KR102191186B1 - 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기 및 세포배양 모니터링 및 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오마커를 이용하여 세포의 배양 상태를 일일이 확인할 필요가 없이 세포배양용기에 통과된 자연광과 인공광원의 광투과도를 통해 광투과도를 통해 세포의 배양 상태를 쉽게 확인할 수 있고 배양중인 세포가 공기 중에 노출되지 않고, 세포 오염을 예방할 수 있으며, 줄기세포 배양에 있어 줄기세포의 다능성을 유지시키고 특정목적의 줄기세포 증식 촉진을 통해 줄기세포 치료 시술에 필요한 충분한 양의 줄기세포를 얻을 수 있는 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기 및 인터넷이나 클라우드 시스템을 이용한 세포배양 모니터링 및 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기 및 세포배양 모니터링 및 제어 시스템{CELL CULTIVATION DEVICE CAPABLE OF IDENTIFYING CELL CULTIVATION STATE USING TRANSMITTANCE OF LIGHT AND CELL CULTIVATION MONITORING AND CONTROL SYSTEM}

본 발명은 바이오마커를 이용하여 세포의 배양 상태를 일일이 확인할 필요가 없이 광투과도를 통해 세포의 배양 상태를 쉽게 확인할 수 있고 배양중인 세포가 공기 중에 노출되지 않고, 세포 오염을 예방할 수 있으며, 줄기세포 배양에 있어 줄기세포의 다능성을 유지시키고 줄기세포 증식 촉진을 통해 줄기세포 치료 시술에 필요한 충분한 양의 줄기세포를 얻을 수 있는 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기 및 인터넷이나 클라우드 시스템을 이용한 세포배양 모니터링 및 제어 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 세포를 배양하는 배양기에 관한 것으로, 특히 줄기세포의 분화를 억제하고 증식을 촉진시킬 수 있는 백색광, LED 또는 레이저 광파장을 이용한 배양기에 관한 것이다.

일반적으로, 세포배양이라 함은 다세포 개체로부터 무균적으로 조직편을 떼내어 여기에 영양을 주고 용기 내에서 배양 및 증식시키는 일로서, 배양기 내에서의 살아있는 세포의 배양은 세포 신진대사의 부가적인 부산물의 회수, 바이러스 백신의 제조, 인공기관을 만들기 위한 의도적인 세포의 배양, 동물세포의 유전자 조작에 의한 의약품 생산이나 식물의 세포 융합에 의한 육종 등의 공업화를 포함한 다양한 목적을 위하여 행하여진다.

이에, 동물세포 배양에 대하여 좀더 상세히 살펴보면, 우선 동물세포 배양을 위해서는 세포가 배양될 수 있는 일정한 배양 공간과 세포에 영양분을 공급하는 배양액 및 각종 가스 등이 필요하며, 배양 공간에 주입된 배양액과 가스들은 세포 배양에 사용된 후에는 세포 조직을 신선한 상태로 유지하기 위하여 적절한 [H+]량의 증가로 인하여 주기로 교환되어야 한다. 최근에는 효과적인 동물세포 배양을 위하여, 상기한 세포배양 조건과 더불어, 하이브리도마(hybridomas), 배아줄기세포(embryonic stem cell) 등 각각의 배양하고자 하는 세포의 특성에 따른 배양법이 연구개발되고 여기에 맞는 특정 환경을 지닌 미세 환경조절에 의한 배양기법과 그에 따른 배양기 개발의 필요성이 제기되고 있다.

이와 같이 세포 배양 기술에 있어, 다양한 바이오 산업에 적용할 세포를 배양하기 위해서는 배양기인 CO₂ 인큐베이터(CO₂ Incubator)가 매우 중요한 역할을 하고 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 CO₂ 인큐베이터 등의 세포 배양기는, 세포가 배양되기 위해 필요한 환경, 즉 온도와 기압 그리고 CO₂의 함유량 등을 일정하게 유지시켜 주는 기능만을 하고 있어 오직 세포의 배양에 필요한 최소한의 환경만을 제공하고 있을 뿐, 세포의 배양을 촉진시키는 등의 특별한 기능을 수행하지 못하는 단점이 있다.

한편, 일반적으로 세포 분화란 초기 단계의 세포가 각 조직으로서의 특성을 갖게 되는 과정을 말하는데, 그 대표적인 예는 동물의 발생 과정에서 볼 수 있다. 즉, 정자와 난자가 결합하여 만들어진 '수정란'이라는 하나의 세포가 뼈, 심장, 피부 등의 다양한 조직 세포로 만들어지기 위해서는 목적세포로의 '분화'가 일어나야 하는 것이다.

이러한 분화 능력이 있는 줄기세포(stem cell)는 조직을 구성하는 각 세포로 분화되기 전단계의 세포로서, 미분화 상태에서 무한 증식이 가능하며 특정 분화 자극에 의해 다양한 조직의 목적세포로 분화될 수 있는 잠재적 가능성을 가진 세포를 말한다. 또한, 줄기세포는 개체의 발달 시기와 위치하는 장소 등에 따라 생물체를 이루는 많은 종류의 서로 다른 세포로 분화해 나갈 수 있는 모세포이므로, 이러한 줄기세포를 추출하여 환자의 병변에 이식하면 손상된 세포가 정상적으로 복원돼 병이 치료되거나 조직과 장기가 재생되는 효과를 기대할 수 있다.

이와 같은 줄기세포는, 수정란 세포로부터 배아단계로, 성체 유기체로 발달하면서 줄기세포의 잠재력이 줄어든다는 것이 일반적으로 일치된 의견이다. 줄기세포의 이러한 성질에 따라 수정란 세포는 만능(totipotent), 배아줄기세포는 전분화능(pluripotent), 성체줄기세포는 다능성(multipotent)이라 일컬어진다. 여기서 만능 세포는 완전한 유기체로 발달할 수 있는 세포이다. 만능세포는 수정란세포와 함께 초기 배아단계의 세포들을 포함한다. 전분화능은 전형적으로 분열된 배반포의 내세포덩이(internal cell mass)로부터 얻어지는 배아줄기세포가 중배엽, 내배엽 및 외배엽의 세 가지 배엽 세포 모두로 분화할 수 있다고 이해된다.

한편 지금까지 알려진 견해에 따르면 성체줄기세포는 단지 다능성인 것으로, 단지 적은 범위까지 분화할 수 있는 것이다. 따라서 조직특이줄기세포는 단지 같은 조직유형의 세포로만 분화할 수 있는 것이다. 그러나 최근에, 골수 또는 재생조직으로부터 얻어진 성체줄기세포를 이용한 연구의 특정한 조건 하에서, 다른 배엽의 세포유형을 형성하기 위해 줄기세포의 분화가 일어날 수 있다는 연구 결과가 발표됨에 따라, 성체줄기세포에 대한 관심이 더욱 증가되고 있는 실정이다.

그러나, 이러한 성체줄기세포는 장기간 배양에서 세포선(cell line)의 안정성은 보장되지 않으며, 자발적으로 분화하는 경향이 있고 어떤 환경에서는 종양세포로 발전하는 악성 경향까지 있다. 더욱이 분열 증식의 속도는 배양이 길어질수록 상당히 감소하며, 주요 시술을 위해 충분한 양으로 증식시키는데 어려움이 따르는 문제점이 있다.

최근 저출력 레이저를 이용한 세포 연구에 따르면, 세포나 생체 조직에 빛이 조사되면 특정요소의 에너지 준위가 높아지고 세포나 조직 단위가 활성화되어 세포분열 촉진, 조직 재생 촉진, 조직 대사 촉진 등의 생리적 결과를 갖는다고 알려져 있다.

또한, 세포의 증식은 파장에 의해 결정되는 것으로 저출력 레이저가 세포 증식에 영향을 주었으며, 특히 파장 길이와 조사모드에 의해 세포 증식을 좌우시킨다고 연구되어 지고 있다(Moore P, Effect of Wavelength on Low-Intensity Laser Irradiation-Stimulated Cell Proliferation In Vitro; Lasers in Surgery and Medicine 36: 8-12(2005)).

이와 같은 연구는, 줄기세포 연구에도 적용되어 Jian-feng Hou의 연구에 의하면 골수유래 중간엽줄기세포(Bone marrow derived mesenchymal stem cells, BMSCs)에 저출력 레이저를 조사하여 세포 증식과 성장인자 분비가 촉진 및 증가되었음을 밝히고 있다(Jian-feng Hou, In Vitro Effects of Low-Level Laser Irradiation for Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells: Proliferation, Growth Factors Secretion and Myogenic Differentiation, Lasers in Surgery and Medicine 40:726-733(2008)).

그러나, 이와 같은 저출력 레이저 조사는 세포배양기 외부에서 이루어지는 과정으로, 세포가 공기 중에 노출됨으로써 각종 오염물질로부터 세포가 오염될 우려가 크며, 비교 대상이 되는 세포와의 환경 차이로 실험 결과의 객관성을 저하시키는 원인이 되고 있으며 또한 세포 배양 상태를 확인하기 위해 바이오마커를 이용하여 일일이 확인하여야 하는 불편함이 있었다.

Moore P, Effect of Wavelength on Low-Intensity Laser Irradiation-Stimulated Cell Proliferation In Vitro; Lasers in Surgery and Medicine 36: 8-12(2005). Jian-feng Hou, In Vitro Effects of Low-Level Laser Irradiation for Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells: Proliferation, Growth Factors Secretion and Myogenic Differentiation, Lasers in Surgery and Medicine 40:726-733(2008).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 바이오마커를 이용하여 세포의 배양 상태를 일일이 확인할 필요가 없이 세포배양용기에 통과된 자연광과 인공광원의 광투과도를 통해 세포의 배양 상태를 쉽게 확인할 수 있고 배양중인 세포가 공기 중에 노출되지 않고, 세포 오염을 예방할 수 있으며, 줄기세포 배양에 있어 줄기세포의 다능성을 유지시키고 줄기세포 증식 촉진을 통해 특정목적의 줄기세포 치료 시술에 필요한 충분한 양의 줄기세포를 얻을 수 있는 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기 및 인터넷이나 클라우드 시스템을 이용한 세포배양 모니터링 및 제어 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.

상기 목적은, 배양 공간을 구비하는 케이스의 상단 벽에 고정된 광제어부로서, 광원을 조사하는 광원소스와 내부에 슬라이딩 가능한 필터를 구비하고 자연 채광이 가능하고 특정 광원을 선택적으로 투과할 수 있는 광원선택형인 적어도 하나의 가이드레일을 구비하는 광제어부와, 상기 광제어부와 이격을 두고 하부에 배치되고, 세포배양용기를 안착시킬 수 있는 다수의 용기 수용부를 구비하는 선반과, 상기 선반과 이격을 두고 하부에 배치되고, 상기 세포배양용기를 투과한 광원의 광 투과량을 측정하는 PD 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기에 의해 달성된다.

여기서, 세포배양기는 밀폐형으로 구성되되, 상기 선반 또는 상기 세포 배양 용기의 입출이 용이하도록 개폐 가능한 커버 또는 도어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 선반은 좌우에 돌출부를 구비하고, 상기 돌출부는 상기 세포배양기의 측면에 구성된 가이드부를 통해 상하로 슬라이딩 가능한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 선반은 진동에 의해 움직이도록 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광원 소스는 백색광, 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 필터는 광 파장 및 세기를 조절하는 광필터인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광원 소스에서 조사되는 광의 파장은 400㎚ 내지 1,100㎚인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광원 소스에서 상기 세포 배양 용기로 조사되는 광 에너지는 0.3 내지 16J/㎠인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 필터는 그 파장 영역, 투과율, 반사율, 굴절률, 두께 편차 및 상기 세포 배양 용기와의 거리 중 적어도 어느 하나를 이용하여 광 파장 및 세기를 조절하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 세포 배양기의 외부에 구성되고, 세포 배양 환경의 정보를 표시하는 디스플레이부 및 세포 배양 환경을 선택, 입력 및 제어하기 위한 입력키 또는 터치스크린을 포함하는 컨트롤부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 세포 배양 환경은 배양 공간의 온도, 가스 농도, 습도 등의 센서 데이터를 표시하는 것 이외에도 광원 및 필터 선택, 광 파장 및 세기 선택 및 광조사 시간 등을 포함되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 선반에 상기 광원에 의해 조사된 광을 차단하기 위한 차폐스크린, 차폐필름, 차폐막 및 차폐부재 중 적어도 어느 하나를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적은 세포배양기; 인터넷을 통해 제공되는 세포배양기 제어정보에 따라 상기 세포배양기를 제어하며, 세포배양기의 세포배양정보를 인터넷을 통해 외부로 제공하는 세포배양단말; 상기 세포배양단말과 연결되는 세포배양기의 IP주소가 저장되는 특정세포정보DB 및 특정세포배양조건 등의 세포배양정보가 저장되는 세포배양기정보DB를 포함하는 데이터베이스; 상기 인터넷을 통해 세포배양단말로부터 제공되는 세포배양기의 실시간 정보를 제공하며, 상기 데이터베이스의 정보를 바탕으로 상기 세포배양기에 대한 각종 정보를 제공하는 중앙서버; 및 상기 중앙서버에서 제공되는 세포배양기의 실시간 정보를 바탕으로 상기 세포배양기를 감시하면서 조사되는 특정파장과 자연채광을 병합하여 세포배양상태를 확인하고 상기 세포배양단말을 통해 세포배양기를 제어하는 원격제어단말; 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 세포배양 모니터링 및 제어 시스템에 의해 달성된다.

여기서, 세포배양에 대한 전문가 단말로 인터넷을 통해 상기 세포배양기의 기술적 제어를 위한 정보를 제공하는 전문가 단말을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 세포배양기는 상기 세포배양단말과의 연결을 위한 유무선 연결수단으로서 직렬통신을 위한 시리얼 포트이거나, TCP IP기반의 이더넷 포트와 이에 낙뢰나 전자파의 영향을 받지 않는 광통신 포트 또는 지그비, 블루투스나 WIFI 등의 무선신호를 이용한 RF통신을 가능케 하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 중앙서버는 상기 데이터베이스의 정보를 바탕으로 세포배양기의 IP주소로의 연결을 가능케 함을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 인터넷은 제어모듈을 포함하는 클라우드 시스템이고, 상기 세포배양단말, 상기 데이터베이스, 상기 중앙서버, 상기 원격제어단말 및 상기 전문가단말 중 적어도 하나는 상기 클라우드 시스템의 제어모듈에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 세포배양기는 상술한 세포배양기인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 바이오마커를 이용하여 세포의 배양 상태를 일일이 확인할 필요가 없이 광투과도를 통해 세포의 배양 상태를 쉽게 확인할 수 있는 등의 효과가 있다.

또한 세포배양기 내부에서 광파장 조사가 이루어짐으로써 배양중인 세포가 공기 중에 노출되지 않고, 세포 오염을 예방하는 등의 효과를 가진다.

또한 자연광과 특정 광원(인공 광원)을 동시에 조사함으로써 특정 세포배양 효과를 조절하여 배양 효율을 향상시키거나, 필요한 세포배양을 선택하는 효과를 가진다.

특히 본 발명은 줄기세포의 분화를 억제하고 증식을 촉진시키는 파장, 특히 가시광선 영역에서 근적외선 영역의 파장 중 특정 대역의 파장 광까지 폭넓은 파장 대역을 제공함으로써, 줄기세포 배양에 있어 줄기세포의 다능성을 유지시키고 줄기세포 증식 촉진을 통해 줄기세포 치료 시술에 필요한 충분한 양의 줄기세포를 얻을 수 있는 등의 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광제어부의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선반의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 구비한 가이드레일의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PD드라이버의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤부의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 웹기반 세포배양상태 모니터링 및 제어 시스템의 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 클라우드 시스템을 이용한 세포배양상태 모니터링 및 제어 시스템의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있으나, 이는 본 발명의 다양한 실시예들을 특정한 형태로 한정하려는 것은 아니다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 발명은 특정 파장 대역의 광을 세포, 특히 줄기세포에 조사하여, 세포의 분화 억제와 세포 증식 효과를 높이기 위한 것으로, 세포배양기 내에 광제어부를 구비하여 줄기세포에 광파장을 조사시킬 수 있는 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기와 이를 원격적으로 제어할 수 있는 시스템에 관한 기술이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기의 사시도인 도 1과 본 발명의 일 실시예에 따른 광제어부의 단면도인 도 2로부터, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양기(100)는 배양 공간을 구비하는 케이스의 상단 벽에 고정된 광제어부(110)로서, 광원을 조사하는 광원소스(111)와 내부에 슬라이딩 가능한 필터(120)를 구비하고 자연 채광이 가능하고 특정 광원을 선택적으로 투과할 수 있는 광원선택형인 적어도 하나의 가이드레일(121, 122, 123, 124)을 구비하는 광제어부(110)와, 상기 광제어부(110)와 이격을 두고 하부에 배치되고, 세포배양용기(150)를 안착시킬 수 있는 다수의 용기 수용부(132)를 구비하는 선반(130)과, 상기 선반(130)과 이격을 두고 하부에 배치되고, 상기 세포배양용기를 투과한 광원(112)의 광 투과량을 측정하는 PD 드라이버(140)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양기(100)는 일반적으로 상용되고 있는 인큐베이터와 유사한 구조와 형태로 구성되되, 세포배양기(100) 내부의 상단 벽에 광제어부(110)가 구비되어 있다.

광제어부(110)는 광원(112)을 제공하는 광원 소스(111)와 광파장 및 파워를 조절하는 복수의 필터(120) 및 필터(120)를 슬라이딩 가능케 하는 가이드레일(121, 122, 123, 124)로 구성된다.

본 발명에 따른 광원 소스(111)는 백색광, 발광다이오드(LED) 또는 레이저다이오드(LD) 중 적어도 하나를 이용할 수 있으며, 파장 대역은 400㎚ 내지 1,100㎚ 범위의 근적외선에서 가시광선 영역 중에서 선택될 수 있으며, 그 파장 대역의 범위는 1㎚ 이하가 바람직하다.

또한, 상기 필터(120)는 광필터를 사용하여 특정 파장 또는 특정 세기를 가진 광원만을 선택적으로 투과할 수 있으며, 복수로 구비된 필터(120) 중 실시자의 의도에 따라 특정 필터(120)를 선택할 수 있다. 복수로 구비된 필터(120) 중 배양되는 세포에 따라 다수개 중 이에 맞는 특정 필터(120)만을 선택할 수 있다. 또한 필터(120)는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 구비한 가이드레일의 단면도인 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 가이드레일(121, 122, 123, 124) 내부에서 슬라이딩하도록 MCU(170)에서 제어할 수 있고, 슬라이딩을 통해 다수의 세포배양용기(150)에서 필요한 필터를 선택적으로 적용할 수 있게 되는 것이다. 가이드 레일(121, 122, 123, 124)은 적어도 하나 이상 구비할 수 있으며 배양 공간에 대하여 수평으로 대응되도록 구비된 2개의 레일을 하나의 쌍으로 하며, 한 쌍의 가이드 레일(121, 122, 123, 124)에 필터(120)가 탈부착 및 슬라이딩 가능하도록 설치된다.

여기서, 광제어부(110)에서 출력되어 세포배양용기(150)에 도달되는 광원(112)의 에너지는 0.3 내지 16J/㎠가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 광원 에너지가 0.3J/㎠ 미만으로 조사되면 줄기세포에 미치는 영향이 미비하여 줄기세포 분화 억제 및 세포 증식 촉진 등의 효과를 기대할 수 없고, 16J/㎠ 초과하여 조사되면 세포가 파괴되어 사멸이 유도될 수 있고, 세포벽 파괴와 함께 DNA 변형을 유도할 수 있다.

이러한 광제어부(110)의 제어는 세포배양기와 연결된 세포배양단말(200)이나 원격 제어 및 관리를 위한 인터넷 기반의 원격제어단말(300) 또는 클라우드 기반의 저전력의 클라우드 시스템에 구비된 원격제어단말(300)에 의해 제어될 수 있다.

한편, 광원 소스(111)는 반도체인 발광다이오드를 사용할 경우 발열이 미미하나 발광다이오드 구동회로의 발열이 발광다이오드에 전달되어 그 동작특성에 영향을 미쳐 이상적인 파장 대역으로부터 광의 파장 대역이 이동될 수 있으므로 광원(112)의 열을 냉각시키기 위한 광원온도조절수단(미도시)이 더 포함될 수 있다. 광원 소스(111)가 반도체 레이저인 경우 반도체 레이저와 회로의 발열 모두를 고려하여야 한다. 광원온도조절수단은 이러한 구동회로의 열을 제거함으로써 발광다이오드가 이상적인 파장 대역의 광을 조사할 수 있도록 한다.

상기 특정 필터(120)는 광제어부(110)를 둘러싼 관통형 프레임의 내부 벽에 설치된 적어도 하나의 가이드 레일(121, 122, 123, 124)에 의해 슬라이딩될 수 있고, 광원 소스 아래에 위치한다. 상기 가이드 레일(121, 122, 123, 124)은 배양 공간 밑면에 대하여 수평으로 대응되도록 구비된 2개의 레일을 하나의 쌍으로 하며, 한 쌍의 가이드 레일(121, 122, 123, 124)에 상기 필터(120)가 탈부착 및 슬라이딩 가능하도록 설치된다. 이때, 상기 가이드 레일(121, 122, 123, 124)은 복수의 쌍으로 구성되어 상기 광제어부(110)에 구비되는 복수의 필터(120)를 모두 부착 가능하다. 또한 가이드레일은 자연 채광이 가능하고 특정 광원을 선택적으로 투과할 수 있는 광원선택형 가이드레일인 것이 바람직하다.

상기 광원(112)의 파장 및 파워는 상기 필터(120)에 의해 조절되는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 필터(120)에 의한 조절은 필터(120)의 특성에 의한 것으로, 필터(120)의 파장 영역, 투과율, 반사율, 굴절률, 두께 편차와 필터(42)를 구성하는 물질에 의해 조절될 수 있다. 또한, 세포 배양 용기(150)와 필터(120)의 거리에 의해서도 광파장 및 파워가 조절될 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 세포배양기(100)는 밀폐형으로 구성되되, 상기 선반(130) 또는 상기 세포 배양 용기(150)의 입출이 용이하도록 개폐 가능한 커버 또는 도어(160)를 더 포함할 수 있다. 도어(160)는 힌지(161)를 구성함으로써 개폐하도록 할 수 있고, 그 외 개폐 가능한 수단이라면 제한하지 않는다. 또한 그 내부는 단열성의 상자 부재로 구성할 수 있고, 또한 그 내부에 배양 공간이 형성되어 세포 배양에 필요한 배양 환경을 제공할 수 있다. 이때, 세포 배양에 필요한 배양 환경이란 세포, 특히 줄기세포의 배양에 필요한 일정한 온도, 습도, 가스(이산화탄소) 농도 등을 포함할 수 있다. 이러한 배양 환경은 MCU(170)에 연결된 상태 제어부(180)에 의해 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선반(130)은 좌우에 돌출부(131)를 구비하고, 상기 돌출부(131)는 상기 세포배양기의 측면에 구성된 가이드부(101)를 통해 상하로 슬라이딩 가능하게 구성할 수 있으며, 또한 상기 선반(130)은 진동에 의해 움직이도록 구성할 수 있다. 선반(130)이 상하 좌우로 움직일 수 있도록 함으로써 배양되는 세포에 필요한 산소 등 가스를 골고루 공급할 수 있고 또한 가스교환비율을 증가시킬 수 있음은 물론 양질의 세포를 배양할 수 있다. 이러한 선반(130)의 상하 좌우 움직임은 하기 설명하는 MCU(170)에 의해 제어할 수 있다.

또한 상기 선반(130) 상에 상기 광원 소스(111)에 의해 조사된 광을 차단하기 위한 차폐스크린, 차폐필름, 차폐막 및 차폐부재 중 적어도 어느 하나를 더 구비할 수 있다. 이를 이용하여 광제어부(110)에서 제공되는 광원을 차단할 수 있다. 차폐 구조물은 줄기세포 배양 중 광 조사가 필요하지 않은 세포 또는 컨트롤로 사용되는 세포에 광원이 조사되는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 또한 차폐 구조물은 배양 공간 또는 선반(130)에 수평 또는 수직으로 입출이 가능하도록 구비될 수 있다.

선반(130)은 광제어부(110)와 이격을 두고 하부에 배치되고, 세포배양용기(150)를 안착시킬 수 있는 다수의 용기 수용부(132)를 구비할 수 있다. 이러한 선반은 다수 구비할 수 있다.

여기서, 세포 배양 용기(150)는 시험관, 플라스크, 배양접시 등 세포를 배양할 수 있는 용기면 어느 것이든 제한 없이 사용될 수 있다. 용기에 수용되어 배양되는 줄기세포는 신경상피 줄기세포, 중간엽줄기세포, 조혈모세포 등 인간과 동물의 모든 형태의 줄기세포가 될 수 있다.

또한 세포배양기(100)에는 세포배양기 내부의 공기 중 가스 농도를 줄기세포배양에 적절하게 조절할 수 있는 가스 조절수단(미도시)이 결합될 수 있으며, 줄기세포배양에 적절한 가스 등의 환경을 제공할 수 있도록 한다. 특히, 가스조절 수단에는 줄기세포의 배양에 있어서 적절한 O₂/CO₂ 비율을 유지하기 위해 순환될 수 있다.

또한, 세포배양기(100)에는 세포배양기(100)의 내부 온도를 조절하기 위한 온도조절수단(미도시)이 결합될 수 있으며, 온도조절수단은 가열수단과 냉각수단이 결합된 구성으로서 직접 세포배양기(100)의 내벽을 가열하거나 냉각하도록 결합되거나 가스조절수단을 통해 유입되는 가스를 가열 또는 냉각하여 세포배양기(100) 내부로 유입시킴으로써 간접적으로 세포배양기(100)의 온도를 조절하도록 구성될 수 있다.

여기에 더해, 상기 세포배양기(100)에는 가스조절수단과 온도조절수단이 적절히 세포 배양 환경을 조절하고 있는지 확인할 수 있는 온도센서와 가스센서가 구비되어, 세포배양기(100) 외부에 구비된 컨트롤부(170)에서 이들 정보를 표시할 수 있다. 또한 후술하는 시스템의 세포배양단말(200), 원격제어단말(300), 전문가단말(400)에도 표시할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PD드라이버(140)인 도 5로부터, PD드라이버(140)는 광원 소스(111)로부터 조사된 광신호를 수신하여 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 어레이형 포토 다이오드(141), 신호를 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기(142)와 비례 증폭기(143), 스위칭 멀티플렉스(144) 및 ADC(Analog Digital Converter)(145)로 구성되는 것으로서 범용 PD 드라이버 회로와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 도면에는 표시되지 않았지만 디코딩하는 디코더가 더 포함될 수 있다. 이러한 PD드라이버(140)는 제어 기능을 담당하는 MCU(170)에 연결되어 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤부의 평면도이다. 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 컨트롤부(150)는 세포배양기(100)의 외부에 구비되어, 세포배양기(100) 내부의 전반적인 상태와 세포배양기(100)를 구성하는 구성요소들의 기능을 선택 및 제어하는 것을 특징으로 한다. 이때 컨트롤부(150)는 상기 세포 배양 환경 정보를 표시하는 디스플레이부 및 세포 배양 환경을 선택, 입력 및 제어하기 위한 입력키 또는 터치스크린을 포함할 수 있다. 또한 후술하는 바와 같이 컨트롤부(150)는 세포배양 단말(200) 또는 원격제어단말(300)에 의해 제어될 수도 있다.

여기서, 상기 세포 배양 환경은 배양 공간의 온도, 가스 농도, 습도 등의 센서 데이터를 표시하는 것 이외에도 광원 및 필터 선택, 광 파장 및 세기 선택 및 광조사 시간 등을 포함할 수 있고, 이들을 제어할 수 있다.

이때, 사용자에 의한 세포 배양 환경과 광원, 광파장 및 세기의 제어는 컨트롤부(150)의 입력키 또는 터치스크린에 의해 조작될 수 있으며, 디스플레이부로 확인 가능하다. 이때 디스플레이부에는 사용자가 설정한 광 조사 시간과 광조사 동작의 남은 시간, 광원 출력 값, 광 출력 특성(연속파 또는 펄스 주파수 설정), 광파장 및 필터 등이 표시될 수 있다.

입력키 또는 터치스크린에 의한 조작은 각 모드 및 시간 등을 설정하고 상하좌우 방향키를 이용하여 입력 또는 설정하도록 구비될 수 있다.

상기 MCU(170)는 본 발명에 따른 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기의 모든 기능을 제어하는 구성요소이다. 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 구성도인 도 6을 사용하여 이에 대해 상세히 설명한다. 또한 후술하는 시스템의 세포배양단말(200) 및 원격제어단말(300)도 MCU(170)와 연동하여 세포배양기의 기능을 제어할 수 있음은 물론이다.

먼저 어레이형 포토 다이오드(141)를 통하여 수신된 광신호를 처리하여 수신된 광량을 표시하는 컨트롤부(170)로 전달하여 디스플레이되도록 할 수 있다.

또한 필터(120)가 가이드레일(121) 내부에서 슬라이딩하도록 제어할 수 있고, 세포배양용기(150)를 안착시킨 선반(130)을 상하 좌우로 움직이도록 제어하는 기능을 할 수 있다.

또한 초기 광신호의 수신량이 일정량 이하로 떨어질 때까지, 광원의 세기 및 노출 시간을 제어하며 광 수신량이 일정량 되는 시점에서 광원의 상태(파장, 세기, 노출시간 및 배양기와 광원의 조사 거리)를 컨트롤부(170)로 전달하여 디스플레이되도록 하고 이를 조절하는 광제어부(110)를 제어하는 기능을 한다. 광 신호의 수신량의 일정량은 배양되는 세포에 따라 달라질 수 있으며, 광 수신량에 따라 변화되는 광투과도를 비교하여 초기 광투과도에 비해 일정량의 광 수신량에 비례하는 광 투과도가 어느 정도이면 효과적으로 세포가 증폭되어 배양되었는지를 판단할 수 있다. 또한 배양세포의 상태나 분화정도에 따라 특정 파장을 선택하여 조사하고, 광투과와 파장을 미세하게 분석함으로써 세포배양정도를 제어할 수 있다.

또한 광원이 조사되는 배양기 내의 상태가 인체의 상태와 유사하도록 온도, 습도 및 공기(이산화탄소 등)를 제어하는 상태 제어부(180)의 기능을 제어하며, 자연광 투과 시 광원이 조사되는 광원과의 거리를 제어하는 기능을 한다.

이로부터 PD 드라이버(140)를 통해 측정된 투과도를 사용하여 배양액이 최적화된 상태인지를 판단하는 기능을 한다.

본 발명에 따르면 세포가 증식되어 늘어났다면 광원(112)에 의해 조사된 후 필터(120)를 거쳐 세포배양용기(150)를 통과한 광의 투과도가 떨어질 것이기 때문에 이러한 원리를 이용함으로써 기존의 바이오마커를 이용하여 배양된 세포의 상태를 일일이 확인할 필요가 없게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기로부터 배양된 줄기세포와 그로부터 분화된 세포는 의학적 그리고 비의학적 분야에서 넓은 범위의 적용가능성을 가질 수 있으며, 상처나 질병 상태를 치유하기 위해 동물이나 사람 환자에게 투여될 수 있다.

다음으로 본 발명의 제3양상에 따른 세포배양상태 모니터링 및 제어 시스템을 그 구성도인 도 8을 사용하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 시스템은 크게 세포배양기(100), 세포배양단말(200), 원격제어단말(300), 전문가단말(400), 중앙서버(500) 및 데이터베이스(600)로 구성되며, 세포배양기(100), 원격제어단말(300), 전문가단말(400) 및 중앙서버(500)가 인터넷을 통해 연결가능토록 되어 있다.

세포배양기(100)는 상술한 본 발명에 따른 것일 수도 있지만 이에 한정되지 않는다. 세포배양기는 상기 세포배양단말(200)과의 연결을 위한 유무선 연결수단으로서 직렬통신을 위한 시리얼 포트이거나, TCP IP기반의 이더넷 포트와 이에 낙뢰나 전자파의 영향을 받지 않는 광통신 포트 또는 지그비, 블루투스나 WIFI 등의 무선신호를 이용한 RF통신을 가능케 하는 무선통신모듈을 포함할 수 있다. 여기서, TCP IP기반의 이더넷 포트와 이를 광통신 케이블로 연결할 수 있는 광통신 포트를 가짐으로써, 낙뢰나 강한 전자파로 인한 EMC(EMI/EMP)와 EMP(전자기 펄스)에 영향을 받지 않게 할 수 있다.

세포배양단말(200)은 세포배양기(100)의 세포배양상태 또는 조건의 데이터를 인터넷을 통해 실시간으로 중앙서버(500)로 제공하고, 원격제어단말(300), 전문가단말(400) 또는 중앙서버(500)로부터 인터넷을 통해 제공되는 세포배양기(100) 제어 정보를 바탕으로 세포배양기(100)를 제어한다. 이러한 세포배양단말(200)은 세포배양기(100)와의 연결을 위한 RS232 드라이버, 제어부 및 네트워크 연결을 위한 인터페이스(102)를 구비할 수 있다.

인터페이스(102)는 세포배양단말(200)이 인터넷을 통해 원격제어 단말(300), 전문가 단말(400) 또는 중앙서버(500)에 연결될 경우에는 인터넷 인터페이스이며, 이더넷을 통해 연결될 경우에는 이더넷 인터페이스이다. 본 시스템은 클라우딩 환경하에서도 구현할 수 있다.

또한, 세포배양단말(200)은 통상의 PC와 같이 각종 메모리를 구비할 수 있으며, RDR(Ripple Down Rule) 기반의 전문가 지식베이스에 따른 전문가 시스템의 구현을 위한 SD 메모리 카드가 SPI(Serial Peripheral Interface) 포트를 통해 제어부에 연결되어 있다.

여기서, 세포배양단말(200)과 세포배양기(100)는 RS232 드라이버를 통한 시리얼 통신 이외에 유리 광섬유나 플라스틱 광섬유를 이용한 광통신 모듈이나 지그비, 블루투스나 WIFI 등과 같은 RF통신을 위한 무선통신모듈을 구비한 무선통신방식의 채용도 가능하다. 그리고 세포배양기(100)는 SOC(System on Chip) 형식의 네트워크 마이크로 프로세서인 Net+50(NetSilicon, Inc.)를 기반으로 하는 임베디드 서버로 설계 및 제작될 수 있다.

원격제어단말(300)은 원격지에서 세포배양기를 운용하는 사람 등의 단말로 원격지에서 인터넷을 통해 세포배양상태 또는 조건에 따라 세포배양기(100)를 모니터링하고 또한 제어할 수 있는 정보를 제공한다. 즉 상기 중앙서버(500)에서 제공되는 세포배양기(100)의 실시간 정보를 바탕으로 상기 세포배양기를 감시하면서 조사되는 특정파장과 자연채광을 병합하여 세포배양상태 또는 조건을 확인하고 상기 세포배양단말(200)을 통해 세포배양기(100)를 제어할 수 있다.

또한, 전문가 단말(400)은 세포배양에 대한 전문가를 위한 단말로 원격지에서 인터넷을 통해 세포배양기(100)의 기술적 제어를 위한 정보를 제공한다.

중앙서버(500)는 인터넷을 통해 세포배양단말(200), 원격제어단말(300) 및 전문가 단말(400)을 하나로 통합해주는 역할을 하며, 세포배양기(100)를 실시간 모니터링 및 제어할 수 있다. 또한, 조사되는 특정파장과 자연채광이 병합하여 세포배양기 내의 세포배양상태를 모니터링하고, 특정세포에 대한 배양조건을 저장하여 특정세포에 대한 맞춤형 제어를 가능케 한다. 중앙서버는 상기 데이터베이스의 정보를 바탕으로 세포배양기의 IP주소로의 연결을 가능케 할 수 있다.

데이터베이스(600)는 세포배양단말(200), 원격제어단말(300), 전문가단말(400) 및 중앙서버(500)의 운용에 필요한 각종 데이터가 저장되는 운용정보 데이터베이스, 상기 세포배양단말과 연결되는 세포배양기의 IP주소가 저장되는 특정세포정보DB와 특정세포 기본 정보 및 특정세포 배양조건 등의 세포배양정보가 저장되는 배양정보 데이터베이스를 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 시스템은 특정세포, 세포배양기, 배양하는 운용자 및 전문가 등이 유기적으로 연결되어 시간 및 공간적 제약에서 벗어나 원활한 세포배양을 구현하기 위한 것으로, 세포배양기(100)를 인터넷을 통해 원격지에서 감시 및 제어가능토록 한다.

세포배양기(100)의 원격지에서의 감시 및 제어는 세포배양단말(200)을 통해 원격제어단말(300), 전문가단말(400) 및 중앙서버(500) 등이 행할 수 있으며, 중앙서버(500)는 웹을 통해 세포배양단말(200), 원격제어단말(300) 및 전문가단말(400)을 하나로 통합해 주는 기능을 하게 된다. 중앙서버(500)가 제공하는 웹을 통한 통합기능에 따라 상기 원격제어단말(300), 전문가단말(400)은 특정세포의 배양 데이터 및 세포배양기(100)에 대한 정보의 공유가 가능하게 되며, 이를 바탕으로 세포배양단말(200)을 통한 세포배양기(100)에서의 특정세포에 대한 배양상태를 감시 및 제어할 수 있게 되는 것이다.

또한 본 발명에 따른 클라우드 시스템을 이용한 세포배양상태 모니터링 및 제어 시스템의 구성도인 도 9로부터, 본 발명에 따른 세포배양 모니터링 및 제어 시스템은 상기 인터넷이 제어모듈을 포함하는 클라우드 시스템일 수 있고, 이때 상기 세포배양단말, 상기 데이터베이스, 상기 중앙서버, 상기 원격제어단말 및 상기 전문가단말 중 적어도 하나는 상기 클라우드 시스템의 제어모듈에 의해 제어될 수 있다.

따라서 상기 세포배양단말, 상기 원격제어단말 및 상기 전문가단말에는 자체적인 제어부가 필요 없고 상기 클라우드 시스템의 제어모듈에 명령을 전달하고 수신할 수 있는 입력수단(예건대, PC의 경우 키보드, 휴대 단말인 경우 터치스크린 등의 입력수단)과 출력수단(예컨대, 디스플레이부)만 구비할 수 있다. 따라서 본 발명은 클라우드 기반의 원격 관리 및 제어가 가능하며, 전력 소모를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

본 명세서 및 도면에 개시된 다양한 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

따라서, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위는 여기에서 설명된 실시예들 이외에도 본 발명의 다양한 실시예들의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 다양한 실시예들의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 세포 배양 관련 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.

100 : 세포배양기 111 : 광원소스
110 : 광제어부 121, 122, 123, 124 : 가이드레일
120 : 필터 130 : 선반
140 : PD 드라이버 101 : 가이드부
150 : 세포배양용기 160 : 도어
170 : MCU 200 : 세포배양단말
300 : 원격제어단말 400 : 전문가단말
500 : 중앙서버 600 : 데이터베이스

Claims (6)

1. 배양 공간을 구비하는 케이스의 상단 벽에 고정된 광제어부로서, 광원을 조사하는 광원소스와 내부에 슬라이딩 가능한 필터를 구비하고, 자연 채광이 가능하고 특정 광원을 선택적으로 투과할 수 있는 광원선택형인 적어도 하나의 가이드레일을 구비하는 광제어부와, 상기 광제어부와 이격을 두고 하부에 배치되고, 세포배양용기를 안착시킬 수 있는 다수의 용기 수용부를 구비하는 선반과, 상기 선반과 이격을 두고 하부에 배치되고, 상기 세포배양용기를 투과한 광원의 광 투과량을 측정하는 PD 드라이버를 포함하는 광 투과도를 이용한 세포 배양 상태를 확인할 수 있는 세포배양기;
   인터넷을 통해 제공되는 세포배양기 제어정보에 따라 상기 세포배양기를 제어하며, 세포배양기의 세포배양정보를 인터넷을 통해 외부로 제공하는 세포배양단말;
   상기 세포배양단말과 연결되는 세포배양기의 IP주소가 저장되는 특정세포정보DB 및 특정세포배양조건 등의 세포배양정보가 저장되는 세포배양기정보DB를 포함하는 데이터베이스;
   상기 인터넷을 통해 세포배양단말로부터 제공되는 세포배양기의 실시간 정보를 제공하며, 상기 데이터베이스의 정보를 바탕으로 상기 세포배양기에 대한 각종 정보를 제공하는 중앙서버; 및
   상기 중앙서버에서 제공되는 세포배양기의 실시간 정보를 바탕으로 상기 세포배양기를 감시하면서 조사되는 특정파장과 자연채광을 병합하여 세포배양상태를 확인하고 상기 세포배양단말을 통해 세포배양기를 제어하는 원격제어단말;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 세포배양 모니터링 및 제어 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   인터넷을 통해 상기 세포배양기의 기술적 제어를 위한 정보를 제공하는 전문가 단말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포배양 모니터링 및 제어 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 세포배양기는 상기 세포배양단말과의 연결을 위한 유무선 연결수단으로서 직렬통신을 위한 시리얼 포트 또는 TCP IP기반의 이더넷 포트 또는 낙뢰나 전자파의 영향을 받지 않는 광통신 포트 또는 RF통신을 가능케 하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 세포배양 모니터링 및 제어 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 중앙서버는 상기 데이터베이스의 정보를 바탕으로 세포배양기의 IP주소로의 연결을 가능케 함을 특징으로 하는 세포배양 모니터링 및 제어 시스템.
5. 삭제
6. 제2항에 있어서,
   상기 인터넷은 제어모듈을 포함하는 클라우드 시스템이고,
   상기 세포배양단말, 상기 데이터베이스, 상기 중앙서버, 상기 원격제어단말 및 상기 전문가단말 중 적어도 하나는 상기 클라우드 시스템의 제어모듈에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 세포배양 모니터링 및 제어 시스템.

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