KR102127469B1

KR102127469B1 - 세포배양장치 및 이를 이용한 세포배양시스템

Info

Publication number: KR102127469B1
Application number: KR1020180094579A
Authority: KR
Inventors: 양성; 이승엽
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2020-06-26
Also published as: KR20200019021A

Abstract

본 발명은 세포배양장치 및 이를 이용한 세포배양시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 세포배양장치는, 산소 소모성 물질이 수용되는 컨테이너와, 상기 컨테이너에 수용되어 배양하고자 하는 세포가 마련되는 세포배양조를 갖는 세포배양용기; 및 상기 컨테이너와 상기 세포배양조가 통기하는 통기구를 형성하며 상기 세포배양용기에 장착되어, 상기 세포배양조로 배양 배지 및 시약을 제공하고, 상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 미세유체장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

세포배양장치 및 이를 이용한 세포배양시스템{CELL CULTURE APPARATUS AND CELL CULTURE SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은, 세포배양장치 및 이를 이용한 세포배양시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 특정 산소 농도에서 세포를 배양하기 위한 세포배양장치 및 이를 이용한 세포배양시스템에 관한 것이다.

질병의 치료에 배양세포들을 이용하는 세포 치료가 확대됨에 따라 세포 배양에 대한 관심이 높아지고 있다.

암 및 줄기 세포를 포함한 다양한 생물학적 조건에서 산소는 필수적인 역할을 하며, 다양한 줄기 세포 환경에서 낮은 산소 분압이 관찰된다.

특히, 생체의 건강한 정상 세포 또한 대기 산소 분압보다 낮은 산소 환경에 존재한다.

이에, 체내 조건을 재현하기 위해서는 세포배양 시 저산소 상태를 구축하는 것이 중요하다.

세포배양용기에 사용할 수 있는 저산소 세포 배양 시스템으로서, 저산소 배양 챔버, 산소 제어 글로브 박스 등이 있다.

저산소 배양 챔버는 세포배양용기를 저산소 배양 챔버 내부에 넣고 챔버를 잠근 후 챔버 내부로 통해 있는 가스 주입구를 통해 특정 산소 농도의 혼합 가스를 주입하여 세포를 배양한다.

이러한 저산소 배양 챔버는 실험적 처치를 수행하기 위해 저산소 배양 기간 동안 챔버를 다시 열어야 하며, 이 과정에서 배양중인 세포가 대기 산소에 노출되어, 세포의 재산소화로 인하여 활성산소종의 생성을 유발하고 세포 생존율을 감소시키게 된다. 따라서, 저산소 배양 중인 세포의 재산소화는 연구 및 진단에 오류를 줄 염려가 있다.

한편, 산소 조절 글로브 박스는 밀폐된 박스 내부에 특정 산소 농도의 혼합 가스를 주입하고, 박스를 열지 않은 상태로 외부에서 접근 가능한 글로브를 이용해 내부를 조작하는 방식으로, 내부에 배양기가 있는 경우 특정 산소 농도에서 세포배양이 가능하며, 실험적 처치 도중 세포의 재산소화를 방지할 수 있다.

그러나, 산소 조절 글러브 박스는 재산소화 문제를 방지할 수 있지만, 장비의 크기가 커서 큰 공간을 차지하며, 가격 또한 고가이고, 사용하기도 불편한 문제점이 있다. 따라서, 소규모 실험실에서 산소 조절 글러브 박스를 설치하여 실험하는 것은 현실적으로 어렵다.

이에, 배양되는 세포의 재산소화를 방지하고, 세포배양용기에서 정교한 산소 제어를 수행할 수 있으며, 크기가 작고 저가이고 사용하기 편리한 세포배양장치의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

국내등록특허 제10-1422345호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 장치의 크기를 소형화하여 차지하는 공간을 줄이고, 가격을 낮추고, 사용하기 편리하면서, 주입되는 배양 배지 및 시약의 용존 산소를 감소시켜 배양되는 세포의 재산소화를 방지하고, 세포배양용기에서 정교한 산소 제어를 수행할 수 있는 세포배양장치 및 이를 이용한 세포배양시스템을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.

본 발명의 목적은, 산소 소모성 물질이 수용되는 컨테이너와, 상기 컨테이너에 수용되어 배양하고자 하는 세포가 마련되는 세포배양조를 갖는 세포배양용기; 및 상기 컨테이너와 상기 세포배양조가 통기하는 통기구를 형성하며 상기 세포배양용기에 장착되어, 상기 세포배양조로 배양 배지 및 시약을 제공하고, 상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 미세유체장치를 포함하는, 세포배양장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 미세유체장치는, 판 형상의 글라스 커버; 및 상기 글라스 커버의 하부에 밀착하며, 하나 이상의 층으로 이루어진 멤브레인 부재를 포함할 수 있다.

상기 멤브레인 부재는, 상기 세포배양조로 배양 배지 및 시약을 제공하기 위한 제1채널; 상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 제2채널; 및 상기 컨테이너의 산소 소모성 물질 및 폐물질을 배출하기 위한 제3채널을 포함할 수 있다.

상기 제2채널에는 상기 산소 소모성 물질 및 기체를 상기 컨테이너 저부로 유도하기 위한 주입 튜브가 연결될 수 있다.

상기 제3채널에는 상기 컨테이너에 수용되는 산소 소모성 물질이 상기 통기구를 통해 상기 세포배양조로 넘치지 않도록 산소 소모성 물질을 배출시키거나, 폐물질을 배출시키는 배출 튜브가 연결될 수 있다.

상기 멤브레인 부재는, 상기 통기구를 형성하며 상기 세포배양조의 상단에 밀착 지지하고, 상기 세포배양조와 상기 컨테이너를 차폐하는 차폐막을 더 포함할 수 있다.

상기 멤브레인 부재의 하단에 마련되어, 상기 세포배양용기의 산소 농도를 센싱하는 산소 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 글라스 커버는 산소를 포함하는 기체를 투과하지 않는 물질로 이루어지고, 상기 멤브레인 부재는 산소를 포함하는 기체를 투과하는 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 산소 소모성 물질이 수용되는 컨테이너와, 상기 컨테이너에 수용되어 배양하고자 하는 세포가 마련되는 세포배양조를 갖는 세포배양용기; 상기 컨테이너와 상기 세포배양조가 통기하는 통기구를 형성하며 상기 세포배양용기에 장착되어, 상기 세포배양조로 제공되는 배양 배지 및 시약의 용존 산소를 감소시키고, 상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 미세유체장치; 상기 미세유체장치에 마련되어, 상기 세포배양용기의 산소 농도를 센싱하는 산소 센서; 상기 산소 센서에 광자극을 전달하여 광학적 방법으로 세포배양용기의 산소 농도값을 측정하는 산소 농도 측정기; 상기 산소 농도 측정기로부터 전달받은 상기 세포배양용기의 산소 농도값에 기초하여 상기 미세유체장치를 통해 주입하는 산소 소모성 물질 또는 기체 투입량을 결정하는 제어부; 및 상기 제어부의 명령에 따라 상기 미세유체장치로 산소 소모성 물질 및 기체를 투입하는 주입장치를 포함하는, 세포배양시스템에 의해서도 달성될 수 있다.

여기서, 상기 미세유체장치는, 판 형상의 글라스 커버; 및 상기 글라스 커버의 하부에 밀착하며, 하나 이상의 층으로 이루어진 멤브레인 부재를 포함하고, 상기 멤브레인 부재는, 상기 세포배양조로 배양 배지 및 시약을 제공하기 위한 제1채널; 상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 제2채널; 및 상기 컨테이너의 산소 소모성 물질 및 폐물질을 배출하기 위한 제3채널을 포함할 수 있다.

상기 제2채널에는 상기 산소 소모성 물질 및 기체를 상기 컨테이너 저부로 유도하기 위한 주입 튜브가 연결되고, 상기 제3채널에는 상기 컨테이너에 수용되는 산소 소모성 물질이 상기 통기구를 통해 상기 세포배양조로 넘치지 않도록 산소 소모성 물질을 배출시키거나, 폐물질을 배출시키는 배출 튜브가 연결될 수 있다.

상기 상기 멤브레인 부재는, 상기 통기구를 형성하며 상기 세포배양조의 상단에 밀착 지지하고, 상기 세포배양조와 상기 컨테이너를 차폐하는 차폐막을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 장치의 크기를 소형화하여 차지하는 공간을 줄이고, 주입되는 배양 배지 및 시약의 용존 산소를 감소시킴으로써 배양되는 세포의 재산소화를 방지하고, 세포배양용기에서 정교한 산소 제어를 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양시스템의 구성도,
도 2는 도 1의 세포배양용기의 사시도,
도 3은 도 1의 미세유체장치의 제작 과정을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 세포배양시스템을 이용하여 세포 배양시 세포배양용기의 세포배양조에서의 산소 분압(pO2) 변화를 실험한 결과를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 세포배양시스템에서 자동 산소 분압 제어에 대한 실험결과를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 세포배양시스템을 이용해 주입한 배양 배지 및 시약의 용존 산소가 감소됨을 보이는 실험결과를 도시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양시스템이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양시스템(1)은 세포배양장치(10), 산소농도측정기(100), 제어부(200), 주입장치(300)를 포함한다.

세포배양시스템(1)의 주 구성요소인 세포배양장치(10)에 대해서는 후술하기로 한다.

산소 농도 측정기(100)는 광학적 방법으로 세포배양장치(10) 내 산소 농도를 측정한다. 구체적으로 세포배양장치(10)는 산소 센서(51)를 포함하고 있으며, 산소 농도 측정기(100)는 산소 센서(51)를 광학적으로 자극하여 그에 대한 반응값을 측정한다.

제어부(200)는 산소 농도 측정기(100)로부터 전달받은 세포배양용기(11)의 산소 농도값에 기초하여 세포배양용기(11) 내의 산소 농도를 판단한다. 또한, 제어부(200)는 판단된 산소 농도값에 기초하여 추가적인 산소 소모성 물질의 투입량 또는 공기 혹은 기타 기체 투입량을 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(200)는 결정된 산소 소모성 물질의 투입량 또는 공기 혹은 기타 기체 투입량에 기초하여, 주입장치(300)의 동작을 제어할 수 있다.

이러한 제어부(200)에는 상술한 동작을 제어하기 위한 알고리즘이 프로그램화 되어 있을 수 있으며, 여기서 제어부(200)는 프로그램 자체를 의미하거나, 프로그램이 설치된 연산 장치를 의미할 수도 있다.

주입장치(300)는 제어부(200)의 제어 명령에 따라 산소 소모성 물질 또는 공기, 질소 등과 같은 기체를 세포배양장치(10)로 주입한다. 여기서, 주입장치(300)로서 주사 펌프 등이 사용될 수 있다.

세포배양장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 세포배양용기(11)와 미세유체장치(21)를 포함한다.

세포배양용기(11)는 컨테이너(13)와 세포배양조(15)를 포함한다.

세포배양용기(11)는 상방이 개구된 속이 빈 원통 형상을 가진다.

컨테이너(13)의 중앙에는 별도의 용기로 마련된 세포배양조(15)가 수용되어 있다.

이에, 세포배양조(15)는 컨테이너(13)와 독립적으로 마련된다.

한편, 세포배양조(15)의 측벽은 컨테이너(13)의 측벽보다 낮은 높이를 가진다. 즉, 컨테이너(13)와 세포배양조(15)는 단차를 형성한다.

한편, 컨테이너(13)에는 세포배양용기(11)로 공급되는 산소의 양을 조절하기 위한 산소 소모성 물질(oxygen scavenger) 및 기체가 수용된다.

세포배양조(15)에는 배양하고자 하는 세포가 마련된다.

여기서, 컨테이너(13)와 세포배양조(15)를 각각 별도의 용기로 마련하여, 컨테이너(13)의 내부에 세포배양조(15)를 수용하는 것으로 도시되어 있지만 이에 한정되지 않고, 하나의 용기 내부에 격벽을 마련하여, 격벽으로 컨테이너(13)와 세포배양조(15)를 각각 독립적으로 구획 형성할 수도 있다. 또한, 또 다른 실시예로서, 컨테이너(13)와 세포배양조(15)를 각각 별도의 용기로 마련하여, 컨테이너(13)에 세포배양조(15)를 수용하지 않고, 각 용기를 상호 연접시켜 세포배양용기를 형성할 수도 있다.

미세유체장치(21)는 세포배양용기(11)의 상방 개구를 덮는 덮개 형태를 가진다. 미세유체장치(21)는 글라스 커버(23)와 멤브레인 부재(31)를 포함한다.

글라스 커버(23)는 판 형상을 가지며, 산소 또는 기타 기체 투과도가 상대적으로 매우 낮거나, 산소 또는 기타 기체가 투과되지 않는 소재로 이루어지며, 일 예로 글라스 커버(23)는 유리 재질로 이루어질 수 있다.

멤브레인 부재(31)는 글라스 커버(23)의 하부에 밀착하며, 도 3에 도시된 바와 같이 하나 이상의 층으로 이루어진다. 멤브레인 부재(31)는 산소를 포함하는 기체를 투과하는 물질로 이루어지며, 바람직하게는 고분자물질로서 PDMS(polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있다.

멤브레인 부재(31)는 제1채널(33)과, 제2채널(37)과, 제3채널(39)을 포함한다. 각 채널(33,37,39)은 서로 연통하지 않도록 독립적으로 마련된다.

제1채널(33)은 세포배양조(15)로 배양 배지 및 시약을 제공하기 위한 통로로서, 세포배양용기(11)의 세포배양조(15)와 연통하도록 마련된다. 사용자는 배양 목적에 따라 제1채널(33)을 통해 배양 배지 및 시약을 직접 주입할 수 있다. 제1채널(33)은 주입 중인 시약의 용존 산소 농도를 감소시키도록 미세한 채널로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 제1채널(33)과 연결되는 경로 상에는 제1채널(33)을 통해 외부로 시약 또는 산소 소모성 물질 등이 역류하는 것을 방지하는 역류방지밸브(35)가 마련될 수도 있다.

제2채널(37)은 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 통로로서, 세포배양용기(11)의 컨테이너(13)와 연통하도록 마련된다. 여기서, 일 예로 산소 소모성 물질은 아황산나트륨(sodium sulfite)과 코발트(cobalt) 촉매일 수 있다. 제2채널(37)을 통해 주입되는 산소 소모성 물질은 미세유체장치(21)를 통해 세포배양용기(11)로 공급되는 산소의 양을 조절한다. 예를 들어, 현재 세포배양용기(11) 내 산소 농도가 실험자가 원하는 수준 이하인 경우, 산소 소모성 물질의 주입량이 줄어들거나, 주입이 중지될 수 있다. 반대의 경우, 제2채널(37)을 통해 주입되는 산소 소모성 물질의 주입량이 늘어날 수 있다. 주입된 산소 소모성 물질은 멤브레인 부재(31)의 주변을 통해 확산하는 산소를 화학결합 혹은 촉매반응으로 소모할 수 있다. 산소 소모성 물질은 액체 혹은 기체일 수 있고 화학 반응 혹은 확산 반응에 의해 세포배양장치(10)의 산소를 소모할 수 있다. 여기서, 산소 소모성 물질 및 기체는 제2채널(37)을 통해 동시에 주입되거나, 또는 각각 별도로 주입될 수도 있다. 또한, 제2채널(37)을 통해 주입되는 기체로서 질소 가스, 공기 등이 적용될 수 있다.

한편, 제2채널(37)에는 산소 소모성 물질 및 기체를 컨테이너(13) 저부로 유도하기 위한 주입 튜브(41)가 연결되어 있다.

제3채널(39)은 컨테이너(13)의 산소 소모성 물질 및 폐물질을 배출하기 위한 통로로서, 세포배양용기(11)의 컨테이너(13)와 연통하도록 마련된다.

제3채널에는 컨테이너(13)에 수용되는 산소 소모성 물질 및 폐물질을 배출시키는 배출 튜브(43)가 연결되어 있다. 배출 튜브(43)의 말단부는 세포배양조(15)의 측벽보다 상대적으로 낮은 높이에 위치하게 된다.

이에 따라, 컨테이너(13)에 수용되는 산소 소모성 물질이 과잉 주입되면, 산소 소모성 물질은 세포배양조(15)의 측벽 상단 일 영역을 통해, 구체적으로는 통기구(47)를 통해 세포배양조(15)로 유입하지 않고, 배출 튜브(43)를 통해 원활하게 배출되어, 세포배양용기(11) 내부를 장시간 동안 저산소 환경을 유지할 수 있게 된다.

또한, 이러한 배출 튜브(43)는 제2채널(37)을 통해 산소 소모성 물질이 주입될 때 세포배양용기(11) 내부 압력을 유지하기 위해 기존의 내부 물질 예컨대, 폐물질이 배출되는 데 사용될 수 있다. 한편, 산소 소모성 물질 및 폐물질을 배출할 때, 제1채널(33)의 경로상에 마련된 역류방지밸브(35)에 의해 산소 소모성 물질 및 폐물질은 배출 튜브(43) 및 제3채널(39)을 통해서만 외부로 배출된다.

또한, 세포배양용기(11)를 향하는 멤브레인의 판면에는 링 형상의 차폐막(45)이 돌출 형성되어 있다. 차폐막(45)은 세포배양조(15)의 측벽 상단에 밀착되어, 세포배양조(15)와 컨테이너(13)를 차폐한다. 또한 차폐막(45)의 일 영역에는 세포배양조(15)와 컨테이너(13) 사이를 연통시켜 통기하기 위한 통기구(47)가 형성되어 있다.

이에 따라, 통기구(47)를 통해 컨테이너(13)와 세포배양조(15)의 산소 확산이 촉진되어, 세포배양용기(11)에서의 산소 분압을 신속하게 저감시킬 수 있게 된다. 한편, 이러한 공기 중에서의 산소 확산 계수는 멤브레인 부재(31)에서의 산소확산계수보다 훨씬 크다.

산소 센서(51)는 멤브레인 부재(31)의 하단에 마련되어, 세포배양용기(11)의 산소 농도를 센싱한다. 산소 센서(51)는 산소 농도 측정기(100)로부터 광학적 자극을 받아 그에 대한 반응 신호를 전달할 수 있다. 여기서, 산소 센서(51)는 비침습식 산소 센서일 수 있다. 다른 실시예로서, 산소 센서(51)는 침습식 혹은 비광학식으로도 구성할 수 있다.

한편, 도 3에는 전술한 미세유체장치(21)의 제작 과정을 나타내는 도면이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 미세유체장치(21)의 최상단에 글라스 커버(23)가 마련되며, 그 아래로 단층 혹은 복수의 멤브레인 부재(31)가 결합되어 미세유체장치(21)가 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 멤브레인 부재(31)는 각각 채널 구성을 위한 형상이 마련될 수 있다.

이러한 구성에 의하여, 세포배양용기(11)에 배양하고자 하는 세포를 수용한 후, 세포배양용기(11)의 상방에 미세유체장치(21)를 덮어 세포배양장치(10)를 형성한다.

다음, 미세유체장치(21)의 상방에 산소 농도 측정기(100)를 배치하고, 산소 농도 측정기(100)를 제어부(200)와 전선 또는 통신 모듈을 통해 전기적으로 연결한다.

이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양시스템(1)이 구성된다.

그리고, 산소 농도 측정기(100)를 통해 산소 센서(51)를 광학적으로 자극하여 그에 대한 측정값을 전달받아, 제어부(200)는 세포배양용기(11) 내의 산소 농도를 판단한다.

제어부(200)는 판단된 산소 농도값에 기초하여, 원하는 세포 배양 조건하에서의 추가적인 산소 소모성 물질의 투입량을 결정하여, 주입장치(300)에 제어 명령을 전송하거나, 또는 도시하지 않은 디스플레이부를 통해 투입량을 디스플레이한다.

한편, 제2채널(37)을 통해 주입되는 산소 소모성 물질은 세포배양용기(11)로 공급되는 산소의 양을 조절하기 위한 것이므로, 세포배양용기(11) 내 산소 농도가 실험자가 원하는 수준 이하인 경우, 산소 소모성 물질의 주입량이 줄어들거나, 주입이 중지될 수 있다. 반대의 경우, 제2채널(37)을 통해 주입되는 산소 소모성 물질의 주입량이 늘어날 수 있다.

주입장치(300)는 제어부(200)의 제어 명령에 따라 산소 소모성 물질을 제2채널(37)을 통해 세포배양용기(11)의 컨테이너(13)로 주입한다.

여기서, 산소 소모성 물질을 세포배양용기(11)로 주입할 때, 제어부(200)의 제어 명령에 의해 자동으로 동작하는 주입장치(300)를 통해 산소 소모성 물질을 주입하지 않고, 사용자가 수동 조작으로 주입장치(300)를 통해 산소 소모성 물질을 주입할 수도 있다.

그리고, 세포배양용기(11)에서 세포 배양 도중에, 필요에 따라 제1채널(33)을 통해 배양 배지 및 시약을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 세포배양시스템(1)은 세포배양용기(11)에서 세포 배양 도중에, 미세유체장치(21)를 세포배양용기(11)로부터 분리하지 않은 상태에서 실험적 처치가 가능하므로, 세포배양용기(11)가 대기 산소에 노출될 염려가 없어, 세포의 재산소화를 방지할 뿐만 아니라, 세포의 재산소화로 인한 세포 피해를 줄일 수 있으며, 또한 세포배양용기(11)에서의 정교한 산소 제어를 수행할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 세포배양시스템(1)은 세포배양장치(10)가 세포배양용기(11)에 대응하는 크기를 가지므로, 장치의 크기를 소형화하여 차지하는 공간을 줄일 수 있게 된다.

한편, 도 4에는 본 발명에 따른 세포배양시스템(1)을 이용하여 세포 배양시 세포배양용기(11)의 세포배양조(15)에서의 산소 분압(pO2) 변화를 시뮬레이션한 결과가 도시되어 있다.

산소 소모성 물질로서 아황산나트륨 용액 5.9mL를 사용하여 18시간 동안 전체 시뮬레이션을 수행하였다.

도 4에 도시된 바와 같이, 20시간 이상에 따른 실험 연구는 컨테이너(13)에 수용된 산소 소모성 물질에 의해 유도된 세포배양시스템(1)의 장시간 지속되는 저산소 환경과 산소 분압(pO2)의 급격한 감소를 보여준다. 특히, 산소 분압(pO2)은 1시간 이내에 저산소 수준으로 급격히 감소함을 알 수 있다.

한편, 도 5에는 본 발명에 따른 세포배양시스템(1)에서 주사 펌프(주입장치)와 산소 소모성 물질로서 아황산나트륨 용액을 사용하여, 자동 산소 분압 제어에 대한 대표적인 실험결과가 도시되어 있다.

세포배양시스템(1) 내부의 산소분압(pO2)은 아황산나트륨 용액의 주입과 회수에 의해 자동으로 제어된 수 있다.

저산소 환경에서의 정확한 산소 분압 제어성을 검증하기 위해 소프트웨어 알고리즘에서 목표 산소분압(pO2)의 0.0019, 0.0465, 0.0279, 0.0465atm이 45분마다 설정되었다.

목표 설정값과 측정된 산소값의 차이에 따라 알고리즘은 자동으로 주사 펌프를 사용하여 아황산나트륨 용액의 주입과 회수를 제어하였다.

자동화 시스템은 0.003atm/min의 평균 산소 수준 변화율과 12.06%의 변동 계수를 보였다.

실험 결과는 본 발명에 따른 세포배양시스템(1)이 산소 소모성 물질 및 주사 펌프만을 사용하여, 저산소 세포 배양 중에 산소 분압을 자동 제어하는 데 사용될 수 있음을 시사한다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 세포배양조의 둘레를 따라 배치된 컨테이너에 산소 소모성 물질을 수용함으로써, 컨테이너 내부의 산소 소모성 물질과 큰 표면적을 갖는 공기가 직접 접촉함에 따라, 컨테이어 내부의 산소를 신속하게 줄일 수 있게 된다.

또한, 세포배양조와 컨테이너를 통기구를 통해 통기시킴으로써, 통기구를 통해 공기에 의한 산소 확산으로 세포배양조 내부의 산소를 신속하게 줄일 수 있게 된다.

그리고, 제3채널에 연결된 배출 튜브의 말단부를 세포배양조의 측벽보다 상대적으로 낮은 위치에 위치시킴으로써, 제2채널을 통해 컨테이너에 산소 소모성 물질이 과잉 주입되면, 컨테이너로 주입된 과잉 산소 소모성 물질은 통기구를 통해 세포배양조로 유입하지 않고, 배출 튜브를 통해 원활하게 배출되어, 세포배양용기 내부를 장시간 동안 저산소 환경을 유지할 수 있게 된다.

또한, 산소 소모성 물질을 수동으로 단일의 주입장치 예컨대, 단일의 주사 펌프를 통해 세포배양용기에 주입함으로써, 장시간 저산소 조건을 형성하고, 적은 수의 물질을 이용하여 산소 분압을 자동 제어할 수 있게 된다.

또한, 도 6에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 세포배양시스템(1)을 통해 주입된 배양 배지 및 시약의 용존 산소가 감소됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 세포배양장치는, 장치의 크기를 소형화하여 차지하는 공간을 줄이고, 장치의 크기를 소형화하여 차지하는 공간을 줄이고, 배양되는 세포의 재산소화를 방지하고, 세포배양용기에서 정교한 산소 제어를 수행할 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 세포배양시스템
10: 세포배양장치
11: 세포배양용기
13: 컨테이너
15: 세포배양조
21: 미세유체장치
23: 글라스 커버
31: 멤브레인 부재
100: 산소 농도 측정기
200: 제어부
300: 주입장치

Claims

산소 소모성 물질이 수용되는 컨테이너와, 상기 컨테이너에 수용되어 배양하고자 하는 세포가 마련되는 세포배양조를 갖는 세포배양용기; 및
상기 컨테이너와 상기 세포배양조가 통기하는 통기구를 형성하며 상기 세포배양용기에 장착되어, 상기 세포배양조로 배양 배지 및 시약을 제공하고, 상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 미세유체장치를 포함하며,
상기 미세유체장치는,
상기 산소 소모성 물질 및 기체를 상기 컨테이너 저부로 유도하기 위한 주입 튜브; 및
상기 컨테이너에 수용되는 산소 소모성 물질이 상기 통기구를 통해 상기 세포배양조로 넘치지 않도록 산소 소모성 물질을 배출시키거나, 폐물질을 배출시키는 배출 튜브를 포함하는, 세포배양장치.
제1항에 있어서,
상기 미세유체장치는,
판 형상의 글라스 커버; 및
상기 글라스 커버의 하부에 밀착하며, 하나 이상의 층으로 이루어진 멤브레인 부재를 포함하는, 세포배양장치.
제2항에 있어서,
상기 멤브레인 부재는,
상기 세포배양조로 배양 배지 및 시약을 제공하기 위한 제1채널;
상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 제2채널; 및
상기 컨테이너의 산소 소모성 물질 및 폐물질을 배출하기 위한 제3채널을 포함하는, 세포배양장치.
제3항에 있어서,
상기 제2채널에는 상기 주입 튜브가 연결된, 세포배양장치.
제3항에 있어서,
상기 제3채널에는 상기 배출 튜브가 연결된, 세포배양장치.
제2항에 있어서,
상기 멤브레인 부재는,
상기 통기구를 형성하며 상기 세포배양조의 측벽 상단에 밀착 지지하고, 상기 세포배양조와 상기 컨테이너를 차폐하는 차폐막을 더 포함하는, 세포배양장치.
제2항에 있어서,
상기 멤브레인 부재의 하단에 마련되어, 상기 세포배양용기의 산소 농도를 센싱하는 산소 센서를 더 포함하는, 세포배양장치.
제2항에 있어서,
상기 글라스 커버는 산소를 포함하는 기체를 투과하지 않는 물질로 이루어지고,
상기 멤브레인 부재는 산소를 포함하는 기체를 투과하는 물질로 이루어지는, 세포배양장치.
산소 소모성 물질이 수용되는 컨테이너와, 상기 컨테이너에 수용되어 배양하고자 하는 세포가 마련되는 세포배양조를 갖는 세포배양용기;
상기 컨테이너와 상기 세포배양조가 통기하는 통기구를 형성하며 상기 세포배양용기에 장착되어, 상기 세포배양조로 제공되는 배양 배지 및 시약의 용존 산소를 감소시키고, 상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 미세유체장치;
상기 미세유체장치에 마련되어, 상기 세포배양용기의 산소 농도를 센싱하는 산소 센서;
상기 산소 센서에 광자극을 전달하여 광학적 방법으로 세포배양용기의 산소 농도값을 측정하는 산소 농도 측정기;
상기 산소 농도 측정기로부터 전달받은 상기 세포배양용기의 산소 농도값에 기초하여 상기 미세유체장치를 통해 주입하는 산소 소모성 물질 또는 기체 투입량을 결정하는 제어부; 및
상기 제어부의 명령에 따라 상기 미세유체장치로 산소 소모성 물질 및 기체를 투입하는 주입장치를 포함하며,
상기 미세유체장치는,
상기 산소 소모성 물질 및 기체를 상기 컨테이너 저부로 유도하기 위한 주입 튜브; 및
상기 컨테이너에 수용되는 산소 소모성 물질이 상기 통기구를 통해 상기 세포배양조로 넘치지 않도록 산소 소모성 물질을 배출시키거나, 폐물질을 배출시키는 배출 튜브를 포함하는, 세포배양시스템.
제9항에 있어서,
상기 미세유체장치는,
판 형상의 글라스 커버; 및
상기 글라스 커버의 하부에 밀착하며, 하나 이상의 층으로 이루어진 멤브레인 부재를 포함하고,
상기 멤브레인 부재는,
상기 세포배양조로 배양 배지 및 시약을 제공하기 위한 제1채널;
상기 컨테이너로 산소 소모성 물질 및 기체를 제공하기 위한 제2채널; 및
상기 컨테이너의 산소 소모성 물질 및 폐물질을 배출하기 위한 제3채널을 포함하는, 세포배양시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2채널에는 상기 주입 튜브가 연결되고, 상기 제3채널에는 상기 배출 튜브가 연결된, 세포배양시스템.
제10항에 있어서,
상기 멤브레인 부재는,
상기 통기구를 형성하며 상기 세포배양조의 상단에 밀착 지지하고, 상기 세포배양조와 상기 컨테이너를 차폐하는 차폐막을 더 포함하는, 세포배양시스템.
제10항에 있어서,
상기 글라스 커버는 산소를 포함하는 기체를 투과하지 않는 물질로 이루어지고,
상기 멤브레인 부재는 산소를 포함하는 기체를 투과하는 물질로 이루어지는, 세포배양시스템.