KR102381523B1 - 세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩 - Google Patents

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Abstract

세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩이 소개된다.
이를 위해 본 발명은 세포배양액이 담지되는 세포배양액공급부(100), 세포배양액이 공급되어 배양될 수 있는 세포가 위치하고 상기 세포배양액공급부(100)의 하부에 위치하여 적층된 구조로 이루어지며, 세포 배양을 위해 공급된 배양액이 배출될 수 있도록 복수개의 배출홀(210)이 형성된 세포배양부(200), 상기 세포배양부(200) 하부에 위치하되 상기 배출홀(210)을 매개로 상기 세포배양부(200)와 연통되고 적층된 구조로 이루어진 세포배양액배출부(300)를 포함하고, 상기 세포배양액공급부(100)에는 세포배양액이 세포배양부(200)로 흐를 수 있는 복수개의 배양액이동홀(110)이 형성된 별도의 배양액이동플레이트(400)가 위치하는 것을 특징으로 한다.

Description

세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩{Three-dimensional cell culture chip with automatic supplying cell culture media}
본 발명은 세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩에 관한 기술이다.
최근, 질병 치료에 배양 세포의 이용이 확대됨에 따라 세포배양에 대한 관심 및 연구가 증가하고 있다. 세포배양은 세포를 생체로부터 채취하고, 생체 밖에서 배양시키는 기술이며, 배양된 세포는 피부, 장기, 신경 등 신체의 다양한 조직으로 분화시켜 인체에 이식되거나 분화시키기 전 상태로 인체에 이식시켜 생착 및 분화를 동시에 이루어지게 하여 다양한 질병 치료에 활용될 수 있다.
이와 같은 세포배양이 연계된 분야가 조직공학(tissue engineering)이며, 세포학, 생명과학, 공학, 의학 등의 기존의 과학 영역을 응용하는 다학제간 학문으로써, 생체조직의 구조와 기능 사이의 상관관계를 이해하고, 손상된 조직이나 장기를 정상적인 조직으로 대체, 재생시키기 위한 새로운 융합기술이 연구되고 있다.
한편, 재생 의료 분야에서 환자에게서 채취한 세포를 생체 외에서 배양할 수 있도록 세포배양 지지체와 세포배양용기를 제작하고, 세포배양 지지체에서 배양된 세포를 다시 생체 내로 이식함으로써 의료 효과를 향상시키는 연구가 진행되고 있다.
이러한 세포배양용기를 통해 세포를 배양하기 위해서는 목적하는 세포가 부착된 세포배양 지지체를 세포배양용기에 넣고 세포의 크기와 종류를 고려하여 다양한 세포배양액을 주입하여 목적하는 세포의 배양이 가능하다.
통상적인 세포배양은 세포배양 지지체를 배양용기의 하면에 부착한 후 세포배양 지지체의 상면에서 세포를 배양하는 방법인데, 이 경우 배양되는 세포가 2차원적으로만 증식, 성장하는 경향이 커서 3차원 세포군집체를 제조하기 어려운 문제가 있다.
한편, 세포를 배양하기 위해서는 세포배양액이 반드시 필요한데, 이 세포배양액을 세포에 공급하는 기술에 대한 문제가 있다.
즉, 인체와 유사한 환경을 형성하기 위해서는 세포배양액이 세포로 공급될 때 아주 미세한 속도로 공급되어야 하는데, 이를 구현하는 기술이 전무하고, 이러한 기술이 접목되지 않은채 배양된 세포는 실제 활용하지 못하는 문제가 발생한다.
결국, 인체와 아주 유사한 환경처럼 세포배양액이 공급되게 하는 것이 배양된 세포를 실제 활용하는데 가장 큰 기술적 난제이며, 이에 본 발명은 3차원으로 세포를 배양함은 물론이고, 세포배양액 공급 역시 인체와 유사하도록 중력과 표면장력을 이용함에 그 특징이 있다.
KR 10-1431914(2014.08.12 등록)
본 발명은 1)실험실에서 본 발명에 의해 구현된 장치로 세포배양을 손쉽고, 정확하게 하고, 2)배양된 세포 역시 2차원이 아닌 3차원으로 구현하고자 함에 있고, 3)세포에 공급되는 세포배양액이 인위적인 힘이 아닌 중력과 표면장력에 의해 세포로 공급되어 인체 내에서의 환경을 모사하고자 함에 그 목적이 있다.
세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩이 소개된다.
이를 위해 본 발명은 세포배양액이 담지되는 세포배양액공급부(100), 세포배양액이 공급되어 배양될 수 있는 세포가 위치하고 상기 세포배양액공급부(100)의 하부에 위치하여 적층된 구조로 이루어지며, 세포 배양을 위해 공급된 배양액이 배출될 수 있도록 복수개의 배출홀(210)이 형성된 세포배양부(200), 상기 세포배양부(200) 하부에 위치하되 상기 배출홀(210)을 매개로 상기 세포배양부(200)와 연통되고 적층된 구조로 이루어진 세포배양액배출부(300)를 포함하고, 상기 세포배양액공급부(100)에는 세포배양액이 세포배양부(200)로 흐를 수 있는 복수개의 배양액이동홀(110)이 형성된 별도의 배양액이동플레이트(400)가 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 의한다면, 1)3차원 세포 배양이 이루어짐은 물론이고, 2)세포배양액이 인위적이지 않은 중력과 표면장력에 의해 세포에 공급되어 이 세포배양액에 의해 배양된 세포 역시 인체 내에서 성장한 세포와 거의 동일하게 구현되어 해당 배양된 세포를 대상으로 사용자가 원하는 실험을 할 수 있고, 그에 따른 결과 역시 신뢰할 수 있게 되는 등 다양한 효과가 구현된다.
도 1은 본 발명의 전체구성도이고, 도 2는 본 발명의 측면도,
도 3은 본 발명의 일 구성요소인 배출홀 부분을 확대한 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예로 상부디쉬와 하부디쉬가 단순 적층된 구조를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 일 구성요소인 경사면의 실시예들에 대한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명인 세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명의 설명에 앞서, 세포 배양 기술에 대해 언급하면 다음과 같다.
세포 배양은 세포 생물학, 조직 엔지니어링, 바이오 메디컬 엔지니어링, 의약품 개발을 위한 약물 동태학 등에서는 핵심 단계이다. 시험관 내 세포 배양은 다양한 세포를 다량으로 배양하는 것을 가능하게 한다. 비록 시험관 내 세포 배양 기술이 통상의 실험실 내에서 널리 사용되고 있기는 하나, 실험실 내에서 성장된 세포가 생체 내에서 성장된 세포와 동일한지는 여전히 확신할 수 없는 바, 이는 전자가 생물학적 시스템 환경과는 상이한 환경을 수반하기 때문이다. 실제, 살아있는 유기체는 다층, 멤브레인, 단백질 채널 등으로 구성되는 2차원 또는 3차원의 마이크로 스케일의 시스템의 복잡하고 유기적인 구조를 갖고 있다.
이에 본 발명은 세포가 배양되는 환경을 최대한 인체와 동일하게 모사하고자 함에 그 목적이 있고, 더 나아가 세포가 성장하는데 필요한 세포배양액이 실제 인체 내에서의 환경과 유사하게 눈에 보이지 않는 속도(미세한 속도)로 세포에 전달되도록 함에 있으며, 그 세포배양액이 흐르게 하는 원동력을, 즉 인위적이지 않은 자연적인 원동력인 표면장력과 중력에 기반하고자 함에 있다.
도 1은 본 발명의 전체구성도이고, 도 2는 본 발명의 측면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은 세포배양액이 담지되는 세포배양액공급부(100)가 개시된다.
해당 세포배양액은 주지하다시피, 통상적으로 기본 미디어 (Media, DMEM, RPMI, DMEM-F12 등)에 영양성분 (Fetal Bovine Serum 등)과 항생제 (페니실린, 스트렙토마이신 등)와 기타 성장성분 (gross factor)이 포함되는데, 그 점도는 일반증류수와 거의 같다. 본 발명에서도 이러한 일반적인 세포배양액이 사용되어 진다.
더 구체적으로는 어느 한 성분에 한정되지 않으며, 일반적으로 pH 지시제 및 조절을 위한 물질 (페놀 레드, HEPES) 등이 포함되어 있으면 본 발명에 적용이 가능하고, 본 발명에 사용되는 세포종류에 따라 해당 세포배양액의 성분은 변경이 가능하다.
세포배양액공급부(100)는 내부에 소정 공간이 형성되어 있고, 그 공간에 세포배양액이 담지되어 있다.
한편, 세포배양액이 공급되어 배양될 수 있는 세포가 위치하고 세포배양액공급부(100)의 하부에 위치하여 적층된 구조로 이루어지고, 세포 배양을 위해 공급된 배양액이 배출될 수 있도록 복수개의 배출홀(210)이 형성된 세포배양부(200)가 개시된다.
본 발명에 적용되는 세포는 특정되지 않으며, 사용자의 선택에 의해 다양한 세포가 적용될 수 있다.
그 일예로 사용된 세포는 AGS (ATCC, USA,MO) 및 U373MG (ATCC, USA, MO)가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 세포는, 예를 들어, 배아줄기세포(Embryonic stem cell; ESC), 중간엽줄기세포(Mesenchymal stem cell;MSC), 혈관내피전구세포(Endothelial progenitor cell, EPC), 섬유아세포(Fibroblast) 및 케라틴세포(Keratinocyte) 일 수 있으나, 역시 이에 한정되지 않는다.
세포배양액에 의해 세포가 성장 혹은 증식 과정에서 발생하는 노폐물, 찌꺼기 등을 배출하여 사용자가 원하는 최적의 배양된 세포를 얻기 위해서는 세포배양액을 외부로 배출해야 하는바, 본 발명의 세포배양부(200)의 일측에는 이러한 배출홀(210)이 개시되어 있다.
배출홀(210)의 크기와 갯수는 한정되지 않으며, 최적으로 노폐물, 찌거기가 포함된 세포배양액이 하부로 흐를수 있도록 설계된다.
해당 배출홀(210)의 한 개당 면적은 3mm2 이하로 구성됨이 바람직한데, 그 이유는 해당 면적보다 크게 되면 흐르는 배양액의 속도 조절이 어렵기 때문이다.
더 나아가 흐르는 배양액의 속도 조절(결국, 최대한 배양액이 느리게 흘러가게 하기 위함이다.)이 될 수 있도록 해당 배출홀(210)에는 다공성 메쉬가 구비될 수 있다.
한편, 기 설명한 세포배양부(200) 하부에 위치하되 배출홀(210)을 매개로 세포배양부(200)와 연통되고 적층된 구조로 이루어진 세포배양액배출부(300)가 개시된다.
세포배양액배출부(300) 역시 그 내부에 소정 공간이 형성되고, 적층된 구조로 이루어진다.
세포배양액공급부(100)에는 세포배양액이 세포배양부(200)로 흐를 수 있는 복수개의 배양액이동홀(110)이 형성된 별도의 배양액이동플레이트(400)가 위치하는 것을 특징으로 한다.
이 배양액이동홀(110)을 따라 세포배양액이 세포배양부(200)로 흐르게 되는데, 인위적인 힘이 아닌 중력과 표면장력에 의해 이동이 되도록 하여 최대한 인체내의 환경과 모사하도록 함에 있으며, 이를 구현하기 위해 이하 설명할 경사면(410)과 요철홈(411)이 개시된다.
한편, 배양액이동홀(110) 역시 흐르는 배양액의 속도 조절이 될 수 있도록 그 크기는 2mm2 이하로 구성됨이 바람직한데, 이 역시 해당 사이즈보다 크게 되면 배양액의 속도가 커지기 때문이고, 더욱 바람직하게는 이 배양액이동홀(110) 역시 다수개의 메쉬로 구성되어 최대한 배양액의 이동 속도를 줄일 수 있도록 설치된다.
다시 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 배양액이동플레이트(400)의 하단면은 세포배양부(200)를 향해 소정 각도로 경사진 경사면(410)이 형성되어 이 경사면(410)을 따라 세포배양액이 흐르는 것을 특징으로 한다.
최대한, 인위적인 힘이 가해지지 않은 상태에서 세포배양액이 세포로 이동되게 하기 위함이며, 세포배양액공급부(100)와 세포배양부(200)가 적층 구조로 이루어진바 세포배양액 역시 중력에 의해 이동되며, 더 나아가 이하 설명할 요철홈(411)에 의해 표면장력 역시 추가되어 최대한 인체 내 환경을 모사하고자 함에 있다.
이때, 이 경사면(410)의 각도(θ)는 100 이상 900 이하인 것을 특징으로 한다.
다시 도 1과 도 2를 참조하면, 세포배양액공급부(100)와 세포배양부(200)는 단일의 디쉬인 상부디쉬(10)로 이루어지고, 세포배양액배출부(300)는 이에 대응되는 별도의 단일 디쉬인 하부디쉬(20)로 이루어진 것을 특징으로 하는데, 이를 통해 보관이 용이하면서도 실제 실험실에서 편리하고 간단하게 세포배양 구현이 가능하게 되는 이점이 있다.
더 나아가 상부에 형성된 단일디쉬(상부디쉬)는 세포배양액공급부(100)와 세포배양부(200)가 같은 디쉬로 이루어져 세포 배양시 배양액의 공급과 배출이 용이하여 그 배양의 효율을 높일 수 있고, 배출시에도 오염을 줄이는 효과가 구현된다.
또한, 하부에 형성된 단일디쉬(하부디쉬)는 배출된 배양액이 상부에 형성된 배양 공간과 분리가 된 채 세포배양액배출부(300)에 따로 모이게 되어 오염을 줄일 수가 있는 효과가 형성됨은 물론이고, 하부에 상기 세포배양액배출부(300)를 설치함으로써 배출된 배양액의 역류를 방지하는 효과도 있다.
또한, 상-하부로 이루어져 기존 배양 디쉬의 모양과 비슷하여 배양에 관련된 기기(예를 들면, 세포배양인큐베이터 등)의 사용도 효과적이고도 쉽게 적용이 가능하다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 구성요소인 경사면(410)의 실시예들에 대한 도면이다.
상기 경사면(410)에는 그 경사면(410)을 따라 길이방향으로 설정된 단면으로 형성된 복수개의 요철홈(411)이 형성되어 이 요철홈(411)에 의해 형성된 단면적의 증가로 경사면(410)을 따라 흐르는 배양액의 표면장력이 유도된다.
경사면(410)에는 복수개의 요철홈(411)이 형성되어 요철홈(411)에 의해 경사면(410)을 따라 흐르는 배양액의 표면장력이 유도되고, 경사진 경사면(410)에 의해 배양액의 중력이 유도된다.
요철홈(411)의 형상은 다양하게 구현될 수 있으나, 도시된 바와 같이 대표적으로 그 단면이 사각형, 세모형, 반원형이 적용될 수 있으며, 세포배양액이 흐르면서 이러한 요철홈(411)에 담지됨과 동시에 해당 요철홈(411)으로 단면적이 증가하게 되고, 그 단면적에 의해 표면장력이 유도되어 세포배양액의 흐름이 느려지게 된다.
이러한 요철홈(411)이 경사면을 따라 그 길이방향으로 다수개 형성되어, 지속적으로 세포배양액이 빠른 속도로 경사면(410)을 따라 흐르는 것을 방지하게 되고, 이를 통해 최대한 인체 환경과 유사하게 세포배양액이 흐르도록 유도하게 된다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 구성요소인 배출홀(210) 부분을 확대한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예로 상부디쉬(10)와 하부디쉬(20)가 단순 적층된 구조를 나타낸다.
도면상에는 세포배양액공급부(100)를 선택적으로 개폐할 수 있는 별도의 커버(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이 커버(500)를 통해 외부와의 접촉을 막거나 다른 이물질이 세포배양액과 세포배양공간에 섞이는 것을 방지한다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하부디쉬(20)의 일측에는 회전축(600)이 형성되고, 상부디쉬(10)에는 상기 회전축(600)에 끼워져 회전할 수 있는 회전홈(700)이 형성된 것을 특징으로 하는데, 이를 통해 사용상의 편리성을 제공하게 된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 오염된 세포배양액이 모일 수 있도록 세포가 위치한 공간보다 다소 낮은 턱이 구비된 영역(A)이 개시되는데, 이를 통해 세포가 배양되면서 발생된 찌꺼기가 함유된 세포배양액이 모이게 되고, 오염된 세포배양액이 다시 세포가 위치한 영역(B)으로 이동되는 일종의 역류 현상을 방지하게 된다.
더 나아가 이 단차로 인해 세포배양액 즉, 일종의 찌꺼기가 포함된 배양액의 배출 흐름에 도움을 주게 된다.
이 단차진 영역에 기 설명한 배출홀(210)이 형성되고, 배출홀(210)을 따라 세포배양액이 하방으로 낙하하게 된다.
100 : 세포배양액공급부 200 : 세포배양부
300 : 세포배양액배출부 400 : 배양액이동플레이트
500 : 커버 600 : 회전축
700 : 회전홈

Claims (7)

  1. 세포배양액이 담지되는 세포배양액공급부;
    세포배양액이 공급되어 배양될 수 있는 세포가 위치하고 상기 세포배양액공급부의 하부에 위치하여 적층된 구조로 이루어지며, 세포 배양을 위해 공급된 배양액이 배출될 수 있도록 복수개의 배출홀이 형성된 세포배양부;
    상기 세포배양부 하부에 위치하되 상기 배출홀을 매개로 상기 세포배양부와 연통되고 적층된 구조로 이루어진 세포배양액배출부;를 포함하고,
    상기 세포배양액공급부에는 세포배양액이 세포배양부로 흐를 수 있는 복수개의 배양액이동홀이 형성된 별도의 배양액이동플레이트가 위치하는 것을 특징으로 하고,
    상기 배양액이동플레이트의 하단면은 상기 세포배양부를 향해 소정 각도로 경사진 경사면이 형성되어 이 경사면을 따라 세포배양액이 흐르는 것을 특징으로 하며,
    상기 경사면에는 그 경사면을 따라 길이방향으로 설정된 단면으로 형성된 복수개의 요철홈이 형성되어 상기 요철홈에 의해 형성된 단면적의 증가로 상기 경사면을 따라 흐르는 배양액의 표면장력이 유도되고,
    상기 경사진 경사면에 의해 배양액의 중력이 유도되어 상기 표면장력과 중력에 의해 배양액이 세포배양부로 흐르는 것을 특징으로 하는, 세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 세포배양액공급부와 상기 세포배양부는 단일의 디쉬인 상부디쉬로 이루어지고,
    상기 세포배양액배출부는 이에 대응되는 별도의 단일 디쉬인 하부디쉬로 이루어진 것을 특징으로 하는, 세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 경사면의 각도는 100 이상 900 이하인 것을 특징으로 하고,
    상기 배양액이동홀과 상기 배출홀에는 배양액의 흐름 속도를 낮출 수 있도록 다수개의 메쉬가 구성된 것을 특징으로 하는, 세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩.
  5. 삭제
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 세포배양액공급부를 선택적으로 개폐할 수 있는 별도의 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 하부디쉬의 일측에는 회전축이 형성되고,
    상기 상부디쉬에는 상기 회전축에 끼워져 회전할 수 있는 회전홈이 형성된 것을 특징으로 하며,
    상기 복수개의 배출홀이 형성된 영역은 세포가 위치한 영역과 단차지게 구별되는 것을 특징으로 하는, 세포배양액이 자동공급되는 3차원 세포배양칩.
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