KR102399039B1 - 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서 및 이의 롤투롤(r2r) 기반 제조 방법 - Google Patents

세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서 및 이의 롤투롤(r2r) 기반 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세포 또는 조직을 3차원적으로 배양하고, 배양 과정을 비침습·비표지로 모니터링 할 수 있는 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명을 이용하면 배지나 세포의 주입과 추출과정이 필요 없어 전공정 자동화로 세포의 성장을 비침습·비표지 방식을 통하여 모니터링 하거나, 배지를 효과적으로 제어하여 세포의 성장을 제어할 수가 있다. 또한, 지그비와 같은 무선통신 시스템을 통하여 외부 혹은 집에서 스마트폰이나 컴퓨터로 세포의 성장 과정을 모니터링 할 수 있으며, 배지의 제어 역시 가능하다.

Description

세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서 및 이의 롤투롤(R2R) 기반 제조 방법{Sensor for monitoring 3D-cultured cell or tissue and Method for fabricating the same based on roll-to-roll process}
본 발명은 세포 또는 조직을 3차원적으로 배양하고, 배양 과정을 비침습·비표지로 모니터링 할 수 있는 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적인 방법으로 세포를 배양하는 과정에서 요구되는 배양액 교체는 세포에 또 다른 스트레스로 작용하며, 줄기세포와 같이 외부 자극에 민감하게 반응하는 세포들에는 적절하지 않다. 또한, 이를 대체하기 위한 마땅한 기술이 없고, 기술 개발에 고비용이 들어감에 따라 실험실 및 실험실 단위 연구소에서 도입하기 어려운 단점을 가지고 있다. 특히, 줄기세포와 같은 민감한 조직 샘플에 대해서 새로운 배지(Media) 교체 방식이 필요하다.
세포의 성장 과정에 있어서 배지와 세포에 대하여 주입과 추출 과정의 반복적인 과정이 요구되며, 세포 성장 과정을 직접적으로 모니터링 하면서 세포의 성장이나 배지의 유동을 제어할 수 있는 시스템 및 이를 외부에서 모니터링 할 수 있는 시스템이 부족한 실정이다. 실험실 규모에서는 소량의 세포에 대하여 소량 생산을 하며, 각 세포에 적합한 배양 챔버를 디자인하고 적용하는데 많은 시간이 소모되어 다량의 약물 반응 검사에 적합하지 않다.
또한, 세포를 배양하는데 있어 배지의 지속적 공급을 위해서는 펌프 시스템이 필요한데, 기존에 존재하는 다양한 펌프 시스템은 큰 크기와 많은 전력소모가 요구되며, 이러한 펌프 시스템은 각각의 세포들이 요구하는 배지의 양이 다름에 따라 독립적 시스템으로 구현될 필요성이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0102148호
이에 본 발명자들은 저비용으로 생체 세포 또는 조직을 3차원적으로(3D) 성장시키면서, 동시에 이들 세포 또는 조직의 생리학적 주요 파라미터를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 다채널 3D 생체 조직 모니터링용 칩을 롤투롤 인쇄 공정을 통하여 제작을 진행하고자 하며, 이에 대하여 롤투롤 그라비아 임트린트 인쇄 공정을 통하여 3D 배양 챔버, 미세유체 채널 및 박막 트랜지스터를 포함하는 비침습·비표지 센서를 제작하고, 여기에 인쇄 박막형 연동 펌프와 지그비(Zigbee) 기반 무선 모듈을 집적하여 최종적으로 n x m 무선 센서 어레이 플랫폼을 제작하고자 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 세포 또는 조직의 성장을 모니터링 하기 위한 박막 트랜지스터가 n x m 개로 배열된 박막 트랜지스터 센서 어레이를 구비하는 제1기판; 및 상기 각각의 박막 트랜지스터 위에 놓여지는 3D 성장 챔버를 구비하는 제2기판을 포함하되, 상기 박막 트랜지스터는 상기 제1기판 상에 인쇄된 게이트 전극, 유전체층, 활성체층, 소스-드레인 전극 및 센서부를 포함하고, 상기 3D 성장 챔버는 세포 또는 조직이 배양되는 공간인 미세우물(micro well)과, 상기 미세우물로 배지를 공급하기 위한 미세유체 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 세포 또는 조직의 성장을 모니터링 하기 위한 박막 트랜지스터를 n x m의 배열로 제1기판에 롤투롤 그라비아 공정으로 인쇄하여 박막 트랜지스터 센서 어레이를 제조하는 단계; (b) 세포 또는 조직이 배양되는 공간인 미세우물과, 상기 미세우물로 배지를 공급하기 위한 미세유체 채널을 구비하는 3D 성장 챔버를 롤투롤 그라비아 임프린터로 제2기판에 임프린팅 하는 단계; 및 (c) 상기 3D 성장 챔버가 상기 박막 트랜지스터 위에 위치하도록 제2기판을 제1기판에 결합시키는 단계를 포함하는 상기 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 박막 트랜지스터 센서 어레이는 롤투롤 그라비아 공정으로 제1기판에 인쇄되어 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 3D 성장 챔버는 롤투롤 그라비아 임프린터로 제2기판에 임프린팅 하여 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 3D 성장 챔버 내 배양액의 pH, CO2, Na+, K+ 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 생리학적 파라미터 값의 변화를 감지하는 다채널 모니터링 센서일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 생리학적 파라미터 값의 변화는 다이폴 유도 방식에 의하여 감지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 배지 공급 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 배지 공급 장치는 상기 미세유체 채널을 통하여 각각의 미세우물로 공급되는 배지의 공급을 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 배지 공급 장치는 박막형 연동 펌프(peristaltic pump)와, 상기 박막형 연동 펌프를 제어하여 배지의 유동을 조절하는 마이크로 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 무선통신 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 무선통신 장치는 상기 배양 및 모니터링용 센서를 무선으로 제어하거나, 또는 상기 센서로 모니터링 한 생리학적 파라미터 값을 무선으로 전송할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 무선통신은 지그비(Zigbee) 방식의 통신일 수 있다.
본 발명을 이용하면 배지나 세포의 주입과 추출과정이 필요 없어 전공정 자동화로 세포의 성장을 비침습·비표지 방식을 통하여 모니터링 하거나, 배지를 효과적으로 제어하여 세포의 성장을 제어할 수 있다. 또한, 지그비와 같은 무선통신 시스템을 통하여 외부 혹은 집에서 스마트폰이나 컴퓨터로 세포의 성장 과정을 모니터링 할 수 있으며, 배지의 제어 역시 가능하다.
또한, 롤투롤 그라비아 임프린트 인쇄 방식을 활용하여 다양한 형태의 3D 배양 챔버를 제작할 수 있을 뿐만 아니라, n x m 어레이 형태로 유연 필름에 인쇄하는 방식이기 때문에 원하는 크기와 챔버 수를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 세포에 대하여 독립적으로 배지를 공급하기 위하여, 초소형, 독립형 펌프 시스템인 인쇄 박막형 디지털 연동 펌프를 구비할 수 있다.
본 발명은 심장, 근육, 심근 세포의 성장 및 모니터링 이외에 이들 세포와 암세포를 대상으로 항암제의 효능과 독성을 검출할 수 있으며, 다양한 오가노이드를 검증할 수 있는 플랫폼으로 활용 가능한바, 약물 스크리닝을 위한 플랫폼으로 응용이 가능하며, 다양한 곳에서 간단하게 검사할 수 있는 플랫폼으로서 최종 검사 장비가 아닌 빠르고 간단하게 검출할 수 있는 키트로서 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서의 구성 요소를 개략적으로 도시한 도로서, 세포 또는 조직의 성장을 모니터링 하기 위한 박막 트랜지스터가 3 x 5 (n x m)로 배열된 센서를 보여준다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서를 롤투롤 그라비아 공정으로 순차적으로 제조하는 공정을 보여준다.
도 3은 3D 성장 챔버 내 배양액의 생리학적 파라미터 값 검출과 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서(CMOS형 TFT 센서)의 pH(pH 3에서 pH 5까지)와 Na+ 농도에 따른 전기적 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양을 위한 미세유체(microfluidics) 기반 3D 성장 챔버의 구조 및 이를 롤투롤 그라비아 임프린터로 인쇄한 이미지를 보여준다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배지 공급 장치의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 디지털 연동 펌프를 통하여 배지를 효과적으로 제어하는 과정을 보여주는 모식도 및 실제 예시이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서에 무선통신을 위한 지그비 시스템을 도입하여 구축한 무선 3D 생체 조직의 성장 제어 및 생리학적 파라미터 모니터링 시스템이다.
도 8은 도 1 내지 7에서 설명한 사항을 종합적으로 보여주는, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서의 구성요소 및 이를 롤루롤 인쇄 공정으로 제조하는 공정을 보여주는 개념도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되게 도시된 부분도 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도면을 참조하여 설명할 때 동일 하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서의 구성 요소를 개략적으로 도시한 도로서, 세포 또는 조직의 성장을 모니터링 하기 위한 박막 트랜지스터가 3 x 5 (n x m)로 배열된 센서를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서(10)는, 세포 또는 조직의 성장을 모니터링 하기 위한 박막 트랜지스터(110)가 n x m (3 x 5)개로 배열된 박막 트랜지스터 센서 어레이(120)를 구비하는 제1기판(100) 및 각각의 박막 트랜지스터(110) 위에 놓여지는 3D 성장 챔버(210)를 구비하는 제2기판(200)을 포함한다.
상기 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서(10)는 n x m 개의 박막 트랜지스터(110)로부터 신호를 얻기 위하여 비트라인(410), 워드라인(420)을 구비할 수 있으며, 소스 전극에 해당하는 접지라인(430)이 연결될 수 있고, 생체 조직이나 세포의 성장을 위한 3D 성장 챔버(210)가 이와 결합된 형태(3D 성장 챔버는 각각의 박막 트랜지스터 위에 위치)를 가질 수 있다.
박막 트랜지스터 센서 어레이(120)를 구성하는 복수 개의 박막 트랜지스터(110)는 제1기판(100) 상에 인쇄된 게이트 전극(111), 유전체층(112), 활성체층(113), 소스-드레인 전극(114) 및 센서부를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서를 롤투롤 그라비아 공정으로 순차적으로 제조하는 과정을 보여준다.
도 2를 참조하면, 박막 트랜지스터 센서 어레이(120)는 롤투롤 그라비아 공정(S200)을 이용하여 PET(polyethylene terephthalate) 필름과 같은 유연 소재를 기판으로 사용하여 제조될 수 있다. 세포 또는 조직의 성장을 모니터링 하는 비침습·비표지 센서를 집적한 n x m의 센서 어레이를 제조하기 위하여, 박막 트랜지스터의 게이트 전극/라인(S201)이 인쇄될 수 있으며, 이어서 유전체층(S202)과 활성체층(S203)이 인쇄될 수 있다. 활성체층의 경우, 경우에 따라서 검출의 감응도와 선택성을 높이기 위해서, 단일벽탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube)가 사용될 수 있으며, 반도체성 물질(poly 3-hexlthiophene-2,5-diyl (P3HT), 6,13-bis((triethylsilyl)ethynyl)pentacene (TIPS-pentacene), poly(3,3-didodecyl quaterthiophene) (PQT-12), poly[2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene] (PBTTT)) 등이 사용될 수 있다.
이어서 배선 절연을 위하여 절연층(S204)이 인쇄될 수 있으며, 박막 트랜지스터를 위한 드레인-소스 전극층(S205)이 인쇄될 수 있다. 세포 또는 조직의 성장 과정 중 변화하는 생리학적 파라미터 값의 변화를 모니터링 하기 위한 센서부가 인쇄될 수 있으며, 예를 들어, pH 센서부(S206), CO2 센서부(S207), K+ 센서부(S208) 및/또는 Na+ 센서부(S209)가 인쇄될 수 있다.
봉지부(패시베이션)(S210)를 통하여 다채널 모니터링 센서를 제조한 후, 연속적으로 롤투롤 임프린트(S211)를 통하여 3D 성장 챔버(210)를 제작하고, 상기 다채널 모니터링 센서에 결합시켜 최종적으로 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서(10)를 제조할 수 있다.
도 3은 3D 성장 챔버 내 배양액의 생리학적 파라미터 값 검출과 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서(CMOS형 TFT 센서)의 pH(pH 3에서 pH 5까지)와 Na+ 농도에 따른 전기적 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 주어진 pH에 대하여 TFT의 문턱전압값이 선형적으로 변화하였으며(좌측 상단 그래프), 주어진 Na+ 농도(10 mM에서부터 1000 mM까지)에 대하여 인쇄형 링 오실레이터(printed ring oscillator)의 출력주파수가 선형적으로 변화됨을 보여준다(우측 상단 그래프).
도 3의 하단에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 다이폴 유도(induced dipole) 방식에 의하여 각각의 pH, Na+ 및 K+를 검출할 수 있다. 상기 다이폴 유도 방식을 이용하는 센서의 작동 메커니즘은, Na+와 같은 양이온(혹은 음이온)들로부터 유도된 다이폴로 인하여 활성체 내의 캐리어들의 농도 변화를 유발시키며, 이는 박막 트랜지스터의 전기적 특성에 영향을 주는 원리로 설명될 수 있다(다이폴 유도 방식). 캐리어들의 농도가 변화함에 따라 박막 트랜지스터의 문턱전압(Vth)의 변화값을 통하여 검출하고자 하는 Na+나 K+ 등의 농도를 확인할 수 있다. 이는 p-type TFT와 n-type TFT로 구성된 CMOS형 링 오실레이터 센서로써 감지가 가능하다. 링 오실레이터의 최종 출력 신호는 타겟으로 하는 물질의 농도에 따라서 변화하며, 이에 따라서 성공적으로 pH, Na+, K+ 등을 검출할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 3D 성장 챔버(210)는 세포 또는 조직이 배양되는 공간인 미세우물(211)과, 상기 미세우물(211)로 배지를 공급하기 위한 미세유체 채널(212)을 구비한다. 3D 성장 챔버(210)를 이용하여 세포를 성장시킬 수 있으며, 3차원적으로 배양하여 스페로이드(spheroid)나 오가노이드(organoid)로 성장시킬 수 있다. 일반 세포 이외에 암세포도 배양시킬 수 있으며, 암세포에 항암제 후보물질을 처리하여 항암 효과를 테스트 할 수 있다. 또한, 근육, 심근 세포와 같은 일반 세포에 항암제 후보물질을 처리한 후 항암제 후보물질의 독성 평가를 동시에 수행할 수도 있다.
3D 성장 챔버(210)의 재질로는 미세유체 소자를 제조하는데 사용되는 재료를 종류에 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, PMMA (polymethylmethacrylate) 혹은 PDMS (poly(dimethylsiloxane))를 사용할 수 있으며, 경우에 따라서 다양한 고분자 물질이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양을 위한 미세유체(microfluidics) 기반 3D 성장 챔버의 구조 및 이를 롤투롤 그라비아 임프린터로 인쇄한 이미지를 보여준다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 성장 챔버(210)는 세포 또는 조직에 영양분(배지)을 공급하기 위한 관류(perfusion) 유동을 미세유체 채널로 설계할 수 있다. 미세유체 채널(212)은 배지의 종류나 물성, 채널의 넓이/두께/길이에 따른 유동 저항, 또는 배양 챔버(211) 내의 배지가 확산되는 양 등을 고려하여 설계될 수 있다. 3D 성장 챔버(210)를 롤루톨 그라비아 임프린터로 제작 시 챔버(미세우물, 211)의 깊이는 세포를 성장시키는데 충분한 깊이를 가질 수 있도록 150-200 μm로 설계될 수 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 미세유체 채널(212)을 통하여 각각의 챔버(211)로 공급되는 배지의 공급을 제어하기 위한 배지 공급 장치(300)를 더 구비할 수 있다. 상기 배지 공급 장치(300)를 구비함에 따라, 본 발명의 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 배지나 세포의 주입과 추출과정이 필요 없어 전공정 자동화로 세포의 성장을 모니터링 하거나, 배지를 효과적으로 제어하여 세포의 성장을 제어할 수 있다.
일 특정예에서, 상기 배지 공급 장치(300)는 박막형 연동 펌프(peristaltic pump, 310)와, 상기 박막형 연동 펌프(310)를 제어하여 배지의 유동을 조절하는 마이크로 컨트롤러(320)를 포함할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배지 공급 장치(300)의 모식도를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 디지털 연동 펌프(310)는 각각의 세포를 성장시키는데 요구되는 배지의 양이 다름에 따라 독립적으로 배지의 유동을 제어할 수 있도록 마이크로 컨트롤러(320)가 집적된 형태일 수 있으며, 이를 통하여 박막형 디지털 연동 펌프(310)를 제어하여 각각의 세포(심근세포, 신경세포, 근육세포 등)에 제어된 배지를 공급하는 시스템이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 디지털 연동 펌프를 통하여 배지를 효과적으로 제어하는 과정을 보여주는 모식도 및 실제 예시이다.
도 6을 참조하면, 각각의 인쇄 박막 트랜지스터(311)를 통하여 연동 펌프를 작동시킬 수 있으며, 인가되는 전압에 따라서 연동 펌프(312)가 상하로 움직임에 따라서 배지의 흐름을 제어할 수 있다. 도 6의 좌측 하단에 도시된 바와 같이, 연속적인 연동 펌프의 동작에 따라서 배지를 효과적으로 제어할 수 있으며, 이를 실시한 예를 우측의 이미지를 통하여 확인할 수 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 센서를 무선으로 제어하거나, 또는 상기 센서로 모니터링 한 생리학적 파라미터 값을 무선으로 전송하기 위한 무선통신 장치를 더 구비할 수 있다. 상기 무선통신 장치를 구비함에 따라, 본 발명의 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 외부 혹은 집에서 스마트폰이나 컴퓨터로 세포의 성장 과정을 모니터링 할 수 있으며, 배지의 제어 또한 가능하다.
일 특정예에서, 상기 무선통신은 지그비(zigbee) 방식의 통신일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서에 무선통신을 위한 지그비 시스템을 도입하여 구축한 무선 3D 생체 조직의 성장 제어 및 생리학적 파라미터 모니터링 시스템을 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서(10)에 무선 제어를 위하여 지그비 시스템을 도입하였으며, 지그비 기반 무선을 전송하고 받기 위해서 ADC(아날로그-디지털 변환회로), 트랜시버(transceiver) IC, 마이크로 컨트롤러 및 안테나 등을 내재하여 디자인을 설계하였다.
도 8은 상술한 사항을 종합적으로 보여주는, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서의 구성요소 및 이를 롤루롤 인쇄 공정으로 제조하는 과정을 보여주는 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 롤투롤 그라비아 임프린터를 이용하여 저비용으로 제조할 수 있다. 상기 롤투롤 그라비아 임프린터는 박막 트랜지스터를 인쇄할 수 있는 롤투롤 그라비아 인쇄 파트에 세포 또는 조직이 배양되는 공간인 3D 성장 챔버(210)를 인쇄할 수 있는 롤투롤 임프린터가 접목된 형태를 가진다.
제작될 수 있는 3D 성장 챔버(210)의 폭은 최소 100 μm에서 10 mm일 수 있고, 깊이(depth)은 최소 100 nm에서 100 μm 이상일 수 있다. 제조된 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서(10)는 TFT 드라이빙 IC, 연동 펌프, 무선 통신을 위한 지그비 모듈이 결합된 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서(10)는 다양한 종류의 세포(예컨대, 근육세포, 신경세포, 심근세포, 스페로이드 및 오가노이드 등)에 대하여 다양한 생리학적 파라미터(예컨대, pH, CO2, Na+ 및 K+ 등)를 모니터링 할 수 있는 플랫폼으로서 활용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서
100: 제1기판 110: 박막 트랜지스터
111: 게이트 전극 112: 유전체층
113: 활성체층 114: 소스-드레인 전극
120: 박막 트랜지스터 센서 어레이 200: 제2기판
210: 3D 성장 챔버 211: 미세우물
212: 미세유체 채널 300: 배지 공급 장치
310: 박막형 연동 펌프 311: 인쇄 박막 트랜지스터
312: 연동 펌프 320: 마이크로 컨트롤러

Claims (10)

  1. 세포 또는 조직의 성장을 모니터링 하기 위한 박막 트랜지스터가 폭 방향의 개수(n)×길이 방향의 개수(m) 구조로 배열된 박막 트랜지스터 센서 어레이를 구비하는 제1기판; 및
    상기 각각의 박막 트랜지스터 위에 놓여지는 성장 챔버를 구비하는 제2기판을 포함하되,
    상기 박막 트랜지스터는 상기 제1기판 상에 인쇄된 게이트 전극, 유전체층, 활성체층, 소스-드레인 전극 및 센서부를 포함하고,
    상기 성장 챔버는 세포 또는 조직이 배양되는 공간인 미세우물과, 상기 미세우물로 배지를 공급하기 위한 미세유체 채널을 구비하고,
    상기 박막 트랜지스터 센서 어레이는 롤투롤 그라비아 공정으로 제1기판에 인쇄되어 제조되고,
    상기 성장 챔버는 롤투롤 그라비아 임프린터로 제2기판에 임프린팅 하여 제조되고,
    제1기판은 PET (polyethylene terephthalate) 소재이고,
    제2기판은 PDMS (poly(dimethylsiloxane)) 소재인 것을 특징으로 하는, 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는 성장 챔버 내 배양액의 pH, CO2, Na+, K+ 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 생리학적 파라미터 값의 변화를 감지하는 다채널 모니터링 센서인 것을 특징으로 하는, 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 생리학적 파라미터 값의 변화 감지는 다이폴 유도 방식에 의한 것을 특징으로 하는, 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 배지 공급 장치를 더 포함하며, 상기 배지 공급 장치는 상기 미세유체 채널을 통하여 각각의 미세우물로 공급되는 배지의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는, 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배지 공급 장치는 박막형 연동 펌프(peristaltic pump)와, 상기 박막형 연동 펌프를 제어하여 배지의 유동을 조절하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는, 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서는 무선통신 장치를 더 포함하며, 상기 무선통신 장치는 상기 배양 및 모니터링용 센서를 무선으로 제어하거나, 또는 상기 센서로 모니터링 한 생리학적 파라미터 값을 무선으로 전송하는 것을 특징으로 하는, 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무선통신은 지그비(Zigbee) 방식의 통신인 것을 특징으로 하는, 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서.
  10. (a) 세포 또는 조직의 성장을 모니터링 하기 위한 박막 트랜지스터를 폭 방향의 개수(n)×길이 방향의 개수(m) 구조의 배열로 제1기판에 롤투롤 그라비아 공정으로 인쇄하여 박막 트랜지스터 센서 어레이를 제조하는 단계;
    (b) 세포 또는 조직이 배양되는 공간인 미세우물과, 상기 미세우물로 배지를 공급하기 위한 미세유체 채널을 구비하는 성장 챔버를 롤투롤 그라비아 임프린터로 제2기판에 임프린팅 하는 단계; 및
    (c) 상기 성장 챔버가 상기 박막 트랜지스터 위에 위치하도록 제2기판을 제1기판에 결합시키는 단계를 포함하고,
    제1기판은 PET (polyethylene terephthalate) 소재이고,
    제2기판은 PDMS (poly(dimethylsiloxane)) 소재인 제1항 및 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 세포 또는 조직의 3차원 배양 및 모니터링용 센서의 제조 방법.
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