KR101714823B1 - 미세유체채널 장치를 이용한 시료 내 세포 배양 모니터링 및 제어 시스템 - Google Patents

미세유체채널 장치를 이용한 시료 내 세포 배양 모니터링 및 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세포배양 모니터링 및 제어 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 세포배양 모니터링 및 제어 장치는 미세유체채널 장치; 상기 미세유체채널 장치의 상태를 측정하는 측정부; 및 상기 미세유체채널 장치를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 미세유체채널 장치는, 세포배양 채널, 신경세포 성장인자 채널, 및 상기 세포배양 채널과 상기 신경세포 성장인자 채널 사이에 배치되는 신경세포 성장 채널을 포함하는 미세유체채널 소자; 및 전극을 포함하는 전극 기판;을 포함한다.

Description

미세유체채널 장치를 이용한 시료 내 세포 배양 모니터링 및 제어 시스템 {MONITERING AND CONTROL SYSTEM FOR CULTIVATING CELL IN SAMPLE USING MICROFLUIDIC CHANNEL DEVICE}
본 발명은 미세유체채널 장치를 이용한 시료 내 세포 배양 모니터링 및 그 제어 시스템에 관한 것이다.
중추신경계에서 신경세포의 재생이 이루어지는 부분은 극히 제한되어 있어 신경세포의 성장과 재생에 대한 연구는 신경과학 및 뇌 과학 분야에서 가치가 높게 평가되고 있다. 이 연구는 또한 신경세포의 발생 및 신경세포의 네트워크 형성에 대한 메커니즘 연구뿐만 아니라, 퇴행성 뇌질환 및 뇌신경 질환, 척추 손상의 치료법과 이와 관련된 신경 재생 약물 개발과 같은 응용 및 의?약학 분야에 이르기 까지 다양한 분야에서 활용되고 있다. 신경세포의 연구에 있어서 신경세포의 길이 및 개수는 성장의 척도라 할 수 있고 신경세포의 정확한 분석과 정량화는 기본적이면서 중요한 단계이다.
현재 신경세포의 성장을 확인하는 방법으로 이미지 분석법이 주로 사용되고 있는데, 이 방법을 사용하여 신경세포의 성장을 확인하고 이를 정량화하는데 까지는 일련의 단계를 거쳐야 한다. 먼저 배양 접시에 세포를 수일 동안 배양한 후 PFA 용액으로 세포를 고정시킨 다음, 면역 염색법으로 세포를 염색시킨다. 이후에 현미경으로 세포의 사진을 촬영하고, 촬영된 사진을 바탕으로 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 장시간에 걸쳐 분석해야 한다. 이미지 처리 소프트웨어를 제외하고는 모든 과정이 수작업으로 이루어져 정확한 분석이 어렵고, 분석하기 전까지의 전처리 단계로 인해 분석까지의 시간이 오래 걸린다. 무엇보다도 실험 특성상 실시간으로 성장을 모니터링하고 그에 기초하여 성장을 제어하는 것은 불가능하다는 한계점이 있다.
본 발명은, 시료 중의 세포를 배양하기 위한 미세유체 장치를 이용하여 세포 배양을 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은, 상기 미세유체 장치를 이용하여 상기 모니터링 결과를 바탕으로 실시간으로 세포 배양을 제어하는 시스템을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치 는 미세유체채널 장치; 상기 미세유체채널 장치의 상태를 측정하는 측정부; 및 상기 미세유체채널 장치를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 미세유체채널 장치는, 세포배양 채널, 신경세포 성장인자 채널, 및 상기 세포배양 채널과 상기 신경세포 성장인자 채널 사이에 배치되는 신경세포 성장 채널을 포함하는 미세유체채널 소자; 및 전극을 포함하는 전극 기판;을 포함한다.
일 측에 따르면, 상기 미세유체채널 장치의 상태는, 상기 미세유체채널 장치 내의 온도, 상기 미세유체채널 장치 내의 pH 및 상기 신경세포의 분화 정도와 성장 정도로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 측정부는, 온도 측정부, pH 측정부 및 신경세포 성장 측정부로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 전극은 복수개의 미세전극을 포함하고, 상기 복수개의 미세전극은, 기준전극 및 복수개의 측정전극을 포함하고, 상기 신경세포 성장 측정부는, 상기 신경세포가 성장하여 상기 기준전극 및 상기 측정전극 사이를 연결하면서 발생하는 상기 두 전극 사이의 전기적 변화를 측정하여 상기 신경세포의 분화 정도와 성장 정도를 측정할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 전기적 변화는, 저항, 전압, 전류 및 커패시턴스로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제어부는, 히터부, 배양액 주입부 및 신경성장인자 주입부로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 히터부는 미세유체채널 내의 온도 측정 결과에 따라 구동되는 것이고, 상기 배양액 주입부 및 신경성장인자 주입부는, 상기 미세유체채널 내의 pH 측정 결과 및 신경세포의 분화 정도와 성장 정도 측정 결과에 따라 구동되는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 측정부의 측정 결과를 송신하는 송신부; 및 제어부 구동 신호를 수신하는 수신부;를 더 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 송신부는 상기 측정 결과를 원격으로 단말기에 송신하고, 상기 수신부는 상기 구동 신호를 상기 단말기로부터 원격으로 수신하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치에 의하여, 신경과학 및 뇌과학 분야의 신경의 발생 및 재생연구에 있어서 신경세포 성장을 정량화하는 편리한 실험적 도구를 제공하고 이를 실시간으로 모니터링하면서 측정된 결과에 따라 신경세포 성장에 최적의 환경을 제공하도록 제어할 수 있으며, 퇴행성 뇌질환 및 신경질환의 치료와 신약개발 연구에 있어서 중요한 실험적 진단 및 측정/제어 장치를 제공할 수 있다. 또한, 정량화 및 체계화된 신경세포성장 수치분석을 통해 삼차원 신경세포 성장 분석법 개발 및 생체 내 실험에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치를 이용한 신경세포 성장 측정 및 제어 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치와 연동되는 소프트웨어의 작동 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치에 포함되는 미세유체채널 장치의 평면도이다.
도 4는 도 3의 A 부분의 확대 평면도이다.
도 5는 도 3의 A 부분의 확대 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 세포배양 모니터링 및 제어 장치에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 세포배양 모니터링 및 제어 장치는 미세유체채널 장치; 상기 미세유체채널 장치의 상태를 측정하는 측정부; 및 상기 미세유체채널 장치를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 미세유체채널 장치는, 세포배양 채널, 신경세포 성장인자 채널, 및 상기 세포배양 채널과 상기 신경세포 성장인자 채널 사이에 배치되는 신경세포 성장 채널을 포함하는 미세유체채널 소자; 및 전극을 포함하는 전극 기판;을 포함한다.
본 발명에서 세포의 성장이라 함은 세포 돌기의 성장을 포함하는 개념이다. 즉, 세포의 돌기의 성장은 세포 성장의 일 형태일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치를 이용한 신경세포 성장 측정 및 제어 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치와 연동되는 소프트웨어의 작동 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치에 포함된 미세유체채널 장치를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 A 부분을 확대한 평면도이고, 도 5는 도 3의 A 부분의 확대 사시도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 미세유체채널 장치는, 세포배양 채널(112), 신경세포 성장인자 채널(114), 및 상기 세포배양 채널(112)과 상기 신경세포 성장인자 채널(114) 사이에 배치되는 신경세포 성장 채널(116)을 포함하는 미세유체채널 소자(110), 기판 상에 전극을 포함하는 전극 기판(120)을 포함할 수 있다.
상기 미세유체채널 소자(110)는 예를 들어, PDMS, 감광액, 실리콘 웨이퍼를 재료로 하여, 포토리소그래피 공정을 통해 제조될 수 있다.
상기 전극 기판(120)은 기판 상에 신경세포의 성장을 감지하는 전극이 패터닝된 것으로서, 글래스 웨이퍼 상에 포토리소그래피 공정과 증착 공정과 같은 반도체 제조 공정을 통하여 제조될 수 있다.
상기 미세유체채널 소자(110)와 상기 전극 기판(120)은 산소 플라즈마 처리에 의해 서로 접합된 것일 수 있다. 산소 플라즈마 처리에 의해 접합하는 기술은 접합이 간편하고 접합력이 강하다는 장점이 있다.
상기 세포배양 채널(112)은 세포가 배양되는 채널이고, 상기 신경세포 성장인자 채널(114)은 배양하는 세포에 적합한 농도의 성장인자를 배양액과 함께 주입하는 채널이고, 상기 신경세포 성장 채널(116)은 성장시키고자 하는 세포의 종류에 적합한 하이드로젤을 주입하는 채널이다.
상기 신경세포 성장인자 채널(114)에 주입되는 배양하는 세포에 적합한 배양액은, 상기 하이드로젤을 통하여 상기 세포배양 채널(112) 방향(A)으로 확산하는 것일 수 있다. 상기 신경세포는, 상기 신경세포 성장 채널(116)의 상기 전극 기판(120) 상에서 상기 신경세포 성장인자 채널(114) 방향(B)으로 성장하는 것일 수 있다. 상술하였듯이, 상기 신경세포의 성장이라 함은 신경세포의 돌기의 성장일 수 있다.
상기 신경세포 성장 채널(116)은, 하이드로젤, 스캐폴드, 다공성 물질 및 미세 기둥 배열로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 이와 같은 3차원 공간을 통하여 세포가 성장하게 되는 것으로서, 상기 하이드로젤, 스캐폴드, 다공성 물질 및 미세 기둥 배열 구조가 세포 성장의 방향을 유도하는 지지체 역할을 할 수 있다.
상기 신경세포 성장 채널(116)은, 콜라겐, 피브린, 피브로넥틴 및 마트리젤로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 하이드로젤을 포함하는 것일 수 있다.
상기 미세유체채널 소자(110) 상에, 배양하는 세포의 종류에 따라 세포 부착 물질 코팅을 더 포함할 수 있다. 상기 세포 부착 물질은, 예를 들어, 폴리 L 리신(Poly L Lysine; PLL), 폴리 D 리신(Poly D Lysine; PDL), 라미닌, 콜라겐, 피브린, 피브로넥틴 및 마트리젤로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 세포 부착 물질 코팅은 미세유체채널 벽에 코팅되어 성장세포의 부착을 도와주는 역할을 할 수 있다.
상기 전극(122)은, 생체 적합성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 금, 은, 백금, 티타늄, 알루미늄, 구리, 니켈, 팔라듐 및 ITO로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 전극(122)은, 복수개의 미세전극을 더 포함하는 것일 수 있다. 복수개의 미세전극은 세포에 전기자극을 가하여 신경세포의 성장을 유도하는 동시에 신경세포의 성장을 감지할 수 있다. 상기 복수개의 미세전극은, 상기 신경세포 성장 채널 위, 아래 또는 이들 둘 모두에 형성되는 것일 수 있다. 상기 복수개의 미세전극의 폭 및 상기 복수개의 전극들 사이의 폭은, 전극 패터닝 공정 및 신경세포의 최대 성장 길이를 고려하여, 각각 2 내지 1000 ㎛일 수 있다. 이는 전극 패터닝 공정에 필요한 마스크 최소 선폭이 2 ㎛보다 작으면 마스크 타입과 이를 위한 공정 방법이 달라져 공정 비용이 증가하는 문제가 있을 수 있다.
상기 복수개의 미세전극은, 기준전극(124) 및 복수개의 측정전극(126)을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 기준전극(124)은, 상기 신경세포 성장 채널(116)과 상기 세포배양 채널(114)의 경계면 왼쪽에 접하여 형성된 것일 수도 있고, 상기 신경세포 성장 채널(116)과 상기 세포배양 채널(114)의 경계면 오른쪽에 접하여 형성되는 것일 수 있다.
상기 측정전극(126)은, 기준전극(124) 1개 이외의 측정전극이 1개 이상이면 측정이 가능할 수 있다. 측정전극(126)이 많을수록 신경세포의 미세한 성장을 측정할 수 있기 때문에 측정전극은 수 개 이상일 수 있다. 예를 들어, 측정전극은 1 내지 250개인 것일 수 있다.
미세전극이 기판 상에 일방향으로 배열된 형상의 평면 미세전극일 수도 있고, 기판 상에 3차원 기둥 형상 또는, 기판 상에 벽을 형성하는 3차원 터널 형태의 미세전극일 수 있다. 이러한 3차원 형태의 미세전극은 전극 자체가 공간을 제공하여 세포성장채널의 역할을 동시에 수행할 수도 있다.
일 실시예에 따른 시료 내 세포를 배양하는 방법을 설명하도록 한다.
일 실시예에 따른 시료 내 세포를 배양하는 방법은, 상기 신경세포 성장 채널로 배양하는 세포에 적합한 하이드로젤을 주입하는 단계, 상기 세포배양 채널로 세포가 포함된 시료를 주입하는 단계, 상기 신경세포 성장인자 채널로 배양하는 세포에 적합한 배양액을 주입하는 단계 및 상기 배양액에 의해 상기 세포를 배양하는 단계를 포함한다.
먼저, 상기 세포배양 채널로 세포가 포함된 시료를 주입한다.
이어서, 상기 신경세포 성장인자 채널로 배양하는 세포에 적합한 배양액을 주입한다.
상기 배양액은, 상기 하이드로젤을 통하여 상기 세포배양 채널 방향으로 확산하는 것일 수 있다.
이어서, 상기 신경세포 성장 채널로 배양하는 세포에 적합한 하이드로젤을 주입한다. 상기 신경세포 성장 채널은 하이드로젤로 형성될 수 있고, 하이드로젤은, 예를 들어, 콜라겐, 피브린, 피브로넥틴 및 마트리젤로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이어서, 상기 배양액에 의해 상기 세포를 배양한다. 상기 세포의 신경세포는, 상기 신경세포 성장 채널의 상기 전극 기판 상에서 상기 성장인자 채널 방향으로 성장하는 것일 수 있다.
추가적으로, 상기 세포를 배양하는 단계 이후에 상기 신경세포의 성장을 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 신경세포의 성장을 분석하는 단계는, 상기 신경세포가 상기 기준전극 및 상기 측정전극 사이를 연결하면서 변화하는 상기 두 전극 사이의 측정 파라미터를 측정하는 것일 수 있다. 상기 측정 파라미터는, 저항, 전압, 전류 및 커패시턴스로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 상기 측정 파라미터는, 상기 신경세포의 개수 및 길이와 연관되는 것일 수 있다. 모든 분석이 끝날 때까지 세포 배양액과 신경 성장인자가 포함된 배양액은 신경세포의 성장 정도 및 세포의 상태에 따라 적절한 시간마다 교체할 수 있다.
신경세포의 성장이 더 활발하게 일어날수록 측정할 수 있는 측정 전극의 개수가 늘어나고 각 전극의 측정 파라미터를 분석하면 신경세포의 성장 정도를 알 수 있다.
신경세포의 성장 정도와 상태에 따라 세포 배양액의 조성비와 신경 성장인자의 농도를 조절할 수 있고, 이에 따라 실질적으로 유사한 양의 신경세포 성장체를 획득할 수 있다. 따라서, 균일한 양의 신경세포 성장체를 다량으로 형성시킬 수 있으며, 성장체들의 양이 균일하면, 이들 세포를 사용하는 실험에서 실험군 간의 오차를 줄일 수 있게 된다. 특히, 줄기 세포 분화 연구에서 분화 유도제 및 배양액의 영향 등을 정확하게 실험하여 파악할 수 있다.
실험에 따르면 시간이 지남에 따라 신경세포가 성장하고 그에 따라 측정전극에서 전기적 측정 파라미터 중 커패시턴스 및 전류가 각각 증가하고, 시간이 지남에 따라 신경세포가 성장하고 그에 따라 측정전극에서 전기적 측정 파라미터 중 저항 및 전압이 각각 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 도 1 및 도 2와 같이 미세유체채널 장치와 미세유체채널 장치로부터 측정되는 pH와 온도, 그리고 전기적 측정 파라미터를 입력 받아 신경돌기의 성장정보를 실험자에게 제공해 줄 수 있는 신경돌기 성장 분석 및 세포배양채널 모니터링 및 세포분화제어 소프트웨어, 신경돌기의 성장정보를 통해 신경돌기의 성장을 조절을 위해 미세유체장치를 제어하는 신경돌기 성장 제어 소프트웨어, 그리고, 위와 같은 소프트웨어에서 출력된 신호를 받아 미세유체장치를 제어하는 미세유체채널장치 제어 시스템을 포함한다.
세포배양채널 바닥에 집적되어있는 pH, 온도를 측정하는 전극센서를 통해 전위 및 저항형태로 신호를 입력받은 신경돌기 성장 분석 및 세포배양채널 모니터링 및 세포분화제어 소프트웨어는 세포배양채널의 환경을 항시 모니터링 하며 세포 배양에 최적화된 환경을 유지하고 조절하는 역할을 한다. 미리 설정된 최적화된 온도와 pH 레벨을 기준으로 세포배양채널의 환경이 일정 범위를 넘어서게 되면 실험자의 단말기 등에 정보를 전송하고 자동으로 발열 전극을 이용해 온도를 조절하거나 배양액을 새 배양액으로 교체 또는 주입하게 된다. 또한, 자동세포분화제어를 위해 시간에 따른 pH 변화율을 항상 모니터링 하면서 변화율이 미리 설정된 레벨보다 커지게 되면 세포배양채널의 배양액을 분화를 위한 배양액으로 교체하게 되고 신경성장인자 채널에 신경성장인자를 주입하는 신경세포 분화 시퀀스가 시작되게 된다.
예를 들어 아래와 같은 수식에 따른 제어 설정이 가능하다.
Figure 112013091348485-pat00001
여기서, 온도, pH, 분화제어 예시 (Rtemp , set: 최적온도에 대한 저항 설정값, Rrange,set: 최적온도에 대한 저항범위 설정값, Yheat: 히터전극 동작 출력, VpHset1: 최적 pH에 대한 전위 설정값, YC .M. change: 배양액 교체 출력, △x2/t: pH 변화율, VpHset2: 분화조건에 맞는 pH변화율, YD .M. change: 분화를 위한 분화배양액 주입 출력, YNGF: 신경성장인자 주입 출력)
본 발명의 세포배양 모니터링 및 제어 장치의 미세유체채널 장치를 이용해 신경세포의 신경돌기를 분화시키면 장치의 전극 채널들에서 측정 파라미터의 값 (저항, 전압, 전류, 커패시턴스 등)이 변화하고 측정된 파라미터 값들은 신경돌기 성장 신호처리 소프트웨어의 입력 값으로 전달된다. 미세유체채널 장치는 기준전극 하나와 측정전극이 4개의 채널로 구성된 예를 생각해 볼 수 있다. 다만, 측정전극의 채널수, 측정전극의 폭, 그리고 측정전극사이의 폭은 가변적으로 설계 가능하다 {Ei | Ei, 4 ≤ I ≤ 250},{2㎛ ≤ Ew, WE ≤ 1000㎛}. (Ew : 전극의 폭, WE : 전극사이의 거리)
Figure 112013091348485-pat00002
※ 성장측정 예시 (Ew: 전극의 폭, Ei: 전극의 개수, Rset: 저항 설정값, Vset: 전압 설정값, Vset: 전류 설정값, Cset: 커패시턴스 설정값, △xi: I번째 저항의 변화값, NL: 신경돌기의 길이, NGB: 신경돌기의 성장률, t: 시간)
미세유체내채널 장치에서 측정되어 전달되는 결과 값들을 전달받은 신경돌기 성장 분석 소프트웨어에서는 신경세포 성장 제어를 위해 사전에 준비한, 일예로서 아래와 같은 단일 규칙 또는 패턴 형태의 데이터베이스를 이용하여 성장 제어 값을 생성한다. 여기서 데이터베이스를 텍스트파일, 구조화된 데이터 구조파일, XML 등 다양한 파일 구조의 형태로 표현이 가능하다.
Figure 112013091348485-pat00003
※ 성장제어 예시 (t: 시간, tset: 시간 설정값, y1 -4: 파라미터에 따른 출력 제어값)
여기서 출력 값은 단순한 상수 값을 저장하는 변수일 뿐만 아니라 다양한 데이터 구조를 표현할 수 있는 구조체 변수로 구성할 수 있다. 예로
Figure 112013091348485-pat00004
는 구조체 변수로 표현할 수 있는데 신경성장인자 주입 여부를 설정할 수 있는 변수, 신경성장인자 주입 농도를 설정할 수 있는 변수들의 값으로 구성할 수 있다.
성장 촉진의 경우, 특정 위치의 측정 전극에서 특정 시간 동안 측정 파라미터의 변화량이 설정된 값보다 낮으면, 신경돌기가 아직 특정 길이까지 성장되지 않음을 의미하고 신경성장인자 채널에 더 높은 농도의 신경성장인자를 주입하는 신호를 내보내어 신경성장인자 주입부를 구동하게 되고, 이에 따라 신경 세포의 성장이 촉진된다.
반대로, 성장억제의 경우 특정 위치의 측정 전극에서 설정된 시간 이전에 측정 파라미터의 변화량이 설정된 값보다 크면, 신경돌기의 성장이 빠름을 의미하므로 성장인자 주입 농도를 낮추는 신호를 보내어 신경성장인자 주입부를 구동을 줄이거나 멈추게 한다.
신경돌기 성장 제어 소프트웨어로부터 출력신호를 받은 미세유체장치 제어 시스템은 미세 유체채널 장치에 주입되는 배양액의 성분, 신경성장인자 농도 등을 조절하여 실험자가 원하는 신경돌기의 성장을 조절하게 된다.
신경돌기 성장 신호처리 소프트웨어는 양방향 정보전달이 가능하여 실험자에게 실시간으로 신경돌기 성장정보를 전달할 수 있으며 또한 실험자도 항시 신경돌기 성장상황을 모니터링 할 수 있다. 미세유체장치에서 배양되는 신경세포와 신경돌기 성장의 정보를 알람신호를 통해 실험자에게 전달이 가능하고, 실험자는 이 정보를 바탕으로 신경돌기 성장 제어 소프트웨어가 포함된 단말기를 이용해 원격으로 미세유체채널 장치의 제어가 가능하다.
예를 들어 단말기에 의한 본 발명의 세포배양 모니터링 및 제어 장치의 모니터링 및 제어를 순서적으로 예시해 보면 다음과 같다.
1) 제작된 미세유체채널 장치의 미세유체채널 소자에 신경세포를 배양한다. 2) 신경세포는 실험자의 설정에 따라 분화하기 전 까지 계속 증식하며 증식하는 동안 pH 및 온도 모니터링을 통해 최적화된 세포배양에 최적화된 환경이 제공된다. 3) 증식이 끝나고 분화가 시작되면 배합이 조절된 배양액으로 교체가 되고 설정된 순서에 따라 배양액의 주입과 신경성장인자의 주입이 이루어 진다. 4) 신경성장인자에 의해 분화된 신경세포는 제작된 전극 위로 신경돌기를 성장시키고 이 때 신경돌기는 두 전극 사이를 연결하며 전기적 변화를 발생시킨다. 5) 특정 측정전극까지 신경돌기가 성장하게 되면 전극의 전기적 특성 변화를 통해 신경세포의 분화 및 성장 정도를 측정부가 측정할 수 있고, 이 전기적 변화가 송신부를 통하여 송신되고, 이를 바탕으로 신경돌기 성장 분석 소프트웨어를 통해 분석이 이루어지고 이 정보는 사용자에게 전달된다. 6) 신경돌기 성장 분석 소프트웨어에서 송신된 정보는 신경돌기 성장 제어 소프트웨어로 입력되어 실험자의 설정조건에 따라 미세유체채널 장치 중 제어부가 수행해야 할 정보를 전달한다. 7) 정보를 전달받은 수신부는 미세유체채널 장치의 히터부, 배양액 주입부 및 신경성장인자 주입부등을 구동시켜 배양액 조성 및 신경성장인자의 농도를 조절하여 주입하고, 최적의 성장 환경에 맞는 온도를 유지한다.
본 발명에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 장치에 의하여, 신경과학 및 뇌과학 분야의 신경의 발생 및 재생연구에 있어서 신경세포 성장을 정량화하는 편리한 실험적 도구를 제공할 수 있으며, 퇴행성 뇌질환 및 신경질환의 치료와 신약개발 연구에 있어서 중요한 실험적 및 진단도구를 제공할 수 있다. 또한, 정량화 및 체계화된 신경세포성장 수치분석을 통해 삼차원 신경세포 성장 분석법 개발 및 생체 내 실험에 활용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 미세유체채널 소자
112: 세포배양 채널
114: 신경세포 성장인자 채널
116: 신경세포 성장 채널
120: 전극 기판
122: 전극
124: 기준전극
126: 측정전극

Claims (9)

  1. 미세유체채널 장치;
    상기 미세유체채널 장치의 상태를 측정하는 측정부; 및
    상기 미세유체채널 장치를 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 미세유체채널 장치는, 세포배양 채널, 신경세포 성장인자 채널, 및 상기 세포배양 채널과 상기 신경세포 성장인자 채널 사이에 배치되는 신경세포 성장 채널을 포함하는 미세유체채널 소자; 및 전극을 포함하는 전극 기판; 을 포함하는 것이고,
    상기 미세유체채널 장치의 상태는 상기 미세유체채널 장치 내의 pH를 포함하는 것이고,
    상기 측정부는 pH 측정부를 포함하는 것이고,
    상기 제어부는, 배양액 주입부 및 신경성장인자 주입부로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것이고,
    상기 측정부의 측정 결과를 송신하는 송신부; 및
    상기 제어부 구동 신호를 수신하는 수신부;
    를 더 포함하고,
    상기 송신부는 상기 측정 결과를 원격으로 단말기에 송신하고,
    상기 수신부는 상기 구동 신호를 상기 단말기로부터 원격으로 수신하는 것이고,
    상기 측정 결과는 하기의 [조건식 1] 내지 [조건식 3]을 만족하는 것인, 세포배양 모니터링 및 제어 장치:
    [조건식 1]
    ｜x1- Rtemp,set｜> Rrange,set 이면, y1 = Yheat 임.
    [조건식 2]
    x2>VpH_set1이면, y=YC.M.change 이거나,
    [조건식 3]
    △x2/t > VpH_set2 이면, y2=YD.M.change 및 YNGF 임.
    (상기 [조건식 1] 내지 [조건식 3]에서, x1은 온도제어에서의 저항, x2는 pH 및 분화 제어에서의 전위, Rtemp,set은 최적온도에 대한 저항 설정값, Rrange,set은 최적온도에 대한 저항범위 설정값, Yheat은 히터전극 동작 출력, y1 및 y2는 파라미터에 따른 출력 제어값, VpH_set1은 최적 pH에 대한 전위 설정값, YC.M.change은 배양액 교체 출력, △x2/t은 pH 변화율, VpH_set2은 분화조건에 맞는 pH 변화율, YD.M.change은 분화를 위한 분화배양액 주입 출력, YNGF은 신경성장인자 주입 출력을 나타냄).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    온도 측정부 및 신경세포 성장 측정부로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것인,
    세포배양 모니터링 및 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전극은 복수개의 미세전극을 포함하고,
    상기 복수개의 미세전극은, 기준전극 및 복수개의 측정전극을 포함하고,
    상기 신경세포 성장 측정부는,
    상기 신경세포가 성장하여 상기 기준전극 및 상기 측정전극 사이를 연결하면서 발생하는 상기 두 전극 사이의 전기적 변화를 측정하여 상기 신경세포의 분화 정도와 성장 정도를 측정하는 것인,
    세포배양 모니터링 및 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전기적 변화는, 저항, 전압, 전류 및 커패시턴스로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
    세포배양 모니터링 및 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미세유체채널 내의 온도 측정 결과에 따라 구동되는 히터부를 더 포함하는 것인,
    세포배양 모니터링 및 제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배양액 주입부 및 신경성장인자 주입부는, 상기 미세유체채널 내의 pH 측정 결과 및 신경세포의 분화 정도와 성장 정도 측정 결과에 따라 구동되는 것인,
    세포배양 모니터링 및 제어 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
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