KR101721317B1 - 자이러토리 바이오 리액터 - Google Patents

자이러토리 바이오 리액터 Download PDF

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박홍석
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울산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 본체, 본체 상부에 배치되며, 상면에는 배양할 세포를 가지는 배양액이 저장된 배양백을 구비하는 배양플레이트, 본체와 배양플레이트 사이에 설치되어, 배양플레이트를 탄성 지지하는 탄성부재, 본체에 설치된 상태로 배양플레이트와 연결되어, 탄성부재에 의해 탄성지지된 배양플레이트에 편심 회전력을 전달하여, 배양플레이트가 본체 상부에서 일방향으로 선회 운동되면서 배양백 내 배양액을 일방향으로 회전 이송되게 하는 회전구동부를 포함하는 자이러토리 바이오 리액터를 제공한다.
이와 같이, 자이러토리 바이오 리액터는, 본체 상부에 탄성부재로 탄성지지된 배양플레이트가 회전구동부에 의해 편심회전력을 전달받아, 본체 상부에서 일방향으로 선회운동하게 되는 바, 배양플레이트 상부에 배치되는 배양백 내 배양액을 일방향으로 회전 순환 이송되게 함으로서, 배양백 내 세포의 손상없이 배양이 안정적으로 이루어지게 된다.

Description

자이러토리 바이오 리액터{Gyratory bioreactor}
본 발명은 세포 배양이나 조직을 성장시킬 수 있는 환경을 제공하는 자이러토리 바이오 리액터에 관한 것이다.
일반적으로, 바이오 리액터(Bioreactor)는 생물의 체내에서 이루어지고 있는 물질의 분해, 합성 또는 화학적인 변환 등의 생화학적 반응 과정을 인공적으로 재현한다. 이러한, 바이오 리액터는 동작 조건 및/또는 환경 인자의 조절이 가능하여, 세포 배양이나 3D 조직 성장 등 조직 공학 분야에 있어서 매우 중요한 역할을 한다.
여기서, 바이오 리액터는 또한 줄기 세포(Stem cell)의 배양에 적용될 수 있다. 그 동안의 줄기 세포 배양기술은 줄기 세포가 생물의 체내와 상이한 환경에서 배양되면서 실제 생물 체내의 속성과 다른 세포로 전환되거나 충분히 성장되지 못하는 등의 한계가 있었다. 그러나 바이오 리액터를 이용하면 줄기 세포가 적용될 부위에 따라 생물 체내와 유사한 환경 하에서 줄기 세포를 배양할 수 있다. 이같은, 바이오 리액터는 통 형상의 배양조 내측에 임펠러를 회전시켜 세포를 배양시키는 구조가 널리 사용되고 있다.
그러나, 종래의 바이오 리액터는, 배양조 내측에서 임펠러의 회전을 통해 세포가 배양되는데, 이때 임펠러와의 접촉에 따른 세포의 손상과 더불어 배양조 내측에서의 회전속도가 일정하지 않게 되어 세포의 배양속도가 일정하게 유지되지 못하는 문제점이 있다. 더불어, 다른 세포의 배양이 필요한 경우 배양조 및 임펠러의 세척이 번거로운 문제점이 있다.
이러한, 종래의 바이오 리액터는, 대한민국공개특허공보 제1993-0013084호(1993.07.21)에 제시된다.
본 발명은, 배양되는 세포의 손상을 방지함과 더불어 배양속도를 안정적으로 유지시킬 수 있는 자이러토리 바이오 리액터를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 본체, 상기 본체 상부에 배치되며, 상면에는 배양할 세포를 가지는 배양액이 저장된 배양백을 구비하는 배양플레이트, 상기 본체와 상기 배양플레이트 사이에 설치되어, 상기 배양플레이트를 탄성 지지하는 탄성부재, 상기 본체에 설치된 상태로 상기 배양플레이트와 연결되어, 상기 탄성부재에 의해 탄성지지된 상기 배양플레이트에 편심 회전력을 전달하여, 상기 배양플레이트가 상기 본체 상부에서 일방향으로 선회 운동되면서 상기 배양백 내 배양액을 일방향으로 회전 이송되게 하는 회전구동부를 포함하는 자이러토리 바이오 리액터를 제공한다.
또한, 상기 배양백은 고리모양의 수평 단면형상을 가지며, 내측에는 상기 배양액을 저장하도록 공간부가 형성되고, 상기 배양백의 일측에는 상기 배양백의 공간부로 영양분과 공기 및 산소 용해액을 각각 투입/배출되게 하는 영양분포트와 공기포트 및 출입포트가 각각 형성될 수 있다.
또한, 상기 배양플레이트의 상면 중앙부에는, 상방으로 백걸림돌기부가 돌출 형성되고, 상기 배양플레이트의 상면에는 상기 백걸림돌기부 둘레로 고리 형상의 삽입배치홈이 요입 형성될 수 있다.
또한, 상기 회전구동부는, 회전 구동력을 발생시키는 구동모터와, 상단이 상기 배양플레이트의 저면 중앙부에 수직하게 연결 결합되는 주축과, 상기 구동모터의 구동축과 상기 주축을 연결하여, 상기 구동모터에서 발생된 회전 구동력을 상기 주축으로 편심되게 전달하는 편심축을 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전구동부에는, 상기 배양플레이트와 상기 편심축 사이에 배치되도록 상기 본체에 결합 설치되며, 중앙부에는 상기 주축이 관통된 상태로 회전 가능하게 연결 지지하는 제1구면베어링이 장착된 고정스탠드를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 편심축에는 상기 주축의 하단을 회전 가능하게 연결하도록 제2구면베어링을 더 결합 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 자이러토리 바이오 리액터는, 본체 상부에 탄성부재로 탄성지지된 배양플레이트가 회전구동부에 의해 편심회전력을 전달받아, 본체 상부에서 일방향으로 선회운동하게 되는 바, 배양플레이트 상부에 배치되는 배양백 내 배양액을 일방향으로 회전 순환 이송되게 함으로서, 배양백 내 세포의 손상없이 배양이 안정적으로 이루어지게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자이러토리 바이오 리액터의 개략 구성 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 배양플레이트의 개략 평면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자이러토리 바이오 리액터의 개략 구성 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일실시예의 상기 자이러토리 바이오 리액터는, 본체(100), 배양플레이트(200), 탄성부재(300), 회전구동부(400)를 구비하고 있다.
상기 본체(100)는 이후 설명될 배양플레이트(200), 탄성부재(300), 회전구동부(400)를 설치하게 되는 사각틀 부재이다. 이러한, 상기 본체(100)의 상면 중앙부에는 이후 설명될 회전구동부(400)를 삽입 설치할 수 있도록 설치홈(101)이 요입 형성될 수 있다.
그리고, 상기 본체(100)의 일측에는 제어패널(110)이 결합 설치될 수 있다. 이러한, 상기 제어패널(110)은 이후 설명될 회전구동부(400)와 연결되어, 회전구동부(400)의 구동모터(410) 구동 제어를 통한 배양플레이트(200)의 선회 운동 속도를 조절함과 더불어 배양백(210)으로의 영양분, 공기, 산소 용해액(Dissolved oxygen)을 각각 공급/배출시키는 펌핑수단(도면미도시)과 각각 연결되어 배양백(210)의 각 영양분, 공기, 산소 용해액 공급/배출되게 하는 양을 사용자가 선택적으로 제어할 수 있게 한다.
또한, 상기 본체(100)의 상면에는 이후 설명될 회전구동부(400)를 삽입 설치할 수 있도록 삽입설치부(120)가 요입 형성될 수 있다. 이러한, 상기 삽입설치부(120)는 이후 설명될 회전구동부(400)를 상기 본체(100) 내측으로 삽입 설치한 상태에서 회전구동부(400)가 배양플레이트(200)와 연결될 수 있게 하여, 상기 본체(100) 상부에 배치되는 상기 배양플레이트(200)의 이격위치를 최소화할 수 있게 된다.
상기 배양플레이트(200)는 배양백(210)을 구비한 상태로 상기 본체(100)의 상부에 배치되는 판 부분이다. 즉, 상기 배양플레이트(200)는 배양백(210)을 상기 본체(100) 상부에 배치되도록 지지하게 된다. 도 2를 참조하면, 상기 배양플레이트(200)는 원형판 형상을 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않고 사각판 형상 또는 이외의 다양한 다각판 형상으로 형성될 수도 있음은 물론이다.
여기서, 상기 배양백(210)은 내부에 배양할 세포를 가지는 배양액을 저장하게 된다. 이러한, 상기 배양백(210)은 이후 설명될 회전구동부(400)에 의한 상기 배양플레이트(200)의 선회 운동시, 내측에 저장된 배양액이 일방향으로 회전 이송될 수 있게 고리모양의 수평 단면형상을 가진다. 그리고, 상기 배양백(210)의 내측 둘레로는 상기 배양액을 저장할 수 있도록 공간부가 형성된다. 더불어, 상기 배양백(210)의 일측에는 상기 배양백(210)의 공간부로 영양분을 투입/배출할 수 있게 하는 영양분포트(211)와, 상기 배양백(210)의 공간부로 공기를 투입/배출할 수 있게 하는 공기포트(212) 및, 상기 배양백(210)의 공간부로 산소 용해액을 투입/배출할 수 있게 하는 출입포트(213)가 각각 형성된다. 여기서, 상기 영양분포트(211)와 상기 공기포트(212) 및 상기 출입포트(213)는 각각 영양분, 공기, 산소 용해액을 상기 배양백(210) 내측으로 공급되게 하거나 상기 배양백(210) 외측으로 배출되게 하는 펌핑수단(도면미도시)과 각각 연결호스(도면미도시)를 통해 연결될 수 있다. 상기 영양분포트(211)와 상기 공기포트(212) 및 상기 출입포트(213)에는 각각 영양분, 공기, 산소용해액을 투입한 후, 밀봉시키는 캡(도면미도시)이 구비될 수도 있음은 물론이다.
이러한, 상기 배양백(210)은 폴리염화비닐(Polyvinyl chlorid), 폴리에틸렌(polyethylene) 중 하나의 재질로 형성하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않고 의료용으로 승인된 다른 폴리머 재질로 형성될 수도 있음은 물론이다.
이같이, 상기 배양백(210)은 상기 배양플레이트(200)에 착탈 가능하게 안착 설치되는 바, 내측에 배양하고자 하는 세포의 종류에 따라 각각 별개의 배양백을 사용할 수 있게 됨으로서, 사용된 배양백(210)을 다시 세척한 후 다른 배양백(210)을 담아 배양할 필요없이 폐기한 후 새로운 배양백(210)을 교체 사용할 수 있는 바, 세포 배양을 위한 작업을 용이하게 할 수 있게 된다.
그리고, 상기 배양플레이트(200)의 상면 중앙부에는 상기 배양백(210)을 삽입상태로 걸림 배치할 수 있도록 백걸림돌기부(201)가 형성될 수 있다. 이러한, 상기 백걸림돌기부(201)는 상기 배양백(210)의 내경에 대응되는 직경을 가지는 상태로 상방으로 돌출되도록 연장 형성되어, 상기 배양백(210)의 내측에 삽입 배치된다. 이같이, 상기 백걸림돌기부(201) 외측에 상기 배양백(210)을 걸림상태로 고정되도록 삽입 배치되게 하는 바, 이후 회전구동부(400)에 의한 선회 운동시 상기 배양백(210)이 상기 배양플레이트(200) 상에서 고정상태로 이탈되지 않게 된다.
또한, 상기 배양플레이트(200)의 상면, 보다 상세하게는 상기 백걸림돌기부(201) 둘레로 링 형상의 삽입배치홈(202)이 요입 형성된다. 이같이, 상기 삽입배치홈(202)은 상기 배양플레이트(200)의 상면에 상기 배양백(210)에 대응되는 고리 단면형상으로 요입 형성된 바, 상기 배양백(210)을 상기 배양플레이트(200) 상부에 안정적으로 삽입 안착되게 할 수 있다.
상기 탄성부재(200)는 상기 배양플레이트(200)를 상기 본체(100) 상부에 탄성 지지된 상태로 배치되게 한다. 즉, 상기 탄성부재(200)는 상기 배양플레이트(200)의 하부와 상기 본체(100) 상부 사이에 배치되며, 상기 탄성부재(200)의 상단은 상기 배양플레이트(200)의 저면에 연결 결합되고, 상기 탄성부재(200)의 하단은 상기 본체(100)의 상면에 연결 결합된다. 이같이, 상기 탄성부재(200)는 상기 배양플레이트(200)를 상기 본체(100) 상부에 연결상태로 배치되게 함과 더불어 탄성 지지함으로서, 이후 설명될 회전구동부(300)의 편심 회전력을 전달받아 상기 배양플레이트(200)가 선회 운동시, 회전방향에 대해 물결 움직임을 가질 수 있게 된다. 여기서, 상기 탄성부재(200)는 코일스프링을 사용하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않고 판스프링 외에 다양한 탄성부재를 선택사용할 수 있음은 물론이다.
상기 회전구동부(300)는 상기 배양플레이트(200)를 상기 본체(100) 상부에서 선회 운동하도록 구동력을 발생시키는 부분이다. 이러한, 상기 회전구동부(300)는 상기 본체(100)의 삽입설치부(120)에 삽입 상태로 상기 본체(100)에 결합 배치되며, 상기 회전구동부(300)의 상단은 상기 배양플레이트(200)의 저면 중앙부에 연결 결합된다. 따라서, 상기 회전구동부(300)에서 발생되는 편심 회전력은 상기 배양플레이트(200)를 상기 본체(100) 상부에서 일방향으로 선회 운동되게 하면서 상기 배양백(210) 내 배양액을 일방향으로 회전 이송할 수 있게 한다. 여기서, 상기 회전구동부(300)는 구동모터(410), 주축(320), 편심축(430)을 포함한다.
상기 구동모터(410)는 상기 배양플레이트(200)를 선회 운동하도록 회전 구동력을 발생시킨다. 이러한, 상기 구동모터(410)는 전원을 공급받아 구동하는 전기모터를 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정하지 않음은 물론이다. 여기서, 상기 구동모터(410)는 상기 본체(100)의 삽입설치부(120)에 삽입 배치된 상태로 구동축(411)이 상기 배양플레이트(200)를 향하도록 상기 본체(100)에 수직되게 결합 설치한다.
상기 주축(420)은 상기 구동모터(410)의 회전 구동력을 상기 배양플레이트(200)로 전달하는 축 부재이다. 이러한, 상기 주축(420)의 상단은 상기 배양플레이트(200)의 저면 중앙부에 연결 결합되고, 상기 주축(420)의 하단은 편심축(430)의 상단에 연결 결합된다. 즉, 상기 주축(420)은 상기 배양플레이트(200)의 저면에 수직하게 배치된 상태로 상단이 상기 배양플레이트(200)의 저면 중앙부에 연결 결합되며, 하단은 편심축(430)에 축회전 가능하게 연결 결합된다.
상기 편심축(430)은 상기 구동모터(410)의 회전 구동력을 상기 주축(420)으로 편심 회전력으로 변환시켜 전달되게 하는 축 부재이다. 이러한, 상기 편심축(430)은 상기 주축(420)과 상기 구동모터(410)의 구동축(411) 사이에 연결 설치된다. 즉, 상기 편심축(430)의 하단은 상기 구동모터(410)의 구동축(411)과 연결 결합되며, 상기 편심축(430)의 상단은 상기 주축(420)의 하단과 연결 결합된다. 이때, 상기 편심축(430)의 상단에는 상기 주축(420)의 하단을 축회전 가능한 상태로 연결 결합되게 하는 제2구면베어링(431)이 결합 구비될 수 있다.
더불어, 상기 회전구동부(400)에는 상기 편심축(430)과 상기 주축(420)을 통해 편심 회전력을 상기 배양플레이트(200)로 전달시, 상기 주축(420)이 수평방향에 대해 흔들림이 발생하는 것을 방지하여 상기 배양플레이트(200)의 안정적인 선회 운동을 가능하게 하는 고정스탠드(440)를 구비할 수 있다. 이러한, 상기 고정스탠드(440)는 상기 배양플레이트(200)와 상기 편심축(430) 사이에 배치되도록 상기 본체(100)의 삽입설치부(120)에 삽입 설치된 상태로 상기 주축(420)이 관통 배치되며, 상기 고정스탠드(440)의 양측은 각각 상기 본체(100)에 고정 결합된다.
이때, 상기 고정스탠드(440)에는 상기 주축(420)을 관통 배치시킨 상태에서 상기 주축(420)을 축회전 가능한 상태로 연결 지지하도록 제1구면베어링(441)을 결합 구비한다.
이와 같이 구성되는 일실시예의 상기 자이러토리 바이오 리액터의 동작을 설명하면, 먼저, 상기 배양백(210) 내측에 배양할 세포를 가지는 배양액을 저장한다. 즉, 상기 배양액(210) 내측으로는 영양분, 공기, 산소 용해액 등을 세포가 배양될 수 있는 최적의 환경이 되도록 공급한다. 이때, 상기 영양분, 공기, 산소 용해액은 배양할 대상 세포에 따라 각각 선택적으로 적용할 수 있음은 물론이다.
이같이, 상기 배양백(210)에 배양액을 저장한 후에는, 상기 배양백(210)을 상기 배양플레이트(200) 상부에 고정 상태로 안착 배치시킨다. 즉, 상기 고리모양의 상기 배양백(210)을 상기 배양플레이트(200)의 백걸림돌기부(201)에 삽입 걸림시킨 상태로 상기 삽입배치홈(202) 상으로 안착 배치되게 한다.
이후, 상기 회전구동부(400)를 구동시켜, 상기 배양플레이트(200)가 선회 운동되게 하면서, 상기 배양백(210) 내 배양액이 일방향으로 순환 이송되게 하면서 배양액 내 세포의 배양이 이루어지게 한다. 즉, 상기 회전구동부(400)의 구동모터(410)에 전원을 공급하여 상기 구동모터(410)에서 회전 구동력을 발생시킨다. 그러면, 상기 편심축(430)은 상기 구동모터(410)의 회전 구동력을 편심 회전력으로 변환시킨 후, 상기 주축(420)으로 전달되게 한다.
그리고, 상기 주축(420)을 통해 전달되는 편심 회전력은 상기 배양플레이트(200)로 전달된다. 상기 배양플레이트(200)로 전달된 편심 회전력은 상기 배양플레이트(200)를 일방향으로 선회 운동되게 한다. 이때, 상기 배양플레이트(200)는 편심 회전력에 의해 선회 운동시 상기 배양플레이트(200)의 외측 방향으로 밀림힘이 발생되는 바, 상기 배양플레이트(200)는 상기 탄성부재(300)에 의해 탄성 지지된 상태에서 회전 방향에 대해 일정한 물결 움직임을 가지면서 선회운동하게 된다.
이같이, 상기 배양플레이트(200)는 회전 방향에 대해 일정한 물결 움직임을 가지면서 선회 운동하게 되는 바, 상기 배양플레이트(200) 상부에 배치되는 상기 배양백(210)도 이에 대응되게 선회 운동되게 함으로서, 상기 배양백(210) 내 배양액이 일방향으로 일정한 회전 이송움직임을 가지게 하여, 상기 배양백(210) 내 세포의 손상없이 배양이 안정적으로 이루어지게 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 본체 110: 제어패널
120: 삽입설치부 200: 배양플레이트
201: 백걸림돌기부 202: 삽입배치홈
210: 배양백 211: 영양분포트
212: 공기포트 213: 출입포트
400: 회전구동부 410: 구동모터
420: 주축 430: 편심축
431: 제2구면베어링 440: 고정스탠드
441: 제1구면베어링

Claims (6)

  1. 본체와;
    상기 본체 상부에 배치되며, 상면에는 배양할 세포를 가지는 배양액이 저장된 배양백을 구비하는 배양플레이트와;
    상기 본체와 상기 배양플레이트 사이에 설치되어, 상기 배양플레이트를 탄성 지지하는 탄성부재; 및
    상기 본체에 설치된 상태로 상기 배양플레이트와 연결되어, 상기 탄성부재에 의해 탄성지지된 상기 배양플레이트에 편심 회전력을 전달하여, 상기 배양플레이트가 상기 본체 상부에서 일방향으로 선회 운동되면서 상기 배양백 내 배양액을 일방향으로 회전 이송되게 함으로써 세포에 선회운동을 제공하는 회전구동부를 포함하며,
    상기 회전구동부는, 회전 구동력을 발생시키는 구동모터와,
    상단이 상기 배양플레이트의 저면 중앙부에 수직하게 연결 결합되는 주축과,
    상기 구동모터의 구동축과 상기 주축을 연결하여, 상기 구동모터에서 발생된 회전 구동력을 상기 주축으로 편심되게 전달하는 편심축과,
    상기 배양플레이트와 상기 편심축 사이에 배치되도록 상기 본체에 결합 설치되며, 중앙부에는 상기 주축이 관통된 상태로 회전 가능하게 연결 지지하는 제1구면베어링이 장착된 고정스탠드를 포함하고,
    상기 편심축에는 상기 주축의 하단을 회전 가능하게 연결하도록 제2구면베어링을 더 결합 구비하며,
    상기 배양백은 고리모양의 수평 단면형상을 가지며, 내측에는 상기 배양액을 저장하도록 공간부가 형성되고,
    상기 배양백의 일측에는 상기 배양백의 공간부로 영양분과 공기 및 산소 용해액을 각각 투입/배출되게 하는 영양분포트와 공기포트 및 출입포트가 각각 형성되며,
    상기 영양분포트와 공기포트 및 상기 출입포트는 각각 영양분, 공기, 산소 용해액을 상기 배양백 내측으로 공급되게 하거나 상기 배양백 외측으로 배출되게 하는 펌핑수단과 각각 연결호스를 통해 연결되고, 상기 펌핑수단은 상기 본체에 구비되는 제어패널을 통해 제어되는 자이러토리 바이오 리액터.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배양플레이트의 상면 중앙부에는, 상방으로 백걸림돌기부가 돌출 형성되고,
    상기 배양플레이트의 상면에는 상기 백걸림돌기부 둘레로 고리 형상의 삽입배치홈이 요입 형성된 자이러토리 바이오 리액터.

  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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