KR100848811B1 - 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치 - Google Patents

세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치는 투명한 기판상에 형성되며 세포 배양액을 수용하기 위한 제 1 웰, 기판상에 제 1 웰과 이격되어 형성되며 세포 배양액과 세포 반응물질을 수용하기 위한 제 2 웰 및 제 1 웰과 상기 제 2 웰을 서로 접속하는 채널을 포함하고, 제 1 웰 또는 제 2 웰에 세포의 배양환경을 감지하거나 세포 배양액을 감지하기 위한 센서가 적어도 하나 이상 내장되며, 제 2 웰의 일측은 세포 배양액 및 세포 반응물질의 배출을 위한 배출구를 더 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치는 세포의 실시간 관찰과 동시에 세포의 주화성에 따른 이동 측정이 용이하고, 장시간 배양이 가능하며, 웰의 내부에 구비된 센서를 이용하여 세포 배양액의 특성측정과 세포 배양 시 주변환경의 제어가 용이한 효과가 있다.
세포 배양, 온도 센서, pH 센서, 표면 실장 장치

Description

세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치{Apparatus for measuring environment of incubating cells and chemotaxis}
도 1은 종래 기술에 따른 수직 채널 구조의 주화성 측정 장치 단면도,
도 2a 및 도 2b는 종래의 수평 채널 구조의 주화성 측정 장치 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 수평 채널 구조의 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치 입체도,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 수평 채널 구조의 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치 입체도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300: 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치 310: 제 1 웰
320: 제 2 웰 330: 채널
340: 기판 360: 투입구
370: 배출구 410: 접촉식 온도센서
420, 470: pH 센서 430: 전극 배선
440: 전극 패드 450: 비접촉식 온도센서
460, 480: 배선
본 발명은 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 세포 배양액이 주입되는 웰에는 세포 배양을 위한 온도 센서를 구비하고, 주화성 물질이 주입되는 웰에는 pH 센서를 구비한 장치에 관한 것이다.
세포 이동의 실시간 관찰을 위한 구조물로는 수평 구조의 챔버형태로서 세포배양과 동시에 주화성(chemotaxis)을 측정할 수 있는 형태가 필요하다. 이러한 세포의 이동경로를 실시간 추적할 수 있는 구조물의 형태로서 그 수평챔버(칩)에 세포의 실시간 이동 측정동안 온도와 pH의 측정 및 제어를 가능하게 하는 것은 사람의 직접적인 핸들링을 최소화하여 표준화된 데이터를 얻을 수 있게 해 준다.
종래에 세포의 주화성 측정을 위해 가장 보편적으로 이용되던 것은 세포의 수직이동 구조인 Boyden chamber assay이다. 도 1은 종래 기술에 따른 Boyden chamber assay(100)를 도시한 것으로서, 하부 챔버(120)에 세포의 이동을 유도하는 인자 즉, 주화성 인자(attractant)를 주입하고, 상부 챔버(110)에 세포 부유액을 주입하였을 경우, 필터(130)에 존재하는 미세한 구멍들을 통하여 주화성 인자의 방향으로 세포(140)가 이동하도록 하는 구조이다.
일정 시간 동안 세포가 주화성 인자가 존재하는 방향으로 이동하도록 인큐베이션한 후, 필터(130)를 제거하고, 그 구멍에 끼여있는 세포(140)의 수를 계산함으로써 세포의 주화성에 의한 이동을 판단한다.
그러나, boyden chamber assay(100)의 경우, 상부 챔버(110)와 하부 챔버(120)로 구성된 수직구조로 세포의 실시간 관찰이 전혀 불가능하여 세포의 관찰과 동시에 세포의 온도와 주화성 인자의 pH 특성 분석이 이루어지는 것이 불가능한 단점이 있다.
다음으로는 세포의 수평이동에 의한 주화성 검출 구조가 있다.
세포의 수평이동에 의한 주화성 검출 구조는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 수평으로 형성된 두 개의 웰(210, 220) 중 하나의 웰(210)에는 세포부유액을 주입하고 다른 하나의 웰(220)에는 주화성 인자를 주입한 후, 주화성 인자의 방향으로 세포가 이동하는 것을 관찰하도록 하는 구조이다. 그리고, 채널(230)내에는 세포가 통과할 수 있는 홈으로 구성된 장벽(240)을 설치하여 boyden chamber assay의 필터와 같은 역할을 수행하게 할 수도 있다.
이를 이용한 실험 방법은 일반적으로 도 2c에 도시된 것과 같은 방법을 따른다.
그러나, 이와 같은 세포의 수평이동에 의한 주화성 검출 구조는 부착성 세포의 주화성에 의한 이동 측정을 위하여 주화성 물질의 농도 기울기가 장시간 유지되어야하나, 종래의 구조는 이것이 유지되기 어렵다.
또한, 상기 boyden chamber assay와 같이 세포의 온도와 주화성 인자의 pH 농도의 분석이 어려운 단점이 있다.
본 발명은 세포의 배양과 동시에 주화성의 측정이 용이한 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 챔버의 내부에 센서가 장착된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명은 세포의 이동 경로를 실시간 추적(모니터링)할 수 있는 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 세포 이동의 실시간 추적과정 동안 세포 배양액의 특성측정과 세포 배양시 주변환경의 제어가 가능한 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치는 투명한 기판상에 형성되며 세포 배양액을 수용하기 위한 제 1 웰, 기판상에 제 1 웰과 이격되어 형성되며 세포 배양액과 세포 반응물질을 수용하기 위한 제 2 웰 및 제 1 웰과 상기 제 2 웰을 서로 접속하는 채널을 포함하고, 제 1 웰 또는 제 2 웰에 세포의 배양환경을 감지하거나 세포 배양액을 감지하기 위한 센서가 적어도 하나 이상 구비된다.
바람직하게는, 제 1 웰의 일측은 세포 배양액의 투입을 위한 투입구를 포함하고, 제 2 웰의 일측은 세포 배양액 및 세포 반응물질의 배출을 위한 배출구를 더 포함하여 세포의 장시간 배양이 가능하도록 하며, 투입구 및 배출구는 웰 높이의 중심으로부터 상부에 위치하도록 형성한다.
채널은 제 1 웰에 접하는 폭 보다 제 2 웰에 접하는 폭이 더 좁게 형성하는 것이 바람직하며, 제 1 웰에 인접한 채널의 폭은 10㎛ 이상이고, 제 2 웰에 인접한 채널의 폭은 1㎛ 내지 10㎛이다.
센서는 온도 센서로 기판상에 패터닝하여 접촉식으로 형성하거나 제 1 웰의 상부에 비접촉식으로 형성한다.
온도 센서는 기판상에 패터닝된 전극 배선 및 전극 패드와 연결된다.
온도 센서는 온도 제어부와 연결되어 있다.
센서는 pH 센서로 기판상에 표면 실장 소자 타입으로 형성하거나 제 2 웰의 일측 측벽에 표면 실장 소자 타입으로 형성한다.
pH 센서는 기판상에 패터닝된 전극 배선 및 전극 패드와 연결되며, 세포 배양액과 세포 반응물질 내에 침지된다.
제 1 웰, 제 2 웰 및 채널은 투명한 재질로 형성된 것으로, 폴리디메틸실록산(PDMS), 아크릴수지(PMMA), 유리계 소재, 투명한 플라스틱 등이 이에 해당된다.
앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선 의 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치(300)로서, 수평 채널 구조를 가진다.
이때, 세포 배양액이 주입되어 세포가 배양되는 제 1 웰(310)과 세포 반응 물질의 수용을 위한 웰 즉, 주화성 물질이 주입되는 제 2 웰(320)이 유리 기판 혹은 투명한 기판(340)상에 형성되며, 제 1 웰과 제 2 웰의 사이에는 서로 접속하는 채널이 형성된다.
이때, 채널(330)은 상부에서 보았을 경우, 삼각형의 형태로서, 제 1 웰에 접하는 폭 보다 제 2 웰에 접하는 폭을 더욱 좁게 형성한다.
이는, 제 2 웰에 존재하는 주화성 물질이 채널을 통하여 제 1 웰로 이동할 경우 서서히 농도 기울기를 형성하도록 하여 그 특성을 오래 유지하도록 하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에서는 제 1 웰에 인접한 채널의 폭을 10㎛ 이상으로 형 성하고, 제 2 웰에 인접할수록 그 폭을 좁게 하여 제 2 웰에 인접한 채널의 폭을 1㎛ 내지 10㎛으로 형성하여 주화성 물질의 농도 기울기를 오래도록 유지한다.
한편, 제 1 웰의 높이의 절반 지점(h) 혹은 그 상부에 배양액의 살포(perfusion)를 위한 투입구(360)를 형성하여 세포의 장기간 배양이 가능하도록 한다. 투입구의 크기는 배양액의 살포를 위한 펌프(도시하지 않음)등의 삽입에 적절한 크기로 선택하며, 항상 적절한 양의 배양액의 유지 및 세포에 직접적인 영향을 가하지 않도록 함이 바람직하다.
제 2 웰의 높이 절반 지점(h) 혹은 그 상부에는 배양액 및 주화성 물질의 배출을 위한 배출구(370)를 형성한다.
이와 같이 기판(340)상에 형성된, 제 1 웰(310), 제 2 웰(320) 및 채널(330)을 포함하는 구조물(350)은 투명한 재질의 고분자로서, 플렉서블한 특성을 갖는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane), 아크릴수지(PMMA, poly methyl methcrylate), 유리계 소재 및 투명 플라스틱 등, 모든 투명한 바이오 친화성 재질(bio compatible materials)을 이용하여 형성할 수 있으며, 이로 인하여 세포의 이동 경로를 실시간 추적(모니터링)할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치는 제 1 웰 또는 제 2 웰 내에 세포의 배양환경을 감지하거나 세포 배양액을 감지하기 위한 센서를 포함한다.
세포의 배양환경을 감지하거나 세포 배양액을 감지하는 센서는 온도 센서, pH 센서, 이산화탄소 농도 센서, 산소 농도 센서, 글루코스 농도 센서 또는 세포의 생명활동에 관련되는 나트륨, 칼륨, 칼슘, 염소, 중탄산과 같은 각종 이온 농도 센서 등이 있으며, 이를 세포 배양액을 수용하는 제 1 웰에 적어도 하나 이상을 내장하거나, 제 1 웰 및 제 2 웰에 각각 적어도 하나 이상을 내장할 수도 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 제 1 웰 및 제 2 웰의 각각에 센서를 구비하였으며, 이에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 1 웰과 제 2 웰에 각각 센서의 내장은 다음과 같은 실시예를 통하여 구현된다.
[제 1 실시예]
도 4a 는 본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치(300)의 제 1 실시예를 도시한 것으로서, 제 1 웰(310)에는 접촉식 온도 센서(410)를 유리 기판상에 패터닝하여 제작하거나, 제작된 접촉식 온도 센서를 유리 기판에 접합하여 형성하고, 제 2 웰(320)에는 pH 센서(420)를 표면 실장 소자(surface mount device) 타입으로 기판에 접합하여 형성한다.
이와 같이, 제 1 웰에 온도 센서를 구비할 경우, 온도 제어부와 연결되도록 하여 제 1 웰의 내부 온도 즉, 세포 배양액의 온도를 적절히 제어할 수 있도록 한다.
온도 센서와 pH 센서는 각각 배양액과 주화성 물질에 직접 닿을 수 있도록 하며, 특히 pH 센서(420)는 주화성 물질에 침지할 수 있도록 한다.
온도 센서와 pH 센서에 연결되는 전극 배선(430)과 전극 패드(440)는 유리 기판상에 형성한다.
[제 2 실시예]
도 4b는 본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치(300)의 제 2 실시예를 도시한 것으로서, 제 1 웰(310)에는 비접촉식 온도 센서(450)를 상부에 형성하고, 배선(460)은 센서로부터 따로 빼내도록 하며, 제 2 웰(320)에는 pH 센서(420)를 표면 실장 소자(surface mount device) 타입으로 기판에 접합하여 형성한다.
이때, pH 센서(420)는 주화성 물질에 침지할 수 있도록 하며, pH 센서에 연결되는 전극 배선(430)과 전극 패드(440)는 유리 기판상에 형성한다.
[제 3 실시예]
도 4c는 본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치(300)의 제 3 실시예를 도시한 것으로, 제 1 웰(310)에는 본 발명의 제 1 실시예와 동일한 접촉식 온도 센서(410)를 유리 기판상에 패터닝하여 제작하거나, 제작된 접촉식 온도 센서를 유리 기판에 접합하여 형성하고, 제 2 웰(320)에는 pH 센서(470)를 웰의 일측 벽면에 세우고 배선(480)을 센서로부터 빼내는 구조로 형성한다.
그리고, 제 1 웰 및 제 2 웰을 도면에 나타난 바와 같이 사각형의 구조로 형성할 수 있으며, 기타 다각형의 구조로 형성하여도 무방하다.
[제 4 실시예]
도 4d는 본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치(300)의 제 4 실시예를 도시한 것으로, 제 1 웰(310)에는 본 발명의 제 2 실시예와 동일한 비접촉식 온도 센서(450)를 상부에 형성하고, 제 2 웰에는 본 발명의 제 3 실시예와 같이 pH 센서(470)를 웰의 일측 벽면에 세워 형성한다.
이때, 비접촉식 온도 센서(450) 및 pH 센서(470)의 배선(460, 480)은 센서로부터 따로 빼내도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치는 웰의 내부에 구비된 센서를 이용하여 세포 배양액의 특성측정과 세포 배양시 주변환경의 제어가 용이하며, 투명한 유리 기판상에 투명한 바이오 친화성 재질을 사용하여 형성하므로 세포의 실시간 관찰과 동시에 세포의 주화성에 따른 이동 측정이 용이하다.
또한, 본 세포 배양용 장치로 이용시 세포 배양액의 살포(perfusion)를 고려한 투입구 및 배출구를 구비함으로써 장시간 배양이 가능하며, 표면 실장 소자 타입의 pH 센서를 기판상에 부착하거나 웰 내부의 벽면에 부착하는 방법을 적용하여 배선을 간단히 해결할 수 있는 이점이 있는 것이다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치는 투명한 유리 기판상에 투명한 바이오 친화성 재질을 사용하여 형성하므로 세포의 실시간 관찰과 동시에 세포의 주화성에 따른 이동 측정이 용이한 효과가 있다.
또한, 본 세포 배양용 장치로 이용시 세포 배양액의 살포(perfusion)를 고려한 투입구 및 배출구를 구비함으로써 장시간 배양이 가능하고, 웰의 내부에 구비된 센서를 이용하여 세포 배양액의 특성측정과 세포 배양시 주변환경의 제어가 용이하며, 표면 실장 소자 타입의 pH 센서를 내장함으로써 배선을 간단히 해결할 수 있는 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 투명한 기판상에 형성되며 세포 배양액을 수용하기 위한 제 1 웰;
    상기 기판상에 상기 제 1 웰과 이격되어 형성되며 세포 배양액과 세포의 이동을 유도하는 주화성 물질을 수용하기 위한 제 2 웰; 및
    상기 제 2 웰에 존재하는 주화성 물질이 제 1 웰로 이동하기 위한 채널
    을 포함하고,
    상기 제 1 웰 또는 상기 제 2 웰 중 어느 하나 이상에 구비되어 배양액의 온도, pH, 산소 농도, 이산화탄소 농도, 글루코스 농도 또는 세포의 생명활동에 관련되는 각종 이온 농도 중 어느 하나 이상을 감지하는 감지 센서
    를 포함하는 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 웰의 일측은 세포 배양액의 투입을 위한 투입구를 포함하고,
    상기 제 2 웰의 일측은 세포 배양액 및 세포 반응물질의 배출을 위한 배출구를 더 포함하는 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 제 1 웰에 접하는 폭 보다 상기 제 2 웰에 접하는 폭이 더 좁은 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 환경 감지 센서는 온도 센서인 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 환경 감지 센서는 pH 센서인 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 기판상에 패터닝된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 제 1 웰의 상부에 비접촉식으로 형성된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 pH 센서는 상기 기판상에 표면 실장 소자 타입으로 형성된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 pH 센서는 상기 제 2 웰의 측벽에 표면 실장 소자 타입으로 형성된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 웰, 상기 제 2 웰 및 상기 채널은 투명한 재질로 형성된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 투입구 및 상기 배출구는 상기 제 1 웰 및 상기 제 2 웰 높이의 중심으로부터 상부에 위치하는 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 웰에 인접한 채널의 폭은 10㎛ 이상인 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 웰에 인접한 채널의 폭은 1㎛ 내지 10㎛인 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  14. 제 6항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 온도 제어부와 연결된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 pH 센서는 상기 기판상에 패터닝된 전극 배선 및 전극 패드와 연결된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 기판상에 패터닝된 전극 배선 및 전극 패드와 연결된 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  17. 제 9 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 pH 센서는 세포 배양액과 세포 반응물질 내에 침지되는 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 투명한 재질은 폴리디메틸실록산(PDMS), 아크릴수지(PMMA), 유리계 소재, 투명한 플라스틱 중 어느 하나인 세포 배양 환경 및 주화성 측정 장치.
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