KR100815074B1 - 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터 - Google Patents

배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터는 하부에 위치하여 세포 배양칩 및 세포 배양액에 열에너지를 공급하기 위한 하부 히터, 하부 히터의 외주면에 위치하여 상부 히터를 지지하는 측벽, 측벽에 위치하여 세포 배양 환경을 감지하기 위한 센서부, 상부에 위치하여 인큐베이터의 상부에 열에너지를 공급하기 위한 상부 히터 및 센서부로부터 출력되는 감지신호를 이용하여 상부 히터 및 하부 히터의 구동을 제어하기 위한 제어부를 포함한다.
따라서, 본 발명은 소량의 다품종 세포 배양에 적합한 환경을 제어하기가 용이하며, 인큐베이터를 개봉하지 않고도 세포 배양과정의 실시간 관찰 및 이미지 관측이 가능하며, 세포 배양에 필요한 환경 제어를 자동화할 수 있어 안정적인 세포의 성장이 가능하고 보다 정확하고 신뢰성 있는 세포 배양을 이룰 수 있는 세포 배양용 인큐베이터를 제공할 수 있는 효과가 있다.
인큐베이터, 세포 배양칩, 히터, 자동 제어

Description

배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터{Automatical controlable incuvator for culture the cell}
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 세포 배양용 인큐베이터 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 세포 배양용 인큐베이터 단면도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 하부 히터 및 상부 히터,
도 4는 본 발명에 따른 히터의 온도에 따른 전압 특성 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210: 하부 히터 215: 상부 히터
220: 측벽 255: 발열체
230: 세포 배양칩 240: 가스 투입구
245: 가스 배출구 250: 센서부
260: 열전대 270: 모듈
290:제어부
본 발명은 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소량 다품종의 세포 배양을 위하여 외부 배양 환경(온도, 습도, 이산화탄소 농도 등)의 자동 제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 세포 배양을 위한 인큐베이터는 도 1a에 도시된 바와 같이 구성되며, 이러한 인큐베이터(10)의 내부에 산소 혹은 탄산가스와 같은 기체를 공급해 주기 위하여 배양조(20)내에 소관축(30)이 내부에까지 설치된 회전축(40)을 구비하여 회전축의 하부에 고정된 지지대(50)에 실리콘 튜브(60)를 감아서 그의 상단에 배출구와 연동된 가스 유입관(70)에 연결하고, 하단은 공기 공급실(80)과 연동된 공기 배출관(90)에 연결하여 배양조 내부의 공기를 회전하면서 배양을 시킬 수 있도록 한다.
또 다른 종래 기술에 따른 인큐베이터는 도 1b에 도시된 바와 같이 배양판(100)을 받쳐주기 위한 받침턱(122)이 다단으로 설치되어 다수개의 배양판(100)을 수용할 수 있도록 형성된 배양기를 구비하여, 뚜껑(140)에 형성되어 있는 배양액 주입구(142)를 통하여 증식하고자 하는 세포가 들어있는 배양액을 주입하고, 재치대의 최상단에 재치되어 있는 배양용기(100)에 배양액을 공급하도록 하며, 용량 을 초과하는 배양액은 배양액 조절관(110)을 통하여 그 하부에 높여진 배양용기(100) 공급한다. 그리고, 배양액이 채워진 배양기는 뚜껑(140)에 형성되어 있는 공기주입구를 통하여 탄산가스를 함유하는 공기를 배양기의 내부로 주입시키고, 각단에 설치되어 있는 공기노즐을 통과하여 배양액의 표면으로 분사되며, 사용 후 잔량 및 배양과정에서 발생되는 가스는 뚜껑(140)의 상부에 설치되어 있는 에어벤트(144)를 통하여 외기로 방출한다. 사용된 배양물은 배양액 배출구(132)를 통하여 수거한다.
그러나, 이와 같은 종래의 인큐베이터는 모두 대량의 세포 배양을 위한 것으로서 소량의 다품종 세포 배양에는 부적합하며, 인큐베이터의 내부로 이산화탄소 및 탄산가스 등과 같은 가스의 공급은 원활히 할 수 있으나, 세포 배양액의 온도 제어 및 기타 배양 환경의 정확한 제어가 불가능하여 통합적인 외부 환경을 제공하여 줄 수 없다.
그리고, 종래의 인큐베이터는 히터가 인큐베이터의 외부 또는 인큐베이터의 측벽에 설치되어 있어, 직접 가열이 아닌 대류에 의한 간접 가열로 인큐베이터를 가열하므로 세포 배양 환경의 조성을 위한 온도를 정확하게 제어하기 어려워 세포 배양의 신뢰성을 보장할 수 없다.
또한, 종래의 인큐베이터는 배양과정 중에 있는 세포를 관찰하거나 이미지화하기 위해서는 인큐베이터 및 세포 배양용기를 모두 개방하여야 하기 때문에 배양조건을 무너지게 하여 실시간 세포의 배양과정을 관찰하거나 이미지화할 수 없는 문제점이 존재한다.
따라서, 본 발명은 소량 다품종의 세포 배양에 적합한 세포 배양용 인큐베이터를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 세포 배양환경 특히, 세포 배양시 배양 온도를 정확하게 제어할 수 있는 세포 배양용 인큐베이터를 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명은 인큐베이터를 개방하지 않고도 세포의 배양상태를 관찰하거나 이미지화할 수 있는 세포 배양용 인큐베이터를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 생체 친화적인 인큐베이터를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터는 내부에 세포가 배양될 수 있는 빈 공간을 가진 세포 배양칩, 세포 배양칩의 하부에 위치하여 세포 배양칩 및 세포 배양액에 열에너지를 공급하기 위한 하부 히터, 하부 히터의 외주면에 위치하여 상부 히터를 지지하는 측벽, 측벽에 위치하여 세포 배양 환경을 감지하기 위한 센서부, 상부에 위치하여 인큐베이터의 상부에 열에너지를 공급하기 위한 상부 히터 및 센서부로부터 출력되는 감지신호를 이용하여 상부 히터 및 하부 히터의 구동을 제어하기 위한 제어부를 포함한다.
본 발명에 있어서, 하부 히터 및 상부 히터는 발열체 패턴이 증착된 투명한 내열 기판으로 형성된다.
이때, 투명한 내열 기판은 석영 또는 유리이며, 발열체는 백금 또는 탄탈륨 실리사이드이다.
센서부는 온도 센서, 습도 센서, 이산화탄소 센서, pH 센서, 유량 센서 및 산소 센서 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다.
상부 히터는 상부 히터를 관통하는 소정 크기의 가스 투입구, 상기 가스 투입구와 일정 간격 떨어진 지점에 존재하며 상부 히터를 관통하는 소정 크기의 가스 배출구를 더 포함하며, 측벽은 생체 친화성 물질로 테프론이 이에 해당한다.
세포 배양칩(chip)은 세포 배양칩의 일측면에 형성된 구멍을 통해 세포 배양칩 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대와 연결되고, 세포 배양칩의 일측면에 형성되어 세포 배양칩 내부의 빈 공간에 세포 배양액을 공급하기 위한 배양액 투입구 및 세포 배양칩의 일측면에 형성되어 세포 배양액을 배출하는 배양액 배출구를 더 포함한다.
가스 투입구 및 가스 배출구는 가스 센서 모듈과 연결되고, 이러한 가스 센서 모듈은 제어부에 의하여 자동 제어된다.
본 발명에 따른 인큐베이터의 하부 히터, 상부 히터 및 센서부는 제어부와 연결되어 자동 제어된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터의 단면도를 도시한 것으로서, 이를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명은 세포 배양용 인큐베이터의 내부에 히터(heater, 210, 215)를 내장한다.
히터(210, 215)는 도 2에 도시된 바와 같이 인큐베이터의 하부 및 상부에 각각 위치하여 인큐베이터 본체를 이루며, 인큐베이터의 측벽(220)은 하부 히터(210)와 상부 히터(215) 사이의 외주면을 따라 형성된다.
그리고, 하부 히터(210) 및 상부 히터(215)상에 형성된 발열체(255)는 도 3a에 도시된 바와 같이 일정한 간격으로 이격되어 형성되거나, 일정한 패턴으로 형성된다.
하부 히터(210)상에는 그 내부에 세포가 배양될 수 있는 빈 공간을 가진 세포 배양칩(230)이 위치하고, 세포 배양칩(230)의 일측면에 형성된 구멍을 통해 세포 배양칩 내부의 온도를 측정하는 열전대(thermo couple, 260)와 연결되어 정확하게 온도를 조절할 수 있도록 한다.
상부 히터(215) 및 하부 히터는 생체 친화성인 재질인 동시에 투명한 내열성 기판을 이용하여 형성하며, 이와 같은 투명한 기판상에 발열체(255)를 증착 및 패터닝하여 형성한다.
그리고, 상부 히터(215) 및 하부 히터(210)는 각각의 외주 끝단에 전력 신호 선(217)과 연결되어 있다.
이때, 기판은 석영 및 유리 등이 이에 해당하며, 발열체(255)는 백금, 탄탈륨 실리사이드(Tantalun Silicide, TaSi2)등이 이에 해당한다.
본 발명에서 사용된 상부 및 하부 히터(210, 215)의 투명한 내열성 기판은 인큐베이터의 내부를 관찰하거나 이미지화를 용이하게 하므로, 인큐베이터를 개봉하지 않고도 세포 배양과정을 관찰하거나 이미지화할 수 있게 한다.
발열체(255)는 도 4와 같은 선형적인 온도-전력특성을 가지므로 신뢰성 있는 히터를 제공할 수 있으며, 종래의 인큐베이터에서 주로 사용되었던 니켈-크롬(Ni-Cr) 히터에 비하여 가열 속도가 빨라 신속한 온도 제어를 할 수 있는 이점이 있다.
특히, 본 발명은 상부 히터(215)로 인하여 인큐베이터 내부 전 영역의 온도를 동일하게 유지시켜주며, 인큐베이터의 내부와 외부간의 온도차이로 인해 인큐베이터의 상부에서 습기가 생기는 현상을 방지할 수 있어 세포를 더욱 정확하게 관찰할 수 있는 이점이 있다.
상부 히터(215) 및 하부 히터(210)의 사이의 외주면을 따라 형성되어 상부 히터(215)를 지지하는 측벽(220)은 생체 친화성 재질을 사용하여 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어 테프론(teflon), PDMS, 투명한 플라스틱등을 이용하여 형성할 수 있다.
그리고, 측벽(220)에는 열전대(260)와 인큐베이터의 외부에 구비된 모듈(270)간의 연결을 위한 연결구(265)가 구비되며, 세포 배양 칩(230)의 내부에 세 포 배양액을 주입하고 배출하기 위한 배양액 투입구(234) 및 배양액 배출구(236)가 구비된다.
상부 히터(215)는 도 3b에 도시된 바와 같이 인큐베이터 내부에 가스를 투입하고 배출하기 위한 가스 투입구(240) 및 가스 배출구(245)가 구비된다.
인큐베이터 내부에 투입되고 배출되는 가스는 이산화탄소 가스, 산소 가스 등으로 도 5에 도시된 바와 같이 이러한 가스를 감지할 수 있는 가스 센서 모듈(280) 및 제어부(290)와 연결되어 가스의 투입량 및 배출량을 제어한다.
한편, 인큐베이터 내부의 측벽(220)에 구비된 센서부(250)는 산소 센서, 이산화탄소 센서 등과 같은 가스 센서 외에도 히터와 연결된 온도 센서, pH 센서, 유량 센서 등을 포함하여 세포 배양에 필요한 환경을 감지하는 기능을 수행한다.
이때, 습도 센서는 세포 배양액 내에 침지되지 않도록 함이 중요하다.
세포 배양칩(230)은 투명한 생체 친화성 물질로 형성함이 바람직하며, 세포 배양칩의 일측면에 형성된 구멍을 통해 세포 배양칩 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대와 직접 연결되도록 하여 세포 배양칩 내부의 정확한 온도 측정을 가능하게 하고, 세포 배양칩의 일측면에 형성되어 세포 배양칩 내부의 빈 공간에 세포 배양액을 공급하기 위한 배양액 투입구 및 세포 배양칩의 일측면에 형성되어 세포 배양액을 배출하기 위한 배양액 배출구를 더 포함하도록 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 인큐베이터는 도 5에 도시된 바와 같이, 외부 단자에 의해 PC와 같은 제어부(290)와 연결되어 세포 배양환경이 자동으로 제어된다.
따라서, 본 발명에 따른 인큐베이터는 소량의 다품종 세포 배양을 위하여 외부 환경을 최적의 조건으로 제어하기가 용이하며, 세포의 배양 중 세포의 성장과정을 인큐베이터를 개봉하지 않고도 실시간 관찰 및 이미지 관측이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 인큐베이터는 인큐베이터의 내부의 전 영역에 동일한 온도 분포를 형성할 수 있어 습기가 형성되는 현상을 미연에 방지할 수 있으며 이로 인하여 별도의 습기 제거 장치를 구비하지 않아도 되는 이점이 있는 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 외부 환경의 제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터는 소량의 다품종 세포 배양에 적합한 환경을 제어하기가 용이하며, 인큐베이터를 개봉하지 않고도 세포 배양과정의 실시간 관찰 및 이미지 관측이 가능한 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따른 외부 환경의 제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터는 내부의 전 영역에 동일한 온도 분포를 형성할 수 있어 습기가 형성되는 현상을 미연에 방지할 수 있으며, 이로 인하여 별도의 습기 제거장치를 구비하지 않아도 되는 이점이 있다.
본 발명은 세포 배양에 필요한 환경 제어를 자동화할 수 있어 안정적인 세포의 성장이 가능하고 보다 정확하고 신뢰성 있는 세포 배양을 이룰 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 세포 배양용 인큐베이터에 있어서,
    내부에 세포가 배양될 수 있는 빈 공간을 가진 세포 배양칩;
    상기 세포 배양칩의 일측면에 형성되어 상기 빈 공간에 세포 배양액을 공급하기 위한 배양액 투입구 및 세포 배양칩의 일측면에 형성되어 세포 배양액을 배출하기 위한 배양액 배출구;
    상기 세포 배양칩의 하부에 위치하여 세포 배양칩 및 세포 배양액에 열에너지를 공급하기 위한 발열체 패턴이 증착된 투명한 내열 기판으로 이루어진 하부 히터;
    상기 하부 히터의 외주면에 위치하여 상부 히터를 지지하는 측벽;
    상기 측벽에 위치하며 온도, 습도, 이산화탄소 농도, 산소 농도, pH 또는 유량 중 어느 하나 이상의 세포 배양 환경을 감지하기 위한 센서부;
    상부에 위치하여 상기 인큐베이터의 상부에 열에너지를 공급하기 위한 발열체 패턴이 증착된 투명한 내열 기판으로 이루어진 상부 히터;
    상기 상부 히터를 관통하는 소정 크기의 가스 투입구, 상기 가스 투입구와 일정 간격 떨어진 지점에 존재하며 상부 히터를 관통하는 소정 크기의 가스 배출구; 및
    상기 센서부로부터 출력되는 감지신호를 이용하여 상기 상부 히터 및 상기 하부 히터의 구동을 제어하기 위한 제어부
    를 포함하는 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명한 내열 기판은 석영 또는 유리인 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체는 백금 또는 탄탈륨 실리사이드인 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽은 테프론으로 이루어진 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 세포 배양칩의 일측면에 형성된 구멍을 통해 세포 배양칩 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대를 더 포함하는 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 가스 투입구 및 상기 가스 배출구는 가스 센서 모듈과 연결된 배양 환경의 자동제어가 가능한 세포 배양용 인큐베이터.
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