KR100942184B1

KR100942184B1 - 마이크로 캡슐 제조장치 및 방법

Info

Publication number: KR100942184B1
Application number: KR1020080038546A
Authority: KR
Inventors: 김충; 강지윤; 김태송
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2010-02-11
Also published as: US20090269824A1; KR20090112826A; US9045747B2

Abstract

본 발명은 세포 분산화를 통해 마이크로 캡슐 내에 캡슐화되는 세포의 개수를 균일하게 재현할 수 있고, 유체 교환을 통해 마이크로 캡슐 내의 세포 활성도를 증가시킬 수 있으며, 마이크로 캡슐 크기를 일정하게 담보할 수 있는 마이크로 캡슐 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 마이크로 캡슐 제조장치는 공간적으로 서로 연결되며, 특정 방향으로 유체가 흐르도록 설계된 복수의 미세 채널을 이용한 마이크로 캡슐 제조장치에 있어서, 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 공급되는 세포 공급부 및 상기 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 공급되는 액적 유도 유체와, 상기 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 합류되어 액적이 형성되는 액적 생성부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

마이크로캡슐, 마이크로비드, 미세채널, 세포분산, 액적생성

Description

마이크로 캡슐 제조장치 및 방법{Apparatus and method for fabricating micro-capsule}

본 발명은 마이크로 캡슐 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세포 분산화를 통해 마이크로 캡슐 내에 캡슐화되는 세포의 개수를 균일하게 재현할 수 있고, 유체 교환을 통해 마이크로 캡슐 내의 세포 활성도를 증가시킬 수 있으며, 마이크로 캡슐 크기를 일정하게 담보할 수 있는 마이크로 캡슐 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

마이크로 캡슐(또는 마이크로 비드(micro-bead))은 세포 내(in vivo)의 조직을 모사하는 3차원 세포 배양기술로써 조직 공학 및 세포 치료 연구분야에서 주목받는 기술 중 하나이다. 마이크로 캡슐은 세포 성장에 필요한 영양분, 산소, 약물 그리고 세포들의 분비물 등의 출입을 가능케하고, 항체 및 면역세포의 출입을 막을 수 있는 반투과성막의 기능을 가지고 있어야 한다.

알긴산(Arginic acid) 마이크로 캡슐은 상술한 바와 같은 특징을 가지고 있 어 마이크로 캡슐뿐만 아니라 지지체(scaffold)로도 널리 사용되고 있으며, 특히 인슐린 분비를 위한 체장세포의 이식 및 표적지향 약물 전달체(targeted drug delivery system) 등에 응용되고 있다.

한편, 알긴산 마이크로 캡슐은 압축공기 또는 전기장을 이용하여 액적을 반응시켜 형성하는데 이러한 경우 캡슐 크기의 분산도가 큰 단점이 있으며, 또한 직경 200㎛ 이하의 캡슐을 형성하기 위해서는 고가의 장비가 요구된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 2상 유체 칩을 이용하여 200㎛ 이하의 균일한 알긴산 마이크로 캡슐을 제작하는 연구들이 보고되고 있으나, 캡슐화 이후 마이크로 캡슐 내에서 세포의 활성도가 저하되는 등의 문제가 발생하고 있다. 또한, 통계적으로 정확한 실험 결과를 얻기 위해서는 마이크로 캡슐 내에 균일한 개수의 세포가 캡슐화되어야 하는데, 뭉쳐진 세포들을 개개로 나누는 기술이 내재되어 있지 않아 균일한 개수로 캡슐화하는데 부족함이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 세포 분산화를 통해 마이크로 캡슐 내에 캡슐화되는 세포의 개수를 균일하게 재현할 수 있고, 유체 교환을 통해 마이크로 캡슐 내의 세포 활성도를 증가시킬 수 있으며, 마이크로 캡슐 크기를 일정하게 담보할 수 있는 마이크로 캡슐 제조장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 캡슐 제조장치는 공간적으로 서로 연결되며, 특정 방향으로 유체가 흐르도록 설계된 복수의 미세 채널을 이용한 마이크로 캡슐 제조장치에 있어서, 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 공급되는 세포 공급부 및 상기 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 공급되는 액적 유도 유체와, 상기 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 합류되어 액적이 형성되는 액적 생성부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 액적 유도 유체에 의해 상기 액적이 고형화되어 마이크로 캡슐이 생성, 이동되는 메인 채널을 더 포함될 수 있으며, 상기 액적 유도 유체가 세포와 반응하지 않는 중성 유체로 교환되는 유체 교환부를 더 포함될 수 있다.

또한, 상기 세포 공급부로부터 상기 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체를 공급받아 세포를 개별적으로 분산하는 세포 분산부를 더 포함되며, 상기 세포 분산 부는 직렬 연결된 복수의 단위 세포 분산채널로 구성되며, 상기 단위 세포 분산채널은 원형 채널과 스트레칭 채널로 구성된다. 상기 스트레칭 채널은 상기 원형 채널로부터 분기된 형태를 가지며, 상기 스트레칭 채널의 직경은 상기 원형 채널의 직경보다 작으며, 상기 스트레칭 채널의 직경은 바람직하게는 세포 직경의 1.5∼2.5배이다. 여기서, 하나의 원형 채널에 복수개의 스트레칭 채널이 분기되어 형성될 수 있다.

세포 액적화 물질이 공급되는 세포 액적화 물질 공급채널이 더 구비돌 수 있으며, 상기 세포 액적화 물질 공급채널의 일단은 상기 세포 분산부 및 상기 세포 공급부와 연결된다.

상기 메인 채널의 일측에 분기된 형태로 구비되어 상기 메인 채널 내에 중성 유체를 공급하는 중성 유체 공급채널을 더 포함될 수 있으며, 상기 메인 채널의 일측에 분기된 형태로 구비되어, 상기 메인 채널 내의 액적 유도 유체가 배출되는 액적 유도 유체 배출채널을 더 포함될 수 있다.

또한, 상기 메인 채널의 일단에 구비되어 상기 메인 채널 내의 마이크로 캡슐이 수거되는 캡슐 수거채널을 더 포함될 수 있으며, 상기 액적 유도 유체 배출채널을 통해 배출되지 않은 액적 유도 유체가 배출되는 액적 유도 유체 보조배출채널이 더 구비될 수 있으며, 상기 액적 유도 유체 보조배출채널은 상기 메인 채널의 일단과 연결된다. 상기 액적 유도 유체 보조배출채널은 상기 캡슐 수거채널의 직경보다 작도록 설계하는 것이 바람직하며, 상기 캡슐 수거채널과 상기 액적 유도 유체 보조배출채널은 상기 메인 채널의 일단에서 분기된 형태를 갖는다.

세포 액적화 물질이 공급되는 세포 액적화 물질 공급채널이 더 구비될 수 있으며, 상기 세포 액적화 물질 공급채널의 일단은 상기 세포 공급부와 연결된다.

상기 세포 액적화 물질은 알긴산이고, 상기 액적 유도 유체는 올레인산이며, 상기 중성 유체는 미네랄 오일 또는 물로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 캡슐 제조방법은 공간적으로 서로 연결된 복수의 미세 채널을 이용한 마이크로 캡슐 제조방법에 있어서, 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널에 세포들과 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 공급된 상태에서, 상기 세포들을 개별적으로 분산시키는 (a) 단계와, 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 공급되는 액적 유도 유체와, 상기 (a) 단계를 거친 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 합류하여 액적이 형성되는 (b) 단계와, 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 상기 액적 및 액적 유도 유체가 해당 미세 채널의 길이 방향을 따라 흐르며, 상기 액적이 고형화되어 마이크로 캡슐이 생성되는 (c) 단계와, 상기 (c) 단계의 미세 채널에 중성 유체가 공급되어 상기 액적 유도 유체를 교체하는 (d) 단계와, 상기 중성 유체 및 마이크로 캡슐이 복수의 미세 채널 중 어느 한 채널을 통해 수거되는 (e) 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (a) 단계의 미세 채널은 단위 세포 분산채널이 복수개 직렬 연결된 구조를 갖고, 상기 단위 세포 분산채널은 원형 채널과 스트레칭 채널로 구성되며, 상기 원형 채널은 전단에 연결된 스트레칭 채널로부터 공급되는 세포들이 서로 충돌되어 분리되는 공간을 제공하며, 상기 스트레칭 채널은 상기 원형 채널로부터 분기된 형태를 띠고, 상기 원형 채널의 직경보다 작도록 설계되어, 스트레칭 채널 내에 서의 유속 증가를 통해 세포들 사이의 결합력을 약화시키는 역할을 한다. 이 때, 하나의 원형 채널에 복수개의 스트레칭 채널이 분기되어 형성된다.

상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에, 복수의 미세 채널 중 어느 한 채널을 통해 세포 액적화 물질이 공급되고, 상기 세포 액적화 물질의 유체는 상기 (a) 단계를 거친 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체와 합류되는 (a)-1 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 세포 액적화 물질의 유량과 상기 (a) 단계의 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량을 조절하여 액적 내에 위치하는 세포의 개수를 제어할 수 있다. 즉, 상기 세포 액적화 물질의 유량이 상기 (a) 단계의 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량보다 크면 액적 내에 위치하는 세포의 개수가 감소하며, 상기 세포 액적화 물질의 유량이 상기 (a) 단계의 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량보다 작으면 액적 내에 위치하는 세포의 개수가 증가한다.

상기 (c) 단계의 미세 채널에 중성 유체가 공급되어 액적 유도 유체가 중성 유체로 변경되는 (d) 단계는, 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 공급되는 중성 유체에 의해 상기 액적 유도 유체가 주변부로 쏠려 흐르게 되고, 해당 액적 유도 유체가 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 배출된다.

상기 (c) 단계에 있어서, 상기 액적 유도 유체에 함유되어 있는 칼슘이 세포 액적화 물질과 반응하여 액적이 고형화된다.

본 발명에 따른 마이크로 캡슐 제조장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

세포 분산화를 통해 마이크로 캡슐 내에 캡슐화되는 세포의 개수를 균일하게 재현할 수 있고, 유체 교환을 통해 마이크로 캡슐 내의 세포 활성도를 증가시킬 수 있으며, 마이크로 캡슐 크기를 일정하게 담보할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치는 마이크로 단위의 직경을 갖는 미세 채널 칩 상에 구현된다. 정확히는, 공간적으로 서로 연결되는 미세 채널들의 적절한 배치를 통해 마이크로 캡슐 제조장치가 구현되며, 각각의 미세 채널들은 궁극적으로 동일한 방향으로 향하도록 설계된다. 도면을 참조하면, 도 1에 도시한 바와 같이 복수의 미세 채널이 구비되며 각각의 미세 채널들은 서로 공간적으로 연결됨을 알 수 있으며, 각각의 미세 채널 내의 유체는 왼쪽에서 오른쪽으로 향하도록 설계된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치는 이와 같은 복수의 미세 채널을 이용하여 최종적으로 마이크로 캡슐을 제조함에 특징이 있으며, 상기 마이크로 캡슐은 상기 복수의 미세 채널 내에서의 시계열적 유동 및 반응에 의해 세포 공급, 세포 분산, 액적 생성, 액적 고형화, 유체 교환, 캡슐 수거 등의 과정을 통해 형성된다. 상기 세포 공급, 세포 분산, 액적 생성, 액적 고형화, 유체 교환, 캡슐 수거 등의 과정이 이루어지는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제 조장치를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치의 평면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치는 크게 세포를 공급하는 세포 공급부, 세포를 액적화하는 액적 생성부, 마이크로 캡슐의 이송 유체를 교환하는 유체 교환부를 포함하여 이루어지는데, 이와 같은 세포 공급부, 액적 생성부, 유체 교환부는 상술한 바와 같은 세포 공급, 세포 분산, 액적 생성, 액적 고형화, 유체 교환, 캡슐 수거 등의 기능적인 면 및 복수의 미세 채널의 연결 관계에 의해 정의된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치는 도 1에 도시한 바와 같이 복수의 미세 채널의 조합으로 이루어지며, 각각의 미세 채널들은 액적 유도 유체 공급채널(110), 세포 분산채널(120), 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130), 세포 액적화 물질 공급채널(140), 메인 채널(150), 중성 유체 공급채널(160), 액적 유도 유체 배출채널(170), 캡슐 수거채널(180), 액적 유도 유체 보조배출채널(190) 등으로 명명된다. 도 1의 미세 채널들을 기준으로 상기 세포 공급부, 액적 생성부, 유체 교환부를 정의하면, 상기 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130) 및 상기 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)의 전단에 구비되는 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130) 및 세포 액적화 물질 공급채널(140)은 세포 공급부, 상기 액적 유도 유체 공급채널(110), 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130) 및 메인 채널(150)이 합류되는 지점은 액적 생성부, 중성 유체 공급채널(160) 및 액적 유도 유체 배출채널(170) 상기 중성 유체 공급채널(160)과 액적 유도 유체 배출채널(170) 사이의 메 인 채널(150) 영역은 유체 교환부로 구분될 수 있다.

한편, 상기 각각의 미세 채널들의 연결 관계를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 액적 유도 유체 공급채널(110)은 액적 유도 유체가 공급되는 미세 채널로써, 일단이 액적 유도 유체 주입구(111)와 연결되고 다른 일단은 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130) 및 메인 채널(150)과 연결된다. 상기 액적 유도 유체는 후술하는 세포와 세포 액적화 물질의 액적화를 유도함과 함께 생성된 액적을 상기 메인 채널(150) 내에서 이송하는 역할을 수행하는 것으로서 일 실시예로, 올레인산이 이용될 수 있다. 한편, 상기 액적 유도 유체 공급채널(110), 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130) 및 메인 채널(150)이 연결되는 지점은 전술한 바와 같이 액적 생성부로 명명된다. 상기 액적 생성부에서는 상기 액적 유도 유체 공급채널(110)로부터 공급되는 액적 유도 유체과, 상기 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)로부터 공급되는 세포와 세포 액적화 물질이 혼합된 유체가 합류되어 액적이 생성되는데 이에 대한 상세한 설명은 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치의 동작에서 하기로 한다.

상기 세포 분산채널(120)은 일단이 세포-세포 액적화 물질 주입구(121)와 연결되고 다른 일단이 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)과 연결된 미세 채널로써, 직렬 연결된 복수의 단위 세포 분산채널(210)로 구성되며, 상기 단위 세포 분산채널(210)은 세부적으로 원형 채널(201)과 스트레칭 채널(202)로 구성된다. 여기서, 상기 세포-세포 액적화 물질 주입구(121)로부터 세포와 세포 액적화 물질이 혼합된 유체가 공급되면 시간의 경과에 따라 세포들이 서로 뭉쳐져 덩어리(cluster) 상태를 이루는 특성이 있는데, 상기 세포 분산채널(120)은 이와 같은 덩어리 상태의 세포들을 개별적으로 분산하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 세포 분산채널(120)은 복수의 단위 세포 분산채널(210)이 체인 형태로 반복적으로 배치된 형상으로 구성되는데, 이와 같은 세포 분산채널(120)은 복수개 병렬 배치될 수 있으며, 이 경우 각각의 세포 분산채널(120)의 일단은 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)과 연결된다. 한편, 상기 세포 분산채널(120)을 구성하는 원형 채널(201) 및 스트레칭 채널(202)의 기능에 대해서는 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치의 동작에서 상세히 설명하기로 한다.

상기 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)은 세포와 세포 액적화 물질이 혼합된 유체가 공급되는 미세 채널로써, 일단이 상기 세포 분산채널(120)과 연결되고 다른 일단은 상기 액적 유도 유체 공급채널(110) 및 메인 채널(150)과 연결된다. 상기 세포 액적화 물질은 액적화 과정에서 세포를 감싸 액적화되는 물질로서 일 실시예로 알긴산이 이용될 수 있다.

상기 세포 액적화 물질 공급채널(140)은 세포 액적화 물질이 공급되는 미세 채널로써, 일단이 세포 액적화 물질 주입구(141)와 연결되고 다른 일단은 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)과 연결된다. 상기 세포 액적화 물질 공급채널(140)은 상기 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130) 내에 유동되는 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체의 세포 농도를 선택적으로 가변시키기 위한 것으로서, 상기 세포 액적화 물질 공급채널(140)에 흐르는 세포 액적화 물질의 유량 및 상기 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)에 흐르는 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량 을 제어하여 마이크로 캡슐 내의 세포 개수를 제어할 수 있게 된다.

상기 메인 채널(150)은 상기 액적 유도 유체 공급채널(110) 및 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)과 연결되며, 상기 메인 채널(150) 내에는 상기 액적 유도 유체 공급채널(110)로부터 유입되는 액적 유도 유체가 유동되며 이에 더불어, 상기 액적 유도 유체 공급채널(110), 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)의 교차점인 액적 생성부(A)에서 생성된 액적이 메인 채널(150) 내에서 유동되어 흐른다. 즉, 상기 메인 채널(150) 내에는 액적 유도 유체와 액적이 함께 유동되며, 상기 액적은 메인 채널(150)의 길이 방향을 따라 흐르는 과정에서 고형화가 진행되어 최종적으로 마이크로 캡슐로 변화하는데 이에 대한 상세한 설명 역시 후술하기로 한다.

상기 중성 유체 공급채널(160)은 중성 유체가 공급되는 미세 채널로써, 상기 메인 채널(150)과 연결되어 궁극적으로 상기 메인 채널(150) 내에서 유동되는 액적 유도 유체를 중성 유체로 대체하는 역할을 한다. 여기서, 상기 중성 유체는 세포와 반응하지 않는 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 일 실시예로 알칸(alkane)과 파라핀(paraffin)을 주요 구성요소로 하는 미네랄 오일 또는 물이 사용될 수 있다.

상기 액적 유도 유체 배출채널(170)은 상기 메인 채널(150) 내에 유동되는 액적 유도 유체가 배출되는 미세 채널로써, 상기 메인 채널(150)의 일측에서 분기된 미세 채널의 형태를 띠며, 상기 메인 채널(150)의 길이 방향을 따라 상기 중성 유체 공급채널(160)이 구비된 위치보다 후단에 구비된다. 상기 액적 유도 유체 배출채널(170)로 상기 메인 채널(150)의 액적 유도 유체가 배출되는 과정을 살펴보면, 상기 중성 유체 공급채널(160)로부터 상기 메인 채널(150)에 중성 유체가 공급 됨으로 인해 상기 액적 유도 유체의 유체 흐름이 메인 채널(150)의 주변부로 밀려나게 되는데 이 때 밀려난 액적 유도 유체 유체가 상기 액적 유도 유체 배출채널(170)로 흘러가 배출되는 것이다.

상기 캡슐 수거채널(180)은 상기 메인 채널(150)의 일단과 연결되는 미세 채널로써, 상기 중성 유체 공급채널(160)로부터의 중성 유체 공급에 의해 메인 채널(150) 내의 유체가 액적 유도 유체에서 중성 유체로 변경된 상태에서, 상기 메인 채널(150)로부터 중성 유체 및 마이크로 캡슐을 공급받아 마이크로 캡슐을 수거하는 역할을 한다. 앞서, 상기 메인 채널(150) 내에서 액적이 유동되고 메인 채널(150)의 길이 방향으로 액적이 유동되는 과정에서 고형화되고 마이크로 캡슐로 변화함을 기술한 바 있으며, 상기 캡슐 수거채널(180)에서 수거되는 캡슐은 상기 메인 채널(150)의 유동 과정에서 액적이 고형화되어 생성된 마이크로 캡슐을 일컫는다.

상기 액적 유도 유체 보조배출채널(190)은 상기 메인 채널(150)의 일단과 연결되는 미세 채널로써, 상기 액적 유도 유체 배출채널(170)로 배출되지 않은 미량의 액적 유도 유체를 배출하는 역할을 수행한다. 상기 액적 유도 유체 보조배출채널(190)과 상기 캡슐 수거채널(180) 상기 메인 채널(150)의 일단에서 분기되는 형태를 가질 수 있으며, 이 때 상기 액적 유도 유체 보조배출채널(190)은 상기 캡슐 수거채널(180)에 대비하여 그 직경을 작게 설계하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치를 구성하는 각각 의 미세 채널의 연결 관계를 설명하였다. 이하에서는, 상술한 바와 같은 복수의 미세 채널로 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치의 동작을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치의 동작은 시계열적으로 1) 세포 분산, 2) 액적 생성, 3) 액적 고형화, 4) 유체 교환, 5) 캡슐 수거 과정의 순서로 진행된다.

<세포 분산 과정>

먼저, 세포 분산 과정을 설명하면 다음과 같다.

세포-세포 액적화 물질 주입구(121)에서 세포와 세포 액적화 물질이 혼합된 유체가 상기 세포 분산채널(120)로 공급된다. 이 때, 상기 세포 액적화 물질 내에 포함되어 있는 세포들은 부착세포(attachment cell)의 특성상 시간의 경과에 따라 서로 뭉쳐져 덩어리(cluster)를 이루는 특성을 가지며, 상기 세포 분산채널(120)에 공급되는 세포들 역시 덩어리 상태를 이루며 공급된다. 이와 같이 세포들이 덩어리 상태를 이룬 상태에서 후술하는 액적 생성 및 액적 고형화 과정을 거쳐 마이크로 캡슐이 형성되면 마이크로 캡슐 내의 세포 수가 일정치 못하게 된다. 따라서, 일정한 개수의 세포를 캡슐화하기 위해서는 덩어리 상태의 세포를 분산시킬 필요가 있다.

상기 세포 분산채널(120)은 덩어리 상태의 세포들을 개별적으로 분산시키는 역할을 수행하는데, 전술한 바와 같이 상기 세포 분산채널(120)은 직렬로 연결된 복수의 단위 세포 분산채널(210)로 구성되며, 각각의 단위 세포 분산채널(210)은 원형 채널(201)과 스트레칭 채널(202)로 이루어진다.

상기 단위 세포 분산채널(210)의 원형 채널(201)과 스트레칭 채널(202)을 거쳐 덩어리 상태의 세포들은 개별적으로 분산되는데, 구체적으로 상기 원형 채널(201)은 소정의 공간을 제공하여 세포들끼리 서로 부딪혀 분리되도록 유도하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 스트레칭 채널(202)은 상기 원형 채널(201)로부터 분기된 형태를 가지며 세포 직경의 1.5∼2.5배로 직경을 설계함으로써, 상기 원형 채널(201)로부터 상기 스트레칭 채널(202)로 배출되는 유체의 속도를 증가시켜 세포들이 스트레칭(stretching)되도록 유도하여 궁극적으로, 세포들 사이의 부착력을 약화시키는 역할을 한다. 이어, 상기 스트레칭 채널(202)을 통과한 세포들은 다음의 단위 세포 분산채널(210)의 원형 채널(201)에 모이게 되는데 이 때, 스트레칭 채널(202)을 흐르는 유체의 속도에 의해 세포들은 상기 원형 채널(201) 내에서 충돌하게 되고 이 과정에서 세포들이 개별적으로 분산하게 된다.

이와 같은 단위 세포 분산채널(210) 내에서의 스트레칭, 충돌 과정이 세포 분산채널(120)을 거치는 동안 반복적으로 진행됨에 따라, 덩어리 상태의 세포들은 80% 이상 단일 세포로 분리된다. 상기 세포 분산채널(120)을 통한 세포 분산화는 도 5에서 확인할 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치에 의해 생성된 마이크로 캡슐에 있어서의 캡슐 내의 세포 개수 분포를 나타낸 것으로서, 도 5에 도시한 바와 같이 캡슐화 성공 비율이 85%이고, 캡슐 내에 10∼15개의 세포가 균일하게 위치됨을 알 수 있다. 또한, 도 5의 분포도에 있어서 표준 편차는 0.5∼3.16으로서 캡슐 내에 위치하는 세포 개수가 매우 일정함을 반증한다.

한편, 개별적으로 분리된 세포들은 세포 액적화 물질과 함께 액적 유도 유체 공급채널(110)과 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)의 교차 지점인 액적 생성부(A)로 공급된다.

<액적 생성>

액적 생성부(A)는 전술한 바와 같이 액적 유도 유체 공급채널(110)과 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)의 교차 지점임에 따라, 상기 액적 생성부(A)에는 상기 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)로부터 공급되는 개별적으로 분리된 세포들, 세포 액적화 물질과 함께 상기 액적 유도 유체 공급채널(110)로부터 공급되는 액적 유도 유체가 합류된다. 즉, 상기 액적 생성부(A)에는 세포, 세포 액적화 물질, 액적 유도 유체가 합류된다.

한편, 액적 유도 유체의 일 실시예로, 올레인산(oleic acid)은 점도가 높아 오일(oil)에 가까운 특성을 갖는다. 이에 따라, 상기 액적 생성부(A)에서 세포, 세포 액적화 물질, 액적 유도 유체가 합류하게 되면 세포, 세포 액적화 물질과 액적 유도 유체의 표면 장력에 의해 세포 액적화 물질이 세포를 둘러쌓고 세포 액적화 물질은 원형의 액적(droplet)으로 변화하게 된다. 결과적으로, 액적의 중심에 세포가 위치하고 세포 둘레를 세포 액적화 물질이 둘러쌓은 액적이 형성되며, 이와 같은 액적은 액적 유도 유체의 유체 내에 위치되는 형태를 갖게 된다. 이 때, 상기 세포 액적화 물질로는 알긴산이 이용될 수 있다.

이와 같은 과정을 통해 세포와 세포 액적화 물질으로 구성되는 액적이 형성되는데, 상기 액적의 크기 및 액적 내에 위치하는 세포의 개수는 선택적으로 조절 가능하다. 이는 상기 세포 액적화 물질 공급채널(140)로부터 공급되는 세포 액적화 물질의 유량 및 상기 세포-세포 액적화 물질 공급채널(130)로부터 공급되는 세포-세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량을 조절함으로써 가능하게 된다. 세포 액적화 물질의 유량이 세포-세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량보다 상대적으로 크면 액적 내에 위치하는 세포의 개수는 상대적으로 적고 액적의 크기는 크게 되며, 세포 액적화 물질의 유량이 세포-세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량보다 상대적으로 작게 되면 액적 내에 위치하는 세포의 개수는 상대적으로 많고 액적의 크기는 작게 된다.

이와 같은 세포 액적화 물질의 유량과 세포-세포 액적화 물질 혼합 유체의 유량 조절에 의한 액적 내의 세포 개수의 변화 추이는 도 6을 통해 확인할 수 있다. 도 6은 세포 액적화 물질의 유량과 세포-세포 액적화 물질 혼합 유체의 유량을 2 : 1, 1 : 1, 1 : 2로 설정했을 때의 액적 내의 세포 개수 및 분포도를 나타낸 것으로서, 도 6에 도시한 바와 같이 세포 액적화 물질의 유량이 크면 액적 내의 세포 개수가 상대적으로 적을 확률이 크며, 세포 액적화 물질의 유량이 작으면 액적 내의 세포 개수가 상대적으로 많을 확률이 큼을 알 수 있다.

<액적 고형화>

상기 액적 생성부(A)에서 세포, 세포 액적화 물질, 액적 유도 유체가 합류되 고 표면 장력에 의해 액적이 형성된 상태에서, 형성된 액적들은 상기 메인 채널(150) 내에서 액적 유도 유체의 유동에 따라 흐르게 된다. 이와 같이 액적들이 메인 채널(150)의 길이 방향을 따라 유동되는 과정에서, 액적을 이루는 세포 액적화 물질은 액적 유도 유체에 함유되어 있는 칼슘 성분과 반응하여 고형화가 진행된다. 이에 따라, 액적은 비드(bead)화되어 궁극적으로, 세포와 고형화된 세포 액적화 물질으로 구성되는 마이크로 캡슐이 형성된다. 달리 표현하여, 상기 액적 생성부(A)에서 생성된 액적은 상기 메인 채널(150)의 길이 방향을 따라 유동되면서 마이크로 캡슐화된다고 할 수 있다.

<유체 교환>

상기 메인 채널(150) 내에서 유동되는 액적 유도 유체는 칼슘 성분이 함유되어 있어 상기 액적의 고형화를 촉진하는 역할을 수행하나, 액적 유도 유체 자체의 독성으로 인해 세포의 활성도를 저하시키는 요인으로도 작용한다. 따라서, 액적의 고형화가 완료된 시점 즉, 마이크로 캡슐이 형성된 시점에서는 상기 메인 채널(150) 내의 유동 유체를 액적 유도 유체에서 세포 활성도에 영향을 끼치지 않는 중성 유체로 바꾸어야 한다.

이를 위해, 상기 메인 채널(150)의 후단에 중성 유체 공급채널(160)이 구비되는 것이다. 상기 메인 채널(150)의 일측으로부터 분기된 형태를 갖는 상기 중성 유체 공급채널(160)로부터 중성 유체가 공급되면 상기 메인 채널(150) 내에서 유동되는 액적 유도 유체는 일측으로 쏠리게 되며, 쏠린 상태로 흐르는 액적 유도 유체 는 최종적으로 상기 액적 유도 유체 배출채널(170)을 통해 배출된다. 이 때, 액적 유도 유체 배출채널(170)로 배출되는 액적 유도 유체의 유체 흐름(stream line)이 마이크로 캡슐의 중심점보다 바깥쪽에 위치함에 따라 상기 마이크로 캡슐은 상기 액적 유도 유체 배출채널(170)로 배출되지 않고 상기 중성 유체의 유체 흐름(stream line)을 따라 계속 흐르게 된다.

메인 채널(150) 내의 유동 유체가 액적 유도 유체에서 중성 유체로 바뀜에 따라, 마이크로 캡슐 내에 위치하는 세포의 활성도가 향상되는데, 이는 도 7을 통해 확인할 수 있다. 도 7은 중성 유체의 유량을 각각 2.5㎖/h, 5.0㎖/h, 7.5㎖/h로 설정한 상태에서 실험을 진행한 결과로서, 중성 유체의 유량이 2.5㎖/h인 경우 메인 채널(150)에 흐르는 액적 유도 유체 전체 유량 중 30% 이상이 제거되지 않고 중성 유체 및 마이크로 캡슐과 섞여 캡슐 수거채널(180)로 배출됨에 따라 세포 활성도가 26%로 낮은 수치를 나타내고 있다. 중성 유체의 유량을 5.0㎖/h로 설정한 경우, 메인 채널(150) 내에 흐르는 대부분의 액적 유도 유체는 액적 유도 유체 배출채널(170)을 통해 배출되나 약 5% 정도의 액적 유도 유체가 캡슐 수거채널(180)로 이동됨이 관찰되었고 그 결과 세포 활성도가 63%로 측정되었다. 마지막으로, 중성 유체의 유량을 7.5㎖/h로 설정한 경우, 메인 채널(150) 내의 액적 유도 유체는 모두 액적 유도 유체 배출채널(170)을 통해 배출되었으며 세포 활성도는 90% 이상으로 측정되었다. 이와 같은 실험결과를 통해 중성 유체의 공급을 통한 세포 활성도 향상의 결과를 얻을 수 있음이 확인된다.

<캡슐 수거>

상기 액적 유도 유체 배출채널(170)을 통해 액적 유도 유체가 배출됨에 따라, 상기 메인 채널(150) 내에 흐르는 유체는 마이크로 캡슐이 포함된 중성 유체이며, 이와 같은 중성 유체 및 마이크로 캡슐은 상기 메인 채널(150)의 일단과 연결된 캡슐 수거채널(180)을 통해 수거된다.

한편, 액적 유도 유체에서 중성 유체로의 유체 교환 과정에서 마이크로 캡슐이 미량의 액적 유도 유체를 끌고 오는 경우가 발생되는데 이를 대비하여, 액적 유도 유체 보조배출채널(190)을 더 구비할 수 있다. 상기 액적 유도 유체 보조배출채널(190)은 상기 메인 채널(150)의 일단에서 상기 캡슐 수거채널(180)과 함께 분기된 형태로 설계될 수 있으며, 마이크로 캡슐이 상기 액적 유도 유체 보조배출채널(190)로 배출되는 것을 방지하기 위해 그 직경을 마이크로 캡슐의 직경보다 작게 설계하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치의 동작 즉, 1) 세포 분산, 2) 액적 생성, 3) 액적 고형화, 4) 유체 교환, 5) 캡슐 수거 과정을 설명하였다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치에 의해 제조된 마이크로 캡슐을 대상으로 세포 배양 실험을 진행하였는데, 도 8에 도시한 바와 같이 시간의 경과에 따라 비슷한 크기의 배아체가 형성됨을 알 수 있으며, 이는 본 발명에 의해 제조된 마이크로 캡슐들이 균일한 특성을 갖는다는 것을 보여준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치의 평면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 분산채널의 확대도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 생성부의 확대도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 교환부의 확대도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캡슐 제조장치에 의해 생성된 마이크로 캡슐에 있어서의 캡슐 내의 세포 개수 분포를 나타낸 그래프.

도 6은 세포 액적화 물질의 유량과 세포-세포 액적화 물질 혼합 유체의 유량을 2 : 1, 1 : 1, 1 : 2로 설정했을 때의 액적 내의 세포 개수 및 분포도를 나타낸 그래프.

도 7은 중성 유체의 유량을 각각 2.5㎖/h, 5.0㎖/h, 7.5㎖/h로 설정한 상태에서 세포 활성도 변화를 나타낸 그래프.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 마이크로 캡슐을 이용하여 배아체를 형성한 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

110 : 액적 유도 유체 공급채널

111 : 액적 유도 유체 주입구

120 : 세포 분산채널

121 : 세포-세포 액적화 물질 주입구

130 : 세포-세포 액적화 물질 공급채널

140 : 세포 액적화 물질 공급채널

141 : 세포 액적화 물질 주입구

150 : 메인 채널

160 : 중성 유체 공급채널

170 : 액적 유도 유체 배출채널

180 : 캡슐 수거채널

190 : 액적 유도 유체 보조배출채널

201 : 원형 채널

202 : 스트레칭 채널

210 : 단위 세포 분산채널

Claims

공간적으로 서로 연결되며, 특정 방향으로 유체가 흐르도록 설계된 복수의 미세 채널을 이용한 마이크로 캡슐 제조장치에 있어서,

세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 공급되는 세포 공급부; 및

상기 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 공급되는 액적 유도 유체와, 상기 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 합류되어 액적이 형성되는 액적 생성부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 액적 유도 유체에 의해 상기 액적이 고형화되어 마이크로 캡슐이 생성, 이동되는 메인 채널을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 액적 유도 유체가 세포와 반응하지 않는 중성 유체로 교환되는 유체 교환부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 세포 공급부로부터 상기 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체를 공급받아 세포를 개별적으로 분산하는 세포 분산부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 4 항에 있어서, 상기 세포 분산부는 직렬 연결된 복수의 단위 세포 분산채널로 구성되며, 상기 단위 세포 분산채널은 원형 채널과 스트레칭 채널로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 5 항에 있어서, 상기 스트레칭 채널은 상기 원형 채널로부터 분기된 형태를 가지며, 상기 스트레칭 채널의 직경은 상기 원형 채널의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 6 항에 있어서, 상기 스트레칭 채널의 직경은 세포 직경의 1.5∼2.5배인 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 5 항에 있어서, 하나의 원형 채널에 복수개의 스트레칭 채널이 분기되어 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 4 항에 있어서, 세포 액적화 물질이 공급되는 세포 액적화 물질 공급채널이 더 구비되며, 상기 세포 액적화 물질 공급채널의 일단은 상기 세포 분산부 및 상기 세포 공급부와 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 2 항에 있어서, 상기 메인 채널의 일측에 분기된 형태로 구비되어 상기 메인 채널 내에 중성 유체를 공급하는 중성 유체 공급채널을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 2 항에 있어서, 상기 메인 채널의 일측에 분기된 형태로 구비되어, 상기 메인 채널 내의 액적 유도 유체가 배출되는 액적 유도 유체 배출채널을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 11 항에 있어서, 상기 메인 채널의 일단에 구비되어 상기 메인 채널 내의 마이크로 캡슐이 수거되는 캡슐 수거채널을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 11 항에 있어서, 상기 액적 유도 유체 배출채널을 통해 배출되지 않은 액적 유도 유체가 배출되는 액적 유도 유체 보조배출채널이 더 구비되며, 상기 액적 유도 유체 보조배출채널은 상기 메인 채널의 일단과 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 12 항에 있어서, 상기 액적 유도 유체 보조배출채널은 상기 캡슐 수거채널의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 12 항에 있어서, 상기 캡슐 수거채널과 상기 액적 유도 유체 보조배출채널은 상기 메인 채널의 일단에서 분기된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 1 항에 있어서, 세포 액적화 물질이 공급되는 세포 액적화 물질 공급채널이 더 구비되며, 상기 세포 액적화 물질 공급채널의 일단은 상기 세포 공급부와 연 결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 세포 액적화 물질은 알긴산인 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 액적 유도 유체는 올레인산인 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
제 10 항에 있어서, 상기 중성 유체는 미네랄 오일 또는 물인 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조장치.
공간적으로 서로 연결된 복수의 미세 채널을 이용한 마이크로 캡슐 제조방법에 있어서,

복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널에 세포들과 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 공급된 상태에서, 상기 세포들을 개별적으로 분산시키는 (a) 단계;

복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 공급되는 액적 유도 유체와, 상기 (a) 단계를 거친 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체가 합류하여 액적이 형성되는 (b) 단계;

복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 상기 액적 및 액적 유도 유체가 해당 미세 채널의 길이 방향을 따라 흐르며, 상기 액적이 고형화되어 마이크로 캡슐이 생성되는 (c) 단계;

상기 (c) 단계의 미세 채널에 중성 유체가 공급되어 상기 액적 유도 유체를 교체하는 (d) 단계;

상기 중성 유체 및 마이크로 캡슐이 복수의 미세 채널 중 어느 한 채널을 통해 수거되는 (e) 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 20 항에 있어서, 상기 (a) 단계의 미세 채널은 단위 세포 분산채널이 복수개 직렬 연결된 구조를 갖고, 상기 단위 세포 분산채널은 원형 채널과 스트레칭 채널로 구성되며,

상기 원형 채널은 전단에 연결된 스트레칭 채널로부터 공급되는 세포들이 서로 충돌되어 분리되는 공간을 제공하며,

상기 스트레칭 채널은 상기 원형 채널로부터 분기된 형태를 띠고, 상기 원형 채널의 직경보다 작도록 설계되어, 스트레칭 채널 내에서의 유속 증가를 통해 세포들 사이의 결합력을 약화시키는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제 조방법.
제 21 항에 있어서, 하나의 원형 채널에 복수개의 스트레칭 채널이 분기되어 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 20 항에 있어서, 상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에,

복수의 미세 채널 중 어느 한 채널을 통해 세포 액적화 물질이 공급되고, 상기 세포 액적화 물질의 유체는 상기 (a) 단계를 거친 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체와 합류되는 (a)-1 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 23 항에 있어서, 상기 세포 액적화 물질의 유량과 상기 (a) 단계의 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량을 조절하여 액적 내에 위치하는 세포의 개수를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 23 항에 있어서, 상기 세포 액적화 물질의 유량이 상기 (a) 단계의 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량보다 많으면 액적 내에 위치하는 세포의 개수가 감소하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 23 항에 있어서, 상기 세포 액적화 물질의 유량이 상기 (a) 단계의 세포와 세포 액적화 물질의 혼합 유체의 유량보다 적으면 액적 내에 위치하는 세포의 개수가 증가하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 20 항에 있어서, 상기 (c) 단계의 미세 채널에 중성 유체가 공급되어 액적 유도 유체가 중성 유체로 변경되는 (d) 단계는,

복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 공급되는 중성 유체에 의해 상기 액적 유도 유체가 주변부로 쏠려 흐르게 되고, 해당 액적 유도 유체가 복수의 미세 채널 중 어느 한 미세 채널을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 20 항에 있어서, 상기 액적 유도 유체는 올레인산인 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 28 항에 있어서, 상기 세포 액적화 물질은 알긴산인 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.
제 29 항에 있어서, 상기 (c) 단계에 있어서,

상기 올레인산에 함유되어 있는 칼슘이 알긴산과 반응하여 액적이 고형화되는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐 제조방법.