한 세포의 모양도 기계적 자극이 인가되는 방향으로 성장하는 것을 확인할 수 있다(도 7 참조).
또한, 인체 피부 세포 성장 촉진 실험에서 세포들의 단백질 발현 차이를 분석한 결과, 본 발명의 일 실시예에 의한 세포 자극 장치(1)를 통해 기계적 자극을 받으며 배양된 세포에서 성장촉진인자(TGF-B)는 2배, 콜라겐(COL1)은 2.3배, 세포증식인자(PPP2R5D)는 2.9배 가량 더 많이 발현된 것을 확인할 수 있다(도 8 참조).
이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 세포 자극 장치의 작용에 대하여 설명하도록 한다.
세포 자극 장치(1)는 진공 압력을 이용하여 세포(C)에 기계적인 자극을 가함과 동시에 세포(C)를 배양할 수 있는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 세포(C)에 인장력을 가함으로써 세포(C)의 성장을 촉진할 수 있고, 세포(C)의 기능적 측면을 강화 시킬 수 있다.
일례로, 세포(C)에 인장력을 가함으로써 기존에 세포(C) 성장에 3일이 소요되던 것을 하루만에 성장이 이루어지도록 촉진할 수 있다.
또한, 세포(C) 가운데 줄기세포의 경우에는 뼈, 피부, 신경세포 등 다양한 방향으로 분화하게 되는데, 이러한 줄기세포에 인장력을 가함으로써 줄기세포의 분화 방향을 결정할 수 있다. 더 나아가, 줄기세포에서 발현되는 단백질을 약제로 활용할 수 있다.
또한, 세포(C)에 인장력을 가함으로써 세포(C)가 발현하는 단백질의 양이 증가됨에 따라 세포(C)의 기능적 측면을 강화 시킬 수 있다. 도 8에 도시된 바와 유사하게, 피부세포에 인장력을 가하여 성장시키면 피부세포가 발현하는 콜라겐 단백질의 양이 증가될 수 있다.
1: 세포 자극 장치
10, 100: 세포 수용부 11, 101: 세포 수용홈
12, 102: 내주면 13, 103: 저면
20, 300: 압력 조절부 21: 스테이지부
22, 302: 펌프 23, 303: 전원부
24, 304: 공기 흡입관 25, 305: 연통관
26: 밸브 200: 돌기부
201: 요홈 210: 공기 구멍
C: 세포

Claims (15)

  1. 세포를 수용하는 세포 수용홈이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 세포 수용홈의 저면이 신축성 있는 재질로 형성되는 세포 수용부; 및
    상기 세포 수용부를 지지하고, 상기 세포 수용부에 압력을 인가하여 상기 세포 수용홈을 변형시키는 압력 조절부;를 포함하고,
    상기 세포 수용홈에는 다수의 돌기부가 형성되며,
    상기 압력 조절부는,
    상기 세포 수용부를 지지하고, 공기가 출입할 수 있는 공기 구멍이 적어도 하나 이상 형성되는 스테이지부와,
    상기 세포 수용부에 진공 압력을 인가하는 펌프와,
    상기 펌프의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 스테이지부에는 다수 개의 공기 흡입관이 구비되며,
    상기 다수 개의 공기 흡입관은 상기 세포 수용홈과 대응되는 위치에 배치되고,
    상기 다수 개의 공기 흡입관은 상기 세포 수용홈이 이루는 각 행 또는 열마다 독립적으로 제어되는 세포 자극 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세포 수용홈의 저면은 신축성 있는 폴리머 재질로 형성되는 세포 자극 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세포 수용홈은 상기 세포 수용부 상에 다수의 행과 열을 이루어 격자형으로 배치되고, 상기 압력 조절부는 상기 세포 수용홈 각각에 가해지는 압력을 독립적으로 제어하는 세포 자극 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공기 구멍은 상기 스테이지부의 상부에 형성되고, 상기 공기 구멍은 상기 세포 수용홈의 저면과 대응되는 위치에 형성되는 세포 자극 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행들 가운데 같은 행에 포함된 세포 수용홈은 같이 신축되고, 상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행들은 서로 별개로 제어되며,
    상기 스테이지부에는 상기 공기 흡입관 사이를 서로 연통시키는 연통관이 구비되고,
    상기 연통관에는 상기 펌프 구동에 의해 상기 공기 흡입관을 통하여 흡입되는 공기의 출입을 제어하는 밸브가 구비되는 세포 자극 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 공기 흡입관 가운데 원하는 행에 배치되는 공기 흡입관을 통해서만 공기를 흡입하도록 공기의 유동을 제어하는 세포 자극 장치.
  10. 세포를 수용하는 세포 수용홈이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 세포 수용홈의 저면이 신축성 있는 재질로 형성되는 세포 수용부; 및
    상기 세포 수용홈의 내주면에 요철 형상으로 형성되는 돌기부; 및
    상기 세포 수용부를 지지하고, 상기 세포 수용부에 압력을 인가하여 세포에 가해지는 기계적 자극의 세기를 조절하는 압력 조절부;를 포함하며,
    상기 세포 수용부를 지지하고, 공기가 출입할 수 있는 공기 구멍이 적어도 하나 이상 형성되는 스테이지부와,
    상기 세포 수용부에 진공 압력을 인가하는 펌프와,
    상기 펌프의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 스테이지부에는 다수 개의 공기 흡입관이 구비되며,
    상기 다수 개의 공기 흡입관은 상기 세포 수용홈과 대응되는 위치에 배치되고,
    상기 다수 개의 공기 흡입관은 상기 세포 수용홈이 이루는 각 행 또는 열마다 독립적으로 제어되는 세포 자극 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 세포 수용홈의 저면 및 상기 돌기부는 신축성 있는 폴리머 재질로 형성되는 세포 자극 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행 가운데 같은 행에 포함된 세포 수용홈은 같이 신축되고, 상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행들은 서로 별개로 제어되며,
    상기 스테이지부에는 상기 세포 수용홈이 이루는 각각의 행마다 배치되는 상기 공기 흡입관 사이를 서로 연통시키는 연통관이 구비되고,
    상기 연통관에는 상기 펌프 구동에 의해 상기 공기 흡입관을 통하여 흡입되는 공기의 출입을 제어하는 밸브가 구비되는 세포 자극 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 공기 흡입관 가운데 원하는 행에 배치되는 공기 흡입관을 통해서만 공기를 흡입하도록 공기의 유동을 제어하는 세포 자극 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190070096A (ko) * 2017-12-12 2019-06-20 전남대학교산학협력단 Live cells의 기전자극 및 분석을 위한 기능성 well plate 시스템
KR20200090578A (ko) * 2019-01-21 2020-07-29 연세대학교 원주산학협력단 세포 자극 시스템 및 이를 이용한 세포 자극 방법

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110713898A (zh) * 2019-10-30 2020-01-21 山东大学 一种向活细胞施加外力的装置、方法及高通量微流控芯片

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4789601A (en) * 1987-05-04 1988-12-06 Banes Albert J Biocompatible polyorganosiloxane composition for cell culture apparatus
KR100799988B1 (ko) 2006-11-30 2008-01-31 연세대학교 산학협력단 줄기세포 배양을 위하여 다양한 기계적 자극을 가하는 세포 배양 장치 및 그것을 이용한 줄기세포 배양방법
CN107988072B (zh) 2008-07-16 2022-11-29 儿童医疗中心有限公司 具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法
KR20100067298A (ko) 2008-12-11 2010-06-21 한국과학기술원 세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템
JP5407343B2 (ja) * 2009-01-13 2014-02-05 大日本印刷株式会社 生体組織の作製方法
KR101562504B1 (ko) 2013-09-17 2015-10-23 인제대학교 산학협력단 세포 복합 자극 및 배양 장치, 및 이를 이용한 세포의 배양 방법
KR101609048B1 (ko) 2014-04-30 2016-04-04 재단법인대구경북과학기술원 세포 자극 시스템

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190070096A (ko) * 2017-12-12 2019-06-20 전남대학교산학협력단 Live cells의 기전자극 및 분석을 위한 기능성 well plate 시스템
KR102040638B1 (ko) * 2017-12-12 2019-11-27 전남대학교산학협력단 Live cells의 기전자극 및 분석을 위한 기능성 well plate 시스템
KR20200090578A (ko) * 2019-01-21 2020-07-29 연세대학교 원주산학협력단 세포 자극 시스템 및 이를 이용한 세포 자극 방법
KR102195846B1 (ko) 2019-01-21 2020-12-28 연세대학교 원주산학협력단 세포 자극 시스템 및 이를 이용한 세포 자극 방법

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