KR102320725B1 - 생체 모사 칩 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생체 모사 칩 장치를 제공한다. 본 발명은 바디, 상기 바디에 배치되며, 일 방향으로 연장되는 메인 채널, 상기 메인 채널 상에 서로 이격하여 배치되는 복수개의 배양 챔버, 상기 메인 채널의 일단에 배치되며, 제1 유체를 저장하는 제1 저장조, 상기 메인 채널의 타단에 배치되며, 상기 제1 유체를 저장하는 제2 저장조를 포함하고, 상기 바디는 상기 일 방향에 수직되는 제1 축을 중심으로 틸팅되어, 상기 제1 유체를 상기 제1 저장조와 상기 제2 저장조 사이로 유동시키는, 생체 모사 칩 장치를 제공한다.

Description

생체 모사 칩 장치{BIOMEMETIC CHIP DEVICE}
본 발명은 생체 모사 칩 장치에 관한 것이다.
식품 또는 신약 개발을 할 때에 전임상 시험(preclinical test)은 성분의 효능과 독성을 평가하기 위한 단계이다. 이러한 전임상 시험 단계에서 인간 또는 동물 세포를 이용하여 부작용 및 효능을 예측할 수 있다. 그런데, 종래에는 세포 배양 모델의 정확성이 높지 않기 때문에, 개발 비용 및 시간이 많이 필요하였다.
이에 따라, 온 칩(on chip) 세포 배양 기술이 식품 또는 신약 개발 시 수행되는 전임상 시험에 적용되고 있다. 온 칩 세포 배양 기술은, 인체를 포함하는 생체 내부 환경과 유사한 환경을 조성하는 마이크로 칩에서 세포를 배양함으로써, 세포의 생리학적 유사성을 높일 수 있는 기술이다. 예시적으로, 완성된 칩 안에 장 세포와 간 세포를 각각 배양하여 장 흡수와 간 대사 반응을 인체에서의 반응과 유사하게 모사할 수 있다.
최근 플라스틱 접시에 세포를 배양하지 않고 실제 인체의 혈류 및 장액 유동을 모사한 미세유체 칩에 세포를 배양을 할 경우 세포의 활성과 기능이 개선된다는 보고가 있었다. 이에 따라 유체의 유동이 포함된 세포 배양 시스템인 세포 배양 칩의 필요성이 커지고 있다.
현재 3차원 세포 배양 및 장기 모사 칩(organ-on-a-chip)에 대한 연구가 진행되고 있으나, 주로 단일 장기 모델의 제한적인 기능만을 모사하므로 단일 칩 상에서 다중 장기 네트워크를 형성하기 어렵고, 인체 내 장기들 간의 상호작용을 모사할 수 없다. 이러한 이유로, 체외에서 다중 장기 네트워크를 형성한 후 다양한 장기들을 함께 배양하기 위한 조건을 최적화하는 것이 필수이다. 그러나 실제 생체 조건과 유사한 생체 환경을 모사할 수 있는 장치가 부재하여, 이에 대한 연구를 진행하기 어려운 상황이다. 특히 뇌 연구의 경우, 다양한 뇌 부위 연결을 체외에서 형성하고, 특정 뇌 부위에 대한 선택적인 외부 자극 시 연결된 다른 뇌 부위들에 대한 영향을 조사할 수 있는 체외 실험이 어려운 상황이다.
또한, 두 개 이상의 장기를 배양할 수 있는 일부 칩의 모사 대상 장기의 종류마다 칩의 구조가 다르고 복잡하며, 외부 펌프, 튜빙 또는 전선 등과 같이 외부 시스템과의 연결을 동반하기 때문에 기존의 실험 장비와 호환성이 떨어져 고속 대용량 처리 시스템을 구현하는데 어려움이 있다. 또한, 종래의 세포 배양 장치는 배양 모델로서 비노출 모델만을 포함하고 있고, 장치 내 배양액의 유동이 양방향으로 이루어져 실제 생체 내에서의 혈액 또는 체액의 유동과 상이하다.
마지막으로, 종래의 장기모사 칩의 경우, 세포들을 칩 내 표면에 부착하여 배양하므로 칩 외부로 회수하여 추가적인 분석을 진행할 수 없다.
JY KIM et al., Journal of Laboratory Automation, Vol. 20, No. 3, pp. 274-282 (2015)
본 발명은 인체를 포함하는 생체 환경을 모사하는 생체 모사 칩 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면은, 바디, 상기 바디에 배치되며, 일 방향으로 연장되는 메인 채널, 상기 메인 채널 상에 서로 이격하여 배치되는 복수개의 배양 챔버, 상기 메인 채널의 일단에 배치되며, 제1 유체를 저장하는 제1 저장조, 상기 메인 채널의 타단에 배치되며, 상기 제1 유체를 저장하는 제2 저장조를 포함하고, 상기 바디는 상기 일 방향에 수직되는 제1 축을 중심으로 틸팅되어, 상기 제1 유체를 상기 제1 저장조와 상기 제2 저장조 사이로 유동시키는, 생체 모사 칩 장치를 제공한다.
또한, 상기 생체 모사 칩 장치는 복수개의 배양 모델들이 상기 배양 채널에서 배양되되, 상기 복수개의 배양 모델은 생체 내에서 혈액이 공급되는 순서에 따라 상기 일 방향을 따라 배치될 수 있다.
또한, 상기 배양 모델은 상기 생체의 내부의 비노출 모델과 상기 생체의 외부의 노출 모델을 포함하며, 상기 제1 유체는 상기 제1 저장조로부터 상기 비노출 모델을 배양하는 배양 챔버와 상기 노출 모델을 배양하는 배양 챔버를 거쳐, 상기 제2 저장조로 유동할 수 있다.
또한, 상기 메인 채널과 나란히 배치되어, 상기 제1 저장조에서 상기 제2 저장조로 이동한 상기 제1 유체를 상기 제1 저장조로 리턴시키는 바이패스 채널을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 바디가 제1 방향으로 틸팅되면, 상기 제1 유체가 상기 메인 채널을 따라 이동하고, 상기 바디가 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 틸팅되면, 상기 제1 유체가 상기 바이패스 채널을 따라 이동할 수 있다.
또한, 상기 메인 채널의 양단에 배치된 제1 밸브 유닛 및 상기 바이패스 채널의 양단에 배치된 제2 밸브 유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 밸브 유닛 및 상기 제2 밸브 유닛은 기 설정된 유동방향으로 상기 제1 유체를 이동시키는 볼 밸브일 수 있다.
또한, 제2 유체가 이동하고, 일부 구간이 상기 바이패스 채널과 나란히 배치되는 서브 채널을 더 포함하고, 상기 바이패스 채널을 이동하는 상기 제1 유체가 상기 서브 채널을 이동하는 상기 제2 유체와 물질을 교환할 수 있다.
또한, 상기 바이패스 채널과 상기 서브 채널 사이에 멤브레인을 구비할 수 있다.
또한, 상기 바이패스 채널과 상기 서브 채널은 상기 바디가 기 설정된 방향으로 회전시에 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 물질을 교환할 수 있다.
본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치는 펌프나 미세관 등을 구비하지 않고, 중력을 기반으로 하여 장치를 틸팅함으로써 간단하게 유체의 유동을 형성할 수 있어, 장치의 크기와 무게를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치는 생체 내의 비노출 장기와 노출 장기에 대한 배양 모델을 포함하고, 유체의 유동을 생체 내부의 혈액의 유동과 동일하게 제어하고, 또한 바이패스 채널에 형성된 멤브레인을 통해 목표한 물질을 이동시켜 신체 내 물질 배출을 모사함으로써 실제 생체 환경과 동일한 배양 환경을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단한 생체 모사 칩 장치의 단면을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 A를 확대하여 도시하는 도면이다.
도 4는 생체 모사 칩 장치가 축 AX1을 중심으로 틸팅되는 것을 도시하는 도면이다.
도 5는 다른 실시예로서 바이패스 채널 및 밸브 유닛을 구비한 생체 모사 칩 장치를 도시하는 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예로서 서브 채널과 멤브레인을 구비하는 생체 모사 칩 장치를 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6의 B를 확대하여 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치를 도시하는 도면이다.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ를 따라 절단한 생체 모사 칩 장치의 단면을 도시하는 도면이다.
도 10은 도 9의 C를 확대하여 도시하는 도면이다.
도 11은 도 8의 생체 모사 칩 장치가 축 AX1을 중심으로 틸팅되는 것을 도시하는 도면이다.
도 12는 도 8의 생체 모사 칩 장치가 축 AX2를 중심으로 틸팅되는 것을 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배양 장치를 도시한 사시도이다.
도 14는 도 13의 배양 장치가 설치된 배양 챔버 시스템을 도시하는 단면도이다.
도 15은 도 13의 지지 플레이트를 도시하는 평면도이다.
도 16은 연결 프레임과 지지 프레이트의 결합관계를 도시하는 도면이다.
도 17a 및 도 17b는 배양 장치의 구동을 도시하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배양 장치를 이용하여 배양 모델을 배양하는 방법을 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(200)를 도시하는 도면이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단한 생체 모사 칩 장치(200)의 단면을 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(200)는 바디(210)와, 바디(210)에 배치되며, 일 방향으로 연장되는 메인 채널(220)과, 메인 채널(220) 상에 서로 이격하여 배치되는 복수개의 배양 챔버(230)와, 메인 채널(220)의 일단에 배치되며, 제1 유체를 저장하는 제1 저장조(241)와, 메인 채널(220)의 타단에 배치되며, 제1 유체를 저장하는 제2 저장조(242)를 포함하고, 바디(210)는 일 방향에 수직되는 제1 축을 중심으로 틸팅되어, 제1 유체를 제1 저장조(241)와 제2 저장조(242) 사이로 유동시킨다.
바디(210)는 생체 모사 칩 장치(200)의 기본적인 형상을 형성하고, 다른 부재가 배치될 수 있다. 바디(210)의 형상은 특별히 한정하지 않으며, 본 발명의 일 실시예에서는 일 방향으로 길게 연장된 직육면체 형상일 수 있다. 일 실시예로, 외부에서 바디(210)의 내부를 용이하게 관찰할 수 있도록 바디(210)는 투명한 재질로 이루어질 수 있다. 바디(210)의 일측에는 생체 모사 칩 장치(200)를 틸팅하기 위한 부재가 결합될 수 있다.
도 2를 참조하면, 메인 채널(220)은 바디(210)에 배치되며, 일 방향으로 연장된다. 메인 채널(220)은 바디(210)의 내부에 배치되어 제1 유체가 이동하는 내부 유로를 제공한다. 후술하는 바와 같이, 메인 채널(220)의 일단은 제1 저장조(241)에 연결되며, 타단은 제2 저장조(242)에 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서 메인 채널(220)은 바디(210)의 저면과 평행하도록 X축 방향(생체 모사 칩 장치(200)의 길이 방향)으로 배치될 수 있다.
제1 유체는 배양 모델(M)을 배양 및 성장시키는데 필요한 유체로서, 본 발명의 일 실시예에서는 배양 모델(M)에 산소 및 영양분을 공급하는 배양액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배양 모델(M)은 생체의 특정 부위에 대응되는 모델로서, 생체 내부의 비노출 모델(MA)과 생체 외부의 노출 모델(MB)을 포함할 수 있다. 비노출 모델(MA)은 간, 종양, 심장 등과 같은 비노출 장기에 관한 모델을 포함할 수 있다. 노출 모델(MB)은 피부, 비강 세포 등과 같은 노출 장기에 관한 모델을 포함할 수 있다.
배양 챔버(230)는 메인 채널(220) 상에 복수개 배치된다. 각각의 배양 챔버(230)에는 배양 모델이 배치되어 배양된다. 배양 챔버(230) 및 배양 모델(M)의 개수는 특별히 한정하지 않으며, 배양 모델(M)의 특성 및 실험의 목적 등을 고려하여 적절한 개수가 배치될 수 있다.
다른 실시예로서, 배양 모델(M)은 생체 내에서 혈액이 공급되는 순서에 따라 일 방향으로 배치될 수 있다. 구체적으로, 신체에서 혈액은 뇌, 심장, 간, 종양, 피부, 비강의 순서로 유동하며, 신체의 내부 중심에서 말초를 향해 흐른다. 이를 고려하여, 배양 모델(M)은 제1 저장조(241)에서 제2 저장조(242)를 향해 비노출 모델(MA)과 노출 모델(MB) 순으로 배양 챔버(230) 내에 배치될 수 있다. 또한, 비노출 모델(MA)은 뇌 모델, 심장 모델, 간 모델, 종양 모델 순으로 배치되고, 노출 모델(MB)은 피부 모델, 비강 모델 순으로 배치될 수 있다. 따라서, 제1 유체는 제1 저장조(241)에서 공급되어 생체 내에서 혈액이 공급되는 순서에 따라 메인 채널(220) 내를 유동하면서 비노출 모델(MA)과 노출 모델(MB)을 거쳐 제2 저장조(242)로 이동한다. 이러한 구성을 통해, 실제 생체 내의 혈액의 유동을 고려한 배양 환경을 구현할 수 있다.
비노출 모델(MA)은 3차원 오가노이드(organoid)로서 스페로이드(spheroid) 형태로 배양 챔버(230) 내에 배치될 수 있다. 이에 따라, 비노출 모델(MA)은 배양 챔버(230) 내부의 표면에 흡착하지 않고 3차원 형태를 유지하며 배양 챔버(230) 내의 공간에 머물면서 배양된다. 따라서 비노출 모델(MA)을 배양 후 장치의 외부로 회수하여 추가적인 분석을 진행할 수 있다. 노출 모델(MB)은 배양 유닛(250)을 통해 배양 챔버(230) 내에 배치될 수 있다. 이에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 2의 A를 확대하여 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 노출 모델(MB)은 배양 유닛(250)에 배치되어, 바디(210)의 상면에 형성된 홈을 통해 배양 챔버(230) 내에 삽입될 수 있다. 배양 유닛(250)은 생체 모사 칩 장치(200)에 대해 탈착 가능하며, 가이드부(251)와 바닥막(252)을 포함한다.
가이드부(251)는 정면에서 보았을 때 상단이 외측으로 절곡된 V자 형상을 갖는 부재이다. 가이드부(251)의 절곡된 부분은 바디(210)의 상면에 지지되며, 가이드부(251)의 측벽은 바디(210)의 상면에 형성된 홈(도면 부호 미도시)의 측벽에 지지된다. 가이드부(251)의 하단은 평평한 바닥막(252)으로 이루어질 수 있다. 바닥막(252)은 외부와의 물질 교환이 이루어질 수 있는 멤브레인이며, 노출 모델(MB) 중 노출 세포는 바닥막(252)의 위에, 혈관 내피 세포는 바닥막(252)의 아래에 배치될 수 있다.
이와 같이 노출 모델(MB)은 생체 모사 칩 장치(200)의 외부에서 배양 유닛(250)에 배치된 다음, 배양 챔버(230) 내로 삽입될 수 있다. 배양 유닛(250)은 트랜스웰(transwell)일 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(200)는, 비노출 모델(MA)을 스페로이드 형태로 배양 챔버(230)에 배치하고, 노출 모델(MB)을 배양 유닛(250)에 배치하여, 배양 모델을 모듈화할 수 있다. 이에 따라, 배양 과정 중 또는 배양 과정이 완료된 후에 생체 모사 칩 장치(200)로부터 배양 모델을 용이하게 취출하여, 생체 모사 칩 장치(200)의 외부에서 추가적인 분석을 실시할 수 있다.
다른 실시예로, 생체 모사 칩 장치(200)는 비노출 모델(MA)을 배양 챔버(230) 내로 안착시키기 위해, 로딩 채널(미도시) 및 로딩 챔버(미도시)를 추가로 구비할 수 있다. 구체적으로, 도 8 및 도 9에 나타낸 생체 모사 칩 장치(300)의 로딩 채널(370) 및 로딩 챔버(380)와 같이, 바디(210)의 일측에 비노출 모델(MA)이 안착되는 로딩 챔버를 구비하고, 로딩 챔버로부터 연장되어 배양 챔버(230)와 연결되는 로딩 채널을 구비할 수 있다. 이에 따라, 메인 채널(220)이 연장되는 일 방향과 평행한 제2 축(예를 들어, 도 1의 축 AX2)을 중심으로 바디(210)가 틸팅됨에 따라, 로딩 챔버 내의 비노출 모델(MA)은 로딩 채널을 통해 배양 챔버(230) 내에 로딩될 수 있다.
또 다른 실시예로, 비노출 모델(MA)을 배양 챔버(230) 내에 안착하기 위한 투입구가 배양 챔버(230)의 바로 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 배양 챔버(230)가 저장조(240)와 같이 상면이 개방되어 있어, 비노출 모델(MA)을 배양 챔버(230) 내로 직접 안착시킬 수 있다. 이 경우, 생체 모사 칩 장치(200)는 로딩 채널과 로딩 챔버를 구비하지 않아, 보다 간단한 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 생체 모사 칩 장치(200)는 배양 챔버(230)의 개방된 상면을 개폐하기 위한 커버(미도시)를 추가로 구비할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 저장조(240)는 제1 유체를 저장하고 공급하는 부재로서 제1 저장조(241) 및 제2 저장조(242)를 포함할 수 있다. 제1 저장조(241)는 바디(210)의 상면 일측에 배치되고, 제2 저장조(242)는 바디(210)의 상면 타측에 배치된다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 저장조(241) 및 제2 저장조(242)는 바디(210)의 상면에 형성된 홈(미도시)을 통해 바디(210)에 삽입될 수 있다.
제1 저장조(241)는 메인 채널(220)의 일단과 연결되며, 제2 저장조(242)는 메인 채널(220)의 타단과 연결된다. 제1 저장조(241) 및 제2 저장조(242)는 내부에 제1 유체를 저장하는 내부 공간을 가진다. 제1 저장조(241) 및 제2 저장조(242)는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 원기둥 형상 또는 아래로 테이퍼진 형상 등을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 저장조(241) 및 제2 저장조(242)는 내부 공간을 가지는 원기둥 형상일 수 있다. 또한, 외부로부터 제1 유체를 공급하기 위해 제1 저장조(241) 및 제2 저장조(242)는 상면이 개방된 형상을 가질 수 있다.
다른 실시예로서, 생체 모사 칩 장치(200)는 저장조(240)의 상면을 개폐할 수 있는 커버(미도시)를 선택적으로 구비할 수 있다. 이에 따라, 생체 모사 칩 장치(200)가 틸팅되더라도 저장조(240)로부터 제1 유체가 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 생체 모사 칩 장치(200)가 축 AX1을 중심으로 틸팅되는 것을 도시하는 도면이다.
도 1, 도 2, 도 4를 참조하면, 축 AX1은 Y축에 대해 평행하도록 생체 모사 칩 장치(200)의 X축 방향 중심에 위치할 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 생체 모사 칩 장치(200)가 축 AX1을 중심으로 시계 방향으로 틸팅되면, 제1 유체가 제1 저장조(241)로부터 메인 채널(220)을 통해 각각의 배양 챔버(230)로 공급된다. 배양 챔버(230)를 거친 제1 유체는 제2 저장조(242)로 이동한다. 반대로, 생체 모사 칩 장치(200)가 축 AX1을 중심으로 반시계 방향으로 틸팅되면, 제1 유체는 제2 저장조(242)로부터 제1 저장조(241)로 이동한다.
또한, 전술한 바와 같이, 생체 모사 칩 장치(200)는 비노출 모델(MA)을 배양 챔버(230) 내에 안착하기 위한 로딩 채널 및 로딩 챔버를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 바디(210)를 축 AX2를 중심으로 틸팅시켜, 로딩 챔버 내에 주입된 비노출 모델(MA)을 배양 챔버(230)로 이동시킬 수 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 축 AX2는 바디(210)의 저면에 있어서, 배양 모델(M)의 아래에 위치할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치(200)는 펌프, 미세관 또는 튜빙 등을 구비하지 않고, 중력을 기반으로 하여 장치를 틸팅함으로써 간단하게 유체의 유동을 형성할 수 있어, 장치의 크기와 무게를 줄일 수 있다.
한편, 노출 모델(MA) 및 비노출 모델(MB)의 크기는 메인 채널(220)의 내부 유로의 크기보다 클 수 있다. 이에 따라, 생체 모사 칩 장치(200)가 틸팅되더라도 노출 모델(MA) 및 비노출 모델(MB) 자체는 각각의 배양 챔버(230)에 배치된 상태에서 다른 배양 챔버(230)로 이동하지 않는다. 즉, 각각의 노출 모델(MA) 및 비노출 모델(MB)은 다른 노출 모델(MA) 및 비노출 모델(MB)과 공간적으로 분리된 상태로 배양될 수 있다.
도 5는 다른 실시예로서 바이패스 채널(260) 및 밸브 유닛(270)을 구비한 생체 모사 칩 장치(200)를 도시하는 도면으로서, 도 5(a)는 제1 유체가 메인 채널(220)에서 유동하는 경우이고, 도 5(b)는 제1 유체가 바이패스 채널(260)에서 유동하는 경우이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 생체 모사 칩 장치(200)는 바이패스 채널(260)을 더 구비할 수 있다. 바이패스 채널(260)은 바디(210)에 메인 채널(220)과 나란히 배치되며, 일단이 제1 저장조(241)와 연결되고, 타단이 제2 저장조(242)와 연결된다. 바이패스 채널(260)은 제1 저장조(241)에서 제2 저장조(242)로 이동한 제1 유체를 다시 제1 저장조(241)로 돌려보낸다.
또한, 도 5를 참조하면, 본 발명의 생체 모사 칩 장치(200)는 밸브 유닛(270)을 더 구비할 수 있다. 밸브 유닛(270)은 유체가 미리 설정된 방향으로만 유동하도록 하는 부재로서, 메인 채널(220)과 바이패스 채널(260)를 흐르는 제1 유체를 제어한다. 밸브 유닛(270)은 메인 채널(220)과 바이패스 채널(260)에 각각 배치될 수 있다.
밸브 유닛(270)은 제1 밸브 유닛(271)과 제2 밸브 유닛(272)을 포함할 수 있다. 제1 밸브 유닛(271)은 메인 채널(220)의 일단 및 타단에 각각 배치되어, 제1 저장조(241)에서 제2 저장조(242)로 이동하는 제1 유체의 유동을 제어한다. 제2 밸브 유닛(272)은 바이패스 채널(260)의 일단 및 타단에 각각 배치되어, 제2 저장조(242)에서 제1 저장조(241)로 이동하는 제1 유체의 유동을 제어한다.
구체적으로, 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 생체 모사 칩 장치(200)가 축 AX1을 중심으로 시계 방향으로 틸팅되는 경우, 제1 저장조(241)에서 제2 저장조(242)로 제1 유체의 유동이 발생한다. 이때 발생된 제1 유체의 유동은 메인 채널(220) 상에 배치된 배양 챔버(230)에 산소 및 영양분 등을 공급하기 위한 것으로, 메인 채널(220)을 통과해야 한다. 따라서, 제1 밸브 유닛(271)이 개방되고 제2 밸브 유닛(272)이 폐쇄된다. 이에 따라, 제1 유체는 제1 저장조(241)에서 제2 저장조(242) 방향으로 메인 채널(220) 내부를 흐르고, 바이패스 채널(260) 내부를 흐르지 않는다.
반대로, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 생체 모사 칩 장치(200)가 축 AX1을 중심으로 반시계 방향으로 틸팅되는 경우, 제2 저장조(242)에서 제1 저장조(241)로 제1 유체의 유동이 발생한다. 이때 발생된 제1 유체의 유동은 배양 챔버(230)에 공급된 제1 유체를 회수하기 위한 것으로, 바이패스 채널(260)을 통과해야 한다. 따라서, 제1 밸브 유닛(271)이 폐쇄되고 제2 밸브 유닛(272)이 개방된다. 이에 따라, 제1 유체는 제2 저장조(242)에서 제1 저장조(241) 방향으로 바이패스 채널(260) 내부를 흐르고, 메인 채널(220) 내부를 흐르지 않는다.
전술한 바와 같이 밸브 유닛(270)은 제1 유체의 유동을 선택적으로 제어할 수 있는 구성이면 충분하며, 특별히 한정하지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서 밸브 유닛(270)은 볼과 볼 지지부로 이루어진 볼 밸브일 수 있다. 이에 따라, 생체 모사 칩 장치(200)가 축 AX1을 중심으로 틸팅되는 경우, 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 볼이 볼 지지부로부터 이탈하여 메인 채널(220) 또는 바이패스 채널(260)이 폐쇄됨에 따라 제1 유체의 유동이 차단될 수 있다. 반대로 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 볼이 볼 지지부에 안착되어 메인 채널(220) 또는 바이패스 채널(260)이 개방됨에 따라 제1 유체의 유동이 허용될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 생체 모사 칩 장치(200)는 제1 유체가 메인 채널(220) 또는 바이패스 채널(260) 중 어느 하나의 채널에서만 유동하도록, 즉, 제1 유체가 단일 방향으로만 유동하도록 구성할 수 있다. 이를 통해, 혈액이 일 방향으로만 공급되는 실제 생체 환경과 유사한 배양 환경을 구현할 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예로서 서브 채널(280)과 멤브레인(290)을 구비한 생체 모사 칩 장치(200)를 도시하는 도면이고, 도 7은 도 6의 B를 확대하여 도시하는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 생체 모사 칩 장치(200)는 서브 채널(280)을 더 구비할 수 있다. 서브 채널(280)은 양단이 추가 저장조(R)와 각각 연결되고, 일부 구간이 바이패스 채널(260)과 나란하게 배치될 수 있다. 또한, 바이패스 채널(260)과 서브 채널(280)이 나란하게 배치된 구간에서 물질 교환이 일어날 수 있다.
상세하게, 생체 모사 칩 장치(200)는 바이패스 채널(260)과 서브 채널(280) 사이에 멤브레인(290)을 더 구비할 수 있다. 멤브레인(290)은 바이패스 채널(260)과 서브 채널(280)의 경계면에 배치되어, 바이패스 채널(260)과 서브 채널(280)간의 물질 교환을 유도한다.
예를 들어, 제1 저장조(241)로부터 공급되어 배양 챔버(230)를 거쳐 제2 저장조(242)로 이동한 제1 유체는, 각각의 배양 모델(M)로 산소 및 영양분을 공급하고 그로부터 노폐물을 전달받는다. 따라서, 제2 저장조(242)로 이동한 제1 유체는 다시 사용할 수 없다. 이 경우, 추가 저장조(R)로부터 공급된 제2 유체는 서브 채널(280)을 유동하면서, 멤브레인(290)을 통해 농도 차이와 물질의 크기, 멤브레인 내부의 구멍 크기에 따라 바이패스 채널(260)과 선택적인 물질 교환을 실시할 수 있다.
구체적으로, 바디(210)가 틸팅됨에 따라 제1 유체가 제2 저장조(242)로부터 제1 저장조(241)로 이동하고, 제2 유체도 제1 유체와 동일한 방향으로 추가 저장조(R) 사이를 이동한다. 이때, 제1 유체에 포함된 노폐물은 멤브레인(290)을 통해 제2 유체로 이동하고(EM1), 제2 유체에 포함된 산소 및 영양분은 제1 유체로 이동(EM2)할 수 있다. 산소 및 영양분을 공급하고 노폐물을 전달받은 제2 유체는 추가 저장조(R)로 회수된다. 이후, 회수된 노폐물을 분석하여, 배양 모델(M)의 배양 상태를 모니터링 할 수 있다.
다른 실시예로, 멤브레인(290)은 복수개의 레이어로 구성될 수 있다. 구체적으로, 멤브레인(290)은 바이패스 채널(260)측에 배치된 제1 멤브레인과, 서브 채널(280)측에 배치된 제2 멤브레인을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예로, 바이패스 채널(260)과 서브 채널(280)간의 물질 교환은 바디(210)가 특정 방향으로 틸팅되는 경우에만 일어나는 것으로 설정할 수 있다. 구체적으로, 바디(210)가 축 AX1을 중심으로 반시계 방향으로 틸팅되어 제1 유체가 바이패스 채널(260)을 유동하고, 제2 유체도 제1 유체와 동일한 방향으로 서브 채널(280)을 유동하는 경우에 한하여, 바이패스 채널(260)과 서브 채널(280)간의 물질 교환이 일어나는 것으로 설정할 수 있다. 이 경우, 서브 채널(280)의 양단에도 밸브 유닛(270)을 배치할 수 있다.
이와 같이 생체 모사 칩 장치(200)는 멤브레인(290)을 구비함으로써 유체의 유동간 특정 물질을 선택적으로 분리할 수 있는 간이 신장 기능을 구현할 수 있다.
다른 실시예로, 메인 채널(220), 배양 챔버(230) 및 저장조(240) 등은 복수 개의 열로 배치될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 생체 모사 칩 장치(200)는 표준 96웰 마이크로 플레이트 포맷에 대응되도록 구성될 수 있다. 이에 따라 기존의 세포 배양 자동화 장비와의 호환성을 높여, 고속 대용량 스크리닝의 실용화를 도모할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(300)를 도시하는 도면이고, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ를 따라 절단한 생체 모사 칩 장치(300)의 단면을 도시하는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(300)는 바디(310)와, 바디(310)에 배치되며, 일 방향으로 연장되는 메인 채널(320)과, 메인 채널(320) 상에 서로 이격하여 배치되는 복수개의 배양 챔버(330)과, 메인 채널(320)의 일단에 배치되며, 제1 유체를 저장하는 제1 저장조(341)과, 메인 채널(320)의 타단에 배치되며, 제1 유체를 저장하는 제2 저장조(342)와, 복수개의 배양 챔버(330) 중 적어도 하나와 연결되며, 일 방향과 다른 방향으로 연장되는 서브 채널(350)과, 서브 채널(350)의 단부에 배치되며, 서브 채널(350)을 통해 배양 챔버(330)로 제2 유체를 공급하는 주입 챔버(360)를 포함한다.
바디(310)는 생체 모사 칩 장치(300)의 기본적인 형상을 형성하고, 다른 부재가 배치될 수 있다. 바디(310)는 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(200)의 바디(210)와 동일할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 메인 채널(320)은 바디(310)에 배치되며, 일 방향으로 연장된다. 메인 채널(320)은 바디(310)의 내부에 배치되어 제1 유체가 이동하는 내부 통로를 제공한다. 메인 채널(320)의 일단은 제1 저장조(341)에 연결되며, 타단은 제2 저장조(342)에 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서 메인 채널(320)은 바디(310)의 내부에 배치될 수 있으며, 바디(310)의 저면과 평행하도록 X축 방향(생체 모사 칩 장치(300)의 길이 방향)으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 메인 채널(320)은 배양 모델(M)로서 뇌 모델들의 신경돌기가 성장하는 방향을 가이드하고 촉진하기 위해, 3μm 내지 5μm의 폭과 높이를 갖는 미세한 채널 어레이로 구성될 수 있다.
제1 유체는 배양 모델(M)을 배양 및 성장시키는데 필요한 유체로서, 본 발명의 일 실시예에서는 배양 모델(M)에 산소 및 영양분을 공급하는 배양액일 수 있다.
배양 모델(M)은 특별히 한정하지 않으며, 생체의 특정 부위에 대응되는 모델일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 배양 모델(M)은 서로 다른 뇌 부위의 신경세포로 이루어진 3차원 뇌 오가노이드 모델일 수 있다.
배양 챔버(330)는 배양 모델(M)이 배양되는 내부 공간을 갖는 부재이다. 배양 챔버(330)는 메인 채널(320) 상에 복수개 배치되며, 각각의 배양 챔버(330)에는 배양 모델(M)이 배치되어 배양될 수 있다. 배양 챔버(330) 및 배양 모델(M)의 개수는 특별히 한정하지 않으며, 배양 모델(M)의 특성 및 실험의 목적 등을 고려하여 적절한 개수가 배치될 수 있다.
저장조(340)는 제1 유체를 저장하고 공급하는 부재로서 제1 저장조(341) 및 제2 저장조(342)를 포함할 수 있다. 제1 저장조(341) 및 제2 저장조(342)는 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(200)의 제1 저장조(241) 및 제2 저장조(242)와 동일할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제1 유체의 유동은 바디(310)의 틸팅에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 메인 채널(320)이 연장되는 일 방향과 수직인 제1 축(예를 들어, 도 8의 축 AX1)을 중심으로 바디(310)가 틸팅됨에 따라, 제1 저장조(341) 및 제2 저장조(342)와 이를 연결하는 메인 채널(320) 내부에 제1 유체의 유동이 생성될 수 있다.
서브 채널(350)은 배양 챔버(330)와 연결되며, 바디(310)의 내부에 배치되어 제2 유체가 이동하는 내부 유로를 제공한다. 서브 채널(350)은 제1 주입관(351) 및 제2 주입관(352)을 포함할 수 있다. 제1 주입관(351) 및 제2 주입관(352)은 각각 배양 챔버(330)로부터 연장되며, 서로 대칭을 이루도록 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 주입관(351) 및 제2 주입관(352)은 배양 챔버(330)를 중심으로 V자 형상으로 배치될 수 있다.
서브 채널(350)은 메인 채널(320)과 동일한 평면 상에 배치될 수 있다. 서브 채널(350)은 모든 배양 챔버(330)에 대해 배치되거나, 제2 유체를 공급할 필요가 있는 일부 배양 챔버(330)에 대해서 선택적으로 배치될 수도 있다.
다른 실시예로, 서브 채널(350)은 배양 챔버(330)를 중심으로 서로 반대 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 제1 주입관(351)과 제2 주입관(352)이 배양 챔버(330)를 중심으로 서로 반대 방향으로 연장되어, 서브 채널(350)과 메인 채널(320)이 서로 교차하도록 배치될 수 있다.
제2 유체는 제1 유체와 동일하거나 상이한 유체일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제2 유체는 배양액 또는 배양 모델(M)에 화학적 자극을 부여하는 약물일 수 있다.
주입 챔버(360)는 서브 채널(350)의 단부와 연결되며, 서브 채널(350)을 통해 제2 유체를 배양 챔버(330)로 공급한다. 주입 챔버(360)는 제1 주입부(361) 및 제2 주입부(362)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 주입부(361) 및 제2 주입부(362)는 바디(310)의 상면에 형성된 홈(미도시)을 통해 바디(310)에 삽입될 수 있다. 제1 주입부(361)는 제1 주입관(351)의 타단과 연결되며, 제2 주입부(362)는 제2 주입관(352)의 타단과 연결되고, 제1 주입부(361)와 제2 주입부(362)는 서로 이격하여 배치된다. 즉, 제1 주입관(351) 및 제1 주입부(361)와 제2 주입관(352) 및 제2 주입부(362)는 배양 챔버(330)를 중심으로 서로 대칭을 이루도록 배치될 수 있다.
제1 주입부(361) 및 제2 주입부(362)는 각각 내부에 제2 유체를 저장하는 내부 공간을 가진다. 제1 주입부(361) 및 제2 주입부(362)는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 아래로 테이퍼진 형상 등을 가질 수 있다. 또한, 외부로부터 제2 유체를 공급하기 위해 제1 주입부(361) 및 제2 주입부(362)는 상면이 개방된 형상을 가질 수 있다.
다른 실시예로서, 주입 챔버(360)는 배양 챔버(330) 내의 배양 모델(M)에 의해 제1 유체의 유동이 방해되는 경우에 선택적으로 활성화될 수 있다. 예를 들어, 배양 모델(M)이 신경세포 모델일 경우, 배양 모델(M)이 배양됨에 따라 각각의 배양 모델(M)로부터 뻗어나온 신경 돌기(neurite)가 서로 연결되어 메인 채널(320)의 유로가 좁아지게 된다. 이에 따라, 메인 채널(320) 내의 유체의 유동 저항이 높아져 제1 유체가 메인 채널(320)을 통해 배양 모델(M)로 원활하게 공급되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 배양 모델(M)로 배양액을 공급하기 위해 바디(310)를 틸팅시켜, 주입 챔버(360)로부터 배양 챔버(330)로 제2 유체를 공급할 수 있다. 바디(310)는 메인 채널(320)이 연장되는 일 방향과 수직인 제1 축(예를 들어, 도 8의 축 AX1)을 중심으로 틸팅될 수 있다. 또한, 이때 제2 유체는 배양액일 수 있다.
또 다른 실시예로서, 각각의 주입 챔버(360)에 저장된 제2 유체는 서로 상이한 약물일 수 있다. 이에 따라, 각각의 주입 챔버(360)에 배치된 배양 모델(M)에 대해 서로 다른 약물을 이용하여 화학적 자극을 부여할 수 있다.
로딩 채널(370)은 일단이 배양 챔버(330)와 연결되며, 바디(310)의 내부에 배치되어 배양 모델(M)이 이동할 수 있는 내부 통로를 제공한다. 로딩 채널(370)은 메인 채널(320)이 연장되는 일 방향과 상이한 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 제1 유체를 공급하기 위하여 바디(310)가 틸팅되더라도, 제1 유체가 메인 채널(320)로부터 로딩 챔버(380)로 누설되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서 로딩 채널(370)은 메인 채널(320)이 연장되는 일 방향과 수직을 이루도록 배치될 수 있다. 또한, 로딩 채널(370)은 메인 채널(320)과 동일한 평면 상에 배치될 수 있다.
로딩 챔버(380)는 로딩 채널(370)의 타단과 연결되며, 외부로부터 배양 모델(M)이 주입되어 안착되는 부재이다. 본 발명의 일 실시예에서 로딩 챔버(380)는 바디(310)의 상면에 형성된 홈(미도시)을 통해 바디(310)에 삽입될 수 있다. 로딩 챔버(380)는 내부에 배양 모델(M)이 안착되는 내부 공간을 가진다. 로딩 챔버(380)는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 내부 공간을 가지며 아래로 테이퍼진 형상을 가질 수 있다. 또한, 외부로부터 배양 모델(M)이 주입되도록 로딩 챔버(380)는 상면이 개방된 형상을 가질 수 있다.
로딩 챔버(380)의 배양 모델(M)은 바디(310)가 틸팅됨에 따라, 로딩 채널(370)을 통해 배양 챔버(330)에 로딩될 수 있다. 구체적으로, 메인 채널(320)이 연장되는 일 방향과 평행한 제2 축(예를 들어, 도 1의 축 AX2)을 중심으로 바디(310)가 틸팅됨에 따라, 로딩 챔버(380) 내의 배양 모델(M)은 로딩 채널(370)을 통해 이동하여, 배양 챔버(330) 내에 로딩될 수 있다.
다른 실시예로서, 생체 모사 칩 장치(300)는 저장조(340), 주입 챔버(360) 및 로딩 챔버(380)의 상면을 개폐할 수 있는 커버(미도시)를 선택적으로 구비할 수 있다. 이에 따라, 생체 모사 칩 장치(300)가 틸팅되더라도 커버에 의해 저장조(340), 주입 챔버(360) 및 로딩 챔버(380)가 덮여 있기 때문에, 저장조(340), 주입 챔버(360) 및 로딩 챔버(380)로부터 제1 유체, 제2 유체 또는 배양 모델(M)이 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
다른 실시예로, 배양 모델(M)은 로딩 채널(370) 및 로딩 챔버(380)를 거치지 않고 배양 챔버(330) 내로 직접 투입될 수 있다. 예를 들어, 배양 챔버(330)가 저장조(340)와 같이 상면이 개방되어 있어, 배양 모델(M)을 배양 챔버(330) 내로 직접 안착시킬 수 있다. 이 경우, 생체 모사 칩 장치(300)는 로딩 채널(370)과 로딩 챔버(380)를 구비하지 않아, 보다 간단한 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 생체 모사 칩 장치(300)는 배양 챔버(330)의 개방된 상면을 개폐하기 위한 커버(미도시)를 추가로 구비할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 바디(310)는 복수개의 부재가 결합되어 이루어질 수 있다. 예를 들어, 바디(310)를 하부 바디와 상부 바디로 분리하여, 하부 바디에 다른 부재를 배치한 후, 그 위에 상부 바디를 덮도록 구성할 수 있다. 이에 따라, 하부 바디로부터 상부 바디만을 분리하여 배양 모델(M)을 관찰하거나, 생체 모사 칩 장치(300)로부터 배양 모델(M)을 취출할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 메인 채널(320), 서브 채널(350) 및 로딩 채널(370)이 바디(310)의 저면에 대해 경사를 갖도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 로딩 채널(370)은 배양 챔버(330)를 향해 아래로 경사지도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 로딩 챔버(380)에 배양 모델(M)을 주입할 경우, 배양 모델(M)은 로딩 채널(370)을 따라 배양 챔버(330)로 자연스럽게 이동하여 안착될 수 있다.
도 10은 도 9의 C를 확대하여 도시하는 도면이다.
전술한 바와 같이, 바디(310)에 메인 채널(320)이 일 방향으로 연장되어 배치되고, 메인 채널(320) 상에 배양 챔버(330)가 배치된다. 배양 챔버(330)의 내부에는 배양 모델(M)이 배치되어 배양된다. 서브 채널(350)은 배양 챔버(330)와 연결되며, 배양 챔버(330)를 중심으로 V자로 배치된다. 로딩 채널(370)은 메인 채널(320)이 배치되는 일 방향과 상이한 방향으로 메인 채널(320)로부터 연장된다.
다른 실시예로서, 메인 채널(320)의 직경 d1과 서브 채널(350)의 직경 d2는 d1<d2의 관계를 만족할 수 있다. 이에 따라, 메인 채널(320)을 흐르는 제1 유체의 동수압은 서브 채널(350)을 흐르는 제2 유체의 동수압보다 더 클 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(300)의 동작을 설명한다.
도 11은 생체 모사 칩 장치(300)가 축 AX1을 중심으로 틸팅되는 것을 도시하는 도면이고, 도 12는 생체 모사 칩 장치(300)가 축 AX2를 중심으로 틸팅되는 것을 도시하는 도면이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 축 AX1은 Y축에 대해 평행하도록 생체 모사 칩 장치(300)의 X축 방향 중심에 위치할 수 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 생체 모사 칩 장치(300)가 축 AX1을 중심으로 시계 방향으로 틸팅되면, 제1 유체가 제1 저장조(341)로부터 공급되어 메인 채널(320)을 통해 각각의 배양 챔버(330)로 공급된다. 제1 유체는 배양 챔버(330)를 거쳐 제2 저장조(342)로 이동한다. 반대로, 생체 모사 칩 장치(300)가 축 AX1을 중심으로 반시계 방향으로 틸팅되면, 제1 유체는 제2 저장조(342)로부터 공급되어 제1 저장조(341)로 이동한다.
또한, 생체 모사 칩 장치(300)가 축 AX1를 중심으로 시계 방향으로 틸팅되면, 제1 주입부(361)에 저장된 제2 유체가 제1 주입관(351)을 통해 배양 챔버(330)로 공급된 다음, 제2 주입관(352)을 통해 제2 주입부(362)로 이동한다. 반대로, 생체 모사 칩 장치(300)가 축 AX1를 중심으로 반시계 방향으로 틸팅되면, 제2 유체는 제2 주입부(362)에 저장된 제2 유체가 제2 주입관(352)을 통해 배양 챔버(330)로 공급된 다음, 제1 주입관(351)을 통해 제1 주입부(361)로 이동한다.
도 8 내지 도 10, 도 12를 참조하면, 축 AX2는 X축에 대해 평행하도록 생체 모사 칩 장치(300)의 저면에 위치할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 축 AX2는 배양 모델(M)의 아래에 위치할 수 있다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 생체 모사 칩 장치(300)가 축 AX2를 중심으로 시계 방향으로 틸팅되면, 로딩 챔버(380)에 주입된 배양 모델(M)이 로딩 채널(370)을 통해 배양 챔버(330)로 이동한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치(300)는 펌프, 미세관 또는 튜빙 등을 구비하지 않고, 중력을 기반으로 하여 장치를 틸팅함으로써 간단하게 유체의 유동을 형성할 수 있어, 장치의 크기와 무게를 줄일 수 있다.
한편, 배양 모델(M)의 크기는 메인 채널(320)의 내부 유로의 크기보다 클 수 있다. 이에 따라, 생체 모사 칩 장치(300)가 틸팅되더라도 배양 모델(M)은 해당 배양 챔버(330)에서 다른 배양 챔버(330)로 이동하지 않는다. 즉, 각각의 배양 모델(M)은 다른 배양 모델(M)과 공간적으로 분리된 상태로 배양될 수 있다.
또한, 생체 모사 칩 장치(300)는 다중 전극 배열(Multi-electrode array; MEA)을 더 구비할 수 있다. 다중 전극 배열은 배양 모델(M)의 아래에 배치되어, 배양 모델(M)의 전기적 신호를 측정할 수 있다. 예를 들어, 배양 모델(M)이 형성한 인공 신경 회로망의 아래에 다중 전극 배열을 배치하고, 배양 모델(M)에 화학적 자극을 부여하여 인공 신경 회로망으로부터 발생하는 전기적 신호를 측정할 수 있다.
다른 실시예로, 메인 채널(320), 배양 챔버(330) 및 저장조(340) 등은 복수 개의 열로 배치될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 생체 모사 칩 장치(300)는 표준 96웰 마이크로 플레이트 포맷에 대응되도록 구성될 수 있다. 이에 따라 기존의 세포 배양 자동화 장비와의 호환성을 높여, 고속 대용량 스크리닝의 실용화를 도모할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배양 장치(100)를 도시한 사시도이며, 도 14는 도 13의 배양 장치(100)가 설치된 배양 챔버 시스템(1)를 도시하는 단면도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 배양 장치(100)는 배양 챔버 시스템(1)에 설치되며, 생체 모사 칩 장치(200)에 있는 세포를 배양할 수 있다. 배양 장치(100)에는 다양한 종류의 생체 모사 칩 장치가 설치될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 편의상 생체 모사 칩 장치(200)가 설치된 배양 장치(100)를 중심으로 설명한다.
배양 챔버 시스템(1)는 하우징(10), 순환 팬(20), 컨트롤러(30)를 구비할 수 있다. 하우징(10)의 내부에는 생체 모사 칩 장치(200)의 배양 장치(100)가 설치될 수 있다. 하우징(10)의 상단과 하단에는 각각 내부 플레이트(11)가 배치된다. 내부 플레이트(11)는 복수개의 관통홀(H)을 구비하여, 하우징(10) 내부의 공기는 챔버 내부를 유동하면서 전체 영역에서 균일하게 온도를 유지할 수 있다.
순환 팬(20)은 하우징(10)의 일측에 설치되고, 공기를 유동시켜서 하우징(10) 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
컨트롤러(30)는 배양 챔버 시스템(1) 및 배양 장치(100)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(30)는 순환 팬(20)의 구동을 제어하거나, 발열부(미도시)나 냉각부(미도시)를 구동시켜서 배양 챔버 시스템(1)의 내부 온도를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(30)는 배양 장치(100)의 구동부(120)를 구동시켜서 생체 모사 칩 장치(200)에서 제1 유체 및 제2 유체(이하, '유체'라고도 함)의 유동을 생성할 수 있다.
배양 장치(100)는 베이스(110), 구동부(120), 지지 플레이트(130), 연결 프레임(140)을 구비할 수 있다. 배양 장치(100)는 좌우 방향으로 지지 플레이트(130)를 틸팅시킴으로써, 생체 모사 칩 장치(200)의 내부 채널에 유체의 유동을 형성할 수 있다. 즉, 배양 장치(100)는 중력을 기반으로 하여 유체의 유동을 생성할 수 있다.
베이스(110)는 평판 형상을 가지고, 배양 챔버 시스템(1)의 바닥에 지지된다. 베이스(110)의 상부에는 복수개의 지지 플레이트(130)가 이격되게 배치된다.
구동부(120)는 베이스(110)와 지지 플레이트(130) 사이에 배치된다. 구동부(120)는 지지 플레이트(130)가 회동하도록 구동력을 생성하고, 상기 구동력을 지지 플레이트(130)로 전달할 수 있다. 구동부(120)는 복수개의 지지 플레이트(130) 중에서 가장 하단에 배치된 지지 플레이트와 연결된다. 즉, 구동부(120)는 가장 아래에 배치된 지지 플레이트(130)만 틸팅시키나, 연결 프레임(140)에 의해서 나머지 다른 지지 플레이트도 틸팅될 수 있다.
구동부(120)와 지지 플레이트(130) 사이에는 커넥터(125)가 배치될 수 있다. 커넥터(125)는 지지 플레이트(130)의 하부에 장착되고, 구동부(120)와 연결되어 회동할 수 있다. 커넥터(125)의 일측에는 틸팅표시부(126)가 장착되어, 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도를 확인할 수 있다.
도 15는 도 13의 지지 플레이트(130)를 도시하는 평면도이다.
도 13 및 도 15를 참조하면, 지지 플레이트(130)는 복수개로 구비되고, 베이스(110)의 상부에서 높이 방향으로 서로 이격하여 배치될 수 있다. 지지 플레이트(130)에는 생체 모사 칩 장치(200)가 장착될 수 있다.
지지 플레이트(130)는 구동부(120)가 구동하면 제1 회동축(P)을 중심으로 틸팅되고, 지지 플레이트(130)의 경사에 의해서 생체 모사 칩 장치(200)의 내부 채널로 유체가 이동한다. 제1 회동축(P)은 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치(200)의 축 AX1에 대응될 수 있다.
다른 실시예로서, 제1 회동축(P)에 수직인 제2 회동축(미도시)을 중심으로 지지 플레이트(130)가 틸팅되도록 구성할 수 있다. 즉, 구동부(120)가 구동되면 지지 플레이트(130)가 제2 회동축을 중심으로 틸팅되고, 지지 플레이트(130)의 경사에 의해서 생체 모사 칩 장치(200)의 내부에 있는 유체에 유동이 형성된다. 이때 제2 회동축은 생체 모사 칩 장치(200)의 축 AX2에 대응될 수 있다. 이 경우, 축 AX2에 따른 틸팅 각도를 확인할 수 있는 틸팅표시부(미도시)가 추가로 구비될 수 있다.
지지 플레이트(130)는 적어도 2개 방향으로 연장되는 복수개의 가이드 슬릿을 구비할 수 있다. 가이드 슬릿은 클램프(135)의 이동 방향을 따라 연장되고, 클램프(135)의 이동을 안내할 수 있다. 가이드 슬릿은 전후 방향으로 연장되는 제1 가이드 슬릿(131)과 폭 방향으로 연장되는 제2 가이드 슬릿(132)을 구비할 수 있다.
제1 가이드 슬릿(131)과 제2 가이드 슬릿(132)에는 각각 클램프(135)가 배치된다. 클램프(135)는 적어도 2개 방향으로 생체 모사 칩 장치(200)의 측면을 지지할 수 있다. 즉, 클램프(135)는 생체 모사 칩 장치(200)의 크기에 맞게 제1 가이드 슬릿(131) 또는 제2 가이드 슬릿(132)을 따라 이동할 수 있으며, 생체 모사 칩 장치(200)의 측면을 홀딩하여 위치를 고정할 수 있다.
지지 플레이트(130)는 가이드 슬릿과 클램프(135)를 구비하여, 다양한 사이즈를 가지는 생체 모사 칩 장치(200)를 적용할 수 있다.
도 16는 연결 프레임(140)과 지지 플레이트(130)의 결합관계를 도시하는 도면이다.
도 13 및 도 16을 참조하면, 연결 프레임(140)은 높이 방향으로 연장되어 복수개의 지지 플레이트(130)를 연결할 수 있다. 또한, 연결 프레임(140)은 지지 플레이트(130)와 회동 가능하게 연결되므로, 지지 플레이트(130)가 틸팅될 수 있다.
연결 프레임(140)은 복수개의 지지 플레이트(130)를 적층하기 위해서 장착되며, 균형을 위해서 적어도 3개의 서포터를 구비한다. 연결 프레임(140)은 지지 플레이트(130)의 전면의 일측에 배치되는 제1 서포터(141)와, 지지 플레이트(130)의 전면의 타측에 배치되어 제1 서포터(141)와 마주보도록 배치되는 제2 서포터(142)와, 지지 플레이트(130)의 후면의 중앙에 배치되는 제3 서포터(143)를 구비할 수 있다.
제1 서포터(141)와 제2 서포터(142)는 지지 플레이트(130)의 전면의 양측에 배치된다. 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142) 사이의 전면에는 다른 구조물이 배치되지 않으므로, 생체 모사 칩 장치(200)를 쉽게 설치 및 제거 할 수 있다. 상세하게, 도 13에서 가운데 층에 배치된 지지 플레이트(130)에서 생체 모사 칩 장치(200)를 설치하거나 제거하기 위해서, 상부의 지지 플레이트(130)를 분해 하지 않고, 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142) 사이의 공간으로 생체 모사 칩 장치(200)를 설치하거나 제거할 수 있다. 또한, 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142) 사이의 공간에 다른 구조물이 배치되지 않으므로, 배양 챔버 시스템(1)의 외부에서 이송장치(미도시)를 이용하여 자동으로 생체 모사 칩 장치(200)를 설치하거나 제거할 수 있다.
도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이, 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142)는 지지 플레이트(130)가 틸팅될 때, 서로 반대 방향으로 이동한다. 즉, 제1 서포터(141)가 상승하면 제2 서포터(142)는 하강하고, 제1 서포터(141)가 하강하면 제2 서포터(142)는 상승한다. 이로써, 지지 플레이트(130)는 일 방향으로 틸팅될 수 있다. 다만, 이때 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142)는 지지 플레이트(130)의 폭 방향으로는 이동하지 않는다.
제3 서포터(143)는 지지 플레이트(130)의 후면의 중앙에 배치되어, 지지 플레이트(130)에 균형을 형성할 수 있다. 제3 서포터(143)는 배양 챔버 시스템(1)의 후면에 배치되므로, 제3 서포터(143)가 지지 플레이트(130)의 후면의 중앙에 배치되더라도 생체 모사 칩 장치(200)의 설치나 제거 시에 방해가 되지 않는다.
제3 서포터(143)는 중앙에 배치되므로, 균형을 유지할 수 있다. 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142)와 달리 제3 서포터(143)는 지지 플레이트(130)가 틸팅되더라도 높이 방향으로 이동하지 않는다. 지지 플레이트(130)가 회동 시에 제3 서포터(143)의 위치는 고정되므로, 지지 플레이트(130)가 안정적으로 설치될 수 있다.
지지 플레이트(130)는 제1 회동축(P)을 중심으로 회동한다. 제1 회동축(P)은 지지 플레이트(130)의 중심을 관통하도록 배치된다. 제1 회동축(P)은 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142) 사이의 중앙에서 제3 서포터(143)를 향하여 연장된다.
연결 프레임(140)은 복수개를 연결하여 높이 방향으로 연장할 수 있다. 제1 서포터(141)는 제1a 서포터(141a)와 제1b 서포터(141b)를 연결하고, 제2 서포터(142)는 제2a 서포터(142a)와 제2b 서포터(142b)를 연결할 수 있다.
도 16을 참조하면, 제1a 서포터(141a)와 제1b 서포터(141b)는 돌기(146)가 삽입홀(147)에 삽입되어 연결된다. 즉, 제1a 서포터(141a)의 삽입홀(147)에 제1b 서포터(141b)의 돌기(146)가 삽입되어 높이 방향으로 연장된다. 이때, 돌기(146) 또는 삽입홀(147)에는 자성물질이 배치되어 결합력을 향상시킬 수 있다.
연결 프레임(140)은 지지 플레이트(130)가 회동할 수 있도록 연결된다. 연결 프레임(140)은 회동핀(145)을 구비하고, 회동핀(145)은 지지 플레이트(130)의 하부에 배치된 접속단(136)의 개구에 삽입된다. 회동핀(145)은 접속단에서 회동할 수 있으므로, 지지 플레이트(130)는 틸팅될 수 있다.
도 17a 및 도 17b는 배양 장치(100)의 구동을 도시하는 도면이다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 배양 장치(100)는 지지 플레이트(130)가 틸팅되어, 유체의 유동을 형성할 수 있다. 구동부(120)가 일방향으로 회전하면 지지 플레이트(130)의 일측과 제1 서포터(141)는 하강하고, 지지 플레이트(130)의 타측과 제2 서포터(142)는 상승한다. 이로써, 유체는 생체 모사 칩 장치(200)의 타측에서 일측으로 이동한다.
또한, 구동부(120)가 타방향으로 회전하면 지지 플레이트(130)의 일측과 제1 서포터(141)는 상승하고, 지지 플레이트(130)의 타측과 제2 서포터(142)는 하강한다. 이로써, 유체는 생체 모사 칩 장치(200)의 일측에서 타측으로 이동한다.
지지 플레이트(130)의 틸팅 각도는 컨트롤러(30)에 의해서 제어될 수 있다. 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도는 유체의 유동 속도를 결정한다. 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도가 크다면, 생체 모사 칩 장치(200)의 채널을 유동하는 유체의 속도는 빠르나, 반대로 틸팅 각도가 작으면, 생체 모사 칩 장치(200)의 미세 채널을 유동하는 유체의 속도는 느리다. 따라서 컨트롤러(30)는 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도를 조절하여 유체의 유동 속도를 조절하고, 이로써 배양 모델의 배양 속도를 조절할 수 있다.
또한, 지지 플레이트(130)의 틸팅 주기는 컨트롤러(30)에 의해서 제어될 수 있다. 지지 플레이트(130)의 틸팅 주기의 주입 시기를 결정한다. 따라서, 컨트롤러(30)가 틸팅 주기를 변경하여, 각 배양 모델에 맞게 유체의 주입시기를 조절할 수 있다.
지지 플레이트(130)가 틸팅될 때, 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142)는 높이 방향으로는 이동하지만, 지지 플레이트(130)의 폭 방향으로는 이동하지 않는다. 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142)는 지지 플레이트(130)와 회동하도록 연결되므로, 지지 플레이트(130)가 틸팅될 때, 제1 서포터(141)와 제2 서포터(142)는 높이 방향으로만 이동한다.
만약 제1 서포터와 제2 서포터가 폭 방향으로 이동한다면, 즉 연결 프레임이 진자 운동을 한다면, 하부에 배치된 생체 모사 칩 장치의 회동 거리와 상부에 배치된 생체 모사 칩 장치의 회동 거리는 달라지게 된다. 따라서, 상부에 배치된 생체 모사 칩 장치에서 유체의 유동량과 하부에 배치된 미세 유체 소자에서 유체의 유동량은 서로 상이하므로, 각 층을 균일하게 배양할 수 없다.
또한, 제1 서포터와 제2 서포터가 폭 방향으로 이동한다면, 최상부에 배치된 지지 플레이트가 좌우 방향으로 흔들리므로, 장치가 불안정해진다.
그러나, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치(200)의 배양 장치(100)는 제1 서포터(141) 및 제2 서포터(142)는 지지 플레이트(130)와 회동 가능하도록 배치되어 제1 서포터(141) 및 제2 서포터(142)는 높이 방향으로만 이동한다. 이로써, 배양 장치(100)는 생체 모사 칩 장치(200)의 양단의 높이만 변경하고, 위치를 이동시키지 않는다. 이로써, 배양 장치(100)는 생체 모사 칩 장치(200)에 일정한 유체의 유동을 형성하고, 장치의 안정성을 향상시킬 수 있다.
다른 실시예로, 배양 장치(100)는 컨트롤러(30)가 생체 모사 칩 장치(200)의 틸팅 각도 및 틸팅 주기를 조절하여, 각 배양 모델에 적합하도록 유체를 유동시킬 수 있다. 예컨대, 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도를 조절하여 유체의 속도를 조절할 수 있다. 또한, 지지 플레이트(130)의 틸팅 주기를 조절하여 유체의 주입 시기를 조절할 수 있다.
또한, 배양 모델에 맞게 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도를 연속적으로 조절할 수 있다. 예컨대, 유체가 생체 모사 칩 장치(200)의 배양 모델(M)에 따라 다른 조건으로 공급되어야 한다면, 컨트롤러(30)는 유체가 각각의 배양 챔버(230)를 통과할 때마다, 틸팅 각도를 조절할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 본 발명에 따른 배양 장치(100)는 유체의 유속 및 주입 시기를 조절함으로써, 신체 환경을 반영하여 배양 모델(M)을 배양하고, 실험을 수행할 수 있다.
본 발명에 배양 장치(100)는 생체 모사 칩 장치(200)에 추가적인 구동원을 설치하지 않고, 생체 모사 칩 장치(200)에 경사를 형성하여 유체를 유동시킬 수 있다. 중력 기반으로 유체를 유동시키므로, 간단하게 유체를 이동시키고 일정량의 유체를 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 배양 장치(100)는 다양한 크기의 생체 모사 칩 장치(200)를 적용할 수 있다. 지지 플레이트(130)의 클램프(135)는 가이드 슬릿을 따라 이동할 수 있으므로, 다양한 크기의 생체 모사 칩 장치(200)를 지지 플레이트(130)에 고정할 수 있다.
본 발명에 따른 배양 장치(100)는 유체의 유동량을 일정하게 유지하고, 구조적 안정성을 확보할 수 있다. 제1 서포터(141) 및 제2 서포터(142)는 지지 플레이트(130)와 회동가능 하도록 배치되므로, 제1 서포터(141) 및 제2 서포터(142)가 높이 방향으로만 이동하고 폭 방향으로는 이동하지 않으므로, 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도 및 틸팅 거리는 각 층마다 일정하므로, 각 층에 설치된 생체 모사 칩 장치(200)는 각각 일정량의 유체가 이동하고, 장치의 구조적 안정성을 확보할 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배양 장치(100)를 이용하는 배양 방법을 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배양 장치(100)를 이용하는 배양 방법은, 생체 모사 칩 장치(200)를 배양 장치(100)에 안착시키는 단계(S100), 안착된 생체 모사 칩 장치(200)를 고정하는 단계(S200) 및 상기 생체 모사 칩 장치(200)를 틸팅하는 단계(S300)를 포함한다.
먼저, 생체 모사 칩 장치(200)의 바디(210) 저면을 배양 장치(100)의 지지 플레이트(130)의 상면에 안착시킨다. 이때 생체 모사 칩 장치(200)의 저장조(240)에는 제1 유체가 주입되어 있는 상태이다. 또한, 로딩 챔버에는 배양 모델(M) 중 비노출 모델(MA)이, 배양 유닛(250)에는 배양 모델(M) 중 노출 모델(MB)이 안착되어 있는 상태이다. 지지 플레이트(130)의 개수에 대응하여, 복수개의 생체 모사 칩 장치(200)를 안착시킬 수 있다.
다음, 안착된 생체 모사 칩 장치(200)를 클램프(135)로 고정한다. 도 15를 참조하면, 생체 모사 칩 장치(200)가 지지 플레이트(130)의 상면에 안착된 상태에서, 가이드 슬릿(131, 132)을 따라 클램프(135)를 이동시켜 생체 모사 칩 장치(200)을 지지할 수 있다.
다음, 구동부(120)를 작동하여 지지 플레이트(130)를 틸팅함으로써 생체 모사 칩 장치(200)를 틸팅한다. 전술한 바와 같이, 복수개의 지지 플레이트(130)는 연결 프레임(140)에 의해 연결된 상태이다. 따라서, 구동부(120)의 작동에 따라 최하단에 배치된 지지 플레이트(130)만 틸팅되더라도, 나머지 지지 플레이트(130)도 같이 틸팅될 수 있다.
지지 플레이트(130)를 틸팅시키는 단계(S300)는, 지지 플레이트(130)를 틸팅시켜 배양 모델(M)을 배양 챔버(230)에 안착시키는 단계와, 지지 플레이트(130)를 틸팅시켜 제1 유체를 배양 모델(M)로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 컨트롤러(30)를 통해 구동부(120)를 작동하여 지지 플레이트(130)를 제2 회동축(미도시)을 중심으로 틸팅한다. 전술한 바와 같이, 제2 회동축은 제1 회동축(P)과 수직인 축으로서, 축 AX2에 대응될 수 있다. 이에 따라, 로딩 챔버에 로딩되어 있던 비노출 모델(M)이 로딩 챔버에서 로딩 채널을 따라 배양 챔버(230)로 이동한다. 그리고 각각의 배양 챔버(230)에는 비노출 모델(MA)이, 배양 유닛(250)에는 노출 모델(MB)이 안착된다. 배양 챔버(230) 내에 비노출 모델(MA)이 안착된 후에, 다시 구동부(120)를 작동하여 지지 플레이트(130)를 제2 회동축을 중심으로 틸팅시켜, 지지 플레이트(130)의 수평을 유지할 수 있다. 틸팅 각도는 컨트롤러(30)를 통해 적절히 조절할 수 있다.
다음, 구동부(120)를 작동하여 지지 플레이트(130)를 제1 회동축(P)을 중심으로 틸팅시킨다. 구체적으로, 컨트롤러(30)를 이용해 구동부(120)를 작동함으로써, 지지 플레이트(130)를 제1 회동축(P-)을 중심으로 시계 방향으로 회전시킬 경우, 제1 저장조(241)가 제2 저장조(242)보다 높이 위치하게 된다. 이에 따라, 제1 저장조(241)에 저장되어 있는 제1 유체가 메인 채널(220)을 거치면서 배양 모델(M)에 공급된 다음, 제2 저장조(242)로 공급된다. 반대로, 지지 플레이트(130)를 제1 회동축(P-)을 중심으로 반시계 방향으로 회전시킬 경우, 제2 저장조(242)에 저장되어 있는 제1 유체가 메인 채널(220)을 거치면서 배양 모델(M)에 공급된 다음, 제2 저장조(242)로 공급된다. 즉, 지지 플레이트(130)를 틸팅시켜, 생체 모사 칩 장치(200) 내에서 제1 유체의 유동을 형성할 수 있다.
배양 모델(M)의 종류 및 배양 시기에 따라 최적의 배양 조건 또는 실험 조건을 맞추기 위해, 컨트롤러(30)를 이용해 적절한 틸팅 각도 및 틸팅 주기를 설정할 수 있다. 구체적으로, 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도를 크게 하여 제1 유체의 유동 속도를 높이거나, 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도를 작게 하여 제1 유체의 유동 속도를 낮출 수 있다. 또는 틸팅 주기를 조절하여 제1 유체가 배양 모델(M)로 공급되는 시기를 조절할 수 있다. 또한, 배양 모델(M)에 맞게 지지 플레이트(130)의 틸팅 각도를 연속적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 비노출 모델(MA)과 노출 모델(MB)에 대해 제1 유체가 다른 조건으로 공급되어야 하는 경우, 컨트롤러(30)를 이용하여, 제1 유체가 비노출 모델(MA)을 통과할 때의 틸팅 각도와, 노출 모델(MB)을 통과할 때의 틸팅 각도를 다르게 조절할 수 있다.
다른 실시예로, 지지 플레이트(130)를 틸팅시켜 제1 유체와 제2 유체 간의 물질 교환을 실시할 수 있다. 예를 들어, 제1 회동축(P)을 시계 방향으로 회전시켜 지지 플레이트(130)를 틸팅시킴으로써 제1 유체를 배양 모델(M)로 공급한 다음, 제1 회동축(P)을 반시계 방향으로 회전시켜 다시 지지 플레이트(130)를 틸팅시킨다. 이에 따라, 바이패스 채널(260) 내에 제1 유체의 유동이 형성되고, 서브 채널(280) 내에 제2 유체의 유동이 형성된다. 그리고 바이패스 채널(260)과 서브 채널(280)의 경계면에 배치된 멤브레인(290)을 통해 제1 유체와 제2 유체 간의 물질 교환이 일어난다. 즉, 제1 유체에서 제2 유체로 노폐물 등이 이동하고, 제2 유체에서 제1 유체로 영양분 등이 이동할 수 있다.
또 다른 실시예로, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치(300)가 장착된 배양 장치(100)을 이용하여 배양 모델(M)을 배양하는 경우, 주입 챔버(360)에 저장된 제2 유체를 배양 챔버(330)로 공급하기 위해 지지 플레이트(130)를 틸팅시킬 수 있다. 예를 들어, 생체 모사 칩 장치(300) 내의 배양 모델(M)이 배양됨에 따라, 배양 모델(M)에서 뻗어나온 신경 돌기로 인해 메인 채널(320)의 유동 단면적이 좁아질 수 있다. 이에 따라, 메인 채널(320) 내의 유체 유동 저항이 높아져, 제1 유체가 원활하게 흐르지 않을 수 있다. 이 경우, 생체 모사 칩 장치(300)의 주입 챔버(360)에 제2 유체를 주입한 다음, 지지 플레이트(130)를 제1 회동축(P)을 중심으로 틸팅시키면, 주입 챔버(360)로부터 배양 모델(M)로 제2 유체가 공급된다. 이때, 제2 유체는 제1 유체와 동일한 유체일 수 있다.
또 다른 실시예로, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치(300)를 이용하는 경우에 있어서, 지지 플레이트(130)를 틸팅시켜 각각의 배양 모델(M)에 서로 다른 화학적 자극을 부여할 수 있다. 예를 들어, 생체 모사 칩 장치(300)의 주입 챔버(360)에 제2 유체를 주입한다. 이때 각각의 주입 챔버(360)에는 서로 다른 종류의 제2 유체가 주입될 수 있으며, 제2 유체는 배양 모델(M)에 화학적 자극을 부여하기 위한 약물일 수 있다. 다음, 지지 플레이트(130)를 제1 회동축(P)을 중심으로 틸팅시키면, 주입 챔버(360)로부터 배양 모델(M)로 제2 유체가 공급된다. 이와 같이 제2 유체에 의해 화학적 자극을 부여 받은 배양 모델(M)은 서로 다른 전기적 신호를 나타낼 수 있다.
또 다른 실시예로, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치(300)의 배양 모델(M)의 전기적 신호를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중 전극 배열을 구비하는 생체 모사 칩 장치(300)가 장착된 배양 장치(100)에 있어서, 전술한 바와 같이 지지 플레이트(130)를 제1 회동축(P)을 중심으로 틸팅시켜, 배양 모델(M)에 화학적 자극을 부여할 수 있다. 이에 따라, 배양 모델(M)로부터 발생한 전기적 신호를 측정할 수 있다. 이 경우, 배양 장치(100)는 다중 전극 배열과 연결되어 배양 모델(M)에서 발생한 전기적 신호를 시각적으로 나타낼 수 있는 디스플레이 수단을 추가로 구비할 수 있다.
종래의 세포 배양 장치의 경우, 2차원 세포 모델을 정적인 환경에서 배양하여, 최대 2개의 신경 회로망을 형성하는 것이 일반적이다. 그러나 이러한 종래의 세포 배양 장치는 실험의 편의성에 치중한 것으로, 실제 생체 대응성은 열악한 편이다. 구체적으로, 2차원 세포 모델의 경우, 세포 모델의 형상이 편평하고 표면에 뻗어 있는 형상이고, 모든 세포가 균일하게 배양액과 약물에 노출되며, 세포 간 연결이 일 방향으로만 연결되어 실제 생체 환경과 상이하다. 또한, 세포 모델을 정적으로 배양하기 때문에 실제 생체 환경을 반영한 세포 배양 조건을 구현할 수 없다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배양 모델(M)은 3차원 오가노이드 모델로서, 세포 모델의 형상이 실체 생체에서의 형태(타원체 등)를 가지며, 실제 생체 환경과 마찬가지로 세포 모델 내에서 배양액 및 약물의 농도 구배가 존재하며, 세포 간 연결이 세포의 모든 면에서 이루어져 실체 생체 환경과 유사하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 모사 칩 장치는 동적인 배양 환경에서 3차원 오가노이드 모델을 배양함으로써, 실제 생체 환경 반영한 세포 배양 조건을 구현할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치는 펌프나 미세관 등을 구비하지 않고, 중력을 기반으로 하여 장치를 틸팅함으로써 간단하게 유체의 유동을 형성할 수 있어, 장치의 크기와 무게를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치는 생체 내의 비노출 장기와 노출 장기에 대한 배양 모델을 포함하고, 유체의 유동을 생체 내부의 혈액의 유동과 동일하게 제어함으로써 실제 생체 환경과 동일한 배양 환경을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치는 배양 모델이 서로 공간적으로 분리되도록 배양 챔버 내에 배치하고, 각각의 배양 모델에 대해 다른 약물을 공급하여 특정 배양 모델에 대해 선택적으로 자극을 부여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생체 모사 칩 장치는 배양 챔버에서 배양되는 배양 모델을 서로 연결시켜 실제 생체 네트워크를 구현할 수 있다. 특히, 배양 모델로서 생체의 특정 부위를 모사하는 서로 다른 신경세포 모델을 배양하여 인공 신경 회로망을 형성함으로써, 특정 배양 모델을 자극했을 때의 인공 신경 회로망에서의 반응을 효과적으로 관찰할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 배양 시스템
100: 배양 장치
200: 생체 모사 칩 장치
200: 생체 모사 칩 장치
M: 배양 모델
MA: 비노출 모델
MB: 노출 모델

Claims (10)

  1. 바디;
    상기 바디에 배치되며, 일 방향으로 연장되는 메인 채널;
    상기 메인 채널 상에 서로 이격하여 배치되는 복수개의 배양 챔버;
    상기 메인 채널의 일단에 배치되며, 제1 유체를 저장하는 제1 저장조; 및
    상기 메인 채널의 타단에 배치되며, 상기 제1 유체를 저장하는 제2 저장조; 를 포함하고,
    상기 바디는 상기 일 방향에 수직되는 제1 축을 중심으로 틸팅되어, 상기 제1 유체를 상기 제1 저장조와 상기 제2 저장조 사이로 유동시키고,
    상기 메인 채널과 나란히 배치되어, 상기 제1 저장조에서 상기 제2 저장조로 이동한 상기 제1 유체를 상기 제1 저장조로 리턴시키는 바이패스 채널;을 더 포함하고,
    상기 메인 채널의 양단에 배치된 제1 밸브 유닛; 및
    상기 바이패스 채널의 양단에 배치된 제2 밸브 유닛;을 더 포함하는, 생체 모사 칩 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 생체 모사 칩 장치는
    복수개의 배양 모델들이 상기 배양 챔버에서 배양되되, 상기 복수개의 배양 모델은 생체 내에서 혈액이 공급되는 순서에 따라 상기 일 방향을 따라 배치되는, 생체 모사 칩 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 배양 모델은 상기 생체의 내부의 비노출 모델과 상기 생체의 외부의 노출 모델을 포함하며,
    상기 제1 유체는 상기 제1 저장조로부터 상기 비노출 모델을 배양하는 배양 챔버와 상기 노출 모델을 배양하는 배양 챔버를 거쳐, 상기 제2 저장조로 유동하는, 생체 모사 칩 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 바디가 제1 방향으로 틸팅되면, 상기 제1 유체가 상기 메인 채널을 따라 이동하고,
    상기 바디가 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 틸팅되면, 상기 제1 유체가 상기 바이패스 채널을 따라 이동하는, 생체 모사 칩 장치.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 밸브 유닛 및 상기 제2 밸브 유닛은 기 설정된 유동방향으로 상기 제1 유체를 이동시키는 볼 밸브인, 생체 모사 칩 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    제2 유체가 이동하고, 일부 구간이 상기 바이패스 채널과 나란히 배치되는 서브 채널;을 더 포함하고,
    상기 바이패스 채널을 이동하는 상기 제1 유체가 상기 서브 채널을 이동하는 상기 제2 유체와 물질을 교환하는, 생체 모사 칩 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 바이패스 채널과 상기 서브 채널 사이에 멤브레인을 구비하는, 생체 모사 칩 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 바이패스 채널과 상기 서브 채널은
    상기 바디가 기 설정된 방향으로 회전시에 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 물질을 교환하는, 생체 모사 칩 장치.
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