KR100767448B1 - 원심분리기 및 원심분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심력에 의해 분리된 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기에 관한 것으로, 구체적으로는 내부에 물질을 수용하며 물질이 원심력에 의해 상측으로 이동하도록 안내하는 수용부와 수용부의 상측을 덮는 회전체 덮개를 포함하여 회전하는 회전체와, 수용부와 연통하도록 회전체 덮개에 결합하여 수용부의 상측으로 이동한 물질을 수용하는 용기를 포함하는 원심분리기에 관한 것이다. 또한 본 발명은 원심분리기에 의한 물질의 분리층 형성 후 소정의 속도로 회전속도를 감속시켜 회전을 계속하는 동안 각각의 분리층들에 작용하는 원심력의 크기의 차이를 이용하여 상대적으로 작은 원심력이 작용하는 물질의 층은 수용부로 탈락시키고 상대적으로 큰 원심력이 작용하는 물질의 층은 용기 내에 유지하는 방법으로 원하는 물질의 층만을 정확하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리방법에 관한 것이다.

Description

원심분리기 및 원심분리방법 {Centrifuge and centrifuging method}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 원심분리기의 상부를 도시하는 일부 사시도이다.

도 3은 도 1에 도시된 원심분리기의 측면 단면도이다.

도 4는 도 1에 도시된 원심분리기의 회전체를 도시하는 사시도이다.

도 5는 도 4에 도시된 회전체의 회전체 덮개를 도시하는 평면도이다.

도 6은 도 1에 도시된 원심분리기에서 회전체 내의 분리상황을 나타내는 측면 단면도이다.

도 7은 도 1에 도시된 원심분리기에서 용기의 장착상태를 도시하는 일부 사시도이다.

도 8은 도 7에 도시된 용기가 회전한 상태를 도시하는 일부 사시도이다.

도 9 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 관한 원심분리기의 수평 안내부의 수평 단면을 도시하는 단면도이다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기에서 원심력이 작용하지 않는 것으로 가정하였을 때 용기 내에서 작용하는 힘을 나타내는 개략도이다.

도 15a는 도 14에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 15b는 도 14에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 관한 용기의 지지구조를 도시하는 측면도이다.

도 17은 도 16에 도시된 용기의 결합상태가 해제된 상태를 도시하는 측면도이다.

도 18은 도 16에 도시된 용기가 해제상태로 변환된 상태를 도시하는 측면도이다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 용기의 지지구조를 도시하는 사시도이다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리방법의 흐름도이다.

도 21은 본 발명의 다른 실시예에 관한 원심분리방법의 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 회전체 40: 용기

20: 수용부 41: 피벗축

21: 수직 안내부 41b: 회전모터

24: 원심력 경사면 42: 개구부

25: 수평 안내부 43: 고정핀

26: 제2 자성체 43b: 걸림편

27, 27b, 27c, 27d, 27e, 27f: 수렴부 50: 케이스

30: 회전체 덮개 51: 구동모터

31: 마개부 52: 구동축

32: 배출구 56: 제1 자성체

33a: 신호라인 60: 케이스 덮개

33b: 잠금장치 61: 주입관

33: 지지부 62: 호스

35: 클립 71: 줄기세포 층

38: 베어링

본 발명은 유체의 구체적인 성분에 따라 회전 중에 가해지는 원심력의 크기가 다르다는 점을 이용하여 회전속도를 조절함으로써 큰 원심력이 작용하는 유체와 상대적으로 작은 크기의 원심력이 작용하는 유체를 서로 분리해내는 원심분리기 및 원심분리방법에 관한 것이다. 본 발명의 원심분리기 및 원심분리방법에 의하면 원심력에 의해 물질을 분리하고 분리된 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리기와 원심분리방법은 중력에 대해 기울기를 형성하는 경사면에서 하방으로 이동할 수 있는 모든 물질, 즉 액체, 분말, 젤리, 액체와 고체의 혼합물, 콜로이드, 구형에 가까운 고체 등과 같이 액체와 고체의 모두에 적용될 수 있다.

원심분리기(centrifuge)는 물체가 회전할 때 발생하는 원심력을 이용하여 물 질을 분리하는 장치이다. 원심분리기는 원심분리를 하는 시료의 양, 회전 속도, 로터 등에 따라 여러 가지 형태로 구분할 수 있다.

생명공학에서는 액체와 혼합되어 있는 세포 또는 액체보다 높은 비중과 부착력을 갖는 물질을 비중에 의해 분리하기 위한 목적으로 원심분리기가 사용된다. 최근에는 성체 줄기세포의 연구가 활성화됨에 따라 다량의 성체 조직(지방, 골수 등)으로부터 소량의 줄기세포를 분리하기 위한 원심분리 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

생명공학에 사용되는 원심분리기는 인체 세포를 파괴하지 않고 분리할 수 있어야 하기 때문에 일반적인 물질을 분리하는 데 필요한 원심력보다 작은 크기의 원심력을 이용한다. 세포의 원심분리에 허용되는 원심력은 100G 가 최대이고 일반적으로는 이보다 낮다. 여기에서 'G' 는 중력(지표면에서의 중력)의 크기에 대한 원심력의 크기의 비율을 의미한다.

생명공학 실험실에서 원심분리기를 사용하여 혈액과 같은 복합적 유체(미세한 고형 성분 또는 젤리와 같은 반 고형성분을 포함하는 액체로서 고분자 이상의 포괄적 개념; 이하 '유체'라 칭한다)를 포함하는 물질을 원심분리하면 유체는 비중에 의해 여러 개의 층으로 나누어진다.

세포가 원심분리기에 의해 분리된 경우, 분리된 유체의 각 층들은 시험관 내에 적층되므로 시각적으로는 용이하게 구분할 수 있지만, 이를 물리적으로 분리하는 작업은 쉽지 않다. 일반적으로 원심분리기에 의해 분리된 유체의 층들을 나누는 작업은 수작업으로 행해진다. 그러나 원심분리된 유체의 층들을 나누는 작업에는 상당한 수고가 필요할 뿐만 아니라 분리된 물질의 손실이 발생하므로 분리된 물질의 순도를 보장할 수 없는 문제점이 있었다.

세포 바로 위층의 액체는 대부분 물 성분인데, 시험관을 서서히 기울이며 위층의 액체를 분리해내려고 하면 가장 아래층의 세포도 함께 유동하기 때문에 원심분리에 의해 분리된 세포가 유실될 수 있는 문제가 있다.

원심력이 작용하지 않는 상태에서는 세포들 사이의 응집력 또는 부착력이 물의 성질과 크게 차이가 나지 않기 때문에 위층의 액체만을 분리하는 작업의 약 50% 이상이 실패한다. 분리 작업이 성공하는 경우에도 최상층의 일부 세포들이 유실될 염려가 있다. 만일 세포들 사이를 더욱 밀착시키기 위한 목적으로 원심력을 증가시킨다면 세포는 파괴될 수도 있다.

이와 같은 문제점으로 인해 현재 작업자들은 피펫(pipette)을 이용하여 위층을 제거하고 있는데, 제거하고자 하는 액체의 성분 일부가 남기 때문에 적어도 7회 내지 8회의 희석공정을 거치는 세척을 실시해야 하는 어려움이 있었다.

일 예로서, 지방조직으로부터 줄기세포를 분리할 때에는 다량의 조직을 콜라겐과 같은 용해제로 용해시켜 극소량의 줄기세포를 구분하는 작업과, 분리된 물질을 세척하는 세척작업이 수행된다. 여기에서 세척작업은 분리된 물질을 인체에 다시 사용하기 위해 물질에 포함된 불필요한 약물과 기타 성분들을 제거하기 위한 공정이다. 그런데 세척작업에는 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 세포를 손실할 수 있는 문제점이 있다. 즉 세척작업을 수행할 때에는 분리된 물질에 많은 조작을 가 하여야 하는데, 이로 인해 세포가 공기에 노출되는 시간이 길어져 세포가 오염될 위험성도 증가한다.

본 발명의 목적은 원심력에 의해 물질을 분리하고 분리된 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 구분작업이나 세척작업을 실시하지 않고도 원심분리에 의해 분리된 물질의 층들로부터 줄기세포를 정확하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 유체의 구체적인 성분에 따라 회전시 작용되는 원심력의 크기가 다르다는 점을 이용하여 회전속도를 조절함으로써 큰 원심력이 작용되는 유체와 상대적으로 작은 크기의 원심력이 작용되는 유체를 서로 분리해내는 원심분리방법 및 원심분리기를 제공한다.

본 발명에 관한 원심분리기 및 원심분리방법은 인체에서 채취한 혈액, 지방 등과 같은 복합적 유체(미세한 고형 성분 또는 젤리와 같은 반 고형성분을 포함하는 액체로서 고분자 이상의 포괄적 개념; 이하 '유체'라 칭한다)와 같은 물질을 원심분리하기 위한 것이다. 보다 구체적으로는 본 발명에 의하면 인체에서 채취한 지방 등의 복합적 유체에 소량으로 함유된 줄기세포가 원심분리되고, 원심력의 작용에 의해 이동한 줄기세포가 분리 가능하게 장착된 용기에 축적되므로 별도의 분리 작업이나 세척작업을 실시하지 않고도 줄기세포가 정확하게 구분되어 회수될 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리기와 원심분리방법은 중력에 대해 기울기를 형성하는 경사면에서 하방으로 이동할 수 있는 모든 물질, 즉 액체, 분말, 젤리, 액체와 고체의 혼합물, 콜로이드, 구형에 가까운 고체 등과 같이 액체와 고체의 모두에 적용될 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리기는, 내부에 물질을 수용하며 물질이 원심력에 의해 상측으로 이동하도록 안내하는 수용부와 수용부의 상측을 덮는 회전체 덮개를 포함하여 회전하는 회전체와, 수용부와 연통하도록 회전체 덮개에 결합하여 수용부의 상측으로 이동한 물질을 수용하는 용기를 포함한다.

본 발명에 있어서, 수용부는 수용된 물질이 원심력에 의해 상측을 향해 흐르도록 상측에서 하측으로 갈수록 단면이 좁아지는 형상으로 이루어지는 수직 안내부를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 수용부는 수직 안내부의 상단에서 상측을 향하여 경사를 이루며 외측으로 연장하는 수평 안내부를 더 포함할 수 있고, 수평 안내부는 수직 안내부에서 상측으로 이동한 물질이 원심력의 작용에 의해 내벽을 따라 이동하여 수렴하도록 수평 단면 상에서 원심력이 최대로 작용하는 적어도 하나의 수렴부를 가질 수 있다.

본 발명에 관한, 상부로 갈수록 단면이 넓어지는 형상의 수용부를 갖는 원심분리기를 이용하면 원심분리시 원심력의 작용에 의해 물질이 수용부 바닥으로부터 상측으로 이동하여 용기의 개구부 반대측의 용기 바닥부로부터 원심력을 받는 크기가 큰 순서로 분리층이 형성된다.

층상 분리가 종결된 후 회전속도를 낮추어 회전체의 회전을 지속하면, 각각의 분리층을 구성하는 성분의 유체역학적 성질에 따라 각각의 층에 작용하는 중력과 원심력의 크기가 달라진다. 일부 분리층에는 중력의 크기가 상대적으로 크게 작용하므로 수용부 바닥으로 탈락되며, 원심력의 크기가 상대적으로 크게 작용하는 분리층은 용기에 그대로 남는다.

이에, 본 발명은 인체에서 채취한 지방조직 등의 복합적 유체 내의 줄기세포가 지방조직액에 포함된 기타 성분들에 비해 유체저항이 큰 물질이며 동일한 회전속도에서 다른 물질에 비해 상대적으로 큰 원심력을 받는 특성에 착안하여, 별도의 분리작업이나 세척작업을 실시하지 않고도 원심분리기 내에서 줄기세포의 분리층만을 정확하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 이를 이용한 원심분리방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 수평 안내부의 수평 단면은 외측을 향해 볼록하게 형성되는 두 개의 원호가 결합된 형상일 수 있다.

본 발명에 있어서, 수직 안내부는 상측에서 하측으로 갈수록 그 단면이 좁아지는 원추형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 수직 안내부의 내벽은 내측을 향하여 볼록하게 만곡되어 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 수용부의 표면은 수용된 물질이 이동할 때의 표면 저항을 줄이기 위해 코팅될 수 있다.

본 발명에 있어서, 회전체 덮개는 수용부와 연통되며 회전체 덮개의 상측으로 개구되는 마개부를 포함하고, 용기는 마개부에 회전 가능하게 결합되며, 용기의 개구부가 마개부에 접하여 수용부와 연통되는 결합상태와 개구부가 마개부로부터 분리되는 해제상태의 사이에서 용기가 회전할 수 있다.

본 발명에 있어서, 마개부는 회전체 덮개의 수렴부에 대응하는 위치에 설치될 수 있다.

본 발명에 있어서, 마개부는 용기의 중심축의 회전체의 회전축에 대한 각도가 90도 이상 180도 미만의 일정한 각도로 유지되도록 용기를 지지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 마개부는 용기에 대해 자력을 작용하여 용기를 결합상태로 지지하는 지지부를 포함할 수 있다. 회전체의 회전 속도가 감속됨으로써 원심분리된 물질의 일부가 수용부로 흘러내린 후에, 지지부가 반대되는 자력을 작용하거나 자력을 해제하여 용기를 해제상태로 전환하면, 중력과 원심력의 작용으로 인해 용기가 하측을 향하여 회전하여 용기의 중심축의 회전체의 회전축에 대한 각도가 90도 미만이 될 수 있다.

본 발명에 있어서, 마개부와 용기의 사이에는, 걸림편과, 외부 신호에 의해 작동하여 걸림편에 결합함으로써 용기를 결합상태로 지지하는 잠금장치가 설치될 수 있다. 회전체의 회전 속도가 감속됨으로써 원심분리된 물질의 일부가 수용부로 흘러내린 후에, 잠금장치의 걸림편에 대한 결합을 해제함으로써 용기를 해제상태로 전환하고, 중력과 원심력의 작용으로 인해 용기가 하측을 향하여 회전하여 용기의 중심축의 회전체의 회전축에 대한 각도가 90도 미만이 될 수 있다.

본 발명에 있어서, 용기는 피벗축을 개재하여 마개부에 회전 가능하게 결합하며, 피벗축은 외부 신호에 의해 작동하는 강제동력수단에 의해 구동될 수 있다.

본 발명에 있어서, 원심분리기는 회전체의 외측을 감싸는 케이스를 더 포함하고, 케이스의 내측에는 제1 자성체가 설치되고, 회전체의 외측에는 제2 자성체가 설치되며, 회전체가 회전하는 동안 회전체와 케이스는 제1 자성체와 제2 자성체의 반발력에 의해 서로 일정한 간격을 유지할 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리기는, 회전체의 상측을 덮도록 케이스에 결합되는 케이스 덮개와, 외부로부터 케이스 덮개와 회전체 덮개를 관통하여 회전체의 수용부 내부로 연결되며 수용부에 수용된 물질을 외부로 배출하거나 외부의 물질을 수용부로 주입하는 주입관을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 원심분리기는 원심분리에 요구되는 최대의 속도, 즉 제1 속도에서 일정한 시간 동안 회전하여 물질을 분리층들로 원심분리한 후 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속하여 다시 일정 시간 동안 회전을 지속하도록 작동된다. 이와 같은 제2 속도의 크기는 분리대상 물질의 물성, 특히 유체저항의 크기에 따라 결정된다. 감속된 회전속도, 즉 제2 속도에서 회전체가 회전을 지속하면, 용기 내부와 회전체 수용부에 걸쳐 형성된 분리층들 중 일부 분리층은 중력보다 큰 원심력의 작용을 받아 용기 내부에 유지되지만 그 외 분리층은 중력보다 작은 원심력의 작용을 받아 수용부 바닥으로 탈락될 수 있다. 이와 같이 본 발명은 원심분리하고자 하는 분리층에 맞추어 제2 속도를 조정함으로써, 일부 분리층이 수용부 바닥으로 탈락될 수 있는 임계점을 결정할 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리방법은, 물질이 원심력에 의해 상측으로 이동하도록 안내하는 수용부와, 수용부의 상측을 덮는 회전체 덮개와, 회전체 덮개에 분리 가능하게 결합되어 수용부와 연통되는 용기를 포함하는 회전체를 이용하는 원심분리방법으로서, 이하의 단계를 포함한다.

(a) 수용부의 내부에 물질을 제공하는 단계;

(b) 물질이 수용부의 상측으로 이동하여 용기로 유입되도록 회전체를 제1 속도로 회전시켜 물질을 원심분리하는 단계;

(c) 원심분리된 물질의 일부의 층이 수용부로 탈락되도록 회전체의 회전속도를 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속시키는 단계;

(d) 용기의 개구부가 상측을 향하도록 용기와 회전체 덮개와의 결합을 해제하는 단계; 및

(e) 회전체를 정지시키는 단계.

본 발명에 있어서, (c) 단계는, 회전체의 회전속도를 제2 속도로 감속시킨 후에 회전체 덮개를 관통하여 회전체의 수용부 내부로 연결되는 주입관을 통해 수용부에 수용된 물질을 외부로 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 수용부에 수용된 물질을 외부로 배출하는 단계 이후에, 주입관을 통해 세척액을 수용부 내부로 주입하고 (b) 단계 내지 (c) 단계를 반복하는 단계가 더 포함될 수 있다.

본 발명에 있어서 제2 속도는, 원심분리에 의해 분리된 최외곽층의 물질은 용기에 부착될 수 있게 하고 나머지 층의 물질은 중력의 작용에 의해 수용부로 탈락될 수 있게 하는 원심력을 형성하는 속도로 설정될 수 있다.

본 발명에 있어서, 제2 속도는 1 G 내지 80 G 의 원심력이 물질에 작용하게 하는 속도로 설정될 수 있다.

이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 본 발명에 관한 원심분리기의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 원심분리기의 상부를 도시하는 일부 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 원심분리기의 측면 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 나타난 실시예에 관한 원심분리기는 물질을 원심분리에 의해 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 원심분리된 물질의 층에서 일부의 층, 예를 들어 줄기세포만을 정확하며 용이하게 구분하여 회수할 수 있다. 원심분리기는 회전축(O)을 중심으로 회전하는 회전체(10)와, 회전체(10)에 결합하는 용기(40)를 포함한다.

원심분리기의 회전체(10)는 그 내측에 원심분리의 대상이 되는 물질을 수용하며 회전축(O)을 중심으로 회전한다. 물질은 회전체(10)의 내측에 형성되는 수용부(20)에 수용된다. 수용부(20)는 물질이 원심력에 의해 회전체(10)의 상측으로 이동하도록 안내하는 역할을 한다. 회전체(10)는 수용부(20)의 상측을 덮는 회전체 덮개(30)를 포함한다.

회전체 덮개(30)는 수용부(20)의 상측에 결합되며, 회전체(10)가 회전하는 동안 수용부(20)를 밀폐하고 물질의 흐름을 안내하는 기능을 수행한다. 그러므로 회전체 덮개(30)는 수용부(20)의 상측 개구에 대응하는 형상으로 이루어진다. 회전체 덮개(30)에는 용기(40)가 결합된다. 용기(40)의 개구부는 회전체 덮개(30)를 통해 상술한 수용부(20)와 연통된다. 따라서 원심력의 작용에 의해 수용부(20)의 상측으로 이동한 물질은 용기(40)의 내부로 유입될 수 있다.

회전체(10) 상면의 회전체 덮개(30)의 둘레에는 복수 개의 클립(35)이 장착된다. 클립(35)은 회전체 덮개(30)를 회전체(10) 측으로 가압함으로써, 회전체 덮개(30)가 회전체(10)에 밀착 결합되도록 하는 기능을 한다.

수용부(20)에 수용되는 물질로는 인체에서 채취한 혈액과 같은 유체가 사용된다. 회전체(10)의 회전에 의해 원심분리가 이루어지면 유체는 지방과, 유리지방(free oil)과, 물과, 줄기세포 등의 여러 가지 층으로 분리되며, 수용부(20)에서 가장 외곽으로 이동하여 층을 형성하는 줄기세포는 용기(40)에 유입된다.

원심분리기는 회전체(10)의 외측을 감싸는 케이스(50)를 더 포함한다. 케이스(50)의 내측에는 제1 자성체(56)가 설치되고, 회전체(10)의 외측에는 제2 자성체(26)가 설치된다. 제1 자성체(56)는 케이스(50)의 내측 원주를 따라 연장되는 링 모양으로 이루어지고, 제2 자성체(26)도 제1 자성체(56)에 대응하도록 회전체(10)의 외측 원주를 따라 연장되는 링 모양으로 이루어질 수 있다. 제1 자성체(56)와 제2 자성체(26)는 서로 마주보는 면이 동일한 극성을 갖는 영구자석으로 이루어져 서로 반발력을 작용할 수 있다.

이와 같은 제1 및 제2 자성체(56, 26)의 구성에 의하면, 회전체(10)가 고속 으로 회전하여도 제1 자성체(56)와 제2 자성체(26)가 서로 반발력을 작용하므로 회전체(10)와 케이스(50)가 서로 일정한 간격을 유지할 수 있다. 따라서 회전체(10)는 요동하지 않고 안정적인 회전운동을 지속할 수 있다.

케이스(50) 내에는 회전체(10)가 수용되며, 케이스(50)에 케이스 덮개(60)가 결합하여 회전체(10)의 상측을 덮는다.

케이스 덮개(60)에는 주입관(61)이 설치된다. 주입관(61)은 케이스 덮개(60)와 회전체 덮개(30)를 관통하여 회전체(10)의 내측으로 삽입될 수 있다. 주입관(61)은 수용부(20)에 연결된다. 도시되어 있지 않으나 주입관(61)은 망원경과 같은 형태로 이루어져 그 길이가 회전체(10)를 향하는 방향으로 신축할 수 있다. 그리고 주입관(61)은 케이스 덮개(60)의 상측에 결합된 호스(62)와 연결된다. 따라서 주입관(61)은 회전체(10)의 내측으로 삽입되어 외부의 물질을 회전체(10)의 내측으로 주입하거나, 회전체(10)의 내측의 물질을 외부로 배출할 수 있다.

회전체(10)가 회전하는 동안 주입관(61)과 회전체 덮개(30)의 사이에 간섭이 없어야 할 뿐만 아니라 수용부(20) 내의 물질이 상측으로 유출되지 않아야 한다. 이와 같은 목적으로 주입관(61)은 회전체 덮개(30)의 중앙에 형성된 관통공에 설치된 베어링(38)을 통과하여 수용부(20)의 내측으로 삽입될 수 있다. 또한 회전체 덮개(30)의 중앙에 형성된 관통공에는 링 모양의 실링(미도시)이 설치될 수도 있다.

따라서 베어링(38)은 회전체(10)가 회전하는 동안 주입관(61)과 회전체 덮개(30)의 사이에 간섭이 발생하지 않도록 주입관(61)을 지지함과 아울러 수용부(20)를 밀폐하는 기능을 한다.

회전체(10)를 회전시키기 위하여 다양한 방법을 사용할 수 있을 것이나, 본 실시예의 회전체(10)는 구동모터(51)에 의해 회전한다. 회전체(10)는 구동모터(51)의 구동축(52)에 결합되므로, 구동축(52)을 중심으로 하는 회전운동을 한다.

도 4는 도 1에 도시된 원심분리기의 회전체를 도시하는 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 회전체의 회전체 덮개를 도시하는 평면도이다. 도 6은 도 1에 도시된 원심분리기에서 회전체 내의 분리상황을 나타내는 측면 단면도이다.

수용부(20)는 그 내부에 수용된 물질이 원심력에 의해 상측을 향해 흐르도록 상측에서 하측으로 갈수록 단면이 좁아지는 형상으로 이루어지는 수직 안내부(21)를 포함한다. 또한 수용부(20)는 수직 안내부(21)의 상단에서 상측을 향하여 경사를 이루며 외측으로 연장하는 수평 안내부(25)를 포함한다.

수직 안내부(21)는 회전체(10)가 회전할 때에 물질이 원심력에 의해 상측으로 이동하도록 안내하는 기능을 수행한다. 수직 안내부(21)는 상측에서 하측으로 갈수록 단면이 좁아지는 형상으로 이루어지므로, 수직 안내부(21)의 내벽은 중력 방향에 대하여 경사를 형성한다(이하에서는 수직 안내부(21)의 내벽에 의해 형성되는 경사면을 '중력 경사면'이라 칭한다).

중력 경사면은 회전체(10)가 회전하여 물질에 원심력이 작용할 때 물질의 흐름이 상측으로 향하도록 안내하는 기능을 한다. 즉 회전체(10)가 회전하여 유체에 작용하는 원심력이 증가하면 유체가 중력을 이기고 중력 경사면을 따라 상측으로 흐를 수 있다.

본 실시예에서는 수직 안내부(21)의 수직 방향의 단면이 역삼각형 모양으로 이루어져 중력 경사면이 삼각형의 빗변에 의해 직선으로 형성된다. 그러나 본 발명의 원심분리기에서의 수직 안내부(21)는 이와 같은 형상에 한정되지 않으며, 내측을 향하여 만곡되거나, 외측을 향하여 볼록하게 만곡되는 만곡면으로 이루어질 수도 있다.

본 실시예의 수직 안내부(21)는 하측을 향하여 그 단면이 좁아지는 원추형상으로 이루어진다. 따라서 수직 안내부(21)의 수평 단면의 모양은 원형이 된다. 이와 같이 수직 안내부(21)에 원추형상을 적용하는 것은 회전체(10)가 고속으로 회전할 때에 회전축을 중심으로 한 무게의 불균형으로 인해 좌우로 요동하는 것을 최대한 방지하기 위함이다. 그러나 본 발명의 원심분리기에서 수직 안내부(21)의 형상은 수평 단면이 원형을 이루는 원추형상에 한정되는 것은 아니며 하측을 향하여 그 단면이 좁아지는 형상이면 어느 것이나 적용할 수 있다.

수평 안내부(25)는 수직 안내부(21)로부터 상측을 향하여 연장 형성되며, 수용부(20)의 상단에서의 물질의 수평 방향의 흐름을 안내하는 기능을 한다. 수평 안내부(25)는 원심력이 최대로 형성되는 수평 단면 상의 지점에 적어도 하나의 수렴부(27)를 구비할 수 있다.

본 실시예의 수평 안내부(25)의 상단의 수평 단면은 원의 중심이 내측을 향하는 두 개의 원호, 즉 외측으로 볼록하게 형성되는 두 개의 원호가 결합된 모양으로 이루어질 수 있다. 따라서 두 개의 원호가 만나는 지점인 양측 단부에 수렴부(27)가 형성된다. 수렴부(27)는 수용부(20)의 중심에서 외측으로 가장 멀리 위치하기 때문에 원심력이 최대로 형성되는 지점에 해당한다.

회전체(10)가 회전하면 수직 안내부(21) 내의 물질에 원심력이 작용하므로 물질은 중력 경사면을 따라 상측으로 이동한다. 물질은 수직 안내부(21)의 상단을 통과하여 수평 안내부(25)에 도달한다. 수평 안내부(25)에서의 물질의 흐름은 원심력의 작용에 의해 수평 안내부(25)의 내벽을 따라 이동하며 수렴부(27)로 모인다. 이와 같이 수평 안내부(25)의 수평 단면 형상의 내측 경사면은 물질의 수평 방향의 흐름을 유도하는 기능을 하므로, 이하에서는 이를 '원심력 경사면(24)'이라 칭한다.

물질이 이동할 때의 수용부(20)의 내벽 면에 의해 발생하는 표면 저항을 최소화하기 위하여 수용부(20)의 표면은 테프론과 같은 불소수지에 의해 코팅될 수 있다. 따라서 수용부(20) 내에 수용된 물질에 원심력이 작용하면 물질이 중력 경사면과 원심력 경사면에 의해 안내됨으로써 수용부(20)의 상측으로 원활하게 이동할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기에서 용기의 장착상태를 도시하는 일부 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시된 용기가 회전한 상태를 도시하는 일부 사시도이다.

회전체 덮개(30)의 상측에는 용기(40)를 지지하는 마개부(31)가 설치된다. 마개부(31)는 회전체 덮개(30)의 수렴부(27)에 대응하는 위치에 설치된다. 마개부(31)는 수용부(20)와 연통되며 회전체 덮개(30)의 상측으로 개구되는 배출구(32)를 포함하다. 따라서 마개부(31)에 용기(40)가 결합되면 용기(40)는 마개부(31)를 통해 수용부(20)와 연통된다.

용기(40)는 피벗축(41)에 의해 마개부(31)에 회전 가능하게 결합한다. 마개부(31)는 용기(40)를 지지하여, 용기(40)의 중심축(P)의 회전축(O)에 대한 각도(θ)가 소정 각도로 유지되도록 할 수 있다. 용기(40)의 중심축(P)의 회전축(O)에 대한 각도(θ)는 90도 이상 180도 미만의 범위 내에서 정해질 수 있다. 도 3에서는 편의상 회전각도(θ)를 회전축(O)의 상측에서부터 용기(40)의 중심축(P)까지의 각도로 표시하였으나, 상술한 설명과 일치하기 위해서는 용기(40)가 아래쪽을 향하여 중심축(P)이 회전축(O)과 평행하게 되는 상태를 0도로 기준으로 정하여 회전각도(θ)가 정해진다.

용기(40)는 마개부(31)에 회전 가능하게 결합하지만, 동시에 마개부(31)로부터 분리 가능하게 결합될 수 있다. 용기(40)는 마개부(31)로부터 분리 가능하므로 원심분리가 완료된 이후에 용기(40)를 회전체 덮개(30)로부터 분리하는 간단한 조작만으로 줄기세포를 회수할 수 있다.

용기(40)가 마개부(31)에 의해 지지될 때에는 용기(40)의 개구부(42)와 마개부(31)의 배출구(32)가 서로 접하는 상태로 유지되므로, 수용부(20)의 물질이 용기(40)로 유입될 수 있는 상태이다(이와 같은 상태를 '결합상태'라 칭한다).

마개부(31)와 용기(40)의 사이에는 용기(40)를 마개부(31)에 고정된 상태로 지지하는 지지부(33)가 설치된다. 지지부(33)는 전자석으로 이루어져, 용기(40)에 부착된 금속 재질 또는 영구자석 재질의 고정핀(43)에 자력을 작용함으로써 용기(40)를 결합상태로 지지할 수 있다.

지지부(33)가 자력을 작용하는 것을 멈추면 용기(40)와 회전체 덮개(30)와의 결합이 해제됨으로써 용기(40)가 중력의 작용으로 인해 피벗축(41)을 중심으로 회전하여 하측을 향하는 '해제상태'로 그 위치가 변경될 수 있다. 이와 같은 작동상태를 변형하여 지지부(33)가 영구자석 재질의 고정핀(43)에 반대되는 극성의 자력을 작용하게 함으로써 용기(40)를 '해제상태'로 회전시킬 수도 있다. '해제상태'에서는 용기(40)의 개구부가 상측을 향하므로, 용기(40) 내부의 물질이 흘러내릴 수 없다.

상술한 구성으로 이루어지는 원심분리기의 작동을 설명하면 다음과 같다.

원심분리를 실시할 대상이 되는 물질을 회전체(10)의 수용부(20)에 주입한다. 케이스 덮개(60)는 케이스(50)의 상측에 개폐 가능하게 결합되므로, 케이스 덮개(60)를 상측으로 회전시켜 개방하고, 회전체 덮개(30)를 수용부(20)의 상측에서 분리시킨 후에 수용부(20)에 인체에서 채취한 물질을 주입한다. 이와 같은 방법 대신에 호스(62)에 연결된 주입관(61)을 이용하여 수용부(20)에 물질을 주입할 수도 있다.

수용부(20)에 물질이 주입되면, 회전체 덮개(30)를 수용부(20)의 상측에 덮고 클립(35)을 이용하여 회전체 덮개(30)로 수용부(20)를 밀폐시킨 후에 원심분리기를 작동시킨다.

원심분리기가 작동할 때에는 용기(40)가 결합상태로 유지되어야 한다. 용기(40)를 회전체(10)에 대하여 상측으로 회전시킴으로써 용기(40)의 개구부(42)가 마개부(31)의 배출구(32)에 접하도록 한다. 그리고 지지부(33)를 작동시킨다. 지지부(33)는 용기(40)에 장착된 고정핀(43)에 자력을 작용하므로, 용기(40)는 회전 체(10)가 회전하며 원심분리가 진행되는 동안에도 결합상태로 안정적으로 유지될 수 있다.

케이스 덮개(60)를 열고 닫을 때에는 케이스 덮개(60)에 설치된 주입관(61)의 길이를 축소시킬 수 있다. 주입관(61)은 회전체 덮개(30)의 중심에 설치된 베어링(38)을 관통하여 수용부(20)의 내측으로 삽입될 수 있는데, 케이스 덮개(60)를 열고 닫는 동안 베어링(38)과 주입관(61)이 서로 간섭하지 않도록 하기 위해 주입관(61)의 길이를 축소시킬 수 있다.

회전체(10)가 회전하는 동안 수용부(20) 내의 물질이 상측으로 유출되지 않아야 한다. 이와 같은 목적으로 주입관(61)과 베어링(38) 사이에 링 모양의 실링(미도시)이 설치될 수도 있다.

구동모터(51)가 작동하여 회전체(10)가 회전 운동을 시작하면, 수용부(20)의 내부에 있는 물질에 원심력이 작용한다. 수용부(20)의 하측에는 상측에서 하측으로 갈수록 단면이 좁아지는 형상으로 이루어져 그 내측에 중력 경사면을 갖는 수직 안내부(21)가 형성된다. 그러므로 원심력의 크기가 증가함에 따라 물질은 수직 안내부(21)에 의해 안내되어 중력을 이기고 상측으로 이동한다.

수용부(20)의 상측에는 수직 안내부(21)에서 상측으로 연장되는 수평 안내부(25)가 형성된다. 수평 안내부(25)는 그 수평 단면 상에서 원심력이 최대로 형성되는 수렴부(27)를 가지며, 수평 안내부(25)의 내면은 수렴부(27)를 연결하며 물질의 수평 방향의 흐름을 안내하는 원심력 경사면(24)을 형성한다. 따라서 수평 안내부(25)로 이동한 물질은 원심력의 작용에 의해 원심력 경사면(24)에 의해 안내되며 수렴부(27)로 수렴한다.

도 6을 참조하면, 회전체(10)가 원심분리를 수행할 수 있는 제1 속도(rpm; revolution per minute)로 회전하면 수용부(20) 내부에 있는 물질에 원심력이 작용하여, 물질이 수용부(20)의 최외곽으로 이동하며 원심분리가 이루어짐을 알 수 있다. 원심분리가 이루어져 물질이 비중에 따라 다수의 층으로 분리되면, 비중이 크고 유체저항이 큰 물질로 이루어지는 층은 회전축의 중심에서 멀리 위치하고, 비중이 작고 유체저항이 작은 물질로 이루어지는 층은 회전축의 중심에 가깝게 위치한다. 여기에서 유체저항이란, 유체의 부착력과, 응집력과, 점성 등에 의해 복합적으로 형성되는, 흐르지 않으려는 유체의 성질을 말한다.

수용부(20) 내부의 물질은 유리 지방(74; free oil), 지방(73), 물(72), 줄기세포(71)와 같은 여러 가지 층들로 분리되며, 비중이 가장 큰 줄기세포 층(71)이 수용부(20) 및 회전체 덮개(30)의 최외곽에 위치한다. 따라서 줄기세포 층(71)은 마개부(31)의 배출구(32)와 용기(40)의 개구부(42)를 경유하여 용기(40)의 내부로 유입된다. 줄기세포 층(71)은 최외곽의 유체층을 형성하는데, 그 자체의 부착력과 원심력의 작용으로 인해 용기(40)의 단부 벽면을 향해 압축되며 달라붙는 상태가 된다.

원심분리가 진행된 이후에 분리된 물질의 일부의 층을 외부로 배출하는 작업이 이루질 수 있다. 이 작업은 회전체(10)가 회전하는 속도를 제2 속도로 감속시킴으로써 이루어진다. 원심분리된 일부의 층이 중력의 작용으로 인해 하측을 향하여 흐르게 함과 동시에 줄기세포(71)를 용기(40) 내부에 유지시키도록 회전체(10) 회전속도를 미리 결정된 임계속도인 제2 속도로 감속시킨다. 일 실시예로서 지방조직에서 줄기세포를 분리해내는 경우, 용기 중심축의 회전체의 회전축에 대한 각도를 140도로 하는 경우 줄기세포만을 용기 내에 남기고 나머지 유체를 탈락시키기 위해 23G의 원심력이 작용하도록 하면 충분하다. 여기에서, 'G' 는 중력(지표면에서의 중력)의 크기에 대한 원심력의 크기의 비율을 의미하며, 상대원심력(RCF, relative centrifugal force)이라고도 한다. 따라서 이때의 제2 속도는 400 rpm으로 설정될 수 있다.

줄기세포(71)를 제외한 내측의 유체층들은 유리 지방(74), 지방(73), 물(72)과 같이 비중이 작고 유체저항이 작은 물질들이므로, 회전체(10)의 속도가 일정 속도 이하로 감속되면 이들 유체층들은 중력의 작용으로 인해 회전체(10)의 수용부(20)를 따라 하측으로 이동된다. 이 상태에서 이들 유체층들에도 원심력이 작용하지만, 유체저항이 작으므로 원심력과 유체저항에 의한 힘이 중력보다 작아 이들 유체층들은 수용부(20)를 따라 하측으로 이동될 수 있다.

용기(40) 내부에 수득하고자 하는 물질인 줄기세포(71)만 남으면, 용기(40)의 개구부(42)가 상측을 향하도록 지지부(33)의 작동을 해제하여 용기(40)와 회전체 덮개(30)와의 결합을 해제한 후, 회전체(10)를 정지시킨다. 지지부(33)가 자력을 작용하는 것을 멈추면 용기(40)가 중력의 작용으로 인해 피벗축(41)을 중심으로 회전하여 하측을 향하는 해제상태로 그 위치가 변경된다. 용기(40)가 해제상태로 전환되면 구동모터(51)를 정지시키고 회전체(10)를 정지시킨다.

회전체(10)를 정지시키기 전에 또는 후에, 수용부(20)로 탈락한 물질을 외부로 배출할 수도 있다. 회전체(10)가 정지한 후에 하측을 향하는 해제상태에 놓여 있는 용기(40)를 원심분리기로부터 분리한다. 상술한 바와 같이 용기(40)의 내부에 는 줄기세포(71)가 담겨 있으므로 줄기세포(71)를 분리하기 위해 별도의 분리작업이나 희석작업을 실시할 필요가 없이 줄기세포(71)를 용이하게 회수할 수 있다.

용기(40) 내부의 줄기세포(71)의 양이 적은 경우 물(72)이나 지방(73) 등의 물질들이 용기(40) 내부에 유입될 수 있지만, 용기(40) 내부에 존재하는 비중이 작고 유체저항이 작은 물질들도 회전체(10)의 속도가 감속됨에 따라 회전체(10)의 하측으로 이동된다. 그러나 물(72)이나 지방(73)과 같이 회전체(10)의 하측으로 이동되어야 하는 물질이 줄기세포(72)의 층에 달라붙어 하측으로 이동되지 않는 경우가 있을 수 있는데, 이 때에는 다음과 같은 방법으로 세척을 실시하여야 한다.

세척을 실시하기 위해서는 회전체(10)의 하측으로 이동된 유체층들을 주입관(61)을 통해 외부로 배출하고, 주입관(61)을 통해 회전체(10)의 수용부(20) 내부로 세척액을 주입한다. 세척액을 주입한 후에 회전체(10)를 제1 속도로 증속하여 회전시키면, 상술한 바와 같은 원심분리 과정이 다시 반복된다. 원심분리가 완료되면 회전체(10)를 제2 속도로 감속시킴으로써, 물(72)이나 지방(72)과 같은 물질의 층을 하측으로 이동시킨다.

상술한 과정들을 통해 용기(40) 내부에 수득하고자 하는 물질, 예를 들어 줄기세포(71)만 남으면 용기(40)의 개구부(42)가 상측을 향하도록 용기와 회전체 덮개(30)와의 결합을 해제한 후, 회전체(10)를 정지시킨다. 회전체(10)를 정지시키기 전에 또는 후에, 수용부(20)로 탈락한 물질을 외부로 배출할 수도 있다.

수용부(20) 내의 물질의 분리가 모두 완료되어 줄기세포 층(71)이 용기(40)의 내부에 모이고 줄기세포 이외의 물질이 탈락되면, 지지부(33)의 작동을 해제한 다. 지지부(33)가 자력을 작용하는 것을 멈추면 용기(40)가 중력의 작용으로 인해 피벗축(41)을 중심으로 회전하여 하측을 향하는 해제상태로 그 위치가 변경될 수 있다. 용기가 해제상태로 되면 구동모터(51)를 정지시키고 회전체(10)를 정지시킨다.

용기(40)가 하측을 향하는 해제상태에 놓이면, 상술한 바와 같이 용기(40) 내부에 줄기세포가 담겨 있으므로 줄기세포를 분리하기 위해 별도의 분리작업이나 희석작업을 실시할 필요가 없이 줄기세포를 용이하게 회수할 수 있다.

용기(40)는 회전체 덮개(30)에 회전 가능하면서도 분리 가능하게 결합될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 원심분리가 완료된 이후에 하측으로 회전하여 해제상태에 놓인 용기(40)를 회전체 덮개(30)로부터 분리하는 간단한 조작만으로 줄기세포를 용이하게 회수할 수 있다.

도 9 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 관한 원심분리기의 수평 안내부의 수평 단면을 도시하는 단면도들이다.

상술한 본 발명의 일 실시예의 수평 안내부의 수평 단면은 두 개의 원호가 결합된 모양이지만, 수평 안내부의 수평 단면은 이에 한정되지 아니하고 별 모양, 다이아몬드 모양과 같이 수렴부를 갖는 여러 가지 모양으로 변형될 수도 있다.

도 9 내지 도 13에 나타난 실시예들에 있어서, 수평 안내부는 그 수평 단면 상에서 각각 원심력이 최대로 형성되는 지점에 수렴부들(27b, 27c, 27d, 27e, 27f)을 갖는다. 수평 안내부에서의 물질의 흐름은 원심력의 작용에 의해 수평 안내부의 내벽을 따라 형성되므로, 물질은 수렴부들(27b, 27c, 27d, 27e, 27f)로 모인다.

수용부의 상측을 덮는 회전체 덮개는 이와 같은 수평 안내부의 모양에 대응하는 모양으로 이루어지며, 용기는 회전체 덮개의 수렴부들에 대응하는 위치에 결합될 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리기는 중력에 대해 기울기를 형성하는 경사면에서 하방으로 이동할 수 있는 모든 물질, 즉 액체, 분말, 젤리, 액체와 고체의 혼합물, 콜로이드, 구형에 가까운 고체 등과 같이 액체와 고체의 모두에 적용될 수 있다.

이들 물질은 소량인 경우에도 용기(40)와 수용부(20)의 내벽 면에 접촉하며 흐르기 때문에 마찰력의 작용을 받는다. 회전체(10)가 회전하는 상태에서는 용기(40)와 수용부(20)의 내부에 있는 물질에 원심력이 작용하는데, 용기(40)와 수용부(20)의 내벽 면이 기울어져 중력에 대해 경사면을 형성하고 있으므로, 용기(40)와 수용부(20)의 내부에 있는 물질에 중력과 원심력이 함께 작용한다. 회전체(10)의 속도가 줄어들어 원심력이 중력보다 작아지면 물질은 중력의 작용으로 인해 경사면을 따라 하방으로 흘러내릴 수 있는 조건에 놓이는데, 하방을 향하는 물질의 흐름에 저항이 작용하기 때문에 물질의 종류에 따라 하방을 향하여 흘러내리는 시점이 다를 수 있다.

마찰력이 작용하지 않는 이상적인 상황을 가정하면, 물질에 작용하는 중력과 원심력이 동일할 경우에는 물질이 흐르지 않고 현재의 상태에 유지되는 평형점이 될 것이다. 그러나 실제에서는 유체에 대한 저항인 마찰력이 작용하므로 이를 고려하여야 한다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기에서 원심력이 작용하지 않 는 것으로 가정하였을 때 용기 내에서 작용하는 힘을 나타내는 개략도이다.

도 14에는 용기가 수평면에 대해 α의 각도를 형성하도록 고정되어 중력에 대한 경사면(As)을 형성한 상태가 개략적으로 도시되었으며, 여기에서는 원심분리기가 회전하지 않아 원심력이 작용하지 않는 상태를 가정하였다. 이때 물질에는 중력(Go)만이 작용하는데, 중력(Go)의 경사면(As) 방향의 성분(Gs)이 물질이 경사면을 따라 하방으로 흐르게 하는 작용을 한다. 그리고 물질과 용기의 경사면(As)의 사이에 작용하는 유체저항인 마찰력(Fs)은 물질의 흐름 방향에 반대되는 방향으로 형성됨으로써, 하방을 향하는 물질의 흐름을 방해한다.

도 15a는 도 14에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도로서, 원심력이 작용하는 상태를 도시한다.

회전체가 회전하면 물질에 원심력이 작용한다. 원심력(C)은 수평하게 작용하므로 경사면 상의 힘(Cs)이 물질이 상방으로 흐르게 하는 작용을 한다. 물질은 원심력(C)과 중력(Go)의 합력(T)의 작용으로 인해 경사면(As)을 향해 가압된다. 도시된 원심력(C)의 크기는 중력(Go)보다 크게 형성되는데, 이로 인해 물질에 작용하는 합력(T)의 경사면 상의 힘(Ts)이 물질을 상측을 향해 밀어 올리고, 경사면 상의 힘(Ts)이 마찰력(Fs)보다 크면 물질은 경사면(As)을 따라 상측을 향하여 이동한다.

물질이 하방으로 흘러내리기 위해서는 회전체의 속도가 더 줄어들어 원심력(C)이 작아지거나, 경사면(As)이 더 기울어짐으로써 중력의 경사면 상의 힘(Gs)이 더 커져야 한다. 본 발명에 관한 원심분리기에서 용기는 회전체에 대해 각도가 고정되어 있으므로 경사면이 더 기울어질 수는 없고, 수용부의 경사면도 고정되어 있다. 따라서 회전속도를 변화시켜야 한다.

도 15b는 도 14에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도로서, 원심력이 줄어든 상태를 도시한다.

도 15b에 도시된 상태에서는 회전체의 속도가 줄어들어 원심력(C)이 작아졌고, 이로 인해 원심력의 경사면 상의 힘(Cs)이 작아졌다. 따라서 중력(Go)과 원심력(C)의 합력(T)의 경사면 상의 힘(Ts)이 물질이 하방을 향해 흐르도록 작용한다. 회전체의 속도가 줄어들어 원심력(C)이 중력(Go)보다 작아지면 물질은 경사면을 따라 하방으로 흘러내릴 수 있지만, 물질과 용기의 내벽 면의 사이에 작용하는 유체저항인 마찰력(Fs)이 하방을 향하는 물질의 흐름을 방해한다. 즉 원심력(C)의 경사면 상의 힘과 마찰력(Fs)의 합력이 중력의 경사면 상의 힘(Gs)에 반대되게 작용한다. 따라서 경사면 상의 힘(Ts)이 저항으로 작용하는 마찰력(Fs)보다 크면 물질은 하방으로 이동할 수 있다.

이와 같이 물질이 하방을 향하여 이동하는 흐름에는 두 가지 측면의 변수가 작용한다.

첫째, 비중에 관련된 측면의 변수인 중력과 원심력이 있다. 회전체가 같은 회전수, 즉 같은 회전 속도로 회전하는 경우에도 회전 반경이 큰 위치에 있을수록 원심력이 커진다. 그러므로 회전체의 회전 속도를 감속시키면서 물질의 흐름을 관찰하면, 회전축에 가까운 위치에서부터 흘러내린다. 비중이 큰 물질일수록 회전 반경이 큰 쪽에 위치하므로, 회전체가 감속되는 중에 회전 반경이 작은 쪽에 위치하는 물질보다는 회전 반경에 큰 쪽에 위치하는 물질이 흘러내리는 시점이 늦어진다. 따라서 비중이 큰 물질을 수득하기가 더 용이하다. 또한 중력과 원심력에 의해 물질이 상방을 향하여 이동하도록 생성되는 힘을 상승력이라 하며, 이러한 상승력의 크기에 따라 물질이 경사면의 상방 및 하방으로 이동하게 된다.

둘째, 유체저항에 의한 항 흐름성 측면의 변수인 마찰력이 있다. 경사면에서 복합적인 유체의 흐름을 방해하는 힘은 다양한 변수에 의해 결정된다. 대표적인 변수로서, 액체의 경우 점도(viscosity)와 응집력(표면장력, surface tension)을 예로 들 수 있고, 고체의 경우 이동성(movability), 마찰력 등의 힘이 있으며, 반고체(젤)나 혼합물에서는 부착성(adhesiveness)이 있다. 이와 같은 힘들은 마찰력(friction force)과 같은 형태의 힘이라고 설명할 수 있다. 이와 같은 모든 힘들의 합력을 항 흐름성(anti-flow force)이나 항 탈락성(anti-falling force)이라는 용어로 표현할 수 있다.

본 발명의 원심분리기에 의하면 비중의 차이와 항 흐름성이 모두 큰 물질을 그렇지 않은 물질로부터 용이하게 분리할 수 있다. 특별히, 세포를 분리하는 경우, 수득하고자 하는 물질인 세포는 비중의 차이와 항 흐름성이라는 두 가지의 조건을 모두 만족하는 물질이므로 용이하게 분리해낼 수 있는 장점이 있다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 관한 용기의 지지구조를 도시하는 측면도이고, 도 17은 도 16에 도시된 용기의 결합상태가 해제된 상태를 도시하는 측면도이고, 도 18은 도 16에 도시된 용기가 해제상태로 변환된 상태를 도시하는 측면도이다.

도 16에 나타난 실시예에 관한 원심분리기에서는, 마개부(31)가 외부 신호에 의해 작동하는 잠금장치(33b)를 포함한다. 잠금장치(33b)는 신호라인(33a)을 통해 외부 신호를 입력받아 작동한다. 잠금장치(33b)는 신호를 입력받으면 용기(40) 방향으로 돌출하여 용기(40)에 설치된 걸림편(43b)에 결합된다. 잠금장치(33b)가 걸림편(43b)에 결합되면, 용기(40)의 개구부가 마개부(31)의 배출구에 결합된 결합상태가 유지될 수 있다.

원심분리가 완료되어 회전체가 정지하면, 잠금장치(33b)가 외부신호에 의해 작동함으로써 걸림편(43b)으로부터 빠져 나온다. 이를 통해 용기(40)는 마개부(31)로부터 자유로운 상태가 되므로 용기(40) 자체의 무게에 의해 피벗축(41)을 중심으로 하측을 향해 회전하여 해제상태로 전환된다.

본 실시예에서 잠금장치(33b)는 마개부(31)에 설치되고, 걸림편(43b)은 용기(40)에 설치되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 잠금장치(33b)와 걸림편(43b)이 설치되는 위치는 서로 변경될 수도 있다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 용기의 지지구조를 도시하는 사시도이다.

도 19에 나타난 실시예에 관한 원심분리기에서는 용기(40)가 피벗축(41)을 개재하여 마개부(31)에 회전 가능하게 결합하며, 피벗축(41)에는 강제동력수단이 결합한다. 본 실시예의 강제동력수단으로는 회전모터(41b)가 사용되었는데, 이외에도 용기(40)의 피벗축(41)을 회전시키는 동력을 발생시킬 수 있는 다양한 변형예가 가능할 것이다. 회전모터(41b)는 외부 신호에 의해 작동하여 피벗축(41)을 구동함으로써 용기(40)를 회전시킬 수 있다.

원심분리가 진행되는 동안에는 회전모터(41b)가 용기(40)를 마개부(31) 방향으로 회전시키는 구동력을 작용함으로써 용기(40)의 개구부(42)가 마개부(31)의 배출구(32)에 접하는 결합상태를 계속 유지하도록 할 수 있다. 그리고 원심분리가 완료된 경우, 회전모터(41b)가 반대방향으로 구동하여 용기(40)를 하측으로 회전시킬 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리방법의 흐름도이다.

본 발명에 관한 원심분리방법은, 물질이 원심력에 의해 상측으로 이동하도록 안내하는 수용부와 수용부의 상측을 덮는 회전체 덮개와 회전체 덮개에 분리 가능하게 결합하여 수용부와 연통되는 용기를 포함하는 회전체를 이용하는 원심분리방법이다.

원심분리방법은 수용부의 내부에 물질을 제공하는 단계(S100)와, 물질이 수용부의 상측으로 이동하여 용기로 유입되도록 회전체를 제1 속도로 회전시켜 물질을 원심분리하는 단계(S110)와, 원심분리된 물질의 일부의 층이 수용부로 탈락되도록 회전체의 회전속도를 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속시키는 단계(S120)와, 용기의 개구부가 상측을 향하도록 회전체 덮개와의 결합을 해제하는 단계(S130)와, 회전체를 정지시키는 단계(S140)를 포함한다. 원심분리방법은 회전체를 정지시키는 단계(S140) 이후에 용기를 회수하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.

단계 S120에서 회전체가 회전하는 속도인 제2 속도는 원심분리에 의해 분리된 물질의 층들 가운데 외곽에 존재하는 일부의 층은 용기에 부착될 수 있게 하고, 나머지 층은 중력의 작용에 의해 수용부로 탈락될 수 있게 하는 원심력을 형성하는 속도로 설정될 수 있다.

또한 제2 속도는 1 G 내지 80 G 의 원심력이 물질에 작용하게 하는 속도로 설정될 수 있다. 이와 같은 범위의 제2 속도는 실험적으로 결정된 것이며, 물, 지방과 같은 물질은 수용부로 탈락시키고 줄기세포만을 용기에 남겨둘 수 있도록 조정된 수치이다.

도 21은 본 발명의 다른 실시예에 관한 원심분리방법의 흐름도이다.

본 발명의 다른 실시예에 관한 원심분리방법도 물질이 원심력에 의해 상측으로 이동하도록 안내하는 수용부와 수용부의 상측을 덮는 회전체 덮개와 회전체 덮개에 분리 가능하게 결합하여 수용부와 연통되는 용기를 포함하는 회전체를 이용하는 원심분리방법이다.

도 21에 나타난 실시예는 상술한 실시예로부터 변형되어 수용부 바닥에 수용된 물질을 외부로 배출하는 단계(S120a)와, 세척액을 수용부 내부에 주입하고 S110 내지 S120a의 단계를 반복하는 단계(S120b)를 더 포함한다.

원심분리방법은, 수용부의 내부에 물질을 제공하는 단계(S100)와, 물질이 수용부의 상측으로 이동하여 용기로 유입되도록 회전체를 제1 속도로 회전시켜 물질을 원심분리하는 단계(S110)와, 원심분리된 물질의 일부의 층이 수용부로 탈락되도록 회전체의 회전속도를 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속시키는 단계(S120)와, 회전체 덮개를 관통하여 수용부 내부로 연결되는 주입관을 통해 수용부의 바닥에 수용된 물질을 외부로 배출하는 단계(S120a)와, 주입관을 통해 세척액을 수용부 내부로 주입한 후 S110 내지 S120a의 단계를 반복적으로 수행하는 단계(S120b)와, 물 질의 분리가 완료되어 세척액을 주입하지 않는 경우에 용기의 개구부가 상측을 향하도록 회전체 덮개와의 결합을 해제하는 단계(S130)와, 회전체를 정지시키는 단계(S140)를 포함한다. 원심분리방법은 회전체를 정지시키는 단계(S140) 이후에 용기를 회수하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 세척액을 주입하여 S110 내지 S120a의 단계를 반복하는 것은, 수용부로 탈락되어야 할 물질의 층들의 일부가 원심분리에 의해 별도로 회수되어야 하는 물질의 층에 섞여 있는 경우에 원심분리를 다시 실시하여 필요 없는 물질의 층을 수용부로 탈락시키기 위함이다.

본 발명은 상술한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 원심분리기 및 원심분리방법은, 원심력에 의해 물질을 분리하고 분리된 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있다.

또한 본 발명의 원심분리기 및 원심분리방법은 원심력의 작용에 의해 수용부에서 상측으로 이동한 줄기세포가 용기에 모이므로 별도의 구분작업이나 세척작업을 실시하지 않고도 줄기세포를 정확하게 구분하여 회수할 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

1. 내부에 물질을 수용하며, 물질이 원심력에 의해 상측으로 이동하도록 안내하는 수용부와, 상기 수용부의 상측을 덮는 회전체 덮개를 포함하여 회전하는 회전체; 및

   상기 수용부와 연통하도록 상기 회전체 덮개에 결합하여 상기 수용부의 상측으로 이동한 물질을 수용하는 용기를 포함하는 원심분리기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수용부는 수용된 물질이 원심력에 의해 상측을 향해 흐르도록 상측에서 하측으로 갈수록 단면이 좁아지는 형상으로 이루어지는 수직 안내부를 포함하는 원심분리기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 수용부는 상기 수직 안내부의 상단에서 상측을 향하여 경사를 이루며 외측으로 연장하는 수평 안내부를 더 포함하고,

   상기 수평 안내부는 상기 수직 안내부에서 상측으로 이동한 물질이 원심력의 작용에 의해 내벽을 따라 이동하여 수렴하도록 수평 단면 상에서 원심력이 최대로 작용하는 적어도 하나의 수렴부를 갖는 원심분리기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 수평 안내부의 수평 단면은 외측을 향해 볼록하게 형성되는 두 개의 원호가 결합된 형상인 원심분리기.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 수직 안내부는 상측에서 하측으로 갈수록 그 단면이 좁아지는 원추형상으로 이루어지는 원심분리기.
6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 수직 안내부의 내벽은 내측을 향하여 볼록하게 만곡되어 형성되는 원심분리기.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 수용부의 표면은 수용된 물질이 이동할 때의 표면 저항을 줄이기 위해 코팅되어 있는 원심분리기.
8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 회전체 덮개는 상기 수용부와 연통되며 상기 회전체 덮개의 상측으로 개구되는 마개부를 포함하고,

   상기 용기는 상기 마개부에 회전 가능하게 결합되며,

   상기 용기의 개구부가 상기 마개부에 접하여 상기 수용부와 연통되는 결합상태와 상기 개구부가 상기 마개부로부터 분리되는 해제상태의 사이에서 상기 용기가 회전하는 원심분리기.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 마개부는 상기 회전체 덮개의 상기 수렴부에 대응하는 위치에 설치되는 원심분리기.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 마개부는 상기 용기의 중심축의 상기 회전체의 회전축에 대한 각도가 90도 이상 180도 미만의 일정한 각도로 유지되도록 상기 용기를 지지하는 원심분리기.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 마개부는 상기 용기에 대해 자력을 작용하여 상기 용기를 상기 결합상태로 지지하는 지지부를 포함하는 원심분리기.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 회전체의 회전 속도가 감속됨으로써 원심분리된 물질의 일부가 상기 수용부로 흘러내린 후에, 상기 지지부가 반대되는 자력을 작용하거나 자력을 해제하 여 상기 용기를 상기 해제상태로 전환하고, 중력과 원심력의 작용으로 인해 상기 용기가 하측을 향하여 회전하여 상기 용기의 중심축의 상기 회전체의 회전축에 대한 각도가 90도 미만이 되는 원심분리기.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 마개부와 상기 용기의 사이에는, 걸림편과, 외부 신호에 의해 작동하여 상기 걸림편에 결합함으로써 상기 용기를 상기 결합상태로 지지하는 잠금장치가 설치되는 원심분리기.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 회전체의 회전 속도가 감속됨으로써 원심분리된 물질의 일부가 상기 수용부로 흘러내린 후에, 상기 잠금장치의 상기 걸림편에 대한 결합을 해제함으로써 상기 용기를 상기 해제상태로 전환하고, 중력과 원심력의 작용으로 인해 상기 용기가 하측을 향하여 회전하여 상기 용기의 중심축의 상기 회전체의 회전축에 대한 각도가 90도 미만이 되는 원심분리기.
15. 제 10 항에 있어서,

    상기 용기는 피벗축을 개재하여 상기 마개부에 회전 가능하게 결합하며, 상기 피벗축은 외부 신호에 의해 작동하는 강제동력수단에 의해 구동되는 원심분리기.
16. 제 9 항에 있어서,

    상기 원심분리기는 상기 회전체의 외측을 감싸는 케이스를 더 포함하고, 상기 케이스의 내측에는 제1 자성체가 설치되고, 상기 회전체의 외측에는 제2 자성체가 설치되며, 상기 회전체가 회전하는 동안 상기 회전체와 상기 케이스는 상기 제1 자성체와 상기 제2 자성체의 반발력에 의해 서로 일정한 간격을 유지하는 원심분리기.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 원심분리기는 상기 회전체의 상측을 덮도록 상기 케이스에 결합되는 케이스 덮개; 및

    외부로부터 상기 케이스 덮개와 상기 회전체 덮개를 관통하여 상기 회전체의 상기 수용부 내부로 연결되며, 상기 수용부에 수용된 물질을 외부로 배출하거나, 외부의 물질을 상기 수용부로 주입하는 주입관을 더 포함하는 원심분리기.
18. 물질이 원심력에 의해 상측으로 이동하도록 안내하는 수용부와, 상기 수용부의 상측을 덮는 회전체 덮개와, 상기 회전체 덮개에 분리 가능하게 결합되어 상기 수용부와 연통되는 용기를 포함하는 회전체를 이용하는 원심분리방법으로서,

    (a) 상기 수용부의 내부에 물질을 제공하는 단계;

    (b) 물질이 상기 수용부의 상측으로 이동하여 상기 용기로 유입되도록 상기 회전체를 제1 속도로 회전시켜 물질을 원심분리하는 단계;

    (c) 원심분리된 물질의 일부의 층이 상기 수용부로 탈락되도록 상기 회전체의 회전속도를 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속시키는 단계;

    (d) 상기 용기의 개구부가 상측을 향하도록 상기 용기와 상기 회전체 덮개와의 결합을 해제하는 단계; 및

    (e) 상기 회전체를 정지시키는 단계를 포함하는 원심분리방법.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 (c) 단계는, 상기 회전체의 회전속도를 제2 속도로 감속시킨 후에 상기 회전체 덮개를 관통하여 상기 회전체의 상기 수용부 내부로 연결되는 주입관을 통해 상기 수용부에 수용된 물질을 외부로 배출하는 단계를 더 포함하는 원심분리방법.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 수용부에 수용된 물질을 외부로 배출하는 단계 이후에, 상기 주입관을 통해 세척액을 상기 수용부 내부로 주입하고 상기 (b) 단계 내지 (c) 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 원심분리방법.
21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제2 속도는, 원심분리에 의해 분리된 최외곽층의 물질은 상기 용기에 부착될 수 있게 하고 나머지 층의 물질은 중력의 작용에 의해 수용부로 탈락될 수 있게 하는 원심력을 형성하는 속도로 설정되는 원심분리방법.
22. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제2 속도는, 1 G 내지 80 G의 원심력이 물질에 작용하게 하는 속도로 설정되는 원심분리방법.

Images