KR101403536B1

KR101403536B1 - 세포 배양기, 이를 갖는 세포 배양 시스템 및 이를 이용한 세포 배양 방법

Info

Publication number: KR101403536B1
Application number: KR1020110141209A
Authority: KR
Inventors: 조영호; 김태윤
Original assignee: 주식회사 넥스비보
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2014-06-03
Also published as: KR20130073388A

Abstract

세포 배양기는 배양액을 수용하며 세포가 배양되는 공간을 제공하는 웰, 상기 웰 하부의 적어도 일부를 구성하는 변형 가능한 박막, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 박막 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하기 위한 박막 구동기, 상기 웰의 상부에 구비되어 상기 배양액을 공급하는 배양액 저장소, 및 상기 웰에 연결되어 노폐물 배양액을 배출시키기 위한 배양액 배출부를 포함한다.

Description

세포 배양기, 이를 갖는 세포 배양 시스템 및 이를 이용한 세포 배양 방법{CELL CULTIVATION DEVICE, CELL CULTIVATION SYSTEM AND METHOD OF CULTIVATING USING THE SAME}

본 발명은 세포 배양기, 이를 갖는 세포 배양 시스템 및 이를 이용한 세포 배양 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 생체환경과 유사한 환경에서 세포를 배양하고 상기 배양된 세포의 다중 특성을 분석할 수 있는 세포 배양기, 이를 갖는 세포 배양 시스템 및 이를 이용한 세포 배양 방법에 관한 것이다.

종래의 세포군집의 형성 및 분석 방법에 있어서, 미국등록특허 제5,496,722호에는 유로나 웰과 같은 고정된 구조물 내에서 유동역학적(hydrodynamic) 방법으로 세포군집을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 미국공개특허 제2010/0112684호에는, 세포가 포함된 배양액 액적을 일정한 간격으로 기판 상에 배열한 후 이를 거꾸로 두어 액적 내에서 세포들끼리 결집시킴으로써 세포군집을 형성하는 방법(현적 배양 방법, hanging drop culture)이 개시되어 있다.

그러나, 상기 고정된 구조물을 이용하여 세포군집을 형성하는 경우, 이차원 세포층을 형성하기가 어렵고 배양공간이 부족하여 세포군집의 장기간 배양이 불가능할 뿐만 아니라, 세포군집에 기계, 전기, 광, 화학적 자극 없이 세포군집의 광학적 단일특성 분석에 국한되는 단점이 있다.

또한, 상기 현적 배양 방법의 경우에도, 세포군집 형성 후 정지된 상태에서의 정적 배양만 가능하여 지속적으로 배양액이 교체되는 생체환경과 상이하고, 세포군집에 기계, 전기, 광, 화학적 자극 없이 세포군집의 광학적 단일특성 분석만 가능한 단점이 있다.

본 발명의 일 목적은 박막 변형 제어를 통해 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성 및 배양하고 상기 배양된 세포의 다중특성을 분석할 수 있는 세포 배양기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다수개의 세포 배양기들을 포함하는 세포 배양 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상술한 세포 배양 시스템을 이용하여 세포를 배양하는 방법을 제공하는 데 있다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예들에 따른 세포 배양기는 배양액을 수용하며 세포가 배양되는 공간을 제공하는 웰, 상기 웰 하부의 적어도 일부를 구성하는 변형 가능한 박막, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 박막 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하기 위한 박막 구동기, 상기 웰의 상부에 구비되어 상기 배양액을 공급하는 배양액 저장소, 및 상기 웰에 연결되어 노폐물 배양액을 배출시키기 위한 배양액 배출부를 포함한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 박막 구동기는 제어 유로를 포함하고, 상기 박막은 상기 제어 유로의 일측벽을 구성할 수 있다. 상기 제어 유로의 내부 압력이 감소되어 상기 박막에 함몰부가 형성되고, 상기 삼차원 세포군집은 상기 함몰부 상에서 배양될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 박막은 기체 투과성 재료로 이루어질 수 있다. 상기 박막 구동기의 제어 유로는 상기 박막을 통해 상기 웰 내부로 기체를 공급하여 상기 웰 내부의 기체 성분 또는 온도를 조절하기 위한 가스 제어부에 연결될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양기는 상기 배양액 저장소 및 상기 웰 사이에 구비되어, 상기 노폐물 배양액의 배출에 따라 상기 배양액 저장소로부터 상기 웰로 배양액 액적을 공급하는 액적 생성부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양기는 상기 배양액 또는 시약을 상기 배양액 저장소에 공급하기 위한 시약 공급기를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양기는 상기 웰 내에 상기 박막으로부터 이격 형성되며, 상기 박막 변형에 따라 상기 배양된 세포와 접촉하여 기계적 자극을 주거나 기계적 특성을 분석하기 위한 상부 구조물을 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양기는 상기 웰 내부의 상기 배양된 세포에 전기적 자극을 주거나 전기적 특성을 분석하기 위한 전극쌍을 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양기는 상기 웰 내부의 상기 배양된 세포에 광학적 자극을 주거나 광학적 특성을 분석하기 위한 광학장치를 더 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예들에 따른 세포 배양 시스템은 다수개의 세포 배양기들 및 상기 세포 배양기들을 연결하는 통합 배수 유로를 포함한다. 상기 세포 배양기는 배양액을 수용하며 세포가 배양되는 공간을 제공하는 웰, 상기 웰 하부의 적어도 일부를 구성하는 변형 가능한 박막, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 박막 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하기 위한 박막 구동기, 상기 웰의 상부에 구비되어 상기 배양액을 공급하는 배양액 저장소, 및 상기 웰에 연결되어 노폐물 배양액을 배출시키기 위한 배양액 배출부를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 통합 배수 유로는 각각의 상기 세포 배양기의 배출 유량을 조절하기 위한 저항체를 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예들에 따른 세포 배양 방법에 있어서, 웰 하부의 적어도 일부를 구성하는 변형 가능한 박막이 형성된 웰을 마련한다. 상기 웰 내에 세포 및 상기 세포를 배양하기 위한 배양액을 공급한다. 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 박막 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성한다. 상기 웰로부터 노폐물 배양액을 배출시키고 상기 웰에 새로운 배양액을 공급하여 상기 웰 내에서 상기 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 배양시킨다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 박막을 선택적으로 변형시키는 단계는 공압을 이용하여 상기 박막을 함몰시켜 상기 삼차원 세포군집을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 웰 내에 세포를 공급하는 단계는 상기 세포들의 개수를 조절하여 상기 세포군집의 크기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 웰 내에 세포를 공급하는 단계는, 제1 종의 세포를 주입하는 단계 및 제2 종의 세포를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 박막을 선택적으로 변형시키는 단계는, 상기 제1 종의 세포를 주입하는 단계 이후에, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 제1 종의 세포로 이루어진 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하는 단계 및 상기 제2 종의 세포를 주입하는 단계 이후에, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 제2 종의 세포로 이루어진 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 종의 세포와 상기 제2 종의 세포는 동시에 상기 웰 내로 주입될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 종의 세포들의 개수 및 상기 제2 종의 세포들의 개수를 조절하여 상기 세포군집의 조성을 제어할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 웰로부터 노폐물 배양액을 배출시키는 단계는 유체 펌프를 이용하여 상기 노폐물 배양액을 능동적으로 배출시키는 단계 또는 배수 유로를 이용하여 수위차에 의한 수압차를 이용하여 상기 노폐물 배양액을 배출시키는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양 방법은 상기 웰 내에 배양된 세포의 기계적, 전기적 및 광학적 특성들 중 적어도 하나의 특성을 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배양된 세포의 특성을 분석하는 단계는 상기 박막을 변형시켜 상기 웰에 상기 배양된 세포에 기계적 자극을 주는 단계 및 상기 세포층 또는 세포군집의 기계적 특성을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 배양된 세포에 기계적 자극을 주는 단계는 상기 배양된 세포를 상기 웰 내에서 상기 박막으로부터 이격 형성된 상부 구조물과 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배양된 세포의 특성을 분석하는 단계는 상기 웰에 구비된 전극쌍을 이용하여 상기 세포에 전기적 자극을 주는 단계 및 상기 세포층 또는 세포군집의 전기적 특성을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배양된 세포의 특성을 분석하는 단계는 상기 웰의 하부에 구비된 광학장치를 이용하여 상기 배양된 세포에 광학적 자극을 주는 단계 및 상기 세포층 또는 세포군집의 광학적 특성을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양 방법은 상기 웰에 시약을 공급하여 상기 세포층 또는 세포군집에 화학적 자극을 주는 단계를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양 방법은 상기 박막을 통해 상기 웰 내부로 기체를 공급하여 상기 웰 내부의 기체 성분 또는 온도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 세포 배양기는 변형 가능한 박막을 이용하여 다양한 개수의 세포로 구성된 세포층 또는 세포군집을 선택적으로 형성하고 장기간 배양할 수 있다. 또한, 배양액 배출부와 액적 공급기를 이용하여 배양액을 지속적으로 교체하는 관류 배양이 가능하다.

따라서, 종래의 정지된 배양액 내의 정적 배양에 비해, 지속적으로 배양액이 공급되고 노폐물이 제거되는 생체환경에서의 관류(perfusion) 배양이 가능하다. 또한, 종래의 수동적 단일특성 분석방법에 비해, 세포층 또는 세포군집에 기계, 전기, 광, 화학적 자극을 주고 이들의 기계, 전기, 화학적 다중특성을 측정하여 분석결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양기를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 세포 배양기의 배양액 배출부를 나타내는 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 이차원 세포층을 배양하는 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 삼차원 세포군집을 배양하는 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 5a 내지 도 8d는 서로 다른 종의 세포들을 주입하여 세포를 배양하는 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세포 배양기를 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9의 세포 배양기의 동작을 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 배양기를 나타내는 단면도이다.
도 12a 내지 도 13b는 도 11의 세포 배양기의 분석장치들을 나타내는 단면도들이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 세포 배양 시스템을 나타내는 평면도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양기를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 세포 배양기의 배양액 배출부를 나타내는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양기(10)는 웰(100), 변형 가능한 박막(200), 박막 구동기, 배양액 저장소(110) 및 배양액 배출부(400)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 변형 가능한 박막(200)은 웰(100) 하부의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 따라서, 박막(200)을 갖는 웰(100)은 세포가 배양되는 공간을 제공하며 상기 배양 공간에는 배양액이 수용될 수 있다. 웰(100)은 단일의 몸체 구조를 가지거나 상부웰과 하부웰이 결합된 구조를 가질 수 있다.

웰(100)은 상기 배양액이 유입되는 유입부와 상기 배양액이 배출된 배수 유로(120)를 구비할 수 있다. 예를 들면, 웰(100)은 PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(polymethylmethacrlyate), 생체 친화성 플라스틱, 유리계 소재를 포함할 수 있다. 웰(100)은 원기둥, 다각기둥 형상을 가질 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 웰(100)의 표면에는 세포 고정을 위한 표면 처리층이 형성될 수 있다.

상기 박막 구동기는 박막(200)을 선택적으로 변형시켜 박막(200) 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 박막 구동기는 유압, 공압, 압전, 열, 정전기, 자기 또는 전자기적 원리를 이용하여 박막(200)를 선택적으로 변형 시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 박막 구동기는 제어 유로(210)를 포함할 수 있다. 변형 가능한 박막(200)은 웰(100)의 배양 공간 및 제어 유로(210) 사이에 개재될 수 있다. 따라서, 박막(200)의 일측벽은 웰(100)의 하부벽을 구성하고, 박막(200)의 타측벽은 제어 유로(210)의 일측벽을 구성할 수 있다.

배양액 내의 세포는 웰(100)의 하부멱을 구성하는 박막(200) 상에서 배양될 수 있다. 구체적으로, 박막(200)은 상기 박막 구동기에 의해 선택적으로 변형됨으로써, 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집이 박막(200) 상에서 형성될 수 있다.

예를 들면, 박막(200)은 PDMS, 천연 고무 또는 합성 폴리머 라텍스, 연성 및 경성 고무 또는 플라스틱과 같은 탄성막을 포함할 수 있다. 또한, 박막(200)은 세포 배양 공간의 배양환경 조성을 위해 기체 또는 유체 투과성 물질을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제어 유로(210)는 가스 제어부(220)에 연결될 수 있다. 가스 제어부(220)에 의해 제어 유로(210) 내의 기체가 감소되면, 제어 유로(210)의 내부 압력이 감소하고 박막(200)의 적어도 일부는 제어 유로(210) 내부로 탄성적으로 늘어날 수 있다. 따라서, 박막(200)의 일부에 함몰부가 형성되고, 상기 삼차원 세포군집은 상기 함몰부 상에서 배양될 수 있다. 또한, 가스 제어부(220)에 의해 제어 유로(210)의 내부 압력이 증가하면 박막(200)의 적어도 일부는 웰(100) 내부로 탄성적으로 늘어날 수 있다.

제어 유로(210)의 내부 압력이 평형 상태로 유지되면, 박막(200)은 다시 평평한 상태를 유지할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 이차원 세포군집은 평평한 박막(200) 상에서 배양될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 가스 제어부(220)는 제어 유로(210) 내로 소정의 기체를 공급하여 세포 배양 공간 내의 배양환경을 제어할 수 있다. 따라서, 제어 유로(210) 내의 기체가 박막(200)을 통해 웰(100) 내부로 공급됨으로써, 웰(100) 내의 기체 성분 또는 온도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 제어 유로(210) 내로 CO₂ 가스, O₂ 가스 등을 공급하여 웰(100) 내의 세포 배양 공간의 pH 및 기체 분압 분포를 조절할 수 있다.

배양액 저장소(110)는 웰(100)의 상부에 구비되어 상기 배양액을 웰(100) 내로 공급할 수 있다. 배양액 배출부(400)는 웰(100)의 배수 유로(120)에 연결되어 노폐물 배양액을 배출시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 세포 배양기(10)는 배양액 저장소(110) 및 웰(100) 사이에 구비되는 액적 생성부(112)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 배양액 저장소(110)는 웰(100) 내에 새로운 배양액을 공급한다. 액적 생성부(112)는 웰(100) 및 배양액 저장소(110) 사이에 배치되어, 노폐물 배양액의 방출에 따라 배양액 저장소(110)로부터 웰(100)로 새로운 배양액을 공급할 수 있다.

배수 유로(120)를 통해 노폐물 배양액이 빠져 나가면 웰(100) 내부의 공기층이 넓어지면서 음압이 생성되고, 이로 인해 배양액 저장소(110) 내의 새로운 배양액이 액적 생성부(112)의 액적 토출구(114)를 통해 액적 형태로 웰(100) 내로 공급될 수 있다.

예를 들면, 다수개의 배수 유로들(120)이 형성될 수 있다. 배수 유로(120)의 길이 및 단면적을 조절하여 방출되는 배양액의 유량을 조절할 수 있다. 배수 유로(120)에는 상기 배수 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 밸브(도시되지 않음)가 구비될 수 있다. 또한, 액적 생성부(112)는 다공성 박막으로 형성될 수 있다.

따라서, 배양액 저장소(110)는 배양액 배출부(400)에서 배출된 배양액 만큼 새로운 배양액을 공급할 수 있다. 이에 따라, 웰(100) 내의 배양 공간을 세포 배양에 보다 유리하고 생체 내의 환경과 유사한 조건으로 유지할 수 있게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 배양액 배출부(400)는 배수 제어 유로(402)를 포함할 수 있다. 배수 제어 유로(402)는 배수 유로(120)와 연결되어 웰(100) 내의 노폐물 배양액을 외부로 배출시킬 수 있다.

웰(100) 내의 배양액과 배수 제어 유로(402) 말단 간의 수위차(Δh)에 의한 수압차, ΔP=ρgΔh (ρ: 유체 밀도, g: 중력가속도)가 발생함에 따라 펌프 없이 노폐물을 포함한 배양액을 배출하여 관류 배양을 구현할 수 있다. 이때, 배수 유로(120)로부터 배수 제어 유로(402)의 말단까지의 유체저항을 Rf라 할 때 관류 배양 유량(Q)은, Q=ΔP/Rf=ρgΔh/Rf으로 나타나며, 수위차(Δh)를 변화시킴으로써 관류 배양유량(Q)을 조절할 수 있다.

이와 다르게, 배양액 배출부(400)는 유체 펌프를 이용하여 노폐물을 포함한 배양액을 능동적으로 배출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 세포 배양기(10)는 상기 배양액 또는 시약을 배양액 저장소(110)에 공급하기 위한 시약 공급기(300)를 더 포함할 수 있다. 시약 공급기(300)는 수동 파이펫팅, 자동 파이펫팅, 젯팅 등을 이용하여 상기 배양액 또는 시약을 공급할 수 있다. 다양한 시료를 용이하게 웰(100) 내로 공급할 수 있다.

이하에서는, 도 1의 세포 배양기를 이용하여 세포를 배양하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 3a 및 도 3b는 이차원 세포층을 배양하는 방법을 나타내는 단면도들이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 웰(100) 내에 세포 및 상기 세포를 배양하기 위한 배양액을 공급한다. 웰(100)로부터 노폐물 배양액을 배출시키고 웰(100)에 새로운 배양액을 공급하여 세포들을 배양시킨다. 이 때, 박막(200)은 변형되지 않고 평평한 상태가 유지된다. 따라서, 웰(100) 내의 세포들은 박막(200) 상에 골고루 부착되어 이차원 세포층을 형성한다.

도 4a 및 도 4b는 삼차원 세포군집을 배양하는 방법을 나타내는 단면도들이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 웰(100) 내에 세포 및 상기 세포를 배양하기 위한 배양액을 공급한다. 제어 유로(210) 내의 내부 압력이 감소되고 박막(200)부에 함몰부(202)가 형성되고, 상기 삼차원 세포군집은 오목한 형상의 상기 함몰부 상에서 배양된다.

이 경우에 있어서, 웰(100) 내에는 다양한 개수의 세포들이 주입될 수 있고, 박막 구동기를 통한 박막(200)의 변형 정도에 따라 다양한 크기의 세포군집을 형성할 수 있다.

도 5a 내지 도 8d는 서로 다른 종의 세포들을 주입하여 세포를 배양하는 방법을 나타내는 단면도들이다.

도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 먼저, 제1 종의 세포들(A)이 웰(100) 내에 주입된다. 이 때, 박막(200)은 변형되지 않고 평평한 상태가 유지된다. 따라서, 박막(200) 상에는 제1 종의 이차원 세포층이 형성된다. 이어서, 제2 종의 세포들(B)이 웰(100) 내에 주입된다. 이 때, 박막(200)은 변형되어 박막(200)의 일부에 함몰부(202)가 형성된다. 따라서, 제2 종의 삼차원 세포군집은 상기 제1 종의 세포층 상에 형성된다.

도 6a 내지 6d를 참조하면, 먼저, 제1 종의 세포들(A)이 웰(100) 내에 주입된다. 이 때, 박막(200)은 변형되어 박막(200)의 일부에 함몰부(202)가 형성된다. 따라서, 박막(200) 상에 제1 종의 삼차원 세포군집이 형성된다. 이어서, 제2 종의 세포들(B)이 웰(100) 내에 주입된다. 이 때, 박막(200)은 변형되지 않고 평평한 상태가 유지된다. 따라서, 제2 종의 이차원 세포층은 상기 제1 종의 삼차원 세포군집을 덮도록 형성된다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제1 종의 세포들(A)과 제2 종의 세포들(B)이 동시에 웰(100) 내에 주입된다. 이 때, 박막(200)은 변형되어 박막(200)의 일부에 함몰부(202)가 형성된다. 따라서, 박막(200) 상에는 서로 다른 세포들(A, B)이 혼합된 삼차원 세포군집이 형성된다.

도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 먼저, 제1 종의 세포들(A)이 웰(100) 내에 주입된다. 이 때, 박막(200)은 변형되어 박막(200)의 일부에 함몰부(202)가 형성된다. 따라서, 박막(200) 상에 제1 종의 삼차원 세포군집이 형성된다. 이어서, 제2 종의 세포들(B)이 웰(100) 내에 주입된다. 이 때, 박막(200)은 변형되어 박막(200)의 일부에 함몰부(202)가 형성된다. 따라서, 제2 종의 세포군집은 상기 제1 종의 세포군집을 둘러싸도록 형성된다.

예를 들면, 제1 및 제2 종의 세포들(A, B)은 정상 세포와 암 세포일 수 있다. 따라서, 세포 배양기(10)는 생체환경과 유사하게 정상 세포들과 함께 암 세포를 동시에 배양(co-culture)할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 웰(100) 내에는 다양한 개수의 제1 세포들(A) 및 제2 세포들(B)이 주입될 수 있다. 따라서, 제1 종의 세포들(A)의 개수 및 제2 종의 세포들(B)의 개수를 조절하여 상기 혼합된 세포군집의 조성을 제어할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세포 배양기를 나타내는 단면도이고, 도 10은 도 9의 세포 배양기의 동작을 나타내는 단면도이다. 본 실시예에 따른 세포 배양기는 추가적으로 형성된 상부 구조물을 제외하고는 도 1의 세포 배양기와 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함한다. 따라서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 세포 배양기(11)는 웰(100) 내부에 박막(200)으로부터 이격 형성된 상부 구조물(130)을 더 포함할 수 있다. 상부 구조물(130)은 박막(200) 상부에 배치되어 배양된 세포와 접촉하여 기계적 자극을 줄 수 있다. 또한, 상부 구조물(130)은 배양액 저장소(110)로부터 주입된 세포들 각각을 박막(200) 상으로 제공하기 위한 다수개의 홀들을 포함할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상부 구조물(130)은 박막 구동기에 의한 박막(200)의 변형에 따라 웰(100) 내에 형성된 삼차원 세포군집에 기계적 자극을 줄 수 있다.

구체적으로, 삼차원 세포군집이 박막(200) 상에 형성된 후, 가스 제어부(220)에 의해 제어 유로(210)의 내부 압력을 증가시키면 박막(200)은 웰(100) 내부로 탄성적으로 늘어날 수 있다. 따라서, 박막(200) 상에 형성된 삼차원 세포군집은 상부 구조물(130)과 접촉하게 되어 기계적 자극을 받게 된다.

이와 다르게, 상부 구조물(130)은 박막(200) 상에 형성된 이차원 세포군집에 기계적 자극을 주거나 박막(200)을 반복적으로 상하 변형시켜 박막(200) 상에 배양된 세포에 동적 기계적 자극을 줄 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 세포 배양기(11)는 기계적 특성을 분석하기 위한 분석 장치를 더 포함할 수 있다. 따라서, 박막 구동기에 의해 박막(200)을 정적 또는 동적으로 변형하여 웰(100) 내에 형성된 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집에 정적 또는 기계적 자극을 주고 정적 또는 기계적 특성을 분석할 수 있다. 예를 들면, 상기 기계적 특성 분석 장치는 암 세포의 변형, 파괴, 강성 등과 같은 기계적 특성을 분석할 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 배양기를 나타내는 단면도이고, 도 12a 내지 도 13b는 도 11의 세포 배양기의 분석장치들을 나타내는 단면도들이다. 본 실시예에 따른 세포 배양기는 추가적으로 구비되는 분석장치들을 제외하고는 도 9의 세포 배양기와 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함한다. 따라서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 배양기(20)는 배양된 세포들의 다중특성을 분석하기 위한 분석장치들을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 세포 배양기(20)는 웰(100) 내부의 상기 배양된 세포에 전기적 자극을 주거나 전기적 특성을 분석하기 위한 전극쌍(500), 웰(100) 내부의 상기 배양된 세포에 광학적 자극을 주거나 광학적 특성을 분석하기 위한 광학장치(600) 및 이들을 제어하기 위한 제어부(900)를 더 포함할 수 있다.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 전극쌍(500)은 배양된 세포의 상부에 설치될 수 있다. 예를 들면, 전극쌍(500)은 배양된 세포에 대응하여 상부 구조물(130) 상에 설치될 수 있다. 이와 다르게, 전극쌍(500)은 배양된 세포의 하부, 즉, 박막(200) 상에서 배양된 세포의 양측에 설치되거나, 배양된 세포의 상부와 하부 모두에 설치될 수 있다.

도 12a에 도시된 바와 같이, 전극쌍(500)은 직류 전원장치(550)에 연결될 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 전극쌍(500)은 교류 전원장치(550)에 연결될 수 있다. 따라서, 전극쌍(500)은 웰(100) 내에 형성된 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집에 정적 또는 동적 전기적 자극을 주거나 정적 또는 동적 전기적 특성을 분석할 수 있다. 예를 들면, 상기 전기적 특성 분석 장치는 암 세포의 저항, 임피던스 등과 같은 전기적 특성을 분석할 수 있다.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 광학장치(600)는 웰(100)의 하부에 설치되어 웰(100) 내의 배양된 세포에 광학적 자극을 주거나 광학적 특성을 분석할 수 있다.

도 13a에 도시된 바와 같이, 광학장치(600)는 웰(100) 내의 배양된 세포에 정적 광학적 자극을 주거나 정적 광학적 특성을 분석할 수 있다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 광학장치(600)는 웰(100) 내의 배양된 세포에 동적 광학적 자극을 주거나 동적 광학적 특성을 분석할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학장치(600)는 배양된 세포의 모폴로지, 군집 정도(integrity), 밀집, 결집, 형광, 발광 등과 같은 광학적 특성을 분석할 수 있다.

도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 세포 배양 시스템을 나타내는 평면도이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 세포 배양 시스템은 다수개의 세포 배양기들 및 상기 세포 배양기들을 연결하는 통합 배수 유로(124)를 포함한다.

다수개의 상기 세포 배양기들은 기판(102) 상에 매트릭스 형태로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 세포 배양기는 배양액을 수용하며 세포가 배양되는 공간을 제공하는 웰(100), 웰(100) 하부의 적어도 일부를 구성하는 변형 가능한 박막, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 박막 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하기 위한 박막 구동기, 웰(100)의 상부에 구비되어 상기 배양액을 공급하는 배양액 저장소, 및 웰(100)에 연결되어 노폐물 배양액을 배출시키기 위한 배양액 배출부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 세포 배양기들의 배수 유로들(120)은 통합 배수 유로(124)에 연결될 수 있다. 배수 유로(120)와 통합 배수 유로(124) 사이에는 각 배수 유로의 유량을 조절하기 위한 저항체(122)가 구비될 수 있다. 따라서, 상기 세포 배양기로부터의 배양액은 통합 배수 유로(124)를 통해 배출부(126)로 배출될 수 있다. 이에 따라, 저항체(122)의 저항값을 조절하여 각각의 세포 배양기의 배양환경을 동일하게 유지하거나 설계된 조건에 따라 세포 배양기마다 세포 배양환경을 각각 형성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 세포 배양기는 변형 가능한 박막을 이용하여 다양한 개수의 세포로 구성된 세포층 또는 세포군집을 선택적으로 형성하고 장기간 배양할 수 있다. 또한, 배양액 배출부와 액적 공급기를 이용하여 배양액을 지속적으로 교체하는 관류 배양이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10, 11, 20 : 세포 배양 장치 100 : 웰
110 : 배양액 저장소 112 : 액적 생성부
114 : 액적 토출구 120 : 배수 유로
122 : 저항체 124 : 통합 배수 유로
126 : 배출부 130 : 상부 구조물
200 : 박막 202 : 함몰부
210 : 제어 유로 220 : 가스 제어부
300 : 시약 공급부 400 : 배양액 배출부
402 : 배수 제어 유로 500 : 전극쌍
550 : 전원장치 600 : 광학장치
900 : 제어부

Claims

배양액을 수용하며 세포가 배양되는 공간을 제공하는 웰;
상기 웰 하부의 적어도 일부를 구성하는 변형 가능한 박막;
상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 박막 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하기 위한 박막 구동기;
상기 웰의 상부에 구비되어 상기 배양액을 공급하는 배양액 저장소; 및
상기 웰에 연결되어 노폐물 배양액을 배출시키기 위한 배양액 배출부를 포함하고,
상기 배양액 저장소는 제1 종의 세포 또는 제2 종의 세포를 상기 웰에 선택적으로 주입하고,
상기 제1 종의 세포를 주입한 이후에, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 제1 종의 세포로 이루어진 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하고, 상기 제2 종의 세포를 주입한 이후에, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 제1 종의 이차원 세포층 상에 상기 제2 종의 세포로 이루어진 삼차원 세포군집을 형성하거나 상기 제1종의 삼차원 세포군집 상에 상기 제2종의 세포로 이루어진 이차원 세포층을 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 1 항에 있어서, 상기 박막 구동기는 제어 유로를 포함하고, 상기 박막은 상기 제어 유로의 일측벽을 구성하는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 2 항에 있어서, 상기 제어 유로의 내부 압력이 감소되어 상기 박막에 함몰부가 형성되고, 상기 삼차원 세포군집은 상기 함몰부 상에서 배양되는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 1 항에 있어서, 상기 박막은 기체 투과성 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 4 항에 있어서, 상기 박막 구동기의 제어 유로는 상기 박막을 통해 상기 웰 내부로 기체를 공급하여 상기 웰 내부의 기체 성분 또는 온도를 조절하기 위한 가스 제어부에 연결되는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 1 항에 있어서, 상기 배양액 저장소 및 상기 웰 사이에 구비되어, 상기 노폐물 배양액의 배출에 따라 상기 배양액 저장소로부터 상기 웰로 배양액 액적을 공급하는 액적 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 1 항에 있어서, 상기 배양액 또는 시약을 상기 배양액 저장소에 공급하기 위한 시약 공급기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 1 항에 있어서, 상기 웰 내에 상기 박막으로부터 이격 형성되며, 상기 박막 변형에 따라 상기 배양된 세포와 접촉하여 기계적 자극을 주거나 기계적 특성을 분석하기 위한 상부 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 1 항에 있어서, 상기 웰 내부의 상기 배양된 세포에 전기적 자극을 주거나 전기적 특성을 분석하기 위한 전극쌍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
제 1 항에 있어서, 상기 웰 내부의 상기 배양된 세포에 광학적 자극을 주거나 광학적 특성을 분석하기 위한 광학장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양기.
다수개의 세포 배양기들; 및
상기 세포 배양기들을 연결하는 통합 배수 유로를 포함하고,
상기 세포 배양기는
배양액을 수용하며 세포가 배양되는 공간을 제공하는 웰;
상기 웰 하부의 적어도 일부를 구성하는 변형 가능한 박막;
상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 박막 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하기 위한 박막 구동기;
상기 웰의 상부에 구비되어 상기 배양액을 공급하는 배양액 저장소; 및
상기 웰에 연결되어 노폐물 배양액을 배출시키기 위한 배양액 배출부를 포함하고,
상기 배양액 저장소는 제1 종의 세포 또는 제2 종의 세포를 상기 웰에 선택적으로 주입하고,
상기 제1 종의 세포를 주입한 이후에, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 제1 종의 세포로 이루어진 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하고, 상기 제2 종의 세포를 주입한 이후에, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 제1 종의 이차원 세포층 상에 상기 제2 종의 세포로 이루어진 삼차원 세포군집을 형성하거나 상기 제1종의 삼차원 세포군집 상에 상기 제2종의 세포로 이루어진 이차원 세포층을 형성하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 통합 배수 유로는 각각의 상기 세포 배양기의 배출 유량을 조절하기 위한 저항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 시스템.
웰 하부의 적어도 일부를 구성하는 변형 가능한 박막이 형성된 웰을 마련하는 단계;
상기 웰 내에 세포 및 상기 세포를 배양하기 위한 배양액을 공급하는 단계;
상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 박막 상에 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하는 단계; 및
상기 웰로부터 노폐물 배양액을 배출시키고 상기 웰에 새로운 배양액을 공급하여 상기 웰 내에서 상기 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 배양시키는 단계를 포함하고,
상기 웰 내에 세포를 공급하는 단계는 제1 종의 세포를 주입하는 단계 및 제2 종의 세포를 주입하는 단계를 포함하고,
상기 박막을 선택적으로 변형시키는 단계는
상기 제1 종의 세포를 주입하는 단계 이후에, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 제1 종의 세포로 이루어진 이차원 세포층 또는 삼차원 세포군집을 형성하는 단계; 및
상기 제2 종의 세포를 주입하는 단계 이후에, 상기 박막을 선택적으로 변형시켜 상기 제1 종의 세포로 이루어진 이차원 세포층 상에 제2 종의 세포로 이루어진 삼차원 세포 군집을 형성하거나 상기 제1 종의 세포로 이루어진 삼차원 세포군집 상에 상기 제2 종의 세포로 이루어진 이차원 세포층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 박막을 선택적으로 변형시키는 단계는 공압을 이용하여 상기 박막을 함몰시켜 상기 삼차원 세포군집을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 웰 내에 세포를 공급하는 단계는 상기 세포들의 개수를 조절하여 상기 세포군집의 크기를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
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제 13 항에 있어서, 상기 제1 종의 세포들의 개수 및 상기 제2 종의 세포들의 개수를 조절하여 상기 세포군집의 조성을 제어하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 웰로부터 노폐물 배양액을 배출시키는 단계는
유체 펌프를 이용하여 상기 노폐물 배양액을 능동적으로 배출시키는 단계 또는 배수 유로를 이용하여 수위차에 의한 수압차를 이용하여 상기 노폐물 배양액을 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 웰 내에 배양된 세포의 기계적, 전기적 및 광학적 특성들 중 적어도 하나의 특성을 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 배양된 세포의 특성을 분석하는 단계는
상기 박막을 변형시켜 상기 웰에 상기 배양된 세포에 기계적 자극을 주는 단계; 및
상기 세포층 또는 세포군집의 기계적 특성을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 배양된 세포에 기계적 자극을 주는 단계는 상기 배양된 세포를 상기 웰 내에서 상기 박막으로부터 이격 형성된 상부 구조물과 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 배양된 세포의 특성을 분석하는 단계는
상기 웰에 구비된 전극쌍을 이용하여 상기 세포에 전기적 자극을 주는 단계; 및
상기 세포층 또는 세포군집의 전기적 특성을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 배양된 세포의 특성을 분석하는 단계는
상기 웰의 하부에 구비된 광학장치를 이용하여 상기 배양된 세포에 광학적 자극을 주는 단계; 및
상기 세포층 또는 세포군집의 광학적 특성을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 웰에 시약을 공급하여 상기 세포층 또는 세포군집에 화학적 자극을 주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 박막을 통해 상기 웰 내부로 기체를 공급하여 상기 웰 내부의 기체 성분 또는 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 배양 방법.