KR102010268B1 - 미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포 배양 방법 및 세포 영상 분석 장치 - Google Patents

미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포 배양 방법 및 세포 영상 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따라, 미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포 배양 방법 및 세포 영상 분석 장치가 제공된다. 상기 미세유체 세포칩은 복수의 유체가 각각 주입되는 복수의 유입부; 상기 복수의 유입부에 연결되고, 상기 유체의 농도가 연속 희석되는 농도구배 미세유체 채널; 상기 농도구배 미세유체 채널에 연결되고, 세포의 배양이 이루어지는 세포 배양 챔버; 상기 세포 배양 챔버 상에 형성되고, 상기 세포가 주입되는 세포 주입부; 및 상기 세포 배양 챔버에 연결되는 배출부를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 미세유체 세포칩은 유입부 및 배출부 외에 세포 주입부를 별개로 형성함으로써 세포의 주입 및 배양 능력을 향상시킬 수 있다.

Description

미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포 배양 방법 및 세포 영상 분석 장치{MICROFLUIDIC CELL CHIP, METHOD FOR CELL CULTURE AND CELL IMAGE ANALYZING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포 배양 방법 및 세포 영상 분석 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 유입부 및 배출부 외에 세포 주입부를 별개로 형성함으로써 세포의 주입 및 배양 능력을 향상시키는 미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포 배양 방법 및 세포 영상 분석 장치에 관한 것이다.
미세유체 세포칩은 미세유체 채널을 통해 유체를 흘려보내 여러 가지 실험을 한꺼번에 수행할 수 있는 기능을 갖는다. 구체적으로, 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 기관을 이용하여 미세 채널을 만들고, 이러한 채널을 통해 유체(예를 들어, 액체 시료)를 이동시킨 후, 미세유체 세포칩 내의 복수의 챔버에서 세포와 서로 혼합 및 반응하게 할 수 있다. 이와 같이, 종래에 실험실에서 행해지던 실험들을 작은 칩 내에서 수행한다는 점에서, 미세유체 세포칩은 "랩-온-어-칩"(lab-on-a-chip)이라 불리기도 한다.
미세유체 세포칩은 제약, 생물공학, 의학 등의 분야에서 비용과 시간절감의 효과를 창출해 낸 것은 물론 정확도, 효율성 및 신뢰성을 높일 수 있다. 예를 들어, 미세유체 세포칩을 사용함으로서 단백질과 DNA 분석에 사용되는 값 비싼 시약들의 사용량을 기존의 방법보다 현저히 줄일 수 있어 상당한 비용 절감 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 단백질 샘플이나 세포 샘플도 기존의 방법보다 훨씬 적은 양이 사용되므로 샘플 낭비를 줄일 수 있다.
도 1은 종래 미세유체 세포칩을 도시한다. 미세유체 세포칩(100)은 유입부(110); 확산 희석 구간(120); 세포 배양 구간(130); 및 배출부(140)를 포함할 수 있다.
유입부(110)로부터 유입된 유체는 미세유체의 확산 희석 구간(120)을 거치면서 농도구배가 형성되어 세포 배양 구간(130)으로 유입된다. 유체는 세포 배양 구간(130)에서 세포와 반응하는데, 이러한 세포는 유입부(110)로부터 주입될 수 있다. 마찬가지로, 배출부(140)는 유체를 배출하는 역할을 하기도 하지만, 세포를 주입하는 세포 주입부로서의 역할을 할 수도 있다. 즉, 배출부(140)로 유입된 세포가 세포 배양 구간(130)에 부착될 수 있다. 이와 같이, 종래 미세유체 세포칩은 세포의 주입 또는 배출이 유입부 또는 배출부를 통해서만 가능하였다. 유입부 또는 배출부는 세포와 반응하기 위한 유체가 주입되거나, 실험이 완료된 유체 또는 세포가 배출되기 위한 것으로서, 이를 이용한 세포의 주입 또는 배출은 미세유체 세포칩을 이용한 실험의 정확도 및 효율성을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다. 즉, 미세유체 세포칩의 유입부 또는 배출부는 세포가 위치하는 세포 배양 챔버와는 거리가 있어 세포를 원하고자 하는 정확한 위치에 배열시키는데 어려움이 있다. 상대적으로 거리가 가까운 배출부를 이용하여 세포를 주입하는 것이 일반적이었으나, 이러한 경우 미세유체 세포칩의 배출부 방향으로 이용하여 세포를 주입하여 세포 배양 챔버에 세포를 위치시키고 그 후에 농도구배를 형성하기 위한 유체를 주입하게 되는데, 이때 채널 내 기포 제거를 위해 초기에는 고속/고압으로 유체를 주입하게 되며, 이로 인해 먼저 주입되었던 세포가 유실될 수 있었다. 또한, 이로 인해 세포 배양 챔버 내에 위치시키고자 하는 세포의 정확한 세포수/밀도(seeding density)를 조절하기가 용이하지 않았다.
따라서 미세유체 세포칩에서 세포의 주입 및 배양 능력을 향상시킬 수 있는 구성 및 그에 관한 기술이 요구된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유입부 및 배출부 외에 세포 주입부를 별개로 형성함으로써 세포의 주입 및 배양 능력을 향상시키는 미세유체 세포칩, 이를 이용한 세포 배양 방법 및 세포 영상 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 미세유체 세포칩이 제공된다. 상기 미세유체 세포칩은 복수의 유체가 각각 주입되는 복수의 유입부; 상기 복수의 유입부에 연결되고, 상기 유체의 농도가 연속 희석되는 농도구배 미세유체 채널; 상기 농도구배 미세유체 채널에 연결되고, 세포의 배양이 이루어지는 세포 배양 챔버; 상기 세포 배양 챔버 상에 형성되고, 상기 세포가 주입되는 세포 주입부; 및 상기 세포 배양 챔버에 연결되는 배출부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 농도구배 미세유체 채널은 복수 개로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 세포 배양 챔버는 복수 개로 형성되고, 각각의 상기 세포 배양 챔버는 상이한 농도의 유체가 수용되도록 상기 농도구배 미세유체 채널에 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 배출부는 복수 개로 형성되고, 각각의 상기 배출부는 각각의 상기 세포 배양 챔버에 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세유체 세포칩은 상기 세포 주입부를 개방 또는 폐쇄하는 개폐부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 미세유체 세포칩을 이용한 세포 배양 방법이 제공된다. 상기 세포 배양 방법은 유입부를 통해 복수의 상이한 유체를 주입하는 단계; 상기 유체가 농도구배 미세유체 채널을 통과하면서 연속 희석됨으로써 농도구배를 형성하는 단계; 및 세포 주입부를 통해 세포 배양 챔버로 세포를 주입하여 세포를 배양하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 세포 영상 분석 장치가 제공될 수 있다. 세포 영상 분석 장치는 상기 미세유체 세포칩; 및 광학 영상 분석 장치를 포함할 수 있다. 광학 영상 분석 장치는 실시간으로 세포 배양 챔버를 촬영 및 분석할 수 있다.
본 발명에 따르면 세포 배양 챔버 상의 세포 주입부를 통해 정확하고 용이하게 직접 세포를 주입 또는 배출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 세포 주입부가 세포 배양 챔버 상에 각각 존재하기 때문에, 세포의 정확한 세포수/밀도를 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 농도구배를 먼저 발생시킨 후 세포를 주입함으로써, 세포 유실의 위험성을 현저히 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래 미세유체 세포칩을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩의 정면을 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩의 배면을 도시한다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩의 일부의 측면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 방법을 도시한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 한편, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩의 정면을 도시한다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩의 배면을 도시한다. 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩의 일부의 측면도를 도시한다.
도 2a 내지 2c를 참조하면, 미세유체 세포칩(200)은 유입부(210); 배출부(220); 농도구배 미세유체 채널(230); 세포 배양 챔버(240); 세포 주입부(250)를 포함할 수 있다.
세포 배양 챔버(240)에서 세포와 반응하게 되는 유체가 유입부(210)를 통해 주입되고, 배출부(220)를 통해 배출될 수 있다. 유입부(210)는 복수 개로 형성될 수 있으며, 각 유입부(210)에는 예를 들어, 농도가 상이한 유체가 주입될 수 있다. 상이한 유체는 서로 혼합되어 다양한 농도를 갖는 유체로 분화되며, 이후 세포 배양 챔버(240)에서 세포와 반응할 수 있다. 배출부(220)는 복수 개로 형성될 수 있으며, 각 배출부(220)는 세포 배양 챔버(240)에 연결될 수 있다.
농도구배 미세유체 채널(230)은 유입부(210)에 연결되고, 유입부(210)를 통해 주입된 유체의 농도를 연속적으로 희석시킬 수 있다. 농도구배 미세유체 채널(230)은 유체로 하여금 농도구배 미세유체 채널(230)을 통과하는 동안 여러 차례에 걸쳐 희석되게 함으로써 다양한 농도의 유체를 세포 배양 챔버(240)에 제공할 수 있다. 이를 위해 농도구배 미세유체 채널(230)은 복수 개로 형성될 수 있다.
도시되는 바와 같이, 농도구배 미세유체 채널(230)에서, 각각의 유입부(210)로부터의 채널이 하나 이상의 채널로 분기되며, 여기서 분기된 채널들 중 일부는 서로 결합하여 하나의 채널을 형성하고 있다. 상기 채널 각각은 다시 하나 이상의 채널들로 분기되고, 분기된 채널들 중 일부는 서로 결합하여 하나의 채널을 형성하고 있다. 이러한 과정을 반복하면서, 농도구배 미세유체 채널(230)은 유체가 이동할 수 있는 다양한 경로를 형성할 수 있으며, 이와 같은 다양한 농도구배의 구현을 통해 본 발명에 따른 미세유체 세포칩에서는 유체의 다양한 조건에 따른 세포의 감응성을 효율적으로 분석할 수 있다.
세포 배양 챔버(240)는 복수 개로 형성되고, 각각의 세포 배양 챔버(240)는 복수 개로 형성된 농도구배 미세유체 채널(230) 각각에 연결되어, 농도구배 미세유체 채널(230)로부터 전달되는 상이한 농도의 유체를 수용할 수 있다.
세포 주입부(250)를 통해 세포 배양 챔버(240)로 세포가 주입 또는 배출될 수 있다. 세포 주입부(250)는 세포 배양 챔버(240)와 외부를 연결하는 통로 구조를 형성할 수 있다. 세포 배양 챔버(240)로의 세포 주입 또는 배출을 용이하게 하기 위해 세포 주입부(250)는 세포 배양 챔버(240) 상에 각각 형성될 수 있다. 또한, 세포 주입부(250) 상에는 개폐부(260)가 형성되어, 세포 주입부(250)를 개방 또는 폐쇄할 수 있다.
종래 미세유체 세포칩은 유입부 또는 배출부를 통해 세포를 주입하였기 때문에, 세포를 세포 배양 챔버 내에 정확히 배열시키는데 어려움이 있었다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면 세포 배양 챔버(240) 상에 위치한 세포 주입부(250)를 통해 정확하고 용이하게 세포를 직접 주입 또는 배출할 수 있게 된다. 또한, 세포 주입부(250)가 세포 배양 챔버(240) 상에 각각 존재하기 때문에, 각 세포 배양 챔버(240) 별로 세포의 정확한 세포수/밀도(seeding density)를 용이하게 조절할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 방법을 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법(300)은, 도 2a 내지 2c를 참조하여 상술한 본 발명의 실시예에 따른 미세유체 세포칩(200)을 이용하여 수행될 수 있다.
도 2 내지 3을 참조하면, S310 단계에서, 유입부(210)를 통해 유체를 주입할 수 있다. 복수의 상이한 유체가 유입부(210)에 주입될 수 있다.
S320 단계에서, 유입부(210)를 통해 주입된 유체가 농도구배 미세유체 채널(230)을 통과하면서 연속 희석됨으로써 농도구배를 형성할 수 있다.
S330 단계에서, 세포 주입부(250)를 통해 세포 배양 챔버(240)로 세포를 주입함으로써 세포를 배양할 수 있다.
종래에는 미세유체 세포칩의 배출부를 통해 세포를 주입하여 세포 배양 챔버에 세포를 위치시키고 그 후에 농도구배를 형성하기 위한 유체를 주입하였다. 이때 채널 내 기포 제거를 위해 초기에는 고속/고압으로 유체를 주입하게 되는데, 이와 같이 주입되는 유체로 인해 먼저 주입되었던 세포가 유실될 수 있었다. 그러나 본 발명은 농도구배를 먼저 발생시킨 후 세포를 주입함으로써, 유체 주입에 따른 세포 유실의 위험성을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 세포 영상 분석 장치가 제공될 수 있다. 세포 영상 분석 장치는 도 2를 참조하여 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 세포칩; 및 광학 영상 분석 장치를 포함할 수 있다. 광학 영상 분석 장치는 실시간으로 세포 배양 챔버를 촬영 및 분석하기 위한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 적용 가능한 다양한 광학 영상 분석 장치가 이용될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
200 미세유체 세포칩 210 유입부
220 배출부 230 농도구배 미세유체 채널
240 세포 배양 챔버 250 세포 주입부
260 개폐부

Claims (7)

  1. 복수의 유체가 각각 주입되는 복수의 유입부;
    상기 복수의 유입부에 연결되고, 상기 유체의 농도가 연속 희석되는 복수 개의 농도구배 미세유체 채널;
    상기 농도구배 미세유체 채널에 연결되고, 세포의 배양이 이루어지는 복수 개의 세포 배양 챔버;
    각각의 세포 배양 챔버 상에 형성되고, 상기 세포가 주입 또는 배출되는 세포 주입부;
    상기 각각의 세포 배양 챔버에 연결되는 복수 개의 배출부; 및
    상기 세포 주입부를 개방 또는 폐쇄하는 개폐부;
    를 포함하고,
    상기 세포 주입부는 세포 배양 챔버와 외부를 연결하는 통로 구조를 형성하며,
    상기 각각의 세포 배양 챔버는 상이한 농도의 유체가 수용되도록 상기 농도구배 미세유체 채널에 연결되는, 미세유체 세포칩.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 따른 미세유체 세포칩; 및
    실시간으로 세포 배양 챔버를 촬영 및 분석하는 광학 영상 분석 장치를 포함하는, 세포 영상 분석 장치.
  7. 제1항에 따른 미세유체 세포칩을 이용한 세포 배양 방법으로서,
    유입부를 통해 복수의 상이한 유체를 주입하는 단계;
    상기 유체가 농도구배 미세유체 채널을 통과하면서 연속 희석됨으로써 농도구배를 형성하는 단계; 및
    세포 주입부를 통해 세포 배양 챔버로 세포를 주입하여 세포를 배양하는 단계
    를 포함하는, 세포 배양 방법.
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