KR100772970B1 - 원심분리기 및 원심분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심분리를 수행함과 동시에 마개부가 용기의 개구부를 개폐함으로써 별도의 분리작업이나 세척작업을 실시하지 않고도 원심분리된 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법에 관한 것이다.

본 발명에 관한 원심분리기는, 회전체와, 개구부가 형성되어 물질이 수용되며 회전축에 대해 소정 각도를 유지하도록 기울어져 개구부가 아래쪽을 향하는 형태로 회전체에 결합되는 용기와, 개구부를 폐쇄하며 회전체의 속도가 일정한 속도에 이르러 물질의 원심분리가 이루어지면 개구부를 개방하는 마개부를 포함한다. 또한 본 발명에 관한 원심분리방법은, (a) 용기에 물질을 주입하는 단계와, (b) 용기의 개구부가 아래쪽을 향하며 회전체의 회전축에 대해 소정 각도를 유지하도록 용기를 회전체에 결합시키는 단계와, (c) 회전체를 회전시켜 물질을 원심분리하는 단계와, (d) 회전체를 회전시키면서 마개부를 개방하여 원심분리된 물질의 일부의 층을 용기의 외부로 배출하는 단계와, (e) 마개부를 폐쇄하는 단계와, (f) 회전체를 정지시키는 단계와, (g) 용기를 회전체로부터 분리하여 원심분리된 물질을 회수하는 단계를 포함한다.

Description

원심분리기 및 원심분리방법{Centrifuge and centrifuging method}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 원심분리기의 측면 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기에서 원심력이 작용하지 않는 것으로 가정하였을 때 용기 내에서 작용하는 힘을 나타내는 개략도이다.

도 4a는 도 3에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 4b는 도 3에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 원심분리기에 의해 원심분리가 수행되기 이전의 용기의 모습을 도시하는 부분 측면도이다.

도 6은 도 5에 도시된 용기에서 원심분리에 의해 분리된 물질의 일부를 회수하는 모습을 도시하는 부분 측면도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리방법의 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 60: 회전체 30, 70: 마개부

11: 케이싱 31, 71: 밸브

12: 구동모터 32: 신호라인

13: 덮개 33: 컨트롤러

15: 수용부 80: 연결관

20: 용기 81: 배출관

21: 개구부 82: 유입관

본 발명은 원심분리기 및 원심분리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전체가 회전하여 원심분리가 이루어지면 용기의 개구부를 개방하여 원심분리에 의해 분리된 물질의 층 가운데 유체저항 및 비중이 작은 물질의 층과 비중이 큰 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법에 관한 것이다.

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 물질을 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. 최 근에는 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 중력상수(重力常數; gravitational constant)를 의미하는 것으로, 통상적으로 원심분리기에서는 원심력이 중력과 같은 힘으로 작용하므로 'G' 의 단위를 사용하여 원심력을 표현하기로 한다.

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 분리된다.

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 발생하며 분리된 물질의 순도를 보장할 수 없는 문제점이 있었다.

원심력이 작용하지 않는 상태에서는 세포들 사이의 응집력 또는 부착력이 물 의 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 가하여야 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 원 심분리에 의해 분리된 물질의 층들로부터 줄기세포를 정확하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 회전체가 회전하여 원심분리가 이루어지면 용기의 개구부를 개방하여 원심분리에 의해 분리된 물질의 층 가운데 유체저항 및 비중이 작은 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법을 제공한다.

본 발명에 관한 원심분리기 및 원심분리방법은 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 원심분리되면, 용기의 개구부를 개방하여 원심분리에 의해 분리된 물질의 층 가운데 유체저항 및 비중이 작은 물질을 용기의 외부로 배출함으로써 별도의 분리작업이나 세척작업을 실시하지 않고도 줄기세포를 정확하게 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.

본 발명에 관한 원심분리기에서는 용기가 회전축에 대해 소정 각도를 유지하 며 용기의 개구부가 아래쪽을 향하는 형태로 회전체에 결합되어 원심분리가 이루어지며, 원심분리기가 회전하는 동안 용기에 결합된 마개부가 용기의 개구부를 개폐한다. 따라서 본 발명은 원심분리를 수행함과 동시에 분리된 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 원심분리기 및 원심분리방법을 제공한다.

원심분리기가 회전하여 원심분리가 진행되면 비중이 크고 유체저항(부착력과 응집력과, 점성 등에 의해 복합적으로 형성되는 흐르지 않으려는 성질; 이하 '유체저항'이라 칭한다)이 큰 물질로 이루어지는 층은 회전축 중심에서 멀리 위치하고, 비중이 작고 유체저항이 작은 유체는 회전축 중심에 가깝게 층을 형성한다.

본 발명은 인체에서 채취한 지방조직 등의 복합적 유체 내의 줄기세포는 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.

용기 내에서 원심분리가 이루어진 상태에서 원심분리기를 계속 회전시키며 용기의 개구부를 폐쇄하였던 마개부를 개방하면, 비중이 작고 유체저항이 작은 유체가 용기의 외부로 배출될 수 있다. 용기의 개구부가 개방될 때의 원심분리기의 회전속도는 원심분리가 이루어질 때의 회전속도보다 낮은 속도로 감속된다. 이는 유체의 구체적인 성분에 따라 회전시 작용되는 원심력의 크기가 다르다는 점을 이용하여 원심분리기의 회전속도를 조절함으로써 큰 원심력이 작용하는 유체와 상대 적으로 작은 크기의 원심력이 작용하는 유체를 서로 분리하기 위함이다.

원심분리기가 회전하여 용기 내에서 물질의 층상 분리가 완료된 후에, 원심분리기의 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 용기의 개구부를 개방한 마개부를 통해 흘러내릴 수 있고, 줄기세포와 같이 원심력의 크기가 상대적으로 크게 작용하는 분리층은 용기에 부착된 상태를 그대로 유지할 수 있다.

원심분리기가 원심분리를 수행할 때에는 원심분리에 요구되는 최대의 속도, 즉 제1 속도에서 일정한 시간 동안 회전함으로써 용기 내의 물질이 분리층들로 원심분리된다.

용기 내의 물질의 일부 층들을 용기의 외부로 배출하려면, 원심분리기의 속도를 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 감속하여 다시 일정 시간 동안 회전을 지속한다. 용기는 그 개구부가 하측을 향하며 소정 각도를 유지하도록 원심분리기에 설치된다. 따라서 원심분리기가 제2 속도로 회전하는 동안 용기의 개구부를 개방하면 용기 내의 유체저항 및 비중이 작은 일부의 층이 용기의 개구부를 통해 흘러내릴 수 있다.

이와 같은 제2 속도의 크기는 분리대상 물질의 물성, 특히 유체저항의 크기에 따라 결정된다. 감속된 회전속도, 즉 제2 속도에서 원심분리기가 회전을 지속하면, 용기 내부에 걸쳐 형성된 분리층들 중 줄기세포와 같은 최외곽의 분리층은 중력보다 큰 원심력의 작용을 받아 용기 내부에 유지되지만 그 외 분리층은 중력보다 작은 원심력의 작용을 받아 용기의 개구부를 통해 흘러내릴 수 있다. 이와 같이 본 발명은 원심분리하고자 하는 분리층에 맞추어 제2 속도를 조정함으로써, 일부 분리층이 용기의 외부로 배출될 수 있는 임계점을 결정할 수 있다.

상술한 바와 같이 원심분리기의 회전속도를 감속시킴으로써 용기 내에서 원심분리된 물질의 일부의 층이 중력의 작용에 의해 용기의 외부로 흘러내리게 할 수 있지만, 원심분리기의 회전속도를 감속시키지 아니하고도 일부의 층을 용기의 외부로 배출할 수 있다. 즉 용기의 개구부에 결합된 마개부를 통해 용기에 연결되는 배출관에 펌프에 의한 압력을 형성하면, 용기 내의 일부의 층이 배출관에 형성된 압력으로 인해 용기의 외부로 배출될 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리기는, 회전축을 중심으로 회전하는 회전체와, 개구부가 형성되어 내측에 물질이 수용되며 회전축에 대해 소정 각도를 유지하도록 기울어져 개구부가 아래쪽을 향하는 형태로 회전체에 결합되는 용기와, 개구부에 결합되어 개구부를 폐쇄하며 회전체의 속도가 일정한 속도에 이르러 물질의 원심분리가 이루어지면 용기 내의 물질이 외부로 흐르도록 개구부를 개방하는 마개부를 포함한다.

본 발명에 있어서, 마개부는 외부 신호에 의해 작동되어 개구부를 개폐하는 밸브를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 회전체에는 마개부가 개방되었을 때 용기에서 배출되는 물질을 수용하는 수용부가 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 마개부에는 용기를 외부로 연통시키는 연결관이 연결될 수 있다.

본 발명에 있어서, 연결관은 용기 내부의 물질을 외부로 배출하는 적어도 하나의 배출관을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 연결관은 외부로부터 용기 내부로 유체를 주입하는 적어도 하나의 유입관을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 관한 원심분리방법은, (a) 용기의 내부에 물질을 주입하는 단계와, (b) 용기의 개구부가 아래쪽을 향하며 회전체의 회전축에 대해 소정 각도를 유지하도록 용기를 회전체에 결합시키는 단계와, (c) 회전체를 회전시켜 용기 내의 물질을 원심분리하는 단계와, (d) 회전체를 계속 회전시키면서 용기의 개구부에 결합된 마개부를 개방하여 원심분리된 물질의 일부의 층을 용기의 외부로 배출하는 단계와, (e) 마개부를 폐쇄하는 단계와, (f) 회전체를 정지시키는 단계와, (g) 용기를 회전체로부터 분리하여 원심분리된 물질을 회수하는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, (d) 단계는 마개부를 통해 용기에 연결된 배출관을 개방하여 원심분리된 물질의 일부의 층을 용기의 외부로 배출할 수 있다. 배출관은 펌프에 연결되며, 펌프에 의해 형성되는 압력에 의해 원심분리된 물질의 일부의 층이 용기의 외부로 배출될 수 있다. 또한 (d) 단계는 마개부를 통해 용기에 연결된 유입관을 개방하여 외부의 유체를 용기의 내부로 주입하여 용기의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.

본 발명에 있어서, (d) 단계는 회전체의 속도를 (c) 단계에서의 속도보다 낮은 속도로 감속시켜 회전체를 회전시키며 마개부를 개방하여 원심분리된 물질의 일 부의 층을 용기의 외부로 배출할 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 측면 단면도이다.

도 1과 도 2에 나타난 실시예에 관한 원심분리기는 회전축(O)을 중심으로 회전하며 물질을 분리하는 장치이다. 본 실시예에 관한 원심분리기는 회전체(10)와, 회전체(10)에 소정 각도(θ)로 결합되는 용기(20)와, 용기(20)의 개구부(21)를 개폐하는 마개부(30)를 포함한다.

회전체(10)는 회전축(O)을 중심으로 회전하며 용기(20)를 지지한다. 회전체(10)는 케이싱(11) 내측에 수용되며, 구동모터(12)에 결합되어 케이싱(11) 내에서 원심분리를 위한 회전운동을 한다. 케이싱(11)의 상측에는 회전체(10)와 용기(20)를 덮는 덮개(13)가 결합된다.

회전체(10)의 내측에는 수용부(15)가 형성된다. 수용부(15)는 용기(20)에서 흘러내리는 물질을 담는 기능을 한다.

회전체(10)의 상단에는 복수 개의 용기(20)들이 결합된다. 용기(20)는 개구부(21)가 아래쪽을 향하는 형태를 취하도록 회전체(10)에 결합된다. 따라서 용기(20)는 회전축(O)에 대해 소정각도를 유지하도록 기울어진 상태를 유지한다. 용기(20)의 길이방향 축(P)과 회전축(O) 사이의 각도(θ)는 원심분리에 의해 분리된 물질의 일부 층을 용기(20)의 외부로 배출할 때에 물질이 흘러내리도록 하기 위해 물질에 작용하는 중력과 원심력과 유체저항에 의한 힘의 합력을 고려하여 정해질 수 있다.

용기(20)는 일반적인 시험관 형상일 수 있으며, 내측에 원심분리의 대상이 되는 물질이 수용된다. 용기(20)에는 개구부(21)가 형성되고, 개구부(21)의 반대측 단부는 그 단면이 좁아지는 원추형상으로 이루어질 수 있다.

용기(20)에는 마개부(30)가 결합된다. 마개부(30)는 용기(20)의 개구부(21)에 결합되어 개구부(21)를 개폐하는 기능을 한다. 마개부(30)의 일측은 용기(20)의 개구부(21)에 결합되며, 타측은 회전체(10)의 수용부(15)를 향하여 개방되므로, 마개부(30)가 개방되면 용기(20)의 개구부(21)는 회전체(10)의 수용부(15)를 향해 개방되는 상태가 된다.

마개부(30)는 외부 신호에 의해 작동되는 밸브(31)를 포함할 수 있다. 밸브(31)는 회전체(10)에 설치된 신호라인(32)을 통해 컨트롤러(33)에 연결되어, 컨트롤러(33)로부터 공급되는 구동신호에 의해 작동된다. 따라서 밸브(31)가 작동되어 개구부(21)가 개방되면 용기(20) 내부의 물질이 하측을 향하여 흐를 수 있는 조건이 형성되고, 개구부(21)가 폐쇄되면 물질은 용기(20) 내부에 수용된 상태로 유지된다. 밸브(31)는 신호라인(32)을 통해 외부로 연결되는 대신 무선에 의해 외부의 신호를 받아 작동되도록 변형될 수도 있다.

상술한 구성으로 이루어지는 원심분리기의 작동을 설명하면 다음과 같다.

원심분리를 실시하고자 하는 물질(시료)을 용기(20)에 담고, 회전체(10)에 용기(20)를 결합시킨다. 용기(20)가 회전체(10)에 결합될 때에는 마개부(30)에 의 해 결합되므로, 용기(20)의 길이방향 축(P)은 회전체(10)의 회전중심인 회전축(O)에 대하여 일정한 각도(θ)를 유지한다. 이 때에는 마개부(30)가 용기(20)의 개구부(21)를 폐쇄함으로써 용기(20) 내부의 물질이 외부로 빠져나오지 않도록 한다.

회전체(10)에 연결된 구동모터(12)가 구동되면, 회전체(10)가 회전축(O)을 중심으로 회전 운동을 한다. 회전체(10)의 상측에는 용기(20)가 결합되어 있으므로, 용기(20)도 회전체(10)와 함께 회전을 한다. 용기(20) 내부에 담겨 있는 물질에 원심력이 작용함에 따라 용기(20) 내에서는 물질의 비중에 따른 원심분리가 진행된다. 이하에서는 원심분리를 수행하기 위해 회전체(10)가 회전하는 속도를 제1 속도로 칭한다.

원심분리가 이루어져 물질이 비중에 따라 다수의 층으로 분리되면, 비중이 크고 유체저항이 큰 물질로 이루어지는 층은 회전축(O) 중심에서 멀리 위치하고, 유리 지방(free oil), 지방, 물과 같이 비중이 작고 유체저항이 작은 물질로 이루어지는 층은 회전축(O)에 가깝게 형성된다. 회전축(O) 중심에서 멀리 위치하는 층은 줄기세포와 같이 비중이 큰 물질들이다. 줄기세포는 그 자체의 부착력과 원심력의 작용으로 인해 용기(20)의 단부 벽면을 향해 압축되어 달라붙는 상태가 된다.

원심분리가 이루어진 이후에는 분리된 물질의 일부의 층을 외부로 배출하여 회수하는 작업이 이루어진다. 이 작업은 마개부(30)가 작동되어 용기(20)의 개구부(21)를 개방함으로써 이루어진다. 컨트롤러(33)에 의해 마개부(30)의 밸브(31)에 제어신호가 입력되면 마개부(30)의 밸브(31)가 작동되어 용기(20)의 개구부(21)가 회전체(10)의 수용부(15)를 향해 개방되는 상태가 된다.

이와 동시에 회전체(10)가 감속되어 상술한 제1 속도보다 느린 제2 속도로 회전한다. 즉 원심분리된 일부의 층이 중력의 작용으로 인해 하측을 향하여 흐르게 함과 동시에 줄기세포를 용기(20)의 내부에 유지시키도록 회전체(10)의 회전속도를 미리 결정된 임계속도인 제2 속도로 감속시킨다.

회전체(10)의 회전속도가 감속되면 원심력이 줄어들어, 중력의 작용으로 인해 용기(20) 내의 유체가 하측으로 흐를 수 있다. 용기(20) 내의 유체에는 원심력과 중력이 서로 반대 방향으로 작용하는 조건이 형성되므로, 원심력이 줄어들면 유체저항과 비중이 작은 유체의 층이 중력의 작용으로 인해 회전축(O)의 중심을 향하여 흐르기 시작한다. 용기(20)로부터 회전체(10)의 수용부(15)로 흘러드는 물, 유리 지방, 지방과 같이 비중이 작고 유체저항이 작은 물질은 중력과 원심력의 작용을 받으며 수용부(15)의 내벽을 따라 회전체(10)의 하측으로 흐른다.

예를 들어 지방조직에서 줄기세포를 분리해내는 경우, 용기 중심축의 회전체의 회전축과의 각도를 40도로 하면 줄기세포만을 용기 내에 남기고 나머지 유체를 탈락시키기 위해 23G(RCF)의 원심력이 작용하도록 하면 충분하다. 따라서 이때의 제2 속도는 400rpm으로 설정될 수 있다.

본 실시예에 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(20)의 내벽 면에 접촉하며 흐르기 때문에 마찰력의 작용을 받는다. 회전체(10)가 회전하는 상태에서는 용기(20)의 내부에 있 는 물질에 원심력이 작용하는데, 용기(20)가 기울어져 있어 용기(20)의 내벽면이 중력에 대해 경사면을 형성하고 있으므로 용기(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 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리기에서 원심력이 작용하지 않는 것으로 가정하였을 때 용기 내에서 작용하는 힘을 나타내는 개략도이다.

도 3에는 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(G)만이 작용하는데, 중력(G)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 4a는 도 3에 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(G)의 합력(T)의 작용으로 인해 경사면(As)을 향해 가압된다. 도시된 원심력(C)의 크기는 중력(G)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 실시예에 관한 원심분리기에서 용기는 회전체에 대해 각도가 고정되어 있어서 경사면이 더 기울어질 수는 없으므로, 회전속도를 변화시켜야 한다.

도 4b는 도 3에 나타난 힘들이 변화된 상태를 나타낸 개략도로서, 원심력이 줄어든 상태를 도시한다.

도 4b에 도시된 상태에서는 회전체의 속도가 줄어들어 원심력(C)이 작아졌고, 이로 인해 원심력의 경사면 상의 힘(Cs)이 작아졌다. 따라서 중력(G)과 원심력(C)의 합력(T)의 경사면 상의 힘(Ts)이 물질이 하방을 향해 흐르도록 작용한다. 회전체의 속도가 줄어들어 원심력(C)이 중력(G)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 경사 면 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 힘들 의 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.

물 성분이 주를 이루는 하층의 유체가 모두 회전체(10)의 수용부(15)로 흘러간 후에는 마개부(30)의 밸브(31)를 작동시켜 용기(20)의 개구부(21)를 폐쇄한다. 그리고 회전체(10)의 회전속도를 줄여 원심분리기를 정지시킨다. 원심분리를 실시하는 동안 최하층의 유체는 회전체(10)의 수용부(15)로 배출되었으므로, 용기(20) 내에는 줄기세포와 같이 비중이 큰 물질만이 남는다. 따라서 원심분리 작업 이후에 비중에 따라 나뉘어진 층을 별도로 구분하여 분리시키는 작업을 할 필요가 없으므로 원하는 물질만을 쉽게 얻을 수 있다.

도 5은 본 발명의 다른 실시예에 관한 원심분리기에 의해 원심분리가 수행되기 이전의 용기의 모습을 도시하는 부분 측면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 용기에서 원심분리에 의해 분리된 물질의 일부를 회수하는 모습을 도시하는 부분 측면도이다.

도 5에 나타난 실시예에 관한 원심분리기는 회전축을 중심으로 회전하는 회전체(60)와, 회전체(60)에 소정 각도(θ)를 유지하며 결합되는 용기(20)와, 용기(20)의 개구부(21)를 개폐하는 마개부(70)를 포함한다.

도 1과 도 2에 도시된 실시예에서는 회전체에 수용부가 형성되어 원심분리된 물질을 회수하는 기능을 수행하였다. 그러나 도 5의 실시예에서는 회전체에 수용부를 형성하는 대신 마개부(70)에 연결관(80)이 연결되어 원심분리된 물질을 외부로 배출하여 회수한다. 연결관(80)은 용기(20)를 외부로 연통시키는 기능을 한다.

연결관(80)은 용기(20) 내부의 물질을 외부로 배출하는 적어도 하나의 배출관(81)과, 외부로부터 용기(20)의 내부로 유체를 주입하는 적어도 하나의 유입관(82)을 포함할 수 있다. 배출관(81)은 용기(20)의 하층 유체만을 분리하기 위해 하나만을 설치할 수도 있고, 여러 개를 설치함으로써 각각의 층을 구분하여 외부로 배출할 수도 있다.

연결관(80)은 마개부(70)를 통해 용기(20)에 연결된다. 마개부(70)는 연결관(80)을 개폐하는 기능을 하는 밸브(71)를 포함할 수 있다. 밸브(71)는 컨트롤러(미도시)에 의해 제어되어 연결관(80)을 개폐할 수 있다. 밸브(71)는 신호라인(72) 또는 무선에 의해 컨트롤러(미도시)에 연결될 수 있다.

배출관(81)은 원심분리기에 설치되는 별도의 회수용 탱크(미도시)에 연결되고, 중력의 작용에 의해 흘러내리는 물질이 회수용 탱크(미도시)로 회수되도록 할 수 있다. 그러나 물질의 회수가 더욱 원활하게 이루어지도록 하기 위해 펌프(미도시)를 사용할 수도 있을 것이다. 즉 배출관(81)에 펌프를 연결하고, 펌프에 의해 형성되는 음압(대기압보다 작은 압력)을 이용하여 용기(20) 내의 물질이 배출관(81)을 통해 회수용 탱크로 배출되게 할 수 있다.

유입관(82)은 외부로부터 용기(20)의 내부로 유체를 주입하는 기능을 한다. 배출관(81)을 통해 용기(20) 내의 물질이 외부로 배출되면 용기(20) 내부에 음압이 형성된다. 용기(20) 내부에 음압이 형성되면 역류 등의 현상이 발생할 수 있으므로 유입관(82)을 통해 외부로부터 용기(20) 내부에 희석액과 같은 유체를 주입하여 이와 같은 현상의 발생을 방지할 수 있다.

연결관(80)은 회전커플링(미도시)을 통해 외부로 연결될 수 있다. 회전커플링(미도시)은 연결관(80)을 외부로 연결함과 동시에 연결관(80)의 비틀림 탄성에 의해 자체로 회전하기 때문에 회전체(60)가 회전함에 따라 연결관(80)이 꼬이지 않도록 할 수 있다.

상술한 구성으로 이루어지는 원심분리기의 작동을 설명하면 다음과 같다.

원심분리를 실시하고자 하는 물질(시료)을 용기(20)에 담고, 회전체(60)에 용기(20)를 결합한다. 용기(20)는 마개부(70)에 의해 회전체(60)에 결합되므로, 용기(20)의 길이방향 축(P)은 회전체(60)의 회전중심인 회전축(O)에 대하여 일정한 각도(θ)를 유지한다. 이 때에는 마개부(70)가 용기(20)의 개구부(21)를 폐쇄함으로써 용기(20) 내부의 물질이 외부로 빠져나오지 않도록 하여야 한다.

회전체(60)에 연결된 구동모터(미도시)가 구동되면, 회전체(60)가 회전축(O)을 중심으로 회전 운동을 한다. 회전체(60)에는 용기(20)가 결합되어 있으므로, 용기(20)도 회전체(60)와 함께 회전을 한다. 용기(20) 내부에 담겨 있는 물질에 원심력이 작용함에 따라 용기(20) 내에서는 물질의 비중에 따른 원심분리가 진행된다. 회전체(60)가 회전축(O)을 중심으로 회전하는 동안, 용기(20)의 길이방향 축(P)은 회전축(O)에 대하여 일정한 각도(θ)로 유지된다.

원심분리가 이루어져 물질이 비중에 따라 다수의 층으로 분리되면, 줄기세포와 같이 비중이 크고 유체저항이 큰 물질로 이루어지는 최외곽 유체층(91)은 회전축(O)에서 멀리 위치한다. 그리고 유리 지방, 지방, 물과 같이 비중이 작고 유체저항이 작은 물질로 이루어지는 내측 유체층들(92)은 회전축(O)에 가깝게 형성된다. 줄기세포를 포함한 최외곽 유체층(91)은 그 자체의 부착력과 원심력의 작용으로 인해 용기(20)의 단부 벽면을 향해 압축되어 달라붙는 상태가 된다.

원심분리가 이루어진 이후에는 분리된 물질의 일부의 층을 외부로 배출하여 회수하는 작업이 이루어진다. 이 작업은 마개부(70)가 작동되어 연결관(80)을 개방함으로써 수행된다. 컨트롤러(미도시)에 의해 마개부(70)의 밸브(71)에 제어신호가 입력되면 마개부(70)의 밸브(71)가 작동하여 용기(20)에 연결된 연결관(80)을 개방한다.

연결관(80)이 개방된 상태에서 배출관(81)에 연결된 펌프(미도시)를 작동시키면 배출관(81)에 압력이 형성된다. 용기(20) 내의 물질의 내측 유체층들(92)은 배출관(81)에 형성된 압력의 작용으로 인해 배출관(81)을 통해 회수용 탱크(미도시)로 배출된다. 이때에 유입관(82)을 통해 희석액과 같은 외부의 유체를 용기(20)의 내부로 주입하여 용기(20)의 내부에 일정한 압력이 유지되도록 함으로써 음압(대기압보다 작은 압력)이 형성되지 않도록 할 수 있다.

물 성분이 주를 이루는 내측 유체층들(92)이 모두 배출된 후에는 마개부(70)의 밸브(71)를 작동시켜 용기(20)의 연결관(80)을 폐쇄한다. 그리고 회전체(60)의 회전속도를 줄여 원심분리기를 정지시킨다. 원심분리를 실시하는 동안 용기(20) 내 의 내측 유체층들(92)은 배출관(81)을 통해 외부로 배출되었으므로, 용기(20) 내에는 줄기세포와 같이 비중이 큰 물질만이 남는다. 따라서 원심분리 작업 이후에 비중에 따라 나뉘어진 층을 별도로 구분하여 분리시키는 작업을 할 필요가 없으므로 원하는 물질만을 쉽게 얻을 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리방법의 흐름도이다.

본 발명에 관한 원심분리방법은, 용기의 내부에 물질을 주입하는 단계(S100)와, 용기의 개구부가 아래쪽을 향하며 회전체의 회전축에 대해 소정 각도를 유지하도록 용기를 회전체에 결합시키는 단계(S110)와, 회전체를 회전시켜 용기 내의 물질을 원심분리하는 단계(S120)와, 회전체를 계속 회전시키면서 용기의 개구부에 결합된 마개부를 개방하여 원심분리된 물질의 일부의 층을 용기의 외부로 배출하는 단계(S130)와, 마개부를 폐쇄하는 단계(S140)와, 회전체의 회전을 정지시키는 단계(S150)와, 용기를 회전체로부터 분리하여 원심분리된 물질을 회수하는 단계(S160)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 관한 원심분리방법의 원심분리된 일부의 층을 외부로 배출하는 단계(S130)에서는 회전체가 계속하여 회전하는 동안 마개부를 개방하여 물질의 일부의 층을 용기의 외부로 배출하는데, 회전체의 회전속도를 원심분리 단계(S120)에서의 제1 속도보다 낮은 속도인 제2 속도로 감속할 수 있다. 제2 속도는 원심분리에 의해 분리된 물질의 층들 가운데 용기의 외곽에 존재하는 일부의 층은 용기에 부착될 수 있게 하고, 나머지 층은 중력의 작용에 의해 용기의 개구부를 통해 탈락될 수 있게 하는 원심력을 형성하는 속도로 설정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 관한 원심분리방법에서, 원심분리된 일부의 층을 외부로 배출하는 단계(S130)는 용기에 연결된 배출관을 개방하여 일부의 층을 외부로 배출할 수 있다. 이 때에 배출관에는 펌프가 연결되어 펌프에 의해 형성되는 압력에 의해 물질을 용기의 외부로 배출할 수 있다. 또한 S130 단계에서는 마개부에 의해 용기에 연결된 유입관을 개방하여 희석액과 같은 외부의 유체를 용기의 내부로 주입하여 용기의 압력이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.

본 실시예에서도 일부의 층을 외부로 배출하는 단계(S130)에서 회전체의 회전속도를 제2 속도로 감속시킬 수도 있지만, 배출관에 압력을 형성하여 배출관을 통해 용기의 외부로 물질을 배출할 수 있으므로 회전체의 회전속도를 감속시키는 단계가 필수적으로 수행되어야 하는 것은 아니다.

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, 용기가 회전축에 대해 소정 각도를 유지하며 용기의 개구부가 아래쪽을 향하는 형태로 회전체에 결합되어 원심분리가 이루어지며, 원심분리기가 회전하는 동안 용기에 결합된 마개부가 용기의 개구부를 개폐하므로 별도의 구분작업이나 세척작업을 실시하지 않고도 원심분리된 물질의 층을 정확하면서도 용이하게 구분하여 회수할 수 있는 효과 가 있다.

Claims (11)

1. 회전축을 중심으로 회전하는 회전체;

   개구부가 형성되어 내측에 물질이 수용되며, 상기 회전축에 대해 소정 각도를 유지하도록 기울어져 상기 개구부가 아래쪽을 향하는 형태로 상기 회전체에 결합되는 용기; 및

   상기 개구부에 결합되어 상기 개구부를 폐쇄하며, 상기 회전체의 속도가 일정한 속도에 이르러 물질의 원심분리가 이루어지면 상기 용기 내의 물질이 외부로 흐르도록 상기 개구부를 개방하는 마개부를 포함하는 원심분리기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 마개부는 외부 신호에 의해 작동되어 상기 개구부를 개폐하는 밸브를 포함하는 원심분리기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 회전체에는 상기 마개부가 개방되었을 때 상기 용기에서 배출되는 물질을 수용하는 수용부가 형성되는 원심분리기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 마개부에는 상기 용기를 외부로 연통시키는 연결관이 연결되는 원심분 리기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 연결관은 상기 용기 내부의 물질을 외부로 배출하는 적어도 하나의 배출관을 포함하는 원심분리기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 연결관은 외부로부터 상기 용기 내부로 유체를 주입하는 적어도 하나의 유입관을 더 포함하는 원심분리기.
7. (a) 용기의 내부에 물질을 주입하는 단계;

   (b) 상기 용기의 개구부가 아래쪽을 향하며 회전체의 회전축에 대해 소정 각도를 유지하도록 상기 용기를 상기 회전체에 결합시키는 단계;

   (c) 상기 회전체를 회전시켜 상기 용기 내의 물질을 원심분리하는 단계;

   (d) 상기 회전체를 계속 회전시키면서 상기 용기의 상기 개구부에 결합된 마개부를 개방하여 원심분리된 물질의 일부의 층을 상기 용기의 외부로 배출하는 단계;

   (e) 상기 마개부를 폐쇄하는 단계;

   (f) 상기 회전체를 정지시키는 단계; 및

   (g) 상기 용기를 상기 회전체로부터 분리하여 원심분리된 물질을 회수하는 단계를 포함하는 원심분리방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 (d) 단계는 상기 마개부를 통해 상기 용기에 연결된 배출관을 개방하여 원심분리된 물질의 일부의 층을 상기 용기의 외부로 배출하는 원심분리방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 배출관은 펌프에 연결되며, 상기 펌프에 의해 형성되는 압력에 의해 원심분리된 물질의 일부의 층이 상기 용기의 외부로 배출되는 원심분리방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

    상기 (d) 단계는 상기 마개부를 통해 상기 용기에 연결된 유입관을 개방하여 외부의 유체를 상기 용기의 내부로 주입하여 상기 용기의 압력을 일정하게 유지하는 원심분리방법.
11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

    상기 (d) 단계는 상기 회전체의 속도를 상기 (c) 단계에서의 속도보다 낮은 속도로 감속시켜 상기 회전체를 회전시키며 상기 마개부를 개방하여 원심분리된 물질의 일부의 층을 상기 용기의 외부로 배출하는 원심분리방법.

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