KR101505874B1 - 온 칩 세포배양 관찰장치 및 온 칩 세포배양 관찰키트 - Google Patents

온 칩 세포배양 관찰장치 및 온 칩 세포배양 관찰키트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관찰부가 구현된 칩의 상부에 세포배양부를 설치하여 사용하며, 세포배양기는 관찰부와 서로 분리가 가능한 온 칩 세포배양 관찰장치 및 상기 온 칩 세포배양 관찰장치를 복수 개 포함하는 온 칩 세포배양 관찰키트를 개시(introduce)한다. 상기 온 칩 세포배양 관찰장치는, 기판의 표면에 형성된 하나의 관찰부 및 상기 하나의 관찰부의 상부에 배치되며 내부에서 세포를 배양하는 하나의 세포배양부를 포함하며, 상기 세포배양부는 상기 세포배양부의 하부를 커버하며 상기 관찰부의 상부와 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이로 감싸는 격벽으로 둘러싸인다.

Description

온 칩 세포배양 관찰장치 및 온 칩 세포배양 관찰키트{On chip cell culture-monitor unit and combine kit using the unit}
본 발명은 세포배양 및 배양된 세포를 관찰할 수 있는 세포배양 관찰장치에 관한 것으로, 특히, 배양된 세포를 관찰하는데 사용되는 관찰부와 상기 관찰부의 상부에 세포를 배양하는 세포배양부가 형성되며, 이들을 서로 분리할 수 있는 온 칩 세포배양 관찰장치에 관한 것이다.
세포의 배양은 세포가 포함된 배지(culture plate)를 배양기(incubator)에 넣어 세포를 배양하는 세포 배양단계와 세포의 배양과정 및 분화 특성을 관찰하고 분석하는 모니터링 단계로 크게 구분할 수 있다. 세포 배양이 진행되는 배양기의 내부와 관찰이 진행되는 관찰장비가 설치된 곳의 환경은 상당히 다르다. 따라서, 관찰도중 세포는 스트레스를 받거나 오염되어, 세포에 대한 특정 자극에 따른 변화를 관찰 할 때 오류가 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 배양기와 관찰장비가 하나로 결합한 통합시스템이 제안되었다. 세포배양 통합시스템은 관찰장비를 배양기의 내부에 설치하는 것인데, 고성능의 관찰장비는 그 부피가 크기 때문에, 정밀한 환경에서 운영되어야 하는 배양기의 규모를 크게 하는 문제점이 있다. 또한 고성능의 관찰장비는 고가여서 세포관찰에 소요되는 경비가 증가하게 되는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 관찰부가 구현된 칩의 상부에 세포배양부를 설치하여 사용하며, 세포배양기는 관찰부와 서로 분리가 가능한 온 칩 세포배양 관찰장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 온 칩 세포배양 관찰장치를 복수 개 포함하는 온 칩 세포배양 관찰키트를 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면(one aspect)에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치는, 기판의 표면에 형성된 하나의 관찰부 및 상기 하나의 관찰부의 상부에 배치되며 내부에서 세포를 배양하는 하나의 세포배양부를 포함하며, 상기 세포배양부는 상기 세포배양부의 하부를 커버하며 상기 관찰부의 상부와 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이로 감싸는 격벽으로 둘러싸인다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일면(another aspect)에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치는, 기판의 표면에 형성된 관찰부 및 상기 관찰부의 상부에 배치되며 내부에서 세포를 배양하는 세포배양부 및 상기 관찰부와 상기 세포배양부의 사이에 상기 관찰부를 일정한 높이로 둘러싸는 제1격벽을 포함하며, 상기 세포배양부는, 상기 세포배양부의 하부를 커버하며 상기 제1격벽의 상부와 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이로 감싸는 제2격벽으로 둘러싸인다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰 키트는 제1항 내지 제3항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 기재된 온 칩 세포배양 관찰장치를 복수 개 포함한다.
본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치 및 온 칩 세포배양관찰 키트는, 센서에서 검출된 신호를 이용하여 센서의 표면에서 배양되는 세포의 성장단계와 분화특성을 실시간으로 용이하게 관찰할 수 있으며, 종래의 세포배양 관찰장치에 비해 그 부피가 적기 때문에 종래의 배양기의 구조에도 다양하게 적용이 가능하다는 장점이 있다.
특히, 세포배양부를 관찰부와 분리할 수 있으므로, 관찰부를 복수회 사용할 수 있어 비용 면에서도 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치의 일 실시 예이다.
도 2는 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치의 다른 일 실시 예이다.
도 3은 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치의 일 실시 예이다.
도 4는 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰키트의 다른 일 실시 예이다.
도 5는 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰키트의 또 다른 일 실시 예이다.
도 6은 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치에 추가되는 격자가 포함된 실시 예이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치의 일 실시 예이다.
도 1의 상부에는 온 칩 세포배양 관찰장치(100)의 상부에서 본 것이 도시되어 있고, 중간에는 온 칩 세포배양 관찰장치(100)를 구성하며 관찰부(120)를 포함하는 기판(110)과 세포배양부(150)가 분리된 상태가 도시되어 있으며, 하부에는 관찰부(120)와 세포배양부(150)가 결합된 상태의 온 칩 세포배양 관찰장치(100)의 단면이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치(100)는 관찰부(120) 및 세포배양부(150)를 포함한다. 관찰부(120)는 기판(110)의 상부에 형성되며 복수개의 이미지센서용 픽셀(121)을 포함한다. 이미지센서용 픽셀(121)은 세포배양부(150)에서 배양된 세포를 통과하여 입사되는 빛에 대응되는 전하를 생성하는 포토다이오드(미도시) 및 포토다이오드(미도시)로부터 생성된 전하에 대응되는 전기신호를 생성하는 복수 개의 트랜지스터를 포함하는 변환회로(미도시)가 형성되어 있다.
세포배양부(150)는 세포배양부(150)의 하부를 커버하며 관찰부(120)의 상부와 접촉하는 바닥(151) 및 바닥(151) 주변을 일정한 높이고 감싸는 격벽(152)으로 둘러싸인 부분이 된다. 도 1의 중간을 보면 알 수 있겠지만, 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치(100)는 기판(110)에 구현된 관찰부(120)와 세포배양부(150)를 서로 분리할 수 있다. 본 발명에서 사용하고자 하는 이미지센서용 픽셀(121)은 어떠한 형태의 것이라도 관계없으므로, 여기서는 이미지센서용 픽셀의 구체적인 설명은 생략한다.
여기서, 바닥(151)과 격벽(152)은 세포배양부(150)를 구별하는 것으로, 배양되는 세포가 접촉하게 되므로, 생체와의 접촉에도 문제가 발생하지 않는 폴리머(Polymer) 또는 유리질(glass, quartz, SiO2)로 구현하는 것이 바람직하다. 당연한 설명이지만, 하나의 세포배양부(150)에 대응되는 하나의 관찰부(120)에 포함되는 이미지센서용 픽셀(121)의 개수는 배양되는 세포의 종류와 관찰부(120)의 면적에 따라 변할 수 있다. 이하의 설명에서 특별한 다른 설명이 없다면, 세포배양부를 구성하는 물질 및 이미지센서용 픽셀에 대한 내용은 이하에서 설명하는 모든 실시 예에 적용된다.
도 1에는 설명의 편의를 위해, 하나의 세포배양부(150)와 이에 대응되는 하나의 관찰부(120)에 대하여 도시하였지만, 다양한 형태의 변형이 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치의 다른 일 실시 예이다.
도 2의 상부에는 온 칩 세포배양 관찰장치(200)의 상부에서 본 것이 도시되어 있고, 중간에는 온 칩 세포배양 관찰장치(200)를 구성하며 관찰부(220)를 포함하는 기판(210)과 세포배양부(250)가 분리된 상태가 도시되어 있으며, 하부에는 관찰부(220)와 세포배양부(250)가 결합된 상태의 온 칩 세포배양 관찰장치(200)의 단면이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치(200)는, 기판(210)의 표면에 형성된 관찰부(220) 및 관찰부(220)의 상부에 배치되며 내부에서 세포를 배양하는 세포배양부(250) 및 관찰부(220)와 세포배양부(250)의 사이에 관찰부(220)를 일정한 높이로 둘러싸는 제1격벽(230)을 포함한다. 도 2에는 자세하게 도시 되지 않았지만, 제1격벽(230)은 관찰부(220) 전체를 둘러싸는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 관찰부(220)에 기판(210)의 상부에 형성되며 복수개의 이미지센서용 픽셀(221)을 포함한다 점은 도 1의 경우도 동일하다.
세포배양부(250)는 세포배양부(250)의 하부를 커버하며 제1격벽(230)의 상부와 접촉하는 바닥(251) 및 바닥(251) 주변을 일정한 높이로 감싸는 제2격벽(252)에 의해 둘러싸인 부분이다.
관찰부(220), 제1격벽(230) 및 세포배양부(250)가 형성하는 공간 중 이미지센서용 픽셀(221)의 상부에는 광학장치(240)를 더 포함시킬 수가 있는데, 광학장치(240)는 배양된 세포를 통과하여 입사되는 빛을 수집하여 이미지센서용 픽셀에 전달하는 기능을 수행한다. 배양된 세포를 통과하는 빛을 효과적으로 수집하여 빛에 포함된 정보를 효과적으로 분석하기 위해서는 광학장치(240)의 도움을 받는 것이 유리하게 될 것은 당연하다.
도 1에 도시된 실시 예와 도 2에 도시된 실시 예의 경우, 관찰부와 세포배양부가 각각 1개씩 있는 것에 대하여 설명하였지만, 관찰부와 세포배양부가 복수개 인 경우도 가능하다.
도 3은 하나의 관찰부에 복수의 세포배양부가 구비된 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치의 일 실시 예이다.
도 3을 참조하면, 온 칩 세포배양 관찰장치(300)는 단일 격벽(352)으로 둘러 싸인 단일 세포배양부 및 세포배양부의 하부에 형성된 복수 개의 관찰부(321~324)를 포함한다. 이 경우 각각의 관찰부(321, 324)는 개별적으로 제어를 할 수 있어야 함은 당연하다. 도 3에 도시된 온 칩 세포배양 관찰장치(300)는 도 1에 도시된 실시 예와 도 2에 도시된 실시 예에 모두 적용이 가능하다.
이 외에도, 단일 관찰부에 각각 바닥 및 격벽으로 둘러 싸인 복수의 세포배양부가 형성되어 있는 구조로도 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰키트의 일 실시 예이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰키트(400)은, 도 1 또는 도 2에 도시된 온 칩 세포배양 관찰장치(100, 200)을 2차원적으로 배열함으로써 구현할 수도 있다. 이 경우 각각의 세포배양부에는 한 종류의 세포를 각각 다른 배양조건으로 배양하는 경우에 효과적일 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰키트의 다른 일 실시 예이다.
도 5를 참조하면, 온 칩 세포배양 관찰키트(500)는 도 3에 도시된 온 칩 세포배양 관찰장치(300)을 2차원적으로 배열함으로써 구현할 수도 있다.
이 구조는 여러 종류의 세포를 동일한 배양 조건으로 배양하거나, 한 종류의 세포를 다양한 배양 조건으로 배양하는데 효과적이다.
도면의 복잡함을 피하기 위하여, 도 3 내지 도 5의 경우, 관찰부에는 이미지센서용 픽셀이 생략되어 있다.
도 6은 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치에 추가되는 격자가 포함된 실시 예이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치(600)의 경우, 바닥(651) 및 단일 격벽(652)으로 이루어지는 세포배양부 하부에 복수의 관찰부(미도시)가 형성되어 있는 경우, 각각의 관찰부와 이웃하는 관찰부는 일정한 거리만큼 떨어져 있게 되는데 이러한 영역(불용영역)에는 관찰부에 형성되는 이미지센서용 픽셀이 존재하지 않게 되며, 불용영역에서 배양되는 세포의 특성을 관찰 할 수는 없게 된다.
본 발명에서는 이러한 불용영역에서 세포가 배양되지 않도록 하기 위하여, 상기 불용영역을 커버하는 격자(602)를 세포배양부에 삽입하여 사용할 것을 제안한다.
도 6의 상부에는 투입되는 세포(601), 삽입되기 전의 격자(602) 및 본 발명에 따른 온 칩 세포배양 관찰장치(600)가 도시되어 있고, 하부에는 격자(602)가 바닥(651) 및 격벽(652)에 의해 생성되는 세포배양부에 삽입되어 있고, 이 곳에 배양하고자 하는 세포(601)가 포함되어 있는 상태를 도시되어 있다.
본 발명은 기존 셀 배양 시스템(cell culture system)의 배양용기(culture plate)를 배양기(incubator)에 넣어 배양(incubating)시키는 단계와 배양용기를 꺼내어 셀(cell)의 성장 단계와 분화 특성을 관찰하고 분석(monitoring)하는 단계로 크게 이분화 되어 있는 과정을 이미지센서(image sensor)를 이용하여 반도체 칩에 구현하여 세포배양 및 관찰(culture & monitoring)을 반도체 칩 상에서 동시에 구현되도록 하고 있다.
세포 배양을 위한 웰(Well)과 이를 실시간으로 모니터 하기 위한 이미지센서가 온 칩(on-chip)화 되어있는 경우, 배양기의 외부에 설치한 광학계와 별도의 정렬(align) 없이 빠르게 실시간 세포의 상태를 관찰하는 것이 가능하지만, 센서의 표면에 세포가 직접 접합하기 때문에 재사용에 한계가 있다는 단점이 있다. 또한 센서표면에 직접 접합하면서 센서의 광학배율 혹은 해상도에 고정된 특성을 보일 수밖에 없다.
본 발명에서는 세포가 배양되는 장소 즉 웰의 바닥을 웰의 주변을 둘러싼 격벽과 같은 재질 또는 다른 투명한 재질의 물질을 사용하여 센서와 배양되는 세포가 직접 접촉하지 않도록 하는 것(도 1)과, 웰의 바닥과 센서와의 사이에 공간을 형성시켜 세포배양부만 일회용으로 교체하여 기본 시스템을 계속 사용 가능하게 하며 또한 필요 여하에 따라 그 사이에 광학계를 넣어 센서의 광학배율 혹은 해상도를 향상시킬 수 있어 세밀한 세포의 관찰을 용이하게 하는 것(도 2)을 제안한다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
110, 210, 310, 610: 기판 120, 321~324: 관찰부
121, 221: 이미지센서용 픽셀 150: 세포배양부
151, 251: 바닥 152: 격벽
230, 651: 제1격벽 252, 652: 제2격벽
240: 광학장치
601: 배양될 세포 602: 격자

Claims (15)

  1. 기판의 표면에 형성된 하나의 관찰부; 및
    상기 하나의 관찰부의 상부에 배치되며 내부에서 세포를 배양하는 하나의 세포배양부;를 포함하며,
    상기 세포배양부는 상기 세포배양부의 하부를 커버하며 상기 관찰부의 상부와 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이로 감싸는 격벽으로 둘러싸이고,
    상기 관찰부와 상기 세포배양부는 서로 접촉하지 않는 상태로 하나의 칩에 형성되며 서로 분리 가능한 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  2. 기판의 표면에 형성된 하나의 관찰부; 및
    상기 관찰부의 상부에 형성되며 세포를 배양하는 복수의 세포배양부;를 포함하며,
    상기 복수의 세포배양부는,
    상기 복수의 세포배양부 전체를 커버하며 상기 관찰부의 상부와 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이로 감싸는 격벽으로 둘러싸이고,
    상기 관찰부와 상기 세포배양부는 서로 접촉하지 않는 상태로 하나의 칩에 형성되며 서로 분리 가능한 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  3. 기판의 표면에 형성된N(N은 2 이상의 자연수)개의 관찰부; 및
    상기 N개의 관찰부의 상부에 각각 형성되며 세포를 배양하는 N개의 세포배양부;를 포함하며,
    상기 N개의 세포배양부 각각은, 해당 세포배양부의 하부를 커버하며 N개의 상기 관찰부 중 해당 관찰부의 상부와 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이고 감싸는 격벽으로 둘러싸이고,
    상기 관찰부와 상기 세포배양부는 서로 접촉하지 않는 상태로 하나의 칩에 형성되며 서로 분리 가능한 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 관찰부는,
    배양된 세포를 통과하여 입사되는 빛에 대응되는 전하를 생성하는 포토다이오드; 및
    상기 포토다이오드로부터 생성된 전하에 대응되는 전기신호를 생성하는 복수 개의 트랜지스터를 포함하는 변환회로가 형성되어 있는 복수의 이미지센서용 픽셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 격벽은,
    폴리머 또는 유리질로 형성되는 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  6. 삭제
  7. 기판의 표면에 형성된 관찰부;
    상기 관찰부의 상부에 배치되며 내부에서 세포를 배양하는 세포배양부; 및
    상기 관찰부와 상기 세포배양부의 사이에 상기 관찰부를 일정한 높이로 둘러싸는 제1격벽;을 포함하고,
    상기 세포배양부는, 상기 세포배양부의 하부를 커버하며 상기 제1격벽의 상부와 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이로 감싸는 제2격벽으로 둘러싸이고,
    상기 관찰부와 상기 세포배양부는 서로 접촉하지 않는 상태로 하나의 칩에 형성되며 서로 분리 가능한 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  8. 기판의 표면에 형성된 관찰부;
    상기 관찰부의 상부에 형성되며 세포를 배양하는 복수의 세포배양부; 및
    상기 관찰부와 상기 세포배양부의 사이에 상기 관찰부를 일정한 높이로 둘러싸는 제1격벽;을 포함하며,
    상기 복수의 세포배양부는, 상기 복수의 세포배양부 전체를 커버하며 상기 제1격벽의 상부에 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이로 감싸는 제2격벽으로 둘러싸이고,
    상기 관찰부와 상기 세포배양부는 서로 접촉하지 않는 상태로 하나의 칩에 형성되며 서로 분리 가능한 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  9. 기판의 표면에 형성된 N개(N은 2 이상의 자연수)의 관찰부;
    상기 N개의 관찰부의 상부에 각각 형성되며 세포를 배양하는 N개의 세포배양부; 및
    상기 관찰부와 상기 세포배양부의 사이에 상기 관찰부 전체를 일정한 높이로 둘러싸거나 상기 관찰부 각각을 일정한 높이로 둘러싸는 제1격벽;을 포함하며,
    상기 N개의 세포배양부 각각은, 상기 세포배양부를 커버하며 상기 제1격벽의 상부와 접촉하는 바닥 및 상기 바닥 주변을 일정한 높이로 감싸는 제2격벽으로 둘러싸이고,
    상기 관찰부와 상기 세포배양부는 서로 접촉하지 않는 상태로 하나의 칩에 형성되며 서로 분리 가능한 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 관찰부는,
    배양된 세포를 통과하여 입사되는 빛에 대응되는 전하를 생성하는 포토다이오드; 및
    상기 포토다이오드로부터 생성된 전하에 대응되는 전기신호를 생성하는 복수 개의 트랜지스터를 포함하는 변환회로가 형성되어 있는 복수의 이미지센서용 픽셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2격벽 및 상기 바닥은,
    폴리머 또는 유리질로 형성되는 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 관찰부, 상기 제1격벽 및 상기 세포배양부가 형성하는 공간 중 상기 이미지센서용 픽셀의 상부에는 상기 배양된 세포를 통과하여 입사되는 빛을 수집하는 광학장치가 더 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  14. 제2항 또는 제8항에 있어서,
    상기 복수의 관찰부들 사이의 불용영역을 커버하는 격자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온 칩 세포배양 관찰장치.
  15. 제1항 내지 제3항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 기재된 온 칩 세포배양 관찰장치를 복수 개 포함하는 온 칩 세포배양관찰 키트.
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