KR101930416B1 - 세포분류장치 - Google Patents

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KR101930416B1
KR101930416B1 KR1020180116104A KR20180116104A KR101930416B1 KR 101930416 B1 KR101930416 B1 KR 101930416B1 KR 1020180116104 A KR1020180116104 A KR 1020180116104A KR 20180116104 A KR20180116104 A KR 20180116104A KR 101930416 B1 KR101930416 B1 KR 101930416B1
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이준석
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조누리
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Abstract

본 발명은 세포분류장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가열된 공기에 의한 대류 현상을 이용하여 공기의 흐름 또는 특정 방향으로의 기류를 발생시키고, 이 공기 흐름을 이용하여 측정대상 세포를 분류함으로써 형광분석을 이용한 세포 계수 및 분석 장치와 병행하여 사용함으로써 세포 계수 및 분석을 더욱 정확하고 정밀하게 수행할 수 있는 세포분류장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 세포분류장치는 가열된 공기에 의한 대류 현상을 이용하여 공기의 흐름 또는 특정 방향으로의 기류를 발생시키고, 이 공기 흐름을 이용하여 측정대상 세포를 분류함으로써 형광분석을 이용한 세포 계수 및 분석 장치와 병행하여 사용시 세포 계수 및 분석을 더욱 정확하고 정밀하게 수행할 수 있는 장점이 있다.

Description

세포분류장치{Apparatus for sorting cells}
본 발명은 세포분류장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가열된 공기에 의한 대류 현상을 이용하여 공기의 흐름 또는 특정 방향으로의 기류를 발생시키고, 이 공기 흐름을 이용하여 측정대상 세포를 분류함으로써 형광분석을 이용한 세포 계수 및 분석 장치와 병행하여 사용함으로써 세포 계수 및 분석을 더욱 정확하고 정밀하게 수행할 수 있는 세포분류장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 바이오 관련 마이크로 소자분야, 예를 들면 랩온어칩(Lab on a chip) 분야는 소형화, 저가격화, 집적화, 자동화 및 실시간 진단 기능을 구현하기 위하여 현재에도 다양한 연구가 진행되고 있다.
그 중에서 생화학적 분석을 위한 바이오칩 또는 바이오센서에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 바이오칩 또는 바이오센서는 최소량의 시료를 사용하여 정확도가 높은 분석을 수행할 수 있고, 저렴한 비용으로 제작될 수 있는 것이 바람직하며, 근래에는 마이크로칩 형태의 유체 채널, 즉 미세 유체채널에 대한 관심이 증가하고 있다.
생화학적 분석의 일 예인 유세포 계수법(Flow Cytometry)은, 유동측정대상 세포계수법으로 불리기도 하는데, 유액상태의 입자나 측정대상 세포가 감지 영역을 통과할 때 각각의 입자나 측정대상 세포의 특성(입자나 측정대상 세포의 수, 크기, 측정대상 세포 내부의 조성정도 등)을 분석하는 방법을 말하며, 이를 위한 장치를 유세포 계수기라 한다.
미세 유체역학적 방법으로 유세포 계수를 구현하기 위해서 가장 이상적인 측정대상 세포 집속의 형태는 3차원 측정대상 세포집속(3 dimensional cell focusing, 시스유체가 유세포의 둘레를 감싸서 유동하는 구조의 측정대상 세포집속, 즉 유체의 중심에유세포가 집속된 형태)인데, 구현 불가능한 것은 아니지만 실제로 구현하기가 매우 힘들고 구현을 위해서는 고가의 비용이 소요되는 실정이다.
특히, 미세가공기술(microfabrication Technology)을 이용하여 3차원 측정대상 세포집속을 구현하는 것은 매우 어려우며, 이러한 미세가공기술을 이용한 3차원 측정대상 세포집속은 2단계 내지 3단계의 단차를 가지는 멀티 레이어(multi-layer) 구조의 마이크로채널을 사용해야 하기 때문에, 장치가 복잡해지고 제조가 힘들며 제조비용이 비싸다는 문제점이 있다.
이에 대부분의 미세유체채널(Microfluidic Channel) 기반 유세포분석기(유세포계수기)는 유세포의 양측에 시스유체(Sheath Fluid)를 흐르게 하여 채널의 양측을 흐르는 시스유체의 사이에 유세포를 집속하는 구조(채널의 중앙부로 유세포를 집속하는 구조)인 2차원 측정대상 세포 집속(Focusing)를 이용하고 있다.
따라서, 유세포 시료를 2차원적으로 집속하여 채널의 Z방향(유체의 유동방향에 수직한 방향)에서 조사되는 광원(대부분 laser)에 대부분의 시료를 노출시킬 수 있지만, Z방향으로 동시에 여러 개의 측정대상 세포가 들어올 경우 측정대상 세포측정오차(측정대상 세포의 Coincidence로 인한 doublet)가 많이 생기게 된다.
그리고 유세포 시료가 유동하는 유체 채널의 높이를 낮게 할 경우, 즉 미세유체채널의 높이를 낮게 할 경우에는 더블릿(Doublet)으로 인한 오차는 줄일 수 있지만, 낮은 채널높이로 인하여 채널 막힘(Channel clogging) 현상과 입구(유세포 주입구)에서의 세포침전(Cell sedimentation) 현상이 발생하게 된다.
현재에는 FACS(Fluorescence Activated Cell Sorter)라는 공법으로 상용화된 장비도 많이 개발되어 있으며, 상기 유세포 계수에서 PBS(Phosphate Buffered Saline)나 물과 같은 세포 무해성 유체(Biocompatible fluid)인 시스유체(Sheath flows)를 이용하여 유세포를 집속시키는 방법이 주로 사용되고 있고, 미세유체 시스템의 발전을 통하여 미세유체채널을 통한 유세포 계수법이 개발되고 있다.
이러한 미세유체채널을 통한 유세포 계수법은 과거에 비해 적은 양의 시료로 유세포 계수가 가능케 되었고 더 높은 민감도(Signal-to-noise)를 보여주므로 최근 많은 각광을 받고 있다. 그리고, 미세유체채널을 통한 유세포계수법은 값싸게 검사를 구현할 수 있는 등의 장점을 지니고 있으나, 기존의 유체 채널, 즉 유세포 계수기의 미세유체채널에서는 다음과 같은 문제점들이 있다.
먼저, 상기 유체 채널은 채널의 단면적이 좁아지는 지역에서 세포가 뭉쳐서 채널을 막아 유체의 흐름을 방해하는 문제가 발생한다. 특히 민감도를 높이기 위해 채널의 폭을 줄일수록 이러한 문제점이 분명하게 나타난다.
참고로, 유체 채널의 폭과 관계되는 집속도(Focusing flow)와 세포 입자 크기의 비(ratio)는 계수 정확도에 영향을 미치는 인자로서, 채널의 폭이 넓을수록 민감도(sensitivity)가 저하된다는 것은 세포 입자가 광원(light source)에 정확히 광학적으로 포커싱(optically focusing) 되지 않을 확률이 높다는 것을 의미한다.
또 다른 문제점으로는, 유세포 계수법에서 세포를 정확히 계수하기 위해서는 시료로 투입되는 세포의 손실을 최소화해야 하나, 기존 미세유체채널을 이용한 유세포 계수법은 여전히 많은 세포 손실이 나타나는데, 그 이유는 세포가 들어오는 시료 주입구 영역에서 세포 침전이 크게 발생하기 때문이다.
이러한 문제 때문에 감지 영역에서의 세포 계수에 많은 오류가 나타나고 이에 따라 계수의 정확도도 떨어지는 문제점이 있다.
즉, 기존의 미세유체채널은 유세포 샘플이 주입되는 샘플 주입구 및 그 주변 영역, 더 나아가 유세포 샘플이 유동하는 채널(메인 유동채널)에 유세포 샘플의 침전이 쉽게 일어나며, 결과적으로 감지 영역에서 검출되는 유세포의 수가 줄어들게 하는 결과를 야기함으로써 측정 오류를 발생시키는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2016-0111148 대한민국 등록특허 10-1389554 대한민국 10-2018-0027331
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 종래의 유체채널 및 형광분석을 이용한 유세포분석장치와 병행하여 유세포 계수 측정 정밀도 및 정확도를 높일 수 있는 세포분류장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 세포분류장치는 내부에 공간부가 형성되고, 일 측 하부에는 외기를 상기 공간부로 유입시키기 위한 입구가 형성되며, 상기 입구와 대향되는 타 측 상부에는 상기 공간부의 공기를 배출시키기 위한 출구가 형성된 메인챔버와; 상기 메인챔버의 상기 입구와 상기 출구 사이의 상기 메인챔버 상측에 설치되어 상기 메인챔버의 상기 공간부로 여러 종류의 측정대상 세포들을 낙하시키는 것으로서, 여러 종류의 측정대상 세포가 함유된 유체를 하방으로 흘려보낼 수 있도록 내부에 상하 길이방향을 따라 포커싱채널이 형성되고, 하단 측에는 상기 측정대상 세포를 상기 메인챔버의 공간부로 배출 및 낙하시키는 배출부가 마련된 흐름채널부와; 상기 메인챔버 내부에 설치되어 상기 입구를 통해 유입되는 공기를 가열하며, 가열에 의해 상승하는 공기를 상기 흐름채널부의 상기 배출부 하방에서 상기 흐름채널부의 배출부를 통해 배출되는 측정대상 세포의 낙하 방향과 교차하는 방향으로 안내하는 기류발생부; 상기 기류발생부에 의해 발생하는 기류 및 상기 측정대상 세포의 자중 차에 의해 서로 다른 낙하 경로로 낙하하는 측정대상 세포를 각각 수집할 수 있도록 상기 메인챔버 내의 서로 다른 위치에 설치되는 복수의 컵부재를 포함하는 수집부;를 구비한다.
상기 기류발생부는 상하로 연장되고, 내부에는 상하 길이방향을 따라 통로가 형성되며, 하부가 상기 메인챔버의 상기 입구 측에 설치되고, 상부는 상기 흐름채널부의 배출부 측으로 휘어지도록 형성되며, 상부로 연장될수록 좁아지도록 형성된 덕트와, 상기 입구와 인접하는 상기 덕트의 내측 하부에 설치되는 히터와, 상기 덕트를 따라 덕트의 상측으로 배출되는 기류에 난류가 발생하는 것을 방지하도록 상기 덕트의 상측 통로 일부를 복수로 구획하며, 동일 간격으로 이격되게 설치되는 복수의 분할플레이트를 포함한다.
상기 메인챔버의 상기 유입구로 일정한 유량의 공기를 공급하는 레귤레이터를 더 구비한다.
상기 레귤레이터로 일정한 온도를 갖는 공기를 공급하는 예열부를 더 구비하며, 상기 예열부는 내부에 예열공간이 형성되고, 하부에는 상기 예열공간으로 외기가 유입되는 유입구가 형성되고, 상부에는 예열공간의 공기가 상기 레귤레이터 측으로 배출되는 배출구가 형성된 서브챔버와, 상기 서브챔버 내부에 설치되어 상기 예열공간 내의 공기를 가열하는 히터를 포함한다.
본 발명에 따른 세포분류장치는 가열된 공기에 의한 대류 현상을 이용하여 공기의 흐름 또는 특정 방향으로의 기류를 발생시키고, 이 공기 흐름을 이용하여 측정대상 세포를 분류함으로써 형광분석을 이용한 세포 계수 및 분석 장치와 병행하여 사용시 세포 계수 및 분석을 더욱 정확하고 정밀하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 세포분류장치의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 세포분류장치의 기류발생부를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 세포분류장치의 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 세포분류장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 에는 본 발명에 따른 세포분류장치가 도시되어 있다. 도 1 내지 도 를 참조하면, 본 발명에 따른 세포분류장치는 메인챔버(100)와, 흐름채널부(200)와, 기류발생부(300)와, 수집부(400)를 포함하여 구성된다.
메인챔버(100)는 내부에 공간부(103)가 형성되고, 일 측 하부에는 외기를 내측 공간부(103)로 유입시키기 위한 입구(101)가 형성되며, 입구(101)와 대향되는 타 측 상부에는 공간부(103) 내의 공기를 배출시키기 위한 출구(102)가 형성된다.
흐름채널부(200)는 메인챔버(100)의 입구(101)와 출구(102) 사이의 메인챔버(100) 상측에 설치되어 메인챔버(100)의 공간부(103) 내부로 여러 종류의 측정대상 세포(220)들을 낙하시키는 것으로서, 여러 종류의 측정대상 세포(220)가 함유된 유체를 하방으로 흘려보낼 수 있도록 내부에 상하 길이방향을 따라 포커싱채널(210)이 형성되고, 하단 측에는 측정대상 세포(220)를 메인챔버(100)의 공간부(103)로 배출 및 낙하시키는 배출부(201)가 마련된다. 흐름채널부(200)는 배출부(201)가 메인챔버(100) 내부로 노출되게 설치된다.
기류발생부(300)는 메인챔버(100) 내부에 설치되어 입구(101)를 통해 유입되는 공기를 가열하며, 가열에 의해 상승하는 공기를 흐름채널부(200)의 배출부(201) 하방에서 흐름채널부(200)의 배출부(201)를 통해 배출되는 측정대상 세포(220)의 낙하 방향과 교차하는 방향으로 안내한다.
본 실시 예에서 기류발생부(300)는 흐름채널부(200)의 배출부(201)를 통해 배출되는 측정대상 세포(220)의 낙하 방향과 직교하는 방향으로 공기 흐름을 발생시키는 것으로 적용하였다.
기류발생부(300)는 덕트(310)와, 메인히터(320)와, 분할플레이트(330)를 포함하여 구성된다.
덕트(310)는 메인챔버(100)의 상하 길이방향과 대응되게 상하로 연장되고, 내부에는 상하 길이방향을 따라 통로가 형성된다.
덕트(310)는 입구(101) 측을 통해 유입되는 공기 전체를 상부로 이동시킬 수 있도록 하측 단부가 메인챔버(100)의 입구(101) 측에 설치되고, 상부는 내부에서 발생하는 기류가 흐름채널부(200)의 배출부(201) 측으로 공급될 수 있도록 흐름채널의 배출부(201) 측을 향해 일정 곡률을 갖도록 휘어지면서 상부로 연장될수록 내부가 좁아지도록 형성되며, 상측 단부는 흐름채널의 배출부(201) 하방에 인접하도록 배치된다.
메인히터(320)는 덕트(310)의 입구(101)와 인접하는 덕트(310)의 내측 하부에 설치된다. 메인히터(320)는 덕트(310)의 하단 측에서 가열된 공기가 덕트(310)의 상부로 이동하면서 지속적으로 가열될 수 있도록 덕트(310)의 상하 길이방향을 따라 설치된다.
분할플레이트(330)는 덕트(310)를 따라 덕트(310)의 상측으로 배출되는 기류에 난류가 발생하는 것을 방지하도록 덕트(310)의 상측 통로 일부를 복수로 구획하며, 동일 간격으로 이격되게 설치된다. 분할플레이트(330)는 덕트(310)의 형상과 대응되게 덕트(310)의 상측에서는 수평방향으로 연장되고 덕트(310)의 중간 부분에서는 덕트(310)의 곡률에 대응되는 곡률로 휘어지게 형성된다.
수집부(400)는 기류발생부(300)에 의해 발생하는 기류 및 측정대상 세포(220)의 종류별 세포의 자중 또는 무게 차이에 의해 서로 다른 낙하 경로로 낙하하는 측정대상 세포(220)를 각각 수집할 수 있도록 메인챔버(100) 내의 서로 다른 위치에 설치되는 복수의 컵부재(410)를 포함하여 구성된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 세포분류장치는 덕트(310) 내부의 메인히터(320)에 의해 공기가 가열되면서 덕트(310)를 따라 상승 기류가 발생하고, 이 기류가 점진적으로 좁아지는 덕트(310)의 상부를 통과하면서 덕트(310)의 상측 단부로는 일정한 속도 및 밀도를 갖는 수평방향의 기류가 발생한다. 그리고, 이 기류는 흐름채널부(200)의 배출부(201)를 통해 메인챔버(100) 내부로 낙하하는 세포(220)를 세포의 낙하방향과 교차하는 수평방향으로 세포를 이동시키는 힘으로 작용한다.
이때, 상대적으로 자중이 큰 세포(220)는 이 기류에 큰 영향을 받지 않고 하방으로 낙하하고, 상대적으로 자중이 작은 세포는 이 기류에 영향을 받아 곡선을 그리며 낙하한다. 즉, 메인히터(320)의 가열에 의해 발생하는 기류의 작용 및 세포 종류별 크기 및 자중에 따라 세포 종류별로 낙하 경로가 달라지며, 수집부(400)의 컵부재(410)는 서로 다른 낙하 경로 상에 설치되어 각각의 세포를 수집한다.
각 컵부재(410)에 수집되는 세포는 종류별로 분류되며, 각 컵부재(410)에 수집 및 포집된 세포는 별도의 광학장치를 통해 계수될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 세포분류장치는 도시된 바와 같이 메인챔버(100)의 입구(101)로 일정한 유량의 공기를 공급하도록 메인챔버(100)의 입구(101)에 결합된 메인공기공급관(150)의 단부에 설치되는 레귤레이터(510) 및 레귤레이터(510)에 공기를 공급하는 송풍기(520)를 더 구비할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 세포분류장치는 도 3에 도시된 바와 같이 송풍기(520) 및 레귤레이터(510)로 일정한 온도를 갖는 공기를 공급하는 예열부(600)를 더 구비할 수 있다.
도 3을 참조하면, 예열부(600)는 서브챔버(610)와, 서브히터(620)와, 연결관(630)을 포함하여 구성된다.
연결관(630)은 일 단이 송풍기(520)에 연결되고, 타 단은 서브챔버(610)의 상부에 연결된다.
서브챔버(610)는 내부에 예열을 위한 예열공간(613)이 형성되고, 하부에는 예열공간(613)으로 외기가 유입되는 유입구(611)가 형성되며, 상부에는 예열공간(613)에서 일정 온도로 예열된 공기를 레귤레이터(510) 측으로 배출시키기 위한 배출구(612)가 형성된다.
서브히터(620)는 서브챔버(610)의 유입구(611) 측에 설치되어 유입구(611)로 유입되는 공기를 즉시 일정 온도로 가열하여 가열된 공기를 서브챔버(610)의 상부로 이동되게 한다.
본 실시 예에 따른 세포분류장치는 메인챔버(100)로 공급되는 공기를 서브히터(620)를 통해 일정온도로 가열함으로써 메인챔버(100)로 공급되는 공기의 온도분포를 균일하게 하고, 메인챔버(100) 내의 메인히터(320)를 통해 예열된 공기의 온도분포가 더욱 균일하도록 가열할 수 있으며, 덕트(310) 내부에서 발생하는 상승 기류의 속도 및 밀도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 세포분류장치는 첨부된 도면을 참조로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100 : 메인챔버
101 : 입구
102 : 출구
103 : 공간부
200 : 흐름채널부
201 : 배출부
210 : 포커싱채널
220 : 측정대상 세포
300 : 기류발생부
310 : 덕트
320 : 메인히터
330 : 분할플레이트
400 : 수집부
410 : 컵부재
510 : 레귤레이터
520 : 송풍기
600 : 예열부
610 : 서브챔버
620 : 서브히터
630 : 연결관

Claims (5)

  1. 내부에 공간부가 형성되고, 일 측 하부에는 외기를 상기 공간부로 유입시키기 위한 입구가 형성되며, 상기 입구와 대향되는 타 측 상부에는 상기 공간부의 공기를 배출시키기 위한 출구가 형성된 메인챔버와;
    상기 메인챔버의 상기 입구와 상기 출구 사이의 상기 메인챔버 상측에 설치되어 상기 메인챔버의 상기 공간부로 여러 종류의 측정대상 세포들을 낙하시키는 것으로서, 여러 종류의 측정대상 세포가 함유된 유체를 하방으로 흘려보낼 수 있도록 내부에 상하 길이방향을 따라 포커싱채널이 형성되고, 하단 측에는 상기 측정대상 세포를 상기 메인챔버의 공간부로 배출 및 낙하시키는 배출부가 마련된 흐름채널부와;
    상기 메인챔버 내부에 설치되어 상기 입구를 통해 유입되는 공기를 가열하며, 가열에 의해 상승하는 공기를 상기 흐름채널부의 상기 배출부 하방에서 상기 흐름채널부의 배출부를 통해 배출되는 측정대상 세포의 낙하 방향과 교차하는 방향으로 안내하는 기류발생부;
    상기 기류발생부에 의해 발생하는 기류 및 상기 측정대상 세포의 자중 차에 의해 서로 다른 낙하 경로로 낙하하는 측정대상 세포를 각각 수집할 수 있도록 상기 메인챔버 내의 서로 다른 위치에 설치되는 복수의 컵부재를 포함하는 수집부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 세포분류장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기류발생부는
    상하로 연장되고, 내부에는 상하 길이방향을 따라 통로가 형성되며, 하부가 상기 메인챔버의 상기 입구 측에 설치되고, 상부는 상기 흐름채널부의 배출부 측으로 휘어지도록 형성되며, 상부로 연장될수록 좁아지도록 형성된 덕트와,
    상기 입구와 인접하는 상기 덕트의 내측 하부에 설치되는 히터와,
    상기 덕트를 따라 덕트의 상측으로 배출되는 기류에 난류가 발생하는 것을 방지하도록 상기 덕트의 상측 통로 일부를 복수로 구획하며, 동일 간격으로 이격되게 설치되는 복수의 분할플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포분류장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인챔버의 상기 입구로 일정한 유량의 공기를 공급하는 레귤레이터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 세포분류장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레귤레이터로 일정한 온도를 갖는 공기를 공급하는 예열부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 세포분류장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 예열부는 내부에 예열공간이 형성되고, 하부에는 상기 예열공간으로 외기가 유입되는 유입구가 형성되고, 상부에는 예열공간의 공기가 상기 레귤레이터 측으로 배출되는 배출구가 형성된 서브챔버와, 상기 서브챔버 내부에 설치되어 상기 예열공간 내의 공기를 가열하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 세포분류장치.
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