KR101181373B1

KR101181373B1 - 힘촉각 정보 획득 방법 및 세포 기반의 바이오 센서

Info

Publication number: KR101181373B1
Application number: KR20100052630A
Authority: KR
Inventors: 김정; 김정식
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2012-09-19
Also published as: KR20110133093A

Abstract

본 발명은 생물학적 세포를 이용하여 물리환경정보인 힘, 촉각 정보를 측정하는 세포 기반 힘/촉각 센서 기술에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예로서, 바이오 센서는 외부에서 가해진 기계적 자극을 세포에 전달하기 위한 매개부와 세포를 포함하는 반응부와 기계적 자극으로 인해 세포에서 발생되는 역학적 전이 현상을 측정하는 전극부와 측정된 역학적 전이 현상을 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.

Description

힘촉각 정보 획득 방법 및 세포 기반의 바이오 센서{Method of acquiring force/tactile information and Cell-based bio sensor}

본 발명은 생물학적 세포를 이용하여 힘 및/또는 촉각 정보를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

기존의 미세 힘/촉감 측정은 고전역학을 바탕으로 하는 기본적인 힘 측정원리인 힘 및/또는 질량의 변형 관계를 이용하여 이루어지고 있다. 그러나, 마이크로/나노 스케일에서는 접촉력, 표면력, 분자간 힘 등이 힘 측정시 지배적으로 작용하기 때문에 힘 정보의 측정이 어렵고 힘 측정을 위한 센서 제작이 어려운 단점이 있다. 또한, 기계적 재료의 생화학적 환경노출로 인한 측정잡음이나 센서 수명 단축의 문제가 야기될 수 있다.

또한, 기존에 연구되고 있는 대부분의 세포 기반 센서들은 의료 진단, 신약 개발 등을 목적으로 약물, 미생물 또는 기타 생체물질 등의 생화학적 환경변화 측정을 위해 개발되고 있다.

생체신호를 통해 기계 시스템을 제어하는 기술인 바이오 메카트로닉스 (Biomechatronics) 기술에서 로봇 시스템이 실제생활에 활용되기 위해서는 로봇과 주변 환경과의 물리적 접촉에 대한 정보가 필요하다. 예를 들어, 손이나 팔을 모사하는 로봇은 적절한 힘으로 물건을 잡거나 조작하기 위해 로봇의 말단부(e.g.손끝, 발끝 또는 프로브)에서 힘/촉감을 측정할 수 있는 미세센서(MEMS sensor)가 필요하다. 최근 많은 주목을 받고 있는 마이크로/나노 조작에서의 로봇제어나 힘 피드백을 위해서는 힘 정보의 추출이 가장 중요한 요소로 알려져 있다.

본 발명의 목적은 생물학적 세포를 이용하여 힘 및/또는 촉각 정보를 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 세포에 가해지는 다양한 형태의 기계적 자극에 의해 발생되는 세포들의 반응, 상호작용 및 적응성을 이용한 힘/촉각 정보를 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 자극에 의해 발생하는 생물학적 세포의 화학적 활성과 마이크로 제조 기술을 접목 시킨 힘/촉감 센싱 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 세포에 인가되는 열 또는 유체에 의한 물리적 자극에 의해 발생하는 세포의 화학적 활성을 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 목적들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 본 발명의 실시예들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들에서는 세포의 기계적인 자극에 대한 다양한 생화학적 반응인 역학적 전이(mechanotransduction) 과정을 이용한 생체모사 세포기반의 장치(즉, 바이오 센서) 및 이를 이용한 센싱 방법을 개시한다.

본 발명의 제 1 실시예로서 세포 기반의 바이오센서는, 외부에서 가해진 기계적 자극을 세포에 전달하기 위한 매개부 및 세포를 포함하는 반응부와 기계적 자극으로 인해 세포에서 발생되는 역학적 전이 현상을 측정하는 전극부와 측정된 역학적 전이 현상을 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예로서 세포 기반의 바이오 센서는 외부에서 가해진 기계적 자극을 세포에 전달하기 위한 매개부 및 세포를 포함하는 반응부와 세포에 영양을 공급하기 위한 영양공급부와 기계적 자극으로 인해 세포에서 발생되는 역학적 전이 현상을 측정하는 전극부와 측정된 역학적 전이 현상을 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다. 이때, 영양공급부는 전극부와 매개부 사이에 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 3 실시예로서 세포 기반의 바이오센서는, 생물체로부터 채취되어 살아있는 상태로 배양된 세포와 바이오 센서의 외부에서 가해진 외부 자극을 세포에 전달하기 위한 매개부와 세포에 영양을 공급하기 위한 영양공급부와 외부 자극으로 인해 세포에서 발생되는 유도 전위를 측정하는 전극부와 유도 전위를 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 4 실시예로서 세포 기반의 바이오 센서를 이용하여 힘 촉각 정보를 획득하는 방법은, 기계적 외부 자극을 바이오 센서에 인가하는 단계와 기계적 외부 자극으로 인해 바이오 센서에 포함된 세포에서 발생하는 유도 전위를 측정하는 단계와 유도 전위를 처리하여 읽을 수 있는 형태의 데이터로 전환하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 바이오 센서는 기계적 외부 자극을 세포에 전달하기 위한 매개부, 세포에서 발생되는 유도 전위를 측정하는 전극부, 및 측정된 유도 전위를 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 5 실시예로서 세포 기반의 바이오 센서를 이용하여 힘 촉각 정보를 획득하는 방법은, 바이오 센서에 열역학적 외부 자극을 인가하는 단계와 열역학적 외부 자극으로 인해 바이오 센서에 포함된 세포에서 발생하는 역학적 전이 현상을 측정하는 단계와 역학적 전이 현상을 처리하여 힘 촉각 정보로 전환하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 바이오 센서는 열역학적 외부 자극을 세포에 전달하기 위한 매개부, 세포에 영양을 공급하기 위한 영양공급부, 세포에서 발생되는 역학적 전이 현상을 측정하는 전극부, 및 측정된 역학적 전이 현상을 힘 촉각 정보로 전환하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 6 실시예로서 세포 기반의 바이오 센서를 이용하여 힘 촉각 정보를 획득하는 방법은, 바이오 센서에 기계적 외부 자극을 인가하는 단계와 기계적 외부 자극으로 인해 바이오 센서에 포함된 세포에서 발생하는 유도 전위를 측정하는 단계와 유도 전위를 처리하여 읽을 수 있는 형태의 데이터로 전환하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 바이오 센서는 생물체로부터 채취되어 살아있는 상태로 배양된 세포, 기계적 외부 자극을 세포에 전달하기 위한 매개부, 세포에 영양을 공급하기 위한 영양공급부, 외부 자극으로 인해 세포에서 발생되는 유도 전위를 측정하는 전극부 및 유도 전위를 상기 힘 촉각 정보로 전환하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.

상기 제 1 실시예 내지 상기 제 6 실시예에서 상기 매개부는 세포에 직접 점접촉, 면접촉 및 선접촉 중 하나 이상을 인가할 수 있다. 이때, 매개부는 생체친화적 재료를 사용하여 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 매개부는 세포에 외부 자극(예를 들어, 기계적 자극, 열역학적 자극 또는 유체역학적 자극 등)을 세포에 전달하기 위한 하나 이상의 프로브를 포함할 수 있다.

상기 제 1 실시예 내지 상기 제 6 실시예에서 전극부는, 세포에서 발생하는 역학적 전이 현상(예를 들어, 유도 전위)을 측정하는 전극과 역학적 전이 현상을 통해 발생되는 유도 전위를 증폭하기 위한 증폭기와 증폭된 전기 신호를 처리하여 힘 또는 촉각 정보로 변환하기 위한 필터를 포함할 수 있다.

상기 제 1 실시예 내지 상기 제 6 실시예에서 상기 바이오 센서는, 세포에 영양을 공급하기 위한 배양액을 영양공급부에 주입하기 위한 배양액 주입구를 더 포함할 수 있다. 이때, 영양공급부는 전극부와 매개부 사이에 구비되는 것이 바람직하다.

상기 제 1 실시예 내지 상기 제 6 실시예에서, 상기 바이오 센서의 영양공급부는 세포에 열역학적 자극 또는 유체역학적 자극을 전달하기 위한 소정의 고체 입자를 포함할 수 있다.

상술한 제 1 실시예 내지 제 6 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명은 기계적 자극에 대한 세포의 반응을 이용하여 생화학적 환경이 아닌 물리환경을 측정하는데 기존 바이오센서 연구와 차별성이 있다. 또한, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명을 이용하면 마이크로/나노 수준의 힘/촉감 정보를 용이하게 획득할 수 있다.

둘째, 접촉 힘 정보뿐 아니라 열역학적, 유체역학적 정보 측정을 통해 다기능적인(multifunctional) 촉감센서로 활용할 수 있다.

셋째, 센서 표면에의 분포력이 인가됐을 때 넓은 면적에 걸친 2차원, 3차원의 축차적, 동시다발적 힘/촉각정보의 측정이 가능하다.

넷째, 생체역학 연구에서의 세포 힘 측정시 측정 대역폭을 맞추기 용이하다. 또한, 센서로서의 실시간 동적인 측정뿐 아니라 장기간 동안의 변화를 관찰하는 만성실험에 사용할 수 있다.

다섯째, 본 발명에서 제안한 장비는 기존의 프로브 및/또는 캔틸레버 등을 이용한 접촉점에서의 힘/촉감 정보의 측정뿐 아니라 구조에 따라 대상 물체의 분포력을 다채널로 측정할 수 있다.

여섯째, 본 발명은 기존에 쓰이는 광학포획(OT: optical trapping)과 원자휨 현미경(AFM: Atomic Force Microscope)와 달리 광학장비들이 필요 없다. 따라서, 패치 클램프(patch clamp) 장비와 같이 광학을 이용하는 다른 장비와 공간적, 시스템적으로 충돌하지 않고 함께 사용될 수 있다.

또한 생체역학 연구에서의 세포힘 측정시 측정 대역폭을 적응적으로 맞출 수 있다. 예를 들어, 생체역학 연구에서 세포힘 측정시 기존의 AFM이나 OT는 각각 1-10Mz, 10Mz의 대역폭을 가지며 측정 범위가 수 nN 수준에서 수행되지만, 본원 발명에서 제안한 시스템은 단일세포, 다세포 조합 또는 특정 세포의 선택을 통해 넓은 대역폭과 측정범위를 설계할 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 이하의 본 발명의 실시예들에 대한 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 발명을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 발명의 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로서 세포 기반의 힘/촉감 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명 실시예로서 바이오 센서의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예로서 바이오 센서를 이용하여 힘/촉각 정보를 획득하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 매개부(111)의 변형 및 병진 운동에 의해 기계적 자극을 세포(113)에 전달하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 매개부(111)의 하단에 구비된 프로브(301)를 이용하여 세포(113)에 수직방향으로 외력을 인가함으로써 자극을 전달하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5를 확장하여 세포에 다자유도 자극을 인가하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 프로브를 이용하여 세포에 전단력을 인가하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 미세 고체입자들을 이용하여 세포에 진동 자극을 인가하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 바이오 센서에 기계적 자극으로서 압력 또는 열을 인가하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예로서 바이오 센서를 실제 이용하는 모습을 나타내는 도면이다.

이하에서는, 세포 주변의 기계/역학적 환경변화에 대한 세포의 반응성을 이용하여 힘/촉감 정보를 측정하기 위한 바이오 센서 및 이를 이용한 센싱 방법들을 개시한다.

이하의 실시 예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시 예를 구성할 수도 있다.

본 발명의 실시 예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시 예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시 예에서 사용될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.

도면에서 각 구성 요소의 형태를 직관적으로 나타내기 위해 단순화하여 표현하였다. 즉, 본원 발명의 구성 요소들은 각 동작 및 기능을 수행하도록 최적화하여 형성될 수 있으며, 본원 발명의 기술적 특징을 공유하는 한 다른 형태를 가지더라도 동일 구성을 나타낸다. 따라서, 각 도면에서 본 발명의 요지를 나타내는데 필요한 단계 또는 구성요소를 위주로 표시하였고, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 단계 또는 구성요소는 표시하지 않았다. 또한, 도면에서 도시되지 않은 부분이라도 자연법칙을 위반하지 않는 범위 및 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 고안할 수 있는 부분은 도시하지 아니하였다.

또한, 본원 발명의 실시예들에서 개시하는 장치(즉, 바이오 센서)는 세포 단위에서도 구현될 수 있어야 하므로 그 크기가 매우 작을 수 있다. 따라서, 각 도면에서 개시되는 본원 발명의 구성 요소들은 그 크기가 왜곡되어 표현될 수 있다. 그러한 표현들은 당해 기술의 일반적인 지식을 가진 자에 의해 충분히 이해될 수 있는 범위에서 적용 및 변형이 가능하다.

이하의 설명에서 사용되는 특정(特定) 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

예를 들어, ‘힘(force)’, ‘촉감(tactile sense)’은 통합하여 ‘햅틱(haptic)’이란 용어로 사용될 수 있다. 이때, 햅틱이라는 용어는 일반적인 의미의 힘(force, kinesthetic sense)을 포함한 거칠기, 온도, 진동 등의 촉각정보를 포함할 수 있다. 또한, ‘세포(cell)’는 분자수준의 생체조직부터, 단일세포나 세포군(e.g. 다세포), 세포 네트워크(e.g. 유기체)까지 대체 및 확장될 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 개시할 세포 기반 센서, 즉 바이오센서 기술은 살아있는 세포를 세포주변환경의 센싱 소자로서 활용하는 것이다. 본 발명에서 바이오 센서는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용해 제작될 수 있다. MEMS 기술은 미세 기술로서 기계 부품, 센서, 액츄에이터 또는 전자 회로 등을 하나의 실리콘 기판 위에 집적화한 장치를 의미한다.

세포는 세포막이나 세포 내에 존재하는 수용체(receptor)로부터 외부의 물질을 감지하여 막전위 변화, 화학 물질 분비 등의 반응을 나타낸다. 이러한 세포의 반응을 이용하여 특정 바이오/화학 물질에 민감하고 선택적인 바이오 센서를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로서 세포 기반의 힘/촉감 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.

바이오 센서(100)는 반응부(110), 전극부(120) 및 데이터 처리부(130)를 포함한다.

반응부(110)는 바이오 센서 외부의 기계/역학적 자극을 세포에 전달하는 기구부로서, 매개부(111) 및 생물학적 세포(113)를 포함한다. 외부의 기계/역학적 자극은 생체친화성 재료인 매개부(111)를 통해 생물학적 세포(113)에게 전달된다.

매개부(111)는 생체친화적 재료를 사용하여 구성할 수 있다. 이때, 매개부(111)는 그 재질에 따라 금속재료, 무기재료, 고분자재료 및/또는 복합재료를 포함할 수 있다. 금속재료의 예로는 티타늄 합금, 316 스테인리스 스틸 등이 있으며, 고분자재료의 예로는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(Polymethylmethacrylate) 및/또는 아가로스겔(Agarose gel) 등이 있다.

센서로서 동작하는 생물학적 세포(113)는 동물 또는 식물로부터 채취되어 살아있는 상태로 배양된 세포를 말한다. 본원 발명의 실시예들에서 생물학적 세포(113)로서 피부의 다양한 자극 수용을 담당하는 감각 수용체인 루피니(Ruffini) 세포, 마이스너(Meissner) 세포, 파치니(Pacinian) 세포 및/또는 메르켈(Merkel) 세포가 사용될 수 있다.

또한, 예쁜꼬마선충 (Caenorhabditis elegans)의 촉각뉴런(touch receptor neuron)이 본 발명의 실시예들에서 생물학적 세포(113)로 사용될 수 있다. 이는 모든 유전자 서열과 6개의 촉각 뉴런이 있음이 알려져 있어 많은 생물학적 선행 연구들의 결과를 바로 적용하기 용이하다.

또한, 생물학적 세포(113)에는 그 밖의 박테리아, 근육/피부세포 등 막전위변화, 역학적 전이(mechanotransduction) 현상이 관찰되는 모든 세포들이 사용될 수 있다. 살아있는 세포에 기계적인 자극이 가해지면 세포에서는 역학적 전이 현상이 발생하고, 바이오 센서는 이러한 변화를 측정하여 힘/촉각 정보를 획득할 수 있다.

전극부(120)는 세포(113)가 직접 접촉하여 자라는 기판역할을 수행할 수 있다. 전극부에는 외부 자극에 의해 세포에서 발생하는 유도전위를 측정하는 전극(121)이 배열되고, 세포에서 발생된 유도전위를 증폭시키기 위한 증폭기(123) 및 전기 신호를 처리하여 힘/촉각 정보로 변환하기 위한 대역통과필터(125), 디지털변환기(미도시) 및 디지털신호처리기(미도시)가 더 포함될 수 있다.

데이터 처리부(130)는 전극부에서 수집된 힘/촉감 신호의 저장 및 변환, 전송을 수행한다.

도 2는 본 발명 실시예로서 바이오 센서의 구성도를 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1에서 설명한 바이오 센서를 실제로 구현한 모습의 일례를 나타낸다. 바이오 센서는 반응부(110), 전극부(120) 및 데이터 처리부(130)로 구성되는 것을 알 수 있다. 이때, 전극부는 전극(121), 증폭기(123), 필터(125) 들이 구비되는 전극기판(220)을 포함할 수 있다. 도 2에서는 전극(121)이 전극기판의 상부에 노출된 형태로 구비되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 증폭기 및 필터 등은 전극기판 내부에 포함될 수 있다.

전극기판(220) 위에 세포(113)가 배양되고, 세포에 외부의 기계/역학적 자극을 전달하는 매개부(111)가 놓인다. 매개부(111)는 세포에 점접촉, 선접촉 또는 면접촉 등 다양한 형태로 자극을 전달할 수 있다. 매개부(111)는 직접 세포를 자극하여 세포의 역학적 전이 현상을 유도할 수 있다. 또한, 매개부(111)에는 외부 자극을 세포에 전달하기 위한 하나 이상의 프로브가 구비될 수 있다.

매개부(111)와 전극기판(220) 사이에는 세포에 영양을 공급하는 얇은 영양공급부(210)가 놓인다. 영양공급부(210)는 세포에 영양을 공급하는 것이 주된 목적이나 세포에 가해지는 외부 자극으로부터 세포를 보호 및 완충하는 역할을 수행한다. 영양공급부(210)는 세포(113)에 영양을 공급하는 배양액으로 채워져 있으며 바이오 센서의 일부분에 배양액을 주입하기 위한 주입구(미도시)가 형성될 수 있다. 도 2에서는 바이오 센서를 확대하여 도시하였으며, 실제 그 크기는 매우 작은 것이 일반적이다.

도 3은 본 발명의 실시예로서 바이오 센서를 이용하여 힘/촉각 정보를 획득하는 방법을 나타내는 도면이다.

사용자는 도 1 및 도 2에서 상술한 바이오 센서에 외부 자극을 인가한다(S310).

S310 단계에서 기계적 외부 자극은 바이오 센서에 가해지는 물리적인 자극을 모두 포함한다. 본원 발명에서 다루는 기계적, 물리적인 자극으로는 바이오 센서에 가해지는 외부 힘, 압력 또는 열 등의 자극이 있을 수 있다.

바이오 센서에 가해지는 기계적 자극은 매개부(111)를 통해 세포(113)에 전달된다. 기계적 자극에 의해 세포에서는 형상, 표현형 및/또는 신호전달 등의 변화가 발생한다. 즉, 세포에 가해진 기계적 자극이 세포 내에서 생화학적/전기적 신호로 변환되는 역학적 전이 현상이 관찰된다. 또한, 세포에 가해지는 기계적 자극에 의해 세포막의 이온 채널의 열림/닫힘을 통해 세포 막전위의 변화(즉, 유도 전위의 발생)를 관찰할 수 있다(S320).

S320 단계에서는 바이오 센서에 가해지는 기계/역학적 자극에 의해 세포에 나타나는 변화를 측정함으로써 바이오 센서를 힘/촉각 센서로 활용할 수 있다.

세포에서 역학적 전이 현상이 발생하면, 세포에서는 유도전위가 발생하고, 바이오 센서는 바이오 센서의 전극기판에 구비된 전극을 이용하여 세포에서 발생하는 유도전위를 측정할 수 있다(S330).

바이오 센서의 데이터 처리부는 유도전위를 수집 및 분석하여, 힘/촉각 정보로 전환 및 분석하여 사용자에 전달할 수 있다(S340).

도 3에서는 S330 단계에서 세포에서 발생하는 유도전위를 측정하는 용도로 전극을 사용하였다. 그러나, 본원 발명의 다른 측면으로서, 사용자는 외부자극을 세포에 인가할 때 소정의 전기펄스를 이용하여 전기자극을 가함으로써 세포에서 발생하는 변화를 측정할 수 있다.

도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시예로서 매개부를 통해 외부의 기계/역학적 자극을 세포에 전달하는 기전에 대한 일례를 나타내는 도면이다.

도 4는 매개부(111)의 변형 및 병진 운동에 의해 기계적 자극을 세포(113)에 전달하는 방법을 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 4(a)는 바이오 센서의 초기 모습을 나타내며, 도 4(b)는 외력이 매개부(111)에 가해질 때 매개부가 세포를 직접 자극하는 모습을 나타낸다. 도 4(c)는 바이오 센서에 가해진 외력이 제거된 후의 모습을 나타낸다.

도 5는 매개부(111)의 하단에 구비된 프로브(301)를 이용하여 세포(113)에 수직방향으로 외력을 인가함으로써 자극을 전달하는 방법을 나타내는 도면이다. 본원 발명의 실시예들에서 프로브는 배열구조가 가능하여 단일 세포에 대한 다점접촉, 다세포에 대한 다점접촉이 가능할 수 있다. 도 5(a)는 매개부(111)에 프로브(301)가 구비된 초기 모습을 나타낸다. 도 5(b)는 바이오 센서(100)에 외부 자극이 인가되어 프로브(301)가 세포를 직접 누르는 모습을 나타낸다. 세포가 외부 자극에 의해 변형되면서, 세포에서는 역학적 전이가 발생하고, 바이오 센서는 이를 측정 및 분석하여 힘/촉각 정보를 사용자에 전달할 수 있다. 도 5(c)는 세포에 가해지는 외부 자극을 제거한 후를 나타내는 도면이다.

도 6은 도 5를 확장하여 세포에 다자유도 자극을 인가하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 매개부에 구비되는 프로브(303)는 매개부 하단 이외에 매개부를 관통하여 구비될 수 있다. 이러한 경우에는, 프로브(303)의 일부분은 매개부의 상부에 노출될 수 있다.

사용자는 도 6의 바이오 센서의 프로브에 외부 자극으로서 회전 및 병진운동을 인가함으로써 6자유도의 자극을 전달할 수 있다. 예를 들어, 도 6(a)는 초기 상태를 나타내며, 도 6(b)는 매개부에 구비된 프로브를 이용하여 수직 방향으로 외력을 인가하는 모습을 나타내는 도면이다. 이때, 매개부(111)에는 직접적인 변형이 발생하지 않을 수 있으며, 매개부에 구비된 프로브만을 통해 수직력을 세포에 인가할 수 있다.

도 6(c)는 세포(113)에 수직력이 인가된 상태에서 회전력이 가해지는 모습을 나타낸다. 도 6(d)는 도 6(b)과 같이 수직력이 세포에 인가된 후에 프로브(303)의 병진운동을 통해 세포에 기계적 자극을 인가하는 모습을 나타낸다. 물론, 도 6(b), 도 6(c) 및 도 6(d) 순서로 외력이 가해지거나 도 6(b), 도 6(d) 및 도 6(c)의 순서로 세포에 외부 자극이 인가될 수 있다.

도 6(e)는 힘/촉각 정보를 획득한 이후에 세포에 가해진 외력을 제거한 모습을 나타낸다.

도 7은 프로브를 이용하여 세포에 전단력을 인가하는 방법을 나타내는 도면이다.

본원 발명에서 전단력이란 물체 내에서 면에 따라 크기가 같고 방향이 서로 반대가 되도록 면을 따라 평행되게 작용하는 힘을 의미한다. 도7(a)는 세포(113)에 외부 자극을 인가하기 전의 초기 상태를 나타내며, 전단력을 인가하기 위해 둘 이상의 프로브(305)가 매개부(111)에 구비된 모습을 나타낸다. 바람직하게는 두 개의 프로브(305)를 이용하여 세포에 전단력을 인가할 수 있다.

도 7(b)는 프로브를 이용하여 세포에 전단력을 인가하는 모습을 나타내며, 도 7(c)는 전단력을 제거한 모습을 나타낸다.

도 7에서는 둘 이상의 프로브를 이용하여 전단력을 인가하는 모습을 나타내었지만, 세포가 충분히 고정되어 있을 수 있다면 하나의 프로브를 이용하여 단방향의 전단력을 세포에 인가할 수 있다.

도 8은 미세 고체입자들을 이용하여 세포에 진동 자극을 인가하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 8(a)는 매개부(111)와 전극기판(220) 사이의 영양공급부에 미세 고체입자들을 삽입하는 과정을 나타내는 도면이다. 도 8(b)는 바이오 센서에 외부 진동이 인가되는 모습을 나타낸다. 바이오 센서에 외부 진동이 인가되면 고체입자들이 불규칙한 형태로 움직이면서 세포를 자극하게 된다. 이때, 전극기판의 일측에 구비된 데이터 처리부는 세포에서 발생하는 유도전류를 측정하여 힘/촉각 정보(즉, 외부 진동의 강도)를 획득할 수 있다. 도 8(c)는 영양공급부에 삽입한 고체입자를 제거하는 모습을 나타낸다.

도 8에서는 영양공급부에 고체입자들을 삽입하는 것을 나타내었지만, 영양공급부에 주입되는 배양액의 종류에 따라서 배양액 자체에 포함된 고체입자들을 이용하여 외부진동의 강도를 측정할 수 있다.

도 9는 바이오 센서에 기계적 자극으로서 압력 또는 열을 인가하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 9 (a)는 초기 상태를 나타낸다. 도 9(b)는 바이오 센서의 매개부(111)에 압력 또는 열을 인가하는 모습을 나타낸다. 매개부를 통해 압력 또는 열이 세포(113)에 인가되면 세포에서는 기계적 자극이 생화학적 전기적 신호로 변환되는 역학적 전이 현상을 나타내며, 바이오 센서는 이를 이용하여 힘/촉각 정보(즉, 압력 또는 열의 세기)를 측정할 수 있다. 도 9(c)는 외부 자극을 제거한 상태를 나타낸다.

도 10은 본 발명의 실시예로서 바이오 센서를 실제 이용하는 모습을 나타내는 도면이다.

도 10(a)는 바이오 센서를 하나 또는 바이오 센서의 배열을 통해 촉감센서로 사용되는 모습을 나타낸다. 즉, 하나 이상의 바이오 센서를 인접하게 배치함으로써, 바이오 센서에 가해지는 손끝의 압력, 체온 또는 분포력 등을 측정할 수 있다.

도 10(b)는 바이오 센서를 마이크로 구조물에 부착하여 사용하는 모습을 나타낸다. 예를 들어, 바이오 센서를 캔틸레버에 부착함으로써, 캔틸레버에 가해지는 하중을 측정할 수 있다.

물론, 로봇이나 수술 도구의 말단부분에 바이오 센서를 부착함으로써, 로봇이 물건을 잡거나 수술 도구를 이용한 수술시 힘/촉각 정보를 획득할 수 있다. 이를 통해, 사용자는 정밀하게 로봇이나 수술도구들을 제어할 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있다.

본 발명은 센서를 이용하는 다양한 기술 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 생물학적 세포를 이용하여 대상 물체에 관련된 힘 정보 및/또는 촉각 정보를 측정 및 획득함으로써 다양한 산업 환경에 본 발명을 활용할 수 있다. 또한, 본원 명세서에서 설명한 새로운 기작을 이용하여 안정적이고 고성능의 센서를 제작할 수 있으며, 이를 이용하여 바이오, 의학 분야 연구 및 로봇산업 등 다양한 분야의 시장을 확보할 수 있다.

100: 바이오 센서
110: 반응부 {111: 매개부; 113: 생물학적 세포}
120: 전극부 {121: 전극; 123: 증폭기; 125: 필터}
130: 데이터 처리부
210: 영양공급부
220: 전극기판
301, 303, 305: 프로브

Claims

세포 기반의 바이오센서에 있어서,
상기 바이오센서의 외부에서 가해진 기계적 자극을 상기 세포에 전달하기 위한 매개부와 상기 세포를 포함하는 반응부;
상기 기계적 자극으로 인해 상기 세포에서 발생되는 역학적 전이 현상을 측정하는 전극부; 및
측정된 상기 역학적 전이 현상을 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함하는, 바이오 센서.
제 1항에 있어서,
상기 매개부는,
상기 세포에 직접 점접촉, 면접촉 및 선접촉 중 하나 이상을 인가하는, 바이오 센서.
제 2항에 있어서,
상기 매개부는 생체친화적 재료를 사용하여 제작되는, 바이오 센서.
제 1항에 있어서,
상기 매개부는 상기 세포에 상기 기계적 자극을 상기 세포에 전달하기 위한 하나 이상의 프로브를 포함하는, 바이오 센서.
제 1항에 있어서,
상기 전극부는,
상기 세포에서 발생하는 상기 역학적 전이 현상을 측정하는 전극;
상기 역학적 전이 현상을 통해 발생되는 유도 전위를 증폭하기 위한 증폭기; 및
상기 증폭된 전기 신호를 처리하여 힘 또는 촉각 정보로 변환하기 위한 필터를 포함하는, 바이오 센서.
세포 기반의 바이오센서에 있어서,
상기 바이오센서의 외부에서 가해진 기계적 자극을 상기 세포에 전달하기 위한 매개부와 상기 세포를 포함하는 반응부;
상기 세포에 영양을 공급하기 위한 영양공급부;
상기 기계적 자극으로 인해 상기 세포에서 발생되는 역학적 전이 현상을 측정하는 전극부; 및
측정된 상기 역학적 전이 현상을 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함하되,
상기 영양공급부는 상기 전극부와 상기 매개부 사이에 구비되는, 바이오 센서.
제 6 항에 있어서,
상기 영양공급부에 상기 세포에 영양을 공급하기 위한 배양액을 주입하기 위해 배양액 주입구를 더 포함하는, 바이오센서.
제 6항에 있어서,
상기 매개부는 상기 세포에 직접 점접촉, 면접촉 및 선접촉 중 하나 이상을 인가하고, 상기 매개부는 생체친화적 재료를 사용하여 제작되는, 바이오 센서.
제 6항에 있어서,
상기 매개부는 상기 세포에 상기 기계적 자극을 상기 세포에 전달하기 위한 하나 이상의 프로브를 포함하는, 바이오 센서.
세포 기반의 바이오센서에 있어서,
생물체로부터 채취되어 살아있는 상태로 배양된 세포;
상기 바이오 센서의 외부에서 가해진 외부 자극을 상기 세포에 전달하기 위한 매개부;
상기 세포에 영양을 공급하기 위한 영양공급부;
상기 외부 자극으로 인해 상기 세포에서 발생되는 유도 전위를 측정하는 전극부; 및
상기 유도 전위를 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함하는, 바이오 센서.
제 10항에 있어서,
상기 전극부는,
상기 세포에 직접 접촉하여 상기 세포에서 발생하는 상기 유도 전위를 측정하는 전극;
상기 유도 전위를 증폭하기 위한 증폭기; 및
상기 증폭된 유도 전위를 처리하여 힘 또는 촉각 정보로 변환하기 위한 필터를 포함하는, 바이오 센서.
제 10항에 있어서,
상기 영양공급부는 상기 전극부와 상기 매개부 사이에 구비되는, 바이오 센서.
제 10항에 있어서,
상기 외부 자극은 열역학적 자극 또는 유체역학적 자극인, 바이오센서.
제 13항에 있어서,
상기 영양공급부는 상기 세포에 상기 열역학적 자극 또는 상기 유체역학적 자극을 전달하기 위한 소정의 고체 입자를 포함하는, 바이오 센서.
세포 기반의 바이오 센서를 이용하여 힘 촉각 정보를 획득하는 방법에 있어서,
상기 바이오 센서에 기계적 외부 자극을 인가하는 단계;
상기 기계적 외부 자극으로 인해 상기 바이오 센서에 포함된 상기 세포에서 발생하는 유도 전위를 측정하는 단계; 및
상기 유도 전위를 처리하여 읽을 수 있는 형태의 데이터로 전환하는 단계를 포함하고,
상기 바이오 센서는 상기 기계적 외부 자극을 상기 세포에 전달하기 위한 매개부, 상기 세포에서 발생되는 유도 전위를 측정하는 전극부, 및 측정된 상기 유도 전위를 상기 데이터로 전환하는 데이터 처리부를 포함하는, 힘 촉각 정보 획득 방법.
제 15항에 있어서,
상기 매개부는,
상기 세포에 직접 점접촉, 면접촉 및 선접촉 중 하나 이상을 인가하는, 힘 촉각 정보 획득 방법.
제 16항에 있어서,
상기 매개부는 생체친화적 재료를 사용하여 제작되는, 힘 촉각 정보 획득 방법.
제 15항에 있어서,
상기 전극부는,
상기 세포에서 상기 자극으로 인한 역학적 전이 현상을 통해 발생하는 상기 유도전위를 측정하는 전극, 상기 유도전위를 증폭하기 위한 증폭기 및 상기 증폭된 전기 신호를 처리하여 상기 힘 촉각 정보로 변환하기 위한 필터를 포함하는, 힘 촉각 정보 획득 방법.
세포 기반의 바이오 센서를 이용하여 힘 촉각 정보를 획득하는 방법에 있어서,
상기 바이오 센서에 열역학적 외부 자극을 인가하는 단계;
상기 열역학적 외부 자극으로 인해 상기 바이오 센서에 포함된 상기 세포에서 발생하는 역학적 전이 현상을 측정하는 단계; 및
상기 역학적 전이 현상을 처리하여 상기 힘 촉각 정보로 전환하는 단계를 포함하고,
상기 바이오 센서는 상기 열역학적 외부 자극을 상기 세포에 전달하기 위한 매개부, 상기 세포에 영양을 공급하기 위한 영양공급부, 상기 세포에서 발생되는 역학적 전이 현상을 측정하는 전극부, 및 측정된 상기 역학적 전이 현상을 상기 힘 촉각 정보로 전환하는 데이터 처리부를 포함하는, 힘 촉각 정보 획득 방법.
제 19항에 있어서,
상기 영양공급부는 상기 세포에 상기 열역학적 자극 또는 유체역학적 자극을 전달하기 위한 소정의 고체 입자를 포함하는, 힘 촉각 정보 획득 방법.
세포 기반의 바이오 센서를 이용하여 힘 촉각 정보를 획득하는 방법에 있어서,
상기 바이오 센서에 기계적 외부 자극을 인가하는 단계;
상기 기계적 외부 자극으로 인해 상기 바이오 센서에 포함된 상기 세포에서 발생하는 유도 전위를 측정하는 단계; 및
상기 유도 전위를 처리하여 읽을 수 있는 형태의 데이터로 전환하는 단계를 포함하고,
상기 바이오 센서는 생물체로부터 채취되어 살아있는 상태로 배양된 세포, 상기 기계적 외부 자극을 상기 세포에 전달하기 위한 매개부, 상기 세포에 영양을 공급하기 위한 영양공급부, 상기 외부 자극으로 인해 상기 세포에서 발생되는 유도 전위를 측정하는 전극부 및 상기 유도 전위를 상기 힘 촉각 정보로 전환하는 데이터 처리부를 포함하는, 힘 촉각 정보 획득 방법.