KR20030032925A - 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치 - Google Patents

세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

오염의 방지와 더불어 효율적인 체외 배양을 실현한 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치이다. 이 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치는 생체를 모방한 환경 등, 임의로 제어되는 환경하에 배양위치[배양 체임버(20)]를 설치함과 아울러 상기 배양위치에 세포(5) 또는 조직을 유지하면서 배양 미디어(3)를 공급하고, 이상적인 환경하에 있는 상기 배양장치에서 상기 세포 또는 상기 조직을 배양함으로써 오염방지를 도모함과 더불어 상기 세포 또는 상기 조직의 효율적인 체외 배양을 실현할 수가 있다.

Description

세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CULTURING CELL OR TISSUE}
생체의 결손(缺損)개소 및 이상(異狀)개소의 수복(修復)에는 다음과 같은 방법이 있다. 그 첫번째는 결손개소 및 이상개소의 수복수단으로서 플라스틱, 금속, 세라믹 등의 생체 이외의 재료로써 대용하는 방법이다. 대용품으로서는 뼈(骨)용의 세라믹, 스테인레스 스틸, 관절용의 폴리에틸렌 수지, 혈관용의 비닐 수지 등이 있다. 두번째는 기타의 동물, 기타의 부위 등의 생체재료를 대용하는 방밥이 있다. 이 대용품에는 예컨대 피부 등이 있다. 그리고 세번째는 타인의 장기를 이식하는 방법이다.
첫번째 방법에서는 플라스틱, 금속, 세라믹 등의 생체 이외의 재료의 마모, 소모에 의해 정기적으로 교환의 필요가 생긴다거나, 마모 등에 의하여 분리한 물질이 생체에 대하여 악영향을 미치는 경우가 있다. 그리고 합성수지의 혈관에서는 혈관이 장기간의 사용에 의하여 내부가 막혀 간다는 사례도 보고되어 있다. 세번째 방법에서는 이식하고자 하는 장기의 제공자가 없으면 실시는 불가능하고, 실시했을 경우에도 장기간의 거부반응의 문제가 남는다.
따라서 실용화의 기대가 관련된 수복방법은 생체세포를 체내 또는 체외에서 세포 또는 조직을 배양하여 얻어진 세포 또는 조직을 결함부위의 수복에 적합시킨다는 방법이다. 현재의 연구에서는 피부, 연골, 뼈, 혈관, 간장, 췌장 등의 많은 조직에 그 가능성이 있다고 보고되어 있다. 생체의 세포로부터 환자의 체내, 체외에서 세포 또는 조직을 배양하고, 이 배양에 의해 얻어진 세포나 조직을 결손부분의 수복에 사용하면 체내에서 재생 불가능한 조직의 재생을 할 수 있고, 더욱이 수복에 사용한 조직은 환자 자신의 유전자를 가진 조직이므로 거부반응은 없으며, 또한 예컨대 합성수지 등의 생체재료 이외의 화학물질이 생체에 악영향을 준다는 일도 없다. 이상적인 치료가 가능해진다.
그런데 종래, 이러한 종류의 기술로서 일본국 특개 평9-313166호 「세포배양 장치」가 제안되어 있다. 이 기술에서는 배양마다 각 부품을 분해하여 세정, 멸균을 한 후, 다시 장치를 조립하여야 하고, 멸균후에 세균에 오염될 우려가 있다. 오염을 방지하기 위해 장치를 조립한 후에 오토클레이브(121℃, 절대압 2 기압) 등의 멸균처리를 한다는 것은 가능하지만, 펌프나 압력 센서는 많은 전자부품이나 특수한 수지, 오일을 포함하고 있으므로 오염방지상 사용할 수가 없다. 따라서 펌프나 압력 센서는 그 일부를 분해하여 배양 미디어의 통로부분만을 꺼내어 약품에 의한 멸균을 하고, 기타의 부품은 오토클레이브에 의하여 멸균을 하며, 그 후, 펌프나압력 센서와 장치를 조립하게 되므로 번거로움이 있음과 아울러 잡균오염의 위험성이 높다. 그리고 인큐베이터[배양고(培養庫)]를 사용하여 배양하는 것은 펌프나 제어장치가 온도, 습도에 따라 악영향을 받기 쉽고, 용적에 한계가 있는 인큐베이터에 모든 장치를 수용할 수가 없다. 따라서 인큐베이터의 관통구멍에 배관 및 전원, 제어용의 전선을 통하게 하기 위하여 인큐베이터와 외기를 연결한 상태에서 장치를 조립해야 한다. 그리고 배양 미디어의 회로 전체에 압력을 가하기 위해 펌프나 배관 등의 부품을 포함하여 전체를 내압구조로 해야하는데, 높은 압력(예컨대 1 MPa 이상)의 설정은 극히 어렵고, 고압력을 가하고자 하면 전체를 고내압 구조로 해야 하므로 원가상승이 문제가 된다.
그리고 종래, 물리적 자극으로서 압력을 가하면서 생체조직을 배양하는 연구는 하바드 메디칼 스쿨의 水野秀一 박사 등으로부터 보고되어 있다[Materials Science and Engineering C6 (1998) 301-306]. 이 연구에 의하면 도 26에 나온 바와 같이 배양장치가 구성되어 있고, 이 배양장치에서의 각 요소와 그 기능에 대해 설명하면, 펌프(400)는 배양 미디어(402)를 순환시키는 역할과, 배양 체임버(404)의 내부를 가압하여 세포(406) 또는 조직에 정수압(靜水壓)을 가하는 역할을 하며, 예컨대 액체 크로마토용의 펌프가 사용되며, 일정한 유량을 흐르게 하기 위한 제어장치가 내장되어 있다.
백 프레셔 레귤레이터(408)는 세포(406) 또는 조직에 가해지도록 하는 압력 이상이 되면 밸브(410)를 열어 압력을 감소시키고, 배양 체임버(404) 내부의 압력을 일정하게 유지한다. 세포(406)에 가해지도록 하는 압력에 따라 백 프레셔 레귤레이터(408)를 선택하여 설치한다.
배양 체임버(404)는 세포(406) 또는 조직을 배양하는 공간을 구성하며, 이 배양 체임버(404)에는 콜라겐으로써 형성된 스폰지로 된 토대(412)에 세포(406) 또는 조직을 이식한 것을 수용한다. 세포(406) 또는 조직은 콜라겐의 스폰지로 된 토대(412)에서 증식한다.
압력 센서(414)는 배양 체임버(404) 내의 압력을 검지하고, 압력 모니터(416)는 압력 센서(414)의 검출압력을 표시한다. 펌프(400)는 이 검출압력에 따라 제어되며, 그 검출압력이 과대했을 경우, 펌프(400)의 운전을 정지한다.
배양 미디어 조(槽)(418)는 배양하는 세포(406) 또는 조직에 적합한 배양 미디어(402)를 모아두고, 이 배양 미디어(402)는, 예컨대 아미노산류, 당류, 염류 등으로 된다. 배양 미디어 조(槽)(418)는 밀폐전(密閉栓)(420)에 관통시킨 통기(通氣) 튜우브(422)를 통하여 외기와 통하며, 통기 필터(424)는 외기에 의한 오염을 방지한다.
이 배양장치는, 밀폐공간인 인큐베이터에 수용된다. 이 인큐베이터는 쾌적한 배양 분위기를 형성하는 공간으로서 세포, 조직에 가장 적합한 온도, 습도 및 가스농도(산소, 탄산가스)로 유지되어 있다. 그리고 배양 미디어(402)는 펌프(400)에 의해 회로(426)에 채워져서 순환한다. 산소, 탄산가스는 통기 필터(424)를 통과하여 배양 미디어(402)에 용해하고, 배양 미디어(402)는 적당한 산소 농도, 탄산가스 농도로 유지된다. 펌프(400)를 운전하는 즉시 배양 체임버(404) 중의 압력이 상승하고, 백 프레셔 레귤레이터(408)의 설정압력 이상으로 되면, 백 프레셔 레귤레이터(408)의 밸브(410)가 열려 배양 미디어(402)를 배출하며, 배양 미디어(402)가 배출한 만큼 배양 미디어(402)의 압력이 저하하므로, 밸브(410)가 닫힌다. 이러한 동작의 반복에 의하여 일정 압력이 유지되고, 동시에 일정량의 배양 미디어(402)의 순환이 반복된다. 세포(406) 또는 조직은 이러한 압력자극을 받으면서 증식한다.
이 배양장치에서는 일정 압력을 유지할 수 있기는 하지만 압력의 승강을 반복할 수가 없다. 압력상승은 펌프(400)에 의하므로 압력의 상승속도가 펌프(400)의 능력에 따라 결정되며, 배양 미디어(402)의 순환량을 증가시키면 상승속도가 빨라지고, 그 순환량을 적게 설정하면 압력상승이 완만해진다. 따라서 압력 사이클을 연속적으로 반복할 경우, 압력을 하강시키자면 도 27에 나온 바와 같이 백 프레셔 레귤레이터(408)에 병렬로 바이패스 밸브(428)와 오리피스 밸브(니이들 밸브)(430)를 구비한 바이패스로(路)(432)를 설치하는 방법이 있다. 이 방법에서는 강압(降壓)이 가능하게 되지만 1 주기에 요하는 시간이 길어짐과 동시에 반복하여 주기의 설정과 배양 미디어(402)의 순환량을 독립시킬 수가 없고, 또한 오리피스 밸브(430)의 조절이 미묘해져서 압력저하의 비율이 불안정해진다는 결점이 있다.
그리고 배양의 실시마다 각 부품을 분해하여 세정, 멸균을 한 후, 장치를 조립해야하므로 멸균후에 세균감염의 우려가 있다. 오염방지를 위해 조립된 장치를 오토클레이브(121℃, 절대압 2 기압) 등의 멸균처리를 하는 것이 고려되지만, 펌프나 압력 센서는 많은 전자부품 및 특수한 수지, 오일이 포함되어 있으므로 불가능하다. 따라서 현재로서는 펌프나 압력 센서는 일부를 분해하여 배양 미디어의 통로부분만을 꺼내어 약품에 의한 멸균을 하고, 다른 부분은 오토클레이브에 의해 멸균을 한 후, 펌프나 압력 센서와 장치를 조립해야 하므로 번거롭고 잡균오염의 우려도 높다.
배양 미디어에 대한 산소, 탄산가스의 공급은 필터를 통하고 있는데, 주위의 분위기로부터 직접 하고 있으므로 오염의 우려도 있다. 그리고 이 배양장치는 인큐베이터에 수용되지만, 펌프 유닛 및 압력 모니터는 온도, 습도에 의해 악영향을 받기 쉽고, 인큐베이터에 펌프 유닛 및 압력 모니터를 수용하는 것은 용적적으로 곤란하다. 따라서 인큐베이터의 관통구멍에 배관용의 튜우브 및 전원, 제어용의 전선을 통해 그 내부와 외부를 연결함으로써 장치를 조립해야 한다.
그리고 압력의 설정은 설정압력에 따른 백 프레셔 레귤레이터를 선택하여 조립하므로 압력의 설정을 바꾸자면 백 프레셔 레귤레이터(408)를 교체해야 하기 때문에 번거로움과 아울러 잡균오염의 위험성도 높다.
압력 사이클을 변경할 경우, 도 27에 나온 배양장치는 저압쪽의 설정을 할 수가 없고, 오리피스 밸브(403)로써 어느 정도의 압력조정이 가능하다 하더라도 설정된 압력이 펌프(400)의 순환유량에 의해 변화한다.
이와 같이 종래의 생체의 세포 또는 조직의 배양방법에서는 인큐베이터[배양고(培養庫)] 내의 온도, 습도, 이산화 탄소 농도, 산소 농도를 가장 적합한 조건으로 설정하고, 그 속에서 배양하고 있다. 이러한 인큐베이터에 의한 배양에서는 샤레 위에서의 평면적(2차원적) 배양이고, 3차원적인 배양의 시도가 이루어지고 있다. 더욱이 이러한 배양방법에서는 외기에 노출된 배양 미디어 및 세포 또는 조직이 세균에 오염되기 쉬우므로 안정적인 배양이 어렵다.
더욱이 생체의 세포는 항상 물리적인 자극하에 있고, 이들 자극은 세포의 대사기능의 제어, 세포분열 사이클, 생물 자극의 농도 기울기 및 분산 등에 간접적으로 영향을 주고 있는데, 이것을 안정적으로 실현하기가 어려우므로 물리적 자극의 량, 변화, 주기 등의 설정 및 변경은 극히 곤란하였다. 그리고 배양에 있어서는 미묘한 압력설정 및 조정을 필요로 하게되어 배양 담당자의 숙련을 요한다.
따라서 종래의 생체세포의 체외배양은 수복하고자 하는 부위의 크기로 성장시키는데 시간이 걸리고 오염 등으로 인하여 정상적인 배양이 손상되는 경우가 있다. 따라서 본 발명은 오염의 방지와 아울러 효율적인 체외배양을 실현한 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치를 제공함을 과제로 한다.
본 발명은 세포조직 공학 및 유전자 치료 등의 응용인 티슈 엔지니어링에 사용되는 세포ㆍ조직 배양기술에 관한 것으로서, 인체의 결손조직의 수복 등에 필요한 세포 및 조직의 체외배양에 사용되는 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치의 제 1 실시형태를 나타낸 블록도.
도 2는 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치를 나타낸 도면.
도 3은 배양장치의 배양회로 유닛의 일부, 배양 미디어 공급장치, 압력 인가 장치 및 압력 완충 장치를 확대하여 나타낸 도면.
도 4는 배양장치와 배양회로 유닛의 분리상태를 나타낸 도면.
도 5는 제어장치를 나타낸 블록도.
도 6은 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법을 나타낸 플로우 차아트.
도 7은 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법에서의 초기설정을 나타낸 플로우 차아트.
도 8은 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법에서의 초기설정을 나타낸 플로우 차아트.
도 9는 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법에서의 초기설정을 나타낸 플로우 차아트.
도 10은 압력 인가 장치에서의 가압 피스톤의 변위, 이동량에 대한 압력 체임버 내의 압력을 나타낸 도면.
도 11은 압력 배출 밸브에서의 액추에이터의 변위에 대한 밸브의 조정압력을 나타낸 도면.
도 12는 압력가변 배양 모우드의 실시형태를 나타낸 타이밍 차아트.
도 13은 압력가변 배양 모우드의 다른 실시형태를 나타낸 타이밍 차아트.
도 14는 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치의 제 2 실시형태인 배양장치의 정면쪽을 나타낸 도면.
도 15는 도 14의 배양장치의 측면쪽을 나타낸 도면.
도 16은 배양장치 본체의 부분 및 배양회로 유닛을 나타낸 도면.
도 17은 배양장치 본체로부터 분리한 배양회로 유닛을 나타낸 도면.
도 18은 배양회로 유닛을 제외한 배양장치 본체의 부분을 나타낸 부분 단면도.
도 19는 배양회로 유닛에서의 압력 인가 장치를 나타낸 부분 단면도.
도 20은 배양회로 유닛에서의 배양 미디어 공급장치를 나타낸 부분 단면도.
도 21은 배양회로 유닛에서의 압력 완충 장치를 나타낸 부분 단면도.
도 22는 배양회로 유닛에서의 배양 미디어 공급장치의 다른 구성예를 나타낸 부분 단면도.
도 23은 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치의 제 3 실시형태를 나타낸 도면.
도 24는 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치의 제 4 실시형태를 나타낸 도면.
도 25는 가압제어를 나타낸 도면.
도 26은 종래의 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치를 나타낸 도면.
도 27은 종래의 다른 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치를 나타낸 도면.
본 발명은 생체를 모방한 환경 등, 임의로 제어되는 환경하에 배양위치(배양 체임버)를 설치함과 아울러 상기 배양위치에 세포 또는 조직을 유지하면서 배양 미디어를 공급하고, 이상적인 환경하에 있는 배양위치에서 상기 세포 또는 상기 조직을 배양함으로써 오염방지를 도모함과 아울러 상기 세포 또는 상기 조직의 효율적인 체외배양을 실현한 것이다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 생체의 세포 또는 조직을 특정의 배양위치(배양 체임버)에서 유지하고, 생체를 모방한 환경하에 상기 세포 또는 상기 조직을 설정함과 아울러 상기 세포 또는 상기 조직에 배양 미디어를 공급하여 상기 배양위치에서 상기 세포 또는 상기 조직을 배양하는 것을 특징으로 한다.
즉, 결손된 생체의 일부 등의 수복에 필요한 조직은, 그 생체의 세포 또는조직을 사용하는 것이 이상적이다. 이것을 실현하기 위해서는 생체로부터 채취한 세포 또는 조직을 사용하여 이것을 체외배양하는 것이다. 이 체외배양에서 중요한 것은 오염방지와, 생체와 동등한 배양환경, 즉 생체를 모방한 환경을 인공적으로 실현하는 것이다. 따라서 인공적으로 형성한 환경에 배양위치를 설정하고, 이 배양위치에서 세포 또는 조직을 유지하여 배양 미디어를 공급함으로써 세포 또는 조직의 체외배양을 실현하고 있다. 여기서 환경이라 함은, 세포 또는 조직에 의해 형성되는 생체를 기준으로 하고, 그 생명을 건강적으로 유지하는데 필요한 체내, 체외의 자극을 포함한 생존조건을 나타낸다. 그리고 배양 미디어는 세포 또는 조직의 생명을 유지함과 동시에 생육에 필요한 영양원을 함유한다. 이 경우, 배양 미디어의 공급은, 세포 또는 조직에 정수압(靜水壓)과 흐름이라는 물리적 자극을 주고, 세포 또는 조직이 대사기능, 분열 사이클, 생물 자극의 농도 기울기 및 분산에 영향을 받아 그 배양이 촉진되는데, 그 결과, 체내조직에 가깝고 체내조직과 융합하기 쉬운 세포 또는 조직을 배양하는 것이 가능해진다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 생체의 세포(5) 또는 조직을 특정의 배양위치[배양 체임버(20)]에서 유지하고, 생체를 모방한 환경하에 상기 세포 또는 상기 조직을 설정함과 아울러 상기 세포 또는 상기 조직에 배양회로[배양회로 유닛(4)]를 통해 배양 미디어를 연속적 또는 단속적으로 공급함과 동시에 상기 세포 또는 상기 조직에 연속, 간헐 또는 주기적으로 변화하는 압력을 가하여 상기 배양위치에서 상기 세포 또는 상기 조직을 배양하는 것을 특징으로 한다.
배양위치의 설정 및 환경설정에 대해서는 이미 설명한 바와 같다. 배양위치에 설정된 세포 또는 조직에 대해 배양회로를 통해 배양 미디어를 연속적 또는 단속적으로 공급한다. 외계와 분리 또는 차단된 배양회로를 통해 배양 미디어를 공급함으로써 배양 미디어의 공급형태를 연속적 또는 단속적으로 할 수가 있음과 동시에 오염방지를 도모할 수가 있다. 배양 미디어의 공급형태에 대해서도 생체의 환경에 대응하여 제어함으로써 생체를 모방할 수가 있고, 효율적으로 세포 또는 조직의 배양을 할 수가 있다. 그리고 배양 중의 세포 또는 조직에는 소망의 압력을 작용시켜 물리적 자극을 가하고 있고, 그 압력의 형태는 연속, 간헐 또는 주기적인 변화로 함으로써 생체를 모방하여 배양되는 세포 또는 조직에 필요한 유연성 및 내구성 등의 생체에 필요한 물리적, 기계적인 강도를 부여할 수가 있다. 이것은 수복하고자 하는 생체의 부위에 대응한 이상적이고도 실용적인 세포 또는 조직, 즉 체내조직에 가깝고, 체내조직과 융합하기 쉬운 세포 또는 조직의 배양에 기여하게 된다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 상기 배양위치에서 배양하고자 하는 상기 세포 또는 상기 조직을 상기 배양 미디어 중에서 부유상태 또는 비부유 상태로 유지시키는 유지수단을 구비함을 특징으로 한다. 즉, 배양하고자 하는 세포 또는 조직은 정적(靜的) 상태로 유지하는 것이 배양효율을 높이는데 필요하다는 것이 실험에 의해 확인되고 있다. 따라서 세포 또는 조직은 배양 미디어 속에서 부유상태 또는 비부유 상태로 유지함으로써 효율적인 배양을 실현할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 상기 유지수단에 상기 세포 또는 상기 조직을 상기 배양 미디어 중에서 부유상태로 유지시키는 하이드로젤, 또는 상기 세포 또는 상기 조직을 유지함과 아울러 그 성장에 의해 상기 세포 또는 상기 조직에 흡수되는 토대를 사용한 것을 특징으로 한다. 즉, 배양하고자 하는 세포 또는 조직을 어떻게 유지하더라도 좋은데, 이 경우, 하이드로젤 또는 토대는 그 한가지 예이다. 하이드로젤은 배양하고자 하는 세포 또는 조직을 함유하여 부유상태로 유지하는 수단이며, 배양이 완료한 시점에서 그 하이드로젤로부터 세포 또는 조직을 꺼낼 수가 있다. 그리고 토대는 단백질로 된 다공체로 구성할 수가 있으며, 배양되는 세포 또는 조직은 그 토대에 유지되는데, 성장과 동시에 그 토대를 양분으로 하여 흡수한다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 상기 배양 미디어를 각종 아미노산, 당류, 염류 또는 단백질의 1 또는 2 이상을 함유하여 구성한 것을 특징으로 한다. 즉, 배양 미디어에는 배양하고자 하는 세포 또는 조직에 따른 것을 사용할 수 있는데, 예컨대 각종 아미노산, 당류 또는 단백질의 1 또는 이들로부터 선택된 2 이상의 물질 또는 모두를 함유하여 구성한 것을 사용할 수가 있다. 배양 미디어의 선택은 효율적인 배양 및 품질이 좋은 세포 또는 조직을 형성하는데 중요한 요소이다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 상기 세포 또는 상기 조직을 배양하는 상기한 환경이, 상기한 생체의 부위의 생리적 조건, 또는 이 생리적 조건 외에 연령, 신장, 체중, 성별, 기타의 상기 생체마다의 고유정보에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다. 즉, 생체의 일부를 수복하는데 사용하는 세포 또는 조직은, 그 생체와 정합(整合)하는 것이 가장 중요하며, 그 한가지 요소로서 그 생체의 고유정보를 사용하여 배양환경을 설정한다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 상기한 환경이 상기한 배양 미디어를 통해 공급되는 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스, 온도 또는 습도에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다. 즉 세포 또는 조직을 배양하고자 하는 환경은 생체에 대응한 환경이 바람직하므로, 예컨대 질소, 산소, 이산화 탄소가 배양공간에 공급되고, 온도, 습도가 배양에 적합한 온도, 습도로 설정됨으로써 생체환경이 소망의 상태로 제어된다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 상기 세포 또는 상기 조직에 가해지는 상기 압력을 상기 세포 또는 상기 조직의 상기 부위에 따라 임의로 설정하는 것을 특징으로 한다. 즉, 수복하고자 하는 생체의 부위에 대응하여 압력을 가함으로써 이상적이고도 실용적인 세포 또는 조직을 형성할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법은 상기 세포 또는 상기 조직에 가해지는 상기 압력을 연속, 간헐 또는 주기적으로 변화하는 압력 또는 이들의 조합으로 된 압력인 것을 특징으로 한다. 즉, 압력 패턴을 연속, 간헐 또는 주기적으로 변화하는 형태로 하고, 그것을 선택하거나 조합함으로써 이상적인 물리적 자극을 실현할 수가 있고, 세포의 대사기능 및 분열 사이클, 생물 자극의 농도 기울기 및 분산에 영향을 주어 배양의 촉진을 도모할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 세포 또는 조직을 수용하는 배양 체임버를 구비하여 배양 미디어를 공급하는 배양 유닛(배양회로 유닛)과, 상기 배양 체임버 내의 상기 세포 또는 상기 조직에 압력을 부여하는 가압수단(압력 인가 장치)과, 상기 배양 유닛에 상기 배양 미디어를 간헐적 또는 연속적으로 공급시키는 배양 미디어 공급수단(배양 미디어 공급장치)을 구비한 것을 특징으로 한다.
즉, 배양 유닛은, 배양하고자 하는 세포 또는 조직을 배양 체임버에 수용하고, 외기와 차단된 세포 또는 조직에 필요한 배양 미디어를 공급한다. 외기와 차단된 세포 또는 조직은 균체 등의 오염으로부터 방호(防護)되며, 그 결과, 품질이 좋은 조직으로 성장한다. 그리고 세포 또는 조직에는 배양 미디어에 의한 정수압과 흐름에 의한 물리적 자극 외에 가압수단에 의해 소망의 압력이 부여된다. 이 결과, 세포의 대사기능, 분열 사이클, 생물 자극의 농도 기울기 및 분산에 영향을 받아 세포 또는 조직의 배양이 촉진된다. 그리고 세포 또는 조직에 대한 배양 미디어의 공급형태는 배양 미디어 공급수단에 의해 임의로 설정되며, 간헐적 또는 연속적으로 공급할 수가 있기 때문에 변화가 있는 물리적 자극에 의해 배양의 촉진이 도모된다. 배양 미디어의 공급형태는 항상 새로운 배양 미디어의 공급, 배양 미디어를 반복하여 순환시키는 공급 중의 어느 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 것이다. 순환시키는 형태에서는 배양 미디어를 절약할 수가 있으나, 일방적인 공급의 경우에는 배양 미디어의 농도변화를 방지할 수가 있는 점에서 유리하다 할 수 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 가압수단 또는 상기 배양 미디어 공급수단을 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 즉, 가압수단 또는 배양 미디어 공급수단은 임의로 제어할 수가 있으나, 컴퓨터 등의 각종 제어수단을 사용함으로써 피이드 백 제어 및 피이드 포워드 제어 등의 각종 제어, 프로그램 제어 등이 가능하다. 물론, 인터럽션에 의한 인적인 보정제어를 가미하는 것은 가능하며, 보정제어를 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 가압수단으로부터 상기 세포또는 상기 조직에 가해지는 상기 압력을 상기 세포 또는 상기 조직에 따라 임의로 설정하는 것을 특징으로 한다. 압력을 가하는 쪽, 즉 압력 패턴은 배양하고자 하는 세포 또는 조직에 대응하여 설정함으로써 보다 효율적인 배양을 할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 가압수단으로부터 상기 세포 또는 상기 조직에 가해지는 상기 압력이 단속상태, 일정시간마다의 연속한 반복, 일정시간마다 증감시키는 것을 특징으로 한다. 즉, 압력 패턴은 모든 형태를 상정할 수가 있고, 그 선택에 따라 효율적으로 세포 또는 조직의 배양을 할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 배양 유닛을 배양장치 본체로부터 독립하여 분리가능한 것을 특징으로 한다. 즉, 배양한 세포 또는 조직을 수용하는 배양 체임버를 가진 배양 유닛은 배양장치 본체와 독립하여 분리, 착탈 가능하게 함으로써 외기와 분리된 배양 유닛과 더불어 세포 또는 조직을 이동시킬 수가 있고, 이동 중에 균체 등에 의한 오염으로부터 세포 또는 조직을 방호할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 외기와 차단된 밀폐공간에 상기 배양 유닛을 수용해서 된 것을 특징으로 한다. 즉, 밀폐공간이 배양공간이고, 외기와 차단됨으로써 소망의 가스 공급에 의한 배양환경의 설정이 가능해짐과 더불어 외기에 의한 오염으로부터 세포 또는 조직을 방호할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 흡수가능한 기체흡수 수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 즉, 밀폐공간에 수용되는 배양 유닛에 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 공급함과 동시에배양 유닛에 기체흡수 수단을 구비함으로써 가스를 세포 또는 조직에 부여할 수가 있어 가스의 공급 및 제어에 의해 생체환경을 모방할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 밀폐공간에 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 충전시키는 것을 특징으로 한다. 즉, 밀폐공간에 의해 형성되는 공간에 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 충전시킴으로써 생체환경을 모방할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 배양 유닛에 공급하고자 하는 상기 배양 미디어를 모으는 배양 미디어 조(槽)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 즉, 배양 유닛에 필요한 배양 미디어를 공급 또는 순환시키기 위해서는 배양 미디어 공급원이 필요하고, 배양 미디어 조는 그 공급원이다. 특히 외기와 차단된 밀폐공간 내에 배양 미디어 조를 설치하면 보존하고 있는 배양 미디어의 오염을 방지할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 배양 체임버에 외부로부터 압력을 받는 수압막(受壓膜)을 구비한 것을 특징으로 한다. 즉, 수압막을 설치함으로써 배양 체임버 내에 수용되어 있는 세포 또는 조직에 대하여 외기와 차단된 상태에서 가압자극을 줄 수가 있음과 아울러 생체환경을 모방한 자극 등, 소망의 가압자극을 실현할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 배양 유닛에 압력완충 수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 즉, 배양 유닛의 일부를 가압했을 경우, 그 압력조정을 압력완충 수단으로써 실시하면 생체환경에 가까운 물리적 자극을 실현할 수가있고, 세포 또는 조직의 배양의 촉진을 도모할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 배양 체임버에 상기 수압막을 통해 압력 체임버를 설치하고, 이 압력 체임버에 수압, 유압 또는 공기압을 작용시켜 상기 배양 체임버 내의 상기 세포 또는 상기 조직에 압력을 가하도록 한 것을 특징으로 한다. 즉, 압력의 형성수단으로서 수압, 유압 또는 공기압 중의 하나를 사용하여도 소망의 가압자극을 실현할 수 있어 생체환경을 정밀도가 양호하게 모방할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 배양 유닛에 송액(送液) 체임버를 설치하고, 이 송액 체임버에 설치된 상기 배양 미디어를 가압하여 송출하는 송액장치로써 상기 배양 미디어 공급수단을 구성한 것을 특징으로 한다. 즉, 배양 미디어 공급수단은 배양 유닛에 배양 미디어를 공급 또는 순환시키는 수단으로서, 그 형태는 각종의 것을 상정할 수가 있으며, 예컨대 송액 체임버를 설치하고, 이 송액 체임버에 수용된 배양 미디어를 가압하여 송출하는 송액장치로 구성하면 가압량을 제어함으로써 소망의 송액량을 설정할 수 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는 상기 배양 유닛에 압력 배출 밸브를 설치하고, 상기 배양 미디어의 압력이 상기 압력 배출 밸브에 임의로 설정되는 일정 압력을 초과할 때에 상기 압력 배출 밸브를 열어 상기 배양 미디어의 압력을 강하시키는 것을 특징으로 한다. 즉, 배양 미디어에 가해지는 압력을 완충하는 것은 이상적인 가압자극을 세포 또는 조직에 부여하기 위해 극히 중요하며, 그 한가지 수단으로서 상기 압력 배출 밸브를 사용하여 배양 미디어의 압력이 압력 배출 밸브에 임의로 설정되는 일정 압력을 초과할 때에 압력 배출 밸브를 열어 배양 미디어의 압력을 강하시키면 배양 미디어를 오염시키는 일이 없이 이상적인 압력상태로 제어할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는, 상기 밀폐공간이 가열수단 또는 가습수단이 설치되어, 소망의 온도 또는 습도로 유지, 제어되는 것을 특징으로 한다. 즉, 배양 유닛이 수용되는 밀폐공간의 온도 및 습도를 제어하여 생체환경에 합치하는 배양공간을 형성할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는, 상기 배양 유닛의 상기 배양 체임버에 초음파 등의 음파를 부여하는 음파발생 장치를 구비한 것을 특징으로 한다. 즉, 생체는 외계로부터의 음향적 자극을 받고 있으며, 음파발생 장치를 병용함으로써 생체환경을 음향적으로 모방할 수가 있다. 그리고 배양 체임버에 배양하고자 하는 세포 또는 조직을 주입할 때에 초음파를 병용하여 효율적이고도 신뢰성이 높은 주입을 할 수가 있다.
본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치는, 상기 밀폐공간에 공급되는 가스농도를 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 즉, 밀폐공간에 공급되는 가스농도를 제어수단에 의해 제어함으로써 생체환경을 모방할 수가 있고, 세포 또는 조직의 배양촉진을 도모할 수가 있다.
더욱이 본 발명의 목적, 특색, 이익 등은 제 1 내지 제 4의 실시형태, 상세한 설명 및 도면의 참작에 의해 한 층 명확하게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치의 제 1 실시형태를 나타내고 있다.
세포 또는 조직의 배양방법을 실현하는 배양장치(1)는 그 배양공간으로서 밀폐공간(2)을 가지고 있고, 이 밀폐공간(2)에는 배양하고자 하는 세포 또는 조직에 배양 미디어(3)를 공급하는 공급 유닛으로서의 배양회로 유닛(4)이 설치되어 있다. 이 배양회로 유닛(4)은 장치 본체쪽과 분리, 착탈가능하게 설정할 수가 있다. 이 배양회로 유닛(4)은 배양 미디어 조(槽)(9), 배양 미디어 공급장치(6), 배양 가압장치(8), 기체흡수 장치(10) 및 밸브(11)를 구비하고 있음과 아울러 분기로(分岐路)(13)를 구비하고 있고, 이 분기로(13)에는 밸브(15)가 설치되어 있다. 배양 미디어(3)는 배양하고자 하는 세포 또는 조직에 양분을 주는 캐리어인데, 필수 아미노산이나 각종 아미노산과 글루코오스(당류)를 함유한 액체이며, 배양하고자 하는 세포 또는 조직에 따라 Na+, Ca++등의 무기질이 추가되어있으며, 혈청 등의 단백질을 함유할 경우도 있다. 그리고 이들 장치는 플루오르 수지, PEEK, 고내열 그레이드 폴리프로필렌, 실리콘, 스테인레스 스틸 등의 충분한 내열성을 가지며 생체에 영향을 주는 물질의 용출이 없는 수지재료를 사용하여 구성함으로써 구성부품의 오염을 방지할 수가 있다.
밸브(11, 15)는 핀치 밸브 등으로 구성할 수가 있으며, 배양회로 유닛(4)은 밸브(15)를 닫고 밸브(11)를 열어줌으로써 폐 루우프 회로, 밸브(15)를 열고 밸브(11)를 닫아줌으로써 완전 개방 루우프 회로, 밸브(11, 15)를 함께 열어줌으로써 일부 개방 루우프 회로로 된다. 그리고 배양회로 유닛(4)은 부분적으로 설치한 기체흡수 장치(10) 대신에 2점 쇄선으로 나타낸 기체 흡수부(41)와, 실선으로 나타낸 내압부(43)를 구비해도 좋으며, 기체 흡수부(41)는 밀폐공간(2)에 충만시킨 가스를 배양 미디어(3)에 흡수시키는 부분, 내압부(43)는 배양 미디어(3)의 가압부분에 대응하여 신뢰성이 있는 송액(送液)을 확보하여 액의 누설을 방지하는 부분이다. 기체 흡수부(41)에는, 예컨대 CO2, O2가스 등의 가스를 투과하기 쉬운 엘라스토머 재료 등으로 형성된 튜우브를 사용할 수가 있다.
배양 미디어 조(槽)(9)는 밀폐공간(2)에 수용되어 세포 또는 조직의 배양에 필요한 배양 미디어(3)를 모으는 수단이다. 그리고 배양 미디어 공급장치(6)는 배양회로 유닛(4)에 배양 미디어(3)를 공급하는 수단인데, 배양회로 유닛(4)에 삽입된 송액장치(12)를 구동장치(14)에 의해 구동하여 소정량의 배양 미디어(3)를 배양회로 유닛(4)에 공급한다. 배양가압장치(8)는 배양하고자 하는 세포(5)(도 3) 또는 조직에 가압하는 수단이며, 압력 인가 장치(16) 및 압력 완충 장치(18)를 구비하고 있다. 압력 인가 장치(16)는 배양회로 유닛(4)의 배양 체임버(20)에 압력용기(22)를 설치하여 구동장치(24)에 의해 임의의 압력을 배양 체임버(20)에 작용시킨다. 배양 체임버(20)에는 콜라겐 등으로 성형된 토대에 배양하고자 하는 세포 또는 조직이 이식되어 수용되고, 외계로부터 격리된다.
압력 완충 장치(18)는 배양 가압장치(8)에 의해 가압되는 배양 미디어(3)의 압력을 완충하는 수단인데, 소정치를 초과하는 배양 미디어(3)의 압력에 대해 배양회로 유닛(4)에 삽입된 압력배출 밸브(26)를 구동장치(28)에 의해 구동하여 최대압을 설정하고, 그 최대압을 초과하는 배양 미디어(3)의 압력이 작용했을 때, 배양 미디어(3)를 배출함으로써 압력을 완충한다. 그리고 압력용기(22)에는 배양 가압장치(8)에 병설된 가압용 액체 주입장치(30)로부터 가압용 액체가 주입된다.
그리고 이 배양장치(1)에는 습도조절 장치(32), 온도조절 장치(34) 및 가스혼합ㆍ농도조절 장치(36)가 설치되어 있고, 분위기의 습도, 온도 및 가스혼합ㆍ농도가 조절된다. 그리고 조작장치(38)는 관리자에 의해 소망의 조정조작을 하기 위한 것이고, 제어장치(40)는 배양 미디어 공급장치(6), 배양 가압장치(8), 가압용 액체주입 장치(30), 습도조절 장치(32), 온도조절 장치(34) 및 가스혼합ㆍ농도조절 장치(36) 등의 각종 장치를 조작장치(38)로부터의 조작입력이나 제어 프로그램에 의해 제어하는 수단이다.
이어서 이 장치를 사용한 세포 또는 조직의 배양방법을 설명하면, 배양준비로서 제어장치(40)에 대해 조작장치(38) 등의 조작에 의해 배양조건 등의 필요사항을 입력한다. 이 경우, 필요사항은 배양 미디어(3)에 어떠한 압력을 설정하는가 이고, 그 설정형태는 최대압력, 최소압력, 그 승압 또는 감압 등의 압력경사, 가압주기, 배양 미디어(3)의 유량, 배양온도, 배양시간 등이다. 그리고 배양회로 유닛(4)은 밸브(11, 15)의 개폐를 절환함으로써 폐(閉) 루우프로 할것인가 개방 루우프로 할것인가를 선택한다.
이어서 배양 체임버(20) 속에 콜라겐의 스폰지 등의 토대(7)(도 3)를 설치하고, 이 토대에 배양하고자 하는 세포(5)(도 3) 또는 조직을 이식한다. 콜라겐의 스폰지는 배양 체임버(20) 내에서 콜라겐액을 동결건조함으로써 형성해도 좋다.
이어서 배양 미디어 조(槽)(9)에 규정량의 배양 미디어(3)를 넣고, 밀폐공간(2)을 폐쇄한 후 운전 스위치를 투입하여, 배양운전의 준비(자동운전)에 의해 가압용 액체주입 장치(30)로부터 압력용기(22) 쪽으로 가압용 액체가 공급된다.
배양 미디어 공급장치(6)가 구동되면 송액장치(12)를 통해 배양 미디어(3)가 배양 체임버(20) 쪽으로 흘러 배양하고자 하는 세포 또는 조직에 배양 미디어(3)가 공급된다. 이 배양 미디어(3)의 공급형태는 연속, 간헐적, 주기적 또는 이들의 조합 중의 어느 하나가 선택된다.
또한, 배양 미디어(3)가 충만된 배양 체임버(20)에는 토대에 의해 유지된 세포 또는 조직이 수용되어 있으며, 이 세포 또는 조직에는 압력용기(22)로부터 압력이 가해진다. 이 압력은 배양준비에서 설정된 압력 패턴에 따른다.
그리고 배양 미디어(3)에 가해지는 압력이 설정압력을 초과했을 경우에는 압력배출 밸브(26)를 통해 배양 미디어(3)가 내압부(43)로부터 유출하여 압력조절이 이루어진다.
이러한 동작을 소정의 배양시간 중에 반복함으로써 세포 또는 조직이 배양 체임버(20) 내에서의 소망의 크기로 성장한다. 토대로서 콜라겐의 스폰지를 사용하고 있을 경우에는 배양되는 세포 또는 조직이 그 콜라겐을 흡수하므로 토대는 자연히 소실한다.
또한, 하이드로젤을 유지수단으로 사용했을 경우에는 그 하이드로젤 내에 세포 또는 조직이 부유상태로 수용되어 유지되어 있다.
그리고 밸브(15)를 닫고, 밸브(11)를 열어 배양회로 유닛(4)을 폐(閉) 루우프화 했을 경우에는 배양 미디어(3)는 배양회로 유닛(4) 속을 순환하며, 배양하고자 하는 세포 또는 조직쪽에는 배양 미디어(3)가 공급된다. 그리고 밸브(11)를 닫고, 밸브(15)를 열어 배양회로 유닛(4)을 개방 루우프화 했을 경우에는 배양 미디어(3)는 분기로(13) 쪽으로 흘러, 가압용 액체주입 장치(30) 쪽, 즉 가압 수조(水槽)(68)(도 2) 쪽으로 흐르므로, 배양하고자 하는 세포 또는 조직쪽에는 항상 신선한 배양 미디어(3)를 공급할 수가 있다.
그리고 배양 중에 배양회로 유닛(4)의 기체흡수 장치(10) 또는 기체 흡수부(41)에는 통과하여 흐르는 배양 미디어(3)에 밀폐공간(2) 속으로부터 질소, 산소, 이산화 탄소 등의 가스가 흡수되어 생체와 마찬가지의 가스교환에 필요한 가스가 세포 또는 조직에 배양 미디어(3)를 통해 공급된다.
이와 같이 세포 또는 조직에는 생체를 모방한 배양환경이 설정되어 체외배양을, 균체 등으로 오염되는 일이 없이 효율적으로 할 수가 있다. 즉, 세포 또는 조직은 배양 체임버(20) 속에서 배양 미디어(3)의 정수압과 흐름에 의한 물리적 자극이 가해지기 때문에 대사기능, 분열 사이클, 생물 자극의 농도 기울기 및 분산에 영향을 받아 배양이 촉진된다. 또한, 세포 또는 조직은 압력 인가 장치(16)에 의한 가압 및 그 가압형태에 따라 물리적 자극을 받는다. 이 결과, 세포 또는 조직의 배양이 촉진되어 체내의 조직에 가까운, 또한 체내조직과 융합하기 쉬운 조직을 배양할 수가 있다. 또한, 내압부(43)를 부분적으로 설정함으로써 내압구조에서 요하는코스트를 저감할 수가 있다.
이어서 도 2는 배양장치(1)의 구체적인 실시형태를 나타내고, 도 3은 배양장치(1)의 배양회로 유닛(4)의 일부, 배양 미디어 공급장치(6), 배양 가압장치(8)의 압력 인가 장치(16) 및 압력 완충 장치(18)를 확대하여 나타내고 있다. 배양장치(1)는 도 4에 나온 바와 같이 배양회로 유닛(4)이 착탈되는 구성이다.
이 배양장치(1)는 밀폐가능한 배양고(培養庫)(42)를 구비하고 있고, 도어(270)(도 14)의 개폐가 도어 스위치(44)에 의해 검출된다. 이 배양고(42)에는 배양 미디어(3)를 공급하는 배양회로 유닛(4)이 수용된다. 이 배양회로 유닛(4)은 배양 체임버(20), 송액 장치(21), 압력배출 밸브(26)를 통해 배양 미디어(3)를 모으는 배양 미디어 조(槽)로서의 배양 미디어 백(48)을 튜우브(50A, 50B, 50C, 50D, 50E)로써 연결한 착탈가능한 튜우브 유닛이다. 튜우브(50A, 50D, 50E)에는 기체 흡수부(41)(도 1)인데, 배양고(42) 내의 가스를 흡수가능한 엘라스토머 재료 등으로 구성된 통기(通氣) 튜우브로 구성되며, 또한 튜우브(50B, 50C)는 내압부(43)(도 1)로서 배양 미디어(3)의 압력에 견딜 수 있는 내압 튜우브로 구성된다. 그리고 튜우브(50E)에는 튜우브(50E)를 굴곡시켜 배양회로 유닛(4) 내의 가스를 흡수하는 가스 흡수부(52)가 형성되어 있다.
배양 미디어 백(48)은 배양고(42)의 벽면에 중량검지 수단으로서의 검지 스위치(54)를 가진 후크(56)에 의하여 지지되어 있고, 배양 미디어 백(48) 속의 배양 미디어(3)의 용량이 그 중량에 의하여 검지 스위치(54)에 의해 검지된다. 이 검지 스위치(54)가 배양 미디어 백(48)의 소정 중량의 감소를 검지했을 때,제어장치(40)를 통해 표시수단(표시장치(232))이나 전화 등을 통해 그 이상을 고지한다. 가스 흡수부(52)와 송액장치(12) 사이의 튜우브(50A, 50E)에는 배양 미디어 배출부(58)가 분기하여 설치되며, 체크용 밸브(59)에 의해 개폐된다. 이 체크용 밸브(59)는 배양회로 유닛(4) 내의 배양 미디어(3)를 채취하기 위한 수단인데, 배양 미디어 배출부(58)로부터 채취된 배양 미디어(3)는 그 변성상태, 즉 균체 등의 물질에 의해 오염되어 있는가 아닌가, pH, 농도, 생성물, 산소 농도, 이산화 탄소 농도 등의 검사에 사용할 수가 있다.
배양하고자 하는 세포(5)는 콜라겐 등으로 형성된 토태(7)에 착상(着床)시켜, 토대와 더불어 배양 체임버(20)에 수용된다. 이 배양 체임버(20)는 배양용기(61)로 구성되며, 배양용기(61)는 압력 체임버(60)에 복수의 볼트(62) 등의 고정수단에 의해 꺼낼 수 있도록 부착되어 있고, 인젝션 포트(63)가 설치되어 있다. 이 인젝션 포트(63)는 배양 체임버(20) 내에 설치된 토대(7)에 배양하고자 하는 세포(5)를 외부로부터 주사기 등에 의해 착상시키기 위해 사용된다. 배양 체임버(20)의 고정에는, 예컨대 클램퍼와 같은 기타의 고정수단을 사용해도 좋다. 압력 체임버(60) 및 배양용기(61)는 O 링 등의 시일재로써 봉지(封止)된다. 배양 체임버(20)의 압력 체임버(60) 쪽의 면부분이 수압막(水壓膜)(64)으로 폐색되어 밀폐공간을 형성하고 있고, 이 수압막(64)을 통해 배양 체임버(20)에 압력 체임버(60) 내의 가압수(65)가 접해있다.
압력 체임버(60)에는 급수 관로(給水管路)(66)를 통해 가압수(액)조(槽)(68)가 연결되어 있고, 급수 관로(66)에는 유수(流水) 센서(70), 펌프(80), 바이패스밸브(82) 및 봉지(封止) 밸브(84)가 설치되며, 바이패스 밸브(82)에는 중간에 오리피스(86)를 가진 바이패스 관로(88)가 설치되어 있다. 즉, 바이패스 밸브(82) 및 봉지 밸브(84)를 열어 펌프(80)를 구동함으로써 가압수(65)를 가압수조(68)로부터 압력 체임버(60) 속으로 충전할 수가 있다. 가압수조(68)의 가압수위는 수위 센서(96)에 의하여 검출되므로 그 수위에 따라 급수 밸브(92)를 개폐함으로써 가압수조(68)에 가압수(65)를 급수 관로(94)를 통해 보충하기 때문에 가압수조(68)의 수위를 항상 최적 수위로 유지할 수가 있다. 그리고 가압수조(68)의 급수 관로(66)에는 배수 관로(98)가 분기되어 있고, 세포(5)의 배양 종료시에 배수 밸브(100)를 열어 가압수(65)가 배출된다.
또한, 압력 체임버(60)에는 가압 수조(68) 쪽을 향해 회수 관로(102)가 설치되고, 이 회수 관로(102)에는 봉지 밸브(104) 및 순환 펌프(106)가 설치되어 있다. 회수 관로(102)의 선단부는 가압수조(68) 내의 가압수(65) 속에 침지되어 있다. 즉, 봉지 밸브(84)를 열고 바이패스 밸브(82)를 닫아 순환 펌프(106)를 구동하면, 압력 체임버(60) 속이 감압되어 압력 체임버(60)나 각 관로(66, 102 등) 등의 내벽에 부착해 있는 기포 등을 가압수조(68) 쪽으로 배출할 수가 있다. 그리고 이 압력 체임버(60)의 가압수(65)는 펌프(80, 106)의 동시 구동에 의해 가압 수조(68)로부터 급수 관로(66)를 통해 압력 체임버(60)에 공급하면서 회수 관로(102)를 통해 가압 수조(68)로 순환시켜 가압 수조(68)와의 사이에 순환시킬 수도 있다.
압력 체임버(60)의 벽면부에는 히이터(108), 온도 센서(110), 압력 센서(112) 및 음파발생 장치(114)가 설치되어 있고, 수용되어 있는 가압수(65)의가열과 그 온도 또는 압력이 검출됨과 동시에 압력 체임버(60)에는 필요에 따라 음파발생 장치(114)로부터 초음파 등의 음파를 가할 수가 있다.
그리고 압력 체임버(60)에는 가압수단으로서 가압 피스톤(116)이 진퇴가 자유롭게 설치되고, 가압 피스톤(116)은 압력 체임버(60)의 벽면부에 돌출시킨 지지통부(117)에 의해 지지되며, 지지통부(117)와 가압 피스톤(116)과의 사이에는 봉지 수단인 O 링(119)에 의해 봉지되어 있다. 이 가압 피스톤(116)에는 가압용 스프링(118)을 통해 가압구동 수단으로서 액추에이터(120) 및 모우터(122)가 설치되어 있다. 모우터(122)는, 예컨대 스텝핑 모우터로 구성되고, 이 모우터(122)의 회전이 액추에이터(120)에 의해 진퇴운동으로 변환되어 가압용 스프링(118)에 가해지고, 가압 피스톤(116)의 진퇴에 따라 압력 체임버(60) 내의 압력을 증감시킬 수가 있고, 가압 피스톤(116)의 진입시는 고압을 발생시키고, 가압 피스톤(116)의 후퇴시는 저압을 발생시켜, 그 압력변화가 수압막(受壓膜)(64)을 통하여 토대(7) 위의 세포(5)에 가압 자극(刺激)을 준다. 그리고 가압 피스톤(116)의 위치는 위치 센서(123)에 의해 검출되어 있고, 그 검출 데이터는 가압 피스톤(116)의 진퇴의 제어, 즉, 가압 자극의 제어에 사용된다.
이 경우, 압력 체임버(60)에는 가압수(65)가 충전되어 있으며, 가압 피스톤(116)으로부터 가해지는 압력은 가압수(65)를 통해 수압막(64)에 전면적으로 작용하며, 그 수압막(64)으로부터 배양 미디어(3)를 통하여 세포(5) 및 조직에 균등하게 정수압을 작용시킬 수가 있어 스트레인(변위)도 마찬가지로 균등하게 작용시킬 수가 있다. 더욱이 가압 피스톤(116)의 이동량의 제어에 의해 압력 변화량의다이내믹 레인지를 크게 할 수가 있고, 적은 값으로부터 큰 값까지 극히 세밀한 제어가 가능하다. 그리고 가압 피스톤(116)의 이동은 위치 센서(123)에 의해 검출되어 제어 장치(40)에 의해 감시되고, 그 이동량이 한계 위치에 도달했을 경우에는 배양장치(1)의 이상으로서 제어장치(40)로부터 경보출력이 발생되며, 제어장치(40)에 접속되어 있는 표시수단[도 5의 표시장치(232) 등]에 경고표시를 하거나, 혹은 전화 등의 통신회선을 통해 관리자에게 고지할 수가 있다.
또한, 배양 체임버(20)에 연속적 또는 간헐적으로 배양 미디어(3)를 보내는 송액장치(12)는, 출입쪽에 송출쪽 역류방지 밸브(124), 흡인쪽 역류방지 밸브(126)를 가진 송액 체임버(128)를 구비하고, 배양고(42)에 나사(130)에 의해 꺼낼 수 있게 설치되어 있다. 송액 체임버(128)에는 송액 피스톤(132)이 진퇴가 자유롭게 설치되어 있고, 이 송액 피스톤(132)의 중도부에는 살균액류(殺菌液溜)(134)가 설치됨과 아울러 가압용 스프링(136)이 설치되어 있다. 송액 피스톤(132)과 송액 체임버(128)의 본체부와의 사이에는 봉지수단인 O 링(133, 135)이 설치되어 있다. 살균 액류(134)에는 살균제, 소독액 또는 페니실린 등의 항생물질이 충전되고, 외부로부터의 균체 및 이물(異物)의 침입을 방지하고 있다. 가압용 스프링(136)은 방호통(防護筒)(137) 내에 수용되어 있다.
송액 피스톤(132)의 후단부에는 구동수단으로서 액추에이터(138) 및 모우터(140)가 설치되어 있다. 모우터(140)는, 예컨대 스텝핑 모우터로 구성되고, 이 모우터(140)가 회전이 액추에이터(138)에 의해 진퇴운동으로 변환되어 가압용 스프링(136)에 가해지며, 송액 피스톤(132)의 진퇴에 따라 송액 체임버(128) 내의압력이 증감하고, 그 압력변화가 각 역류방지 밸브(124, 126)의 밸브체(142, 144)에 가해진다. 송액 피스톤(132)이 송액 체임버(128)로부터 인출되면, 송액 피스톤(132)의 인출분 만큼 송액 체임버(128) 속이 부압(負壓)으로 되어 밸브체(142)는 스프링(143)의 복원력에 의해 인하되어 송출쪽 역류방지 밸브(124)가 닫힘과 동시에 밸브체(144)가 스프링(145)의 가압력을 거슬려서 인상되어 흡인쪽 역류방지 밸브(126)가 열림으로써 송액 체임버(128) 속으로 배양 미디어(3)가 유입된다. 그리고 송액 피스톤(132)이 송액 체임버(128) 속으로 진입하면, 송액 체임버(128) 속이 가압되어 밸브체(144)가 하강하여 흡인쪽 역류방지 밸브(126)가 닫히고, 밸브체(142)가 상승하여 송출쪽 역류방지 밸브(124)가 개방되므로 송액 체임버(128) 속의 배양 미디어(3)가 배양 체임버(20) 쪽으로 송출된다.
또한, 배양 미디어(3)의 압력 완충장치(18)는 압력배출 밸브(26)를 구비하고 있고, 압력배출 밸브(26)는 배양고(42)에 꺼낼 수 있도록 나사(146)에 의해 부착되어 있다. 이 압력배출 밸브(26)는 밸브실(148)을 진퇴하여 개폐가능한 밸브체(150)가 설치되며, 이 밸브체(150)의 플런져(152)의 중도부에는 살균액류(殺菌液溜)(153)가 설치되어 있다. 플런져(152)와 밸브실(148)의 본체부 사이에는 봉지수단인 O 링(155, 157)이 설치되어 있다. 이 살균액류(153)에는 살균제, 소독액 또는 페니실린 등의 항생물질이 충전되며, 외부로부터의 균체 및 이물의 침입을 방지하고 있다. 그리고 밸브체(150)의 플런져(152)의 후단부에는 완충 스프링(154)을 통해 구동수단으로서의 액추에이터(156) 및 모우터(158)가 부착되어 있다. 모우터(158)는, 예컨대 스테핑 모우터로 구성되며, 이 모우터(158)의 회전이액추에이터(156)에 의해 진퇴운동으로 변환되어 완충 스프링(154)에 가해지며, 밸브체(150)를 개방하는 동작압은 완충 스프링(154)의 압축도에 따라 조정된다. 즉, 완충 스프링(154)의 압축도가 높을 때, 밸브체(150)를 개방하기 위해 필요한 배양 미디어(3)로부터 압력이 높아지고, 또한, 완충 스프링(154)의 압축도가 낮을 때, 밸브체(150)를 개방하기 위해 필요한 배양 미디어(3)로부터의 압력이 낮아진다. 이러한 압력 완충 장치(18)를 설치하는 것은 배양 체임버(20)의 배양 미디어(3)에 가해지는 가압력을 배양회로 유닛(4) 쪽에서 완충하기 위한 것이다.
이 압력배출 밸브(26)의 밸브실(148)과 배양 미디어 백(48)을 연결하는 튜우브(50D)에는 핀치 밸브(162)와 더불어 흡인 튜우브(164)가 분기하여 설치되고, 이 흡인 튜우브(164)에는 핀치 밸브(166), 역류방지 밸브(168) 및 배양 미디어 저장조(170)가 설치되어 있으며, 이 배양 미디어 저장조(170)는 흡인 튜우브(165)를 통해 회수관로(102)에 연결되어 있다. 핀치 밸브(162)는 튜우브(50D)를 개폐하며, 또한, 핀치 밸브(166)는 흡인 튜우브(164)의 개폐에 사용된다. 역류방지 밸브(168)는 밸브체(169)를 스프링(171)의 가압력에 의해 폐지(閉止)시키고 있고, 배양 미디어(3)의 압력이 스프링(171)의 가압력을 초과할 때, 배양 미디어(3)가 흡인 튜우브(164)를 통해 배양 미디어 저장조(170) 쪽으로 흐른다. 핀치 밸브(166)는 역류방지 밸브(168)와는 무관계하게 그 조작에 의해 흡인 튜우브(164)를 폐지(閉止)할 수 있고, 그 폐지(閉止)에 의해 배양 미디어(3)의 통류(通流)를 저지할 수가 있다. 그리고 핀치 밸브(166)가 열려있을 때, 배양 미디어 저장조(170)는 밀폐용기이므로 봉지 밸브(104)를 닫고 순환 펌프(106)를 구동하면, 배양 미디어저장조(170) 속이 감압되기 때문에 스프링(171)의 가압력에 대항하여 밸브체(169)를 이동시키고, 역류방지 밸브(168)를 열 수가 있으며, 이 때, 배양 미디어(3)를 배양 미디어 저장조(170) 쪽으로 유입시킬 수가 있다.
그리고 배양고(42)에는 가스혼합ㆍ농도조절 장치(36)로서 N2가스 봄베(172), O2가스 봄베(174), CO2가스 봄베(176)가 각각 관로(178, 180, 182)를 통해 연결되고, 각 관로(178, 180, 182)에는 가스 개폐 밸브(184, 186, 188), 유량 조절 밸브(190, 192, 194), 플로우 미터(196, 198, 200), 압력 조정기(202, 204, 206), 및 밸브(208, 210, 212)가 설치되어 있다. 즉, 가스 개폐 밸브(184∼188)를 선택적으로 개폐함으로써 N2, O2또는 CO2중의 1 또는 2 이상이 공급되어 혼합된다.
또한, 배양고(42)에는 가습수단인 습도조절 장치(32)로서 가습용수(214)를 모으는 가습용수 수용접시(216) 및 교반용 팬(218)이 설치됨과 아울러 가열수단인 온도조절 장치(34)로서 기체가열용 히이터(220), 배양고내 온도 센서(222) 및 교반용 팬(218)이 설치되어 있다. 교반용 팬(218)은 팬 모우터(224)에 의해 구동된다.
그리고 배양장치(1)의 이상 발생시에 경고를 발하는 것을 언급하고 있는데, 관리자가 필요한 조치를 할 때까지 이상의 종별에 관계없이 배양 중의 세포(5) 및 조직을 보존하기 위해 제어장치(40)는 배양고(42) 내의 보온제어, 가스농도의 제어, 송액운전을 계속한다. 이러한 계속운전은 소정의 배양시간이 도래하더라도, 또한 정상으로 운전이 종료했을 경우에도 배양고(42) 내의 보온제어, 가스농도의 제어, 송액운전을 마찬가지로 계속한다.
이어서 도 5는 조작장치(38) 및 제어장치(40)의 구성예를 나타내고 있다. 조작장치(38) 및 제어장치(40)는 퍼스널 컴퓨터 등으로 구성된 주제어 장치(230)를 구비하고 있다. 주제어 장치(230)에는 디스플레이, 액정 등의 표시장치(232), 하드 디스크, 광 디스크, 플로피 디스크, IC 카드 등의 외부 기억장치(234), 키 보드의 입력장치(236)가 접속되어 있다. 입력장치(236)는 조작장치(38)의 일부 또는 전부를 구성한다.
주제어 장치(230)에는 온도검출 회로(238)를 통해 온도 센서(110)의 검출출력, 온도검출 회로(240)를 통해 배양고내 온도 센서(222)의 검출출력, 압력검출 회로(242)를 통해 압력 센서(112)의 검출출력, 위치 센서(123)의 검출출력 및 검지 스위치(54)의 검출출력이 가해지고, 모우터(122)의 구동출력이 구동회로(244), 모우터(140)의 구동출력이 구동회로(246), 모우터(158)의 구동출력이 구동회로(248), 히이터(108)의 구동출력이 구동회로(250), 밸브(184, 186) 및 밸브(188)의 구동출력이 구동회로(252), 팬 모우터(224)의 구동출력이 구동회로(254), 히이터(220)의 구동출력이 구동회로(256)로부터 얻어짐과 동시에 음파발생 장치(114)의 구동출력이 얻어진다.
이어서 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법을 도 6에 나온 동작 플로우 차아트를 참조하여 설명한다.
스텝 S1은 초기설정 모드이다. 이 초기설정 모드는 배양회로 유닛(4)의 장착후에, 압력 체임버(60) 속에 가압수(65)를 채우고, 배양회로 유닛(4) 속에 배양 미디어(3)를 채우는 공정과, 설정입력된 압력치에 상당하는 배양 가압장치(8)의 압력 인가 장치(16), 압력 완충 장치(18)의 동작량을 샘플링하여 기억유지하는 공정을 포함한다. 배양회로 유닛(4) 및 수압막(64)을 구성하는 재질의 신장율이 다르며, 또한 압력 체임버(60) 내에 잔류하는 기포 등에 의해 설정압력을 얻기 위한 동작량이 다르다. 따라서 초기설정 모드에서는 이들 설정치를 수정한다.
배양회로 유닛(4)이 장착되면, 가스혼합ㆍ농도조절 장치(36), 습도조절 장치(32) 및 온도조절 장치(34)를 동작시켜 배양고(42)의 내부에 가스를 충전함과 아울러 적당한 습도 및 적당한 온도로 제어한다. 그리고 급수 밸브(92)를 열어 가압수조(68)에 상수 등으로 된 가압수(65)를 설정수위까지 보충하고, 바이패스 밸브(82), 봉지 밸브(84, 104)를 열고 펌프(80)를 동작시켜 압력 체임버(60) 내에 가압수(65)를 공급한다. 압력 체임버(60)에의 가압수(65)의 공급량은 유수(流水) 센서(70)로써 검출되며, 소정량의 가압수(65)가 검출되었을 때, 펌프(80)를 정지하고, 순환 펌프(106)에 의한 순환동작으로 절환한다.
순환동작에서는 바이패스 밸브(82)를 닫고 바이패스 관로(88)로의 유로(流路)로 절환한다. 이 때, 오리피스(86)에 의해 가압수(65)의 통류량(通流量)이 제한되며, 순환 펌프(106)의 흡인력에 의해 압력 체임버(60) 속이 부압(負壓)으로 되어 압력 체임버(60) 내에 잔류하는 기포가 가압수조(68) 쪽으로 배출된다. 이 때, 핀치 밸브(162)를 닫고 핀치 밸브(166)를 열어 순환 펌프(106)에 의해 생기는 부압에 의해 배양 미디어 백(48) 내의 배양 미디어(3)를 튜우브(50E, 50A, 50B)를 통해 배양 체임버(20)에 충전한다. 순환 펌프(106)를 소정 시간 동작시켜 배양 미디어(3)를 배양 체임버(20)에 충전시킨 후, 핀치 밸브(166)를 닫고, 핀치 밸브(162)와 바이패스 밸브(82)를 열어 순환류에 의한 부압을 해제하고, 또한 순환 펌프(106)를 정지시킨다. 이어서 봉지 밸브(84, 104)를 닫은 후, 히이터(108)에 의하여 압력 체임버(60) 속의 가압수(65)를 가열하여 그 온도를 온도 센서(110)로써 검출함으로써 온도제어를 개시한다.
이어서 압력 완충 장치(18)의 모우터(158)를 작동시켜 압력배출 밸브(26)를 닫고, 튜우브(50C)를 일정압으로 폐색시킨다. 모우터(122)를 동작시켜 미리 설정한 최대압력(Pmax)이 검출될 때까지 압력 인가 장치(16)를 동작시킨다. 최대압력(Pmax)이 검출되었을 때 모우터(122)의 펄스 카운트를 주제어 장치(230)의 메모리에 기억한다. 이어서 압력 완충 장치(18)의 모우터(158)를 현재의 압력치가 저하할 때까지 회전시켜, 이 압력치를 최대압력(Pmax)의 위치로 하여 모우터(158)의 펄스 카운트를 주제어 장치(230)의 메모리에 기억한다.
이어서 압력 인가 장치(16)의 모우터(122)를 미리 설정한 최소압력(Pmin)이 검출될 때까지 회전시킨다. 최소압력(Pmin)이 검출되었을 때 모우터(122)의 펄스 카운트를 주제어 장치(230)의 메모리에 기억한다. 이어서 압력 완충 장치(18)의 모우터(158)를 회전시켜, 최소압력(Pmin)으로부터 감소를 개시하는 위치에서 모우터(158)를 정지시키고, 이 때, 이 모우터(158)의 펄스 카운트값을 주제어 장치(230)의 메모리에 기억한다.
이어서 이 초기설정 모드의 후, 스텝 S2로 이행하여, 압력가변 배양 모드인가 아닌가를 판정한다. 즉, 압력을 주기적으로 변경하여 배양을 하는가 아닌가가판정되며, 압력가변을 할 때는 스텝 S3의 압력가변 배양 모드로 이행하고, 또한, 일정압력에서 배양할 때는 스텝 S7의 고정압력 배양 모드로 이행한다.
스텝 S3의 압력가변 배양 모드에서는 주기 T마다 가압, 압력유지, 감압, 압력유지를 반복하여 배양 체임버(20)의 세포(5)를 가압 자극(刺激)하고, 또한 배양 미디어(3)의 송액을 한다.
스텝 S4에서는 압력 인가 장치(16), 압력 완충 장치(18)의 동작에 의한 압력과 Pmax, Pmin과의 오차가 소정치 이상인가 아닌가가 판정된다. 소정치 이상의 오차가 생겼을 때, 스텝 S5로 이행하여 최대압력 Pmax, 최소압력 Pmin의 각 값과 일치하는 압력 인가 장치(16), 압력 완충 장치(18)의 이동량을 샘플링하여 주제어 장치(230)의 메모리의 기억치를 수정한다.
이어서 스텝 S6에서는 소정의 배양시간 t가 경과하기까지 스텝 S3∼스텝 S6을 반복하며, 소정의 배양시간 t가 경과했을 때, 배양종료로 하고, 스텝 S11로 이행한다.
그리고 스텝 S7의 고정압력 배양 모드에서는 일정한 압력에 의해 세포(5) 또는 조직을 자극(刺激)하고, 또한 배양 미디어(3)의 송액을 한다. 즉, 스텝 S8에서는 압력 인가 장치(16), 압력 완충 장치(18)의 동작에 의한 압력과 설정압력 Ps와의 오차가 소정치 이상인가 아닌가가 판정된다. 소정치 이상의 오차가 생겼을 때, 스텝 S9로 이행하여 설정압력 Ps와 일치하는 압력 인가 장치(16), 압력 완충 장치(18)의 이동량을 샘플링하여 주제어 장치(230)의 메모리의 기억치를 수정한다. 그리고 스텝 S10에서는 소정의 배양시간 t가 경과했을 때, 배양종료로 하고, 스텝S11로 이행한다.
이어서 스텝 S11에서는 생체세포 보존 운전 모드를 실행한다. 세포(5) 또는 조직의 배양이 완료, 즉 조직이 생성되더라도 이식을 위한 이송을 개시하기까지의 사이에 그 세포(5) 내지 조직을 건전하게 보존할 필요가 있다. 생체세포 보존 운전 모드에서는 세포(5)를 소정 온도로 유지하면서 배양 미디어(3)를 공급하여 생체세포를 건전한 상태로 유지한다.
이어서 스텝 S12에서는 생체세포를 이식하는가 아닌가, 즉 세포(5)로 된 조직의 이식을 위해 운전정지 명령이 입력되었는가 아닌가를 판정하여 운전정지 명령에 의해 배양 미디어(3)의 순환과 온도제어를 정지한다. 배양회로 유닛(4)을 이탈시키고, 세포(5) 내지 조직은 배양회로 유닛(4)과 더불어 이송된다.
이어서 도 7, 도 8 및 도 9는 초기설정 모드에서의 설정입력 동작을 나타내며, 부호 a, b, c, d 및 e는 분할하여 기재한 플로우 차아트의 결합자(結合子)이고, 부호 a∼e의 일치는 결합부이다.
스텝 S21에서는 배양 체임버(20)를 주기적인 가압하에서의 배양인가 또는 일정한 압력하에서의 배양인가를 입력한다. 스텝 S22에서 압력을 주기적으로 가변시킬 때, 스텝 S24로 이행하여 "압력 가변"을 표시한다. 그리고 일정 압력하에서 배양을 할 때, 스텝 S23으로 이행하여 "압력 일정"을 표시한다.
스텝 S25에서는 압력을 가변시키는 주기 T를 입력한다. 스텝 S26에서는 입력된 주기 T가 실행가능한 범위 내인가 아닌가를 판정하여, 실행범위 밖일 때는 스텝 S27로 이행하여 "주기 T의 재입력"을 표시하여 고지하고, 스텝 S25로 이행하여 재입력을 한다. 실행범위 내이면 스텝 S28로 이행하여 설정한 "주기 T"의 표시와, 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억이 실행된다.
스텝 S29에서는 최대압력 Pmax의 유지시간 t1을 입력한다. 스텝 S30에서는 입력된 시간 t1가 주기 T의 동작범위 내인가 아닌가를 판정한다. 동작범위 밖이면 스텝 S31로 이행하여 "t1의 재입력"의 표시로 고지하고, 스텝 S39로 이행하여 재입력을 한다. 동작범위 내이면 스텝 S32로 이행하여 "최대압 유지시간 t1"의 표시와 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억을 한다.
스텝 S33에서는 최소압력 Pmim의 유지시간 t2를 입력한다. 스텝 S34에서는 입력된 시간 t2가 주기 T의 동작범위 내인가 아닌가를 판정한다. 동작범위 밖이면 스텝 S35로 이행하여 "t2의 재입력"을 표시하고, 스텝 S33으로 이행하여 재입력을 한다. 동작범위 내이면 스텝 S36으로 이행하여 "최소압 유지시간 t"의 표시와 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억을 한다.
스텝 S37에서는 입력된 주기 T와 시간(t1+ t2)의 차이의 시간을 2분하여 가압, 감압시간 t3을 연산한다. 스텝 S38에서는 시간 t3가 동작범위 내에 있는가 아닌가를 판정한다. 동작범위 밖일 때, 주기 T, 시간 t1, t2의 값이 적절한 것이 아니라고 판단하여 스텝 S25로 되돌린다. 시간 t3가 동작범위 내에 있을 때, 연산된 시간t3를 주제어 장치(230)의 메모리에 격납하고, 스텝 S39에서 "가압, 감압 시간 t3"를 표시한다. 스텝 S40에서는 가압, 감압시에 완급의 변화를 주는가 아닌가의 입력을 한다. 스텝 S41에서 완급을 줄 때에는 스텝 S42로 이행하고, 완급을 주지 않을 때는 스텝 S46으로 이행한다. 스텝 S42에서는 가압, 감압시에 완급을 주기 위한 변화량의 입력이 실행된다. 스텝 S43에서는 입력된 변화량이 동작가능인가 아닌가를 판정한다. 동작불능일 때는 스텝 S44로 이행하여 "가압, 감압 변화량의 재입력"을 표시하여 스텝 S42로 이행하여 재입력을 한다. 그리고 동작가능이면 스텝 S45로 이향하여 "가압, 감압량"의 표시와 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억을 한다. 이 때, 압력변위의 시뮬레이션 화면을 표시시켜도 좋다.
스텝 S46에서는 최소압력 Pmin을 입력한다. 스텝 S47에서는 압력 인가 장치(16)가 실행가능한 범위 내에 있는가 아닌가를 판정한다. 실행범위 밖이면 스텝 S48로 이행하여 "최소압력 Pmin의 재입력"을 표시하고, 스텝 S46에서 재입력이 실행된다. 그리고 실행범위 내이면 스텝 S49로 이행하여 "최소압력 Pmin"의 표시와 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억을 한다.
스텝 S50에서는 최대압력 Pmax을 입력하고, 스텝 S51에서는 압력 인가 장치(16)가 실행가능한 범위 내에 있는가 아닌가를 판정한다. 실행범위 밖이면 스텝 S52로 이행하여 "최대압력 Pmax의 재입력"을 표시하고, 스텝 S50에서 재입력이 실행된다. 그리고 실행범위 내이면 스텝 S53으로 이행하여 "최대압력 Pmax"의 표시와 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억을 한다.
스텝 S54에서는 압력 체임버(60)의 제어 온도 ct가 입력된다. 스텝 S55에서는 실행가능한 범위 내에 있는가 아닌가를 판정한다. 실행범위 밖이면 스텝 S56으로 이행하여 "온도 ct의 재입력"을 표시하고, 스텝 S54에서 재입력을 한다. 그리고 실행범위 내이면 스텝 S57로 이행하여 "온도 ct"의 표시와 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억을 한다.
스텝 S58에서는 배양회로 유닛(4)의 배양 미디어(3)의 순환유량 f를 입력한다. 스텝 S59에서는 실행가능한 범위 내에 있는가 아닌가를 판정한다. 실행범위 밖이면 스텝 S60으로 이행하여 "순환유량 f의 재입력"을 표시하여 고지하고, 스텝 S58에서 재입력을 한다. 그리고 실행범위 내이면 스텝 S61로 이행하여 "순환유량 f"의 표시와 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억을 한다.
스텝 S62에서는 운전 시간의 입력을 한다. 스텝 S63에서는 "운전 시간"의 표시와 주제어 장치(230)의 메모리에의 기억을 한다.
여기서 압력 인가 장치(16)에서의 가압 피스톤(116)과 세포(5) 또는 조직에 가해지는 압력과의 관계를 설명하면, 가압 피스톤(116)의 단면적을 A(cm2), 압력을 P(kg/cm2), 힘을 F(kgf)로 하면, 힘 F는 F = P ×A로 되고, 가압용 스프링(118)의 스프링 상수를 K(kgf/mm), 그 스프링 수축량을 L2(mm)로 하면, 힘 F는 F = K ×L2이므로,
K ×L2= P ×A
L2= (P ×A)/K (1)
로 된다. 즉, 가압 피스톤(116)이 이동할 때, 가압용 스프링(118)의 탄성력이 가압 피스톤(116)에 작용하고, 가압 피스톤(116)은 압력 체임버(60) 속의 가압수(65)를 압축한다. 압축됨으로써 압력 체임버(60) 속은 압력이 상승하고, 압력 센서(112)에 의해 그 압력이 검출된다. 이 가압 피스톤(116)의 변위, 즉 이동량(mm)과 압력 P(kg/cm2)와의 관계는, 예컨대 도 10과 같이 된다. 도 10에서 L1은 모우터(122)에 의한 이동량, L2는 가압용 스프링(118)의 수축량, L3은 가압용 스프링(118)을 사용하지 않을 경우의 가압 피스톤(116)의 이동량, L4는 혼입해 있는 공기의 수축에 의한 가압 피스톤(116)의 이동량, L5는 물의 수축에 의한 가압 피스톤(116)의 이동량, L6은 배양 체임버(20) 및 압력 체임버(60)의 용기의 변형에 의한 가압 피스톤(116)의 이동량을 나타내고 있다. L3은 L4, L5, L6의 총 합계이고, L1은 L2, L3의 총 합계를 나타내고 있다. 이 압력 인가 장치(16)에 의한 가압 피스톤(116)의 이동량과 압력 센서(112)의 압력치와의 관계를 주제어 장치(230)의 메모리에 격납한다.
공기의 수축에 의한 가압 피스톤(116)의 이동량을 설명하면, 공기의 용적(1 기압시)을 V(cm3), 공기의 용적(가압시)을 Va(cm3)로 하고, 1 ×V = (Pa + 1) ×Va = 일정으로 하면, 공기의 용적 Va는, Va = V/(Pa + 1)로 되고, 공기의 수축에 의한가압 피스톤(116)의 이동량 L4(mm)는,
L4= 10 ×{(V - Va)/A}
= [{V - V/(Pa + 1)}/A] ×10 (2)
로 된다.
그리고 물 및 배양 미디어(3)의 압축에 의한 가압 피스톤(116)의 이동량은 아래와 같이 된다. 즉, 물 및 배양 미디어(3)의 체적을 W(cm3), 물의 압축율(40℃)을 0.44 ×10-5(cm2/kg)로 하면, 물 및 배양 미디어(3)의 압축량 △W(cm3)은, △W = 0.44 ×10-5×P ×W로 되며, 물 및 배양 미디어(3)의 압축에 의한 가압 피스톤(116)의 이동량 L5(mm)는,
L5= △W/A ×10
= 10 ×{(0.44 ×10-5×P ×W)/A} (3)
으로 된다. 여기서 압력용기(22) 및 배양용기(61)의 변형에 의한 겉보기 수축율을 Ct로 하면, 수축량 △Wt는, △Wt = W ×Ct이므로, 용기의 변형에 의한 가압 피스톤(116)의 이동량 L6(mm)은,
L6= (△Wt/A) ×10
= 10 ×{(W ×Ct)/A} (4)
로 된다. 따라서 가압 피스톤(116)의 총 이동량은 식 (1), (2), (3) 및 (4)를 가산한 값 L1으로 된다.
그리고 압력 완충 장치(18) 쪽에서는 완충 스프링(154)에 가하는 압력을 감소시켜가면, 배양 체임버(20) 내의 압력이 압력배출 밸브(26)에 가해지는 압력을 이겨내어, 압력배출 밸브(26)가 열리고 배양 미디어(3)가 압력배출 밸브(26)를 통과하여 배양 체임버(20) 쪽의 압력이 저하한다. 완충 스프링(154)의 가압력과 배양 미디어(3) 쪽의 압력이 서로 균형이 잡힘으로써 안정된다. 압력 완충 장치(18)의 압력배출 밸브(26)에 가해지는 힘을 설명하면, 압력배출 밸브(26)에 의한 폐색면적을 B(cm2), 압력을 P(kg/cm2), 압력 P와 균형을 이루는 힘을 F(kgf)로 하면, F = P ×B로 되고, 완충 스프링(154)의 스프링 정수 K(kgf/mm), 완충 스프링(154)의 수축량을 m(mm)로 하면, 균형을 이루는 힘 F는, F = K × m로 되며, 완충 스프링(154)의 수축량 m은, m = P ×B/K로 나타내어진다. 도 11은 압력배출 밸브(26) 쪽에 가하는 압력, 즉 액추에이터(156) 쪽의 이동량[완충 스프링(154)의 수축량]과 압력배출 밸브(26)에 작용하는 압력, 즉 조정압력과의 관계를 나타낸다. 도 11에서 m1은 단일의 완충 스프링(154)을 사용했을 경우, m2는 완충 스프링(154)에 상이한 두개의 스프링을 사용했을 경우를 나타내고 있다.
송액장치(12)의 용적이 적으므로 배양 미디어(3)의 수축 및 용기의 변형, 기체의 수축 등은 거의 무시할 수가 있다. 따라서 송액 피스톤(132)의 송액량 V(ml)은 송액 피스톤(132)의 단면적 C(cm2), 이동량 l(cm)로 하면, V = C ×1이므로, 이동량 l은 l = V/C로 되고, 송액량에 따라 이동량이 결정된다. 송액장치(12)의 송액 피스톤(132)의 이동량이 많은 경우는 송액 피스톤(132)의 이동후 곧 바로 원래의 위치로 복귀하지만, 배양 미디어(3)의 이동량이 적은 경우는 복귀하지 않으며, 다음의 송액동작의 때에는 그 위치로부터 더욱 송액 피스톤(132)을 이동시켜 이동 불가능한 위치까지 이동한 후에 원래의 위치로 복귀한다. 이 때, 설정의 강하압력의 허용치보다 높아졌을 경우는 운전 전에 기억한 압력배출 밸브(26)의 액추에이터(156)의 이동량과 압력의 관계의 데이터를 이 값을 근거로 보정할 필요가 있다.
이어서 도 12는 도 6의 스텝 S3에서 실행되는 압력가변 배양 모드의 실행형태를 나타내고 있다. 즉, 도 12는 배양 체임버(20)에 인가되는 압력상태와 가압 타이밍을 나타내는 타이밍 차아트인데, (a)는 배양 체임버(20)의 압력추이, (b)는 압력 완충 장치(18)의 동작 타이밍, (c)는 압력 인가 장치(16)의 가압 타이밍, (d)는 배양 미디어 공급장치(6)의 송액 타이밍을 나타내고 있다.
배양 체임버(20)는 주기 T로서 최대압력 Pmax와 최소압력 Pmin 사이에서 가압, 감압이 반복된다. t1은 최대압력 Pmax을 유지하는 시간이고, t2는 최소압력 Pmin을 유지하는 시간이다. 그리고 t3는 가압, 감압시의 동작시간이다. 이들 최대압력 Pmax, 최소압력 Pmin, 시간 t1, t2, t3는 생체 내의 외부배양시키는 부위에 따라 임의로 변경할 수가 있다. 또한, 배양하고자 하는 세포(5)에서의 생체의 연령, 성별, 신장, 체중, 생체 내의 부위 등의 데이터에 따라 적절한 수치를선택하여 가압,감압을 할 수도 있다.
압력 완충 장치(18)는 가압을 개시하기 전에 시간 t5에서 최대속력으로 최대압력 Pmax을 얻게되는 위치까지 동작시켜 튜우브(50C)를 폐색한다. 그 후, t4의 지연시간을 거쳐 압력 인가 장치(16)의 동작을 개시하고, 시간 t3에 상당하는 속도로 최소압력 Pmin로부터 최대압력 Pmax까지 가압을 한다.
최대압력 Pmax의 시간 t1에서 유지한 후, 압력 인가 장치(16)가 다시 동작하여 시간 t3에 상당하는 속도로 최대압력 Pmax으로부터 최소압력 Pmin까지 감압을 개시한다. 압력 인가 장치(16)가 동작하고나서 시간 t6만큼 지연하고 압력 완충 장치(18)가 시간 t7만큼 동작하여 튜우브(50C)의 폐색력을 해제한다.
그리고 압력제어를 개시했을 때, 압력 0 부근에서부터 최대압력 Pmax까지 증가시킨다. 이 때, 압력 완충 장치(18)는 최대속도로 폐색위치까지 이동하고, 시간 t9경과후에 압력 인가 장치(16)를 동작시켜 시간 t3에 상당하는 속도로 최대압력 Pmax에 도달하기까지의 시간 t8동안 가압을 한다.
최소압력 Pmin으로 유지되고부터 시간 t11의 경과후에 배양 미디어 공급장치(6)가 시간 t12만큼 동작하여 배양 미디어(3)를 배양 체임버(20)에 송출한다. 시간 t12를 변경함으로써 송액량을 임의로 설정할 수가 있다. 송액후, 시간 t13만큼 경과후에 시간 t12와 거의 같은 시간 t14동안, 송액 피스톤(132)을 후퇴시킨다. 그리고 이 예에서는 최소압력 Pmin의 유지시간 t2에서 송액을 하였으나, 최대압력 Pmax의 유지시간 t1또는 가압, 감압시간 t3에서 송액을 해도 좋다.
이어서 도 13은 도 6의 스텝 S3에서 실행되는 압력가변 배양 모드의 다른 실시형태를 나타 내고 있다. 즉, 도 13은 배양 체임버(20)에 인가되는 압력상태와 가압 타이밍을 나타내는 타이밍 차아트인데, (a)는 배양 체임버(20)의 압력추이, (b)는 압력 완충 장치(18)의 동작 타이밍, (c)는 압력 인가 장치(16)의 가압 타이밍, (d)는 배양 미디어 공급장치(6)의 송액 타이밍, 즉, 배양 체임버(20)에 인가하는 압력 패턴의 변형예를 나타낸다.
이 예에서는 가압, 감압시간 t3에 가압속도, 감압속도를 2차 함수적으로 변동시켜 완급을 부여한 압력인가 패턴을 송출시킨 것이고, 압력변동에 완급을 부여함으로써, 예컨대 보행시의 무릎의 연골에 가해지는 압력 패턴을 재현할 수가 있다. 이 경우, 압력 인가 장치(16)는 시간 t15, t16, t17로 나타내어지는 바와 같이 동작속도가 변경되며, 시간 t3에서 가압력에 완급이 가해진다. 기타의 동작은 도 12의 동작과 마찬가지이므로 그 설명을 생략한다.
이어서 도 14 내지 도 21은 본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치의 제 2 실시형태를 나타내며, 도 14는 배양장치의 정면쪽 배치, 도 15는 배양장치의 측면쪽 배치, 도 16은 배양장치의 요부, 도 17은 배양회로 유닛(4), 도 18은 배양회로 유닛(4)을 제외한 배양장치의 요부, 도 19는 압력 인가 장치(16), 도 20은 배양 미디어 공급장치(6), 도 21은 압력 완충 장치(18)를 나타내고 있다. 제 1 실시형태와 동일 부분에는 동일 부호를 부여하고 있다.
이 배양장치는 단일의 하우징(260)으로써 구성되며, 하우징(260)은 배양실(262), 기계실(264) 및 제어ㆍ전원실(266)로 구획되어 있다. 배양실(262)의 내부에는 배양고(42)가 수용되어 있고, 배양고(42) 내의 구성은 제 1 실시형태와 마찬가지이지만, 다른 점은 배양 미디어 공급장치(6), 압력 인가 장치(16) 및 압력 완충 장치(18) 등이 단일의 처리부(268)로써 구성되어 있다.
배양실(262) 및 기계실(264)에는 독립하여 개폐되는 도어(270, 272)가 설치되고, 기계실(264)에는 배양 미디어 공급장치(6), 압력 인가 장치(16) 및 압력 완충 장치(18)의 기구(機構) 부분과 더불어 가압수조(68) 등이 수용되어 있으며, 각 액추에이터(120, 138, 156)는 도 15에 나온 바와 같이 공통의 취부판(取付板)(269)에 의해 기계실(264)의 배면쪽에 지지되어 있다. 기계실(264)의 벽면에는 급수구(274), 배수구(276)가 설치되어 있다. 제어ㆍ전원실(266)에는 제어장치(40) 및 전원장치가 수용되어 있고, 그 전면(前面) 패널쪽에 표시장치(232)와 더불어 전원 스위치(278)가 설치되어 있다.
이어서 도 16에 나온 바와 같이 배양실(262)에는 배양고(42)가 수용되어 있고, 배양고(42)에는 배양회로 유닛(4) 및 처리부(268)가 수용되어 있다. 처리부(268)에는 도 17 및 도 18에 나온 바와 같이 배양회로 유닛(4) 쪽의 처리 유닛(280)이 착탈가능하게 구성되어 있다.
이어서 도 19는 배양 체임버(20)를 구성하는 배양용기(61), 압력용기(22)를 포함한 압력 인가 장치(16)를 나타내고 있다. 이 경우, 압력 인가 장치(16)의 액추에이터(120)는 하우징(282)에 볼 스크류(284)를 붙이고, 이 볼 스크류(284)의 후단부에 모우터(122)를 커플링 조인트(286)에 의해 결합한 것이다. 볼 스크류(284)에는 회전에 의해 전후로 동작하는 이동 베드(288)가 설치되고, 이 이동 베드(288)와 볼 스크류(284)의 전단부(前端部) 쪽에 설치된 지지 플랜지(290)와의 사이에 서로 겹치게 한 두개의 가압용 스프링(118A, 118B)이 설치되어 있다. 즉, 가압용 스프링(118A, 118B)은 볼 스크류(284)의 회전에 따라 이동하는 이동 베드(288)에 의해 압축상태가 변화하며, 각 가압용 스프링(118A, 118B)의 탄성특성이 가압 피스톤(116) 쪽에 작용한다. 볼 스크류(284) 대신에 벨트나 캠 등으로써 액추에이터(120)를 구성해도 좋다.
이어서 도 20은 배양 미디어 공급장치(6)를 나타내고 있다. 액추에이터(138)는 하우징(291)에 볼 스크류(292)를 붙이고, 이 볼 스크류(292)의 후단부(後端部)에 모우터(140)를 커플링 조인트(294)에 의해 결합한 것이다. 볼 스크류(292)에는 회전에 의해 전후로 동작하는 이동 베드(296)가 설치되고, 이 이동 베드(296)에 부착된 피스톤 압판(押板)(298)의 전면부(前面部)에는 송액 피스톤(132)의 후단부(後端部)가 접촉해 있다. 즉, 모우터(140)에 의한 볼 스크류(292)의 회전에 따라 이동하는 이동 베드(296)가 전진함으로써 가압용 스프링(136)이 압축되면, 송액 피스톤(132)이 전진하고, 이동 베드(296)가 후진함으로써 가압용 스프링(136) 압축이 해제되며, 가압용 스프링(136)의 복귀력에 의해 송액 피스톤(132)이 후퇴한다.송액 피스톤(132)의 진퇴에 따라 배양 미디어(3)를 송출할 수가 있다.
이어서 도 21은 압력 완충 장치(18)를 나타내고 있다. 액추에이터(156)는 하우징(300)에 볼 스크류(302)를 붙이고, 이 볼 스크류(302)의 후단부에 모우터(158)를 커플링 조인트(304)에 의해 결합한 것이다. 볼 스크류(302)에는 회전에 의해 전후로 동작하는 이동 베드(306)가 설치되고, 이 이동 베드(306)에는 서로 겹치게 한 완충 스프링(154A, 154B)을 통해 플런져 압판(押板)(308)이 부착되며, 이 플런져 압판(308)의 전면부(前面部)에는 압력배출 밸브(26)의 플런져(152)의 후단부(後端部)가 접촉해 있다. 즉, 모우터(158)에 의한 볼 스크류(302)의 회전에 따라 이동하는 이동 베드(306)가 전진함으로써 완충 스프링(154A, 154B)과 더불어 플런져 압판(308)을 전진시켜 완충 스프링(154A, 154B)의 압축상태가 변화한다. 즉, 밸브체(150)가 압축상태에 있는 완충 스프링(154A, 154B)을 통해 눌려 붙여지고, 압력배출 밸브(26)가 폐색상태로 유지된다. 이 유지상태는 볼 스크류(302)의 회전과 거기에 따른 완충 스프링(154A, 154B)의 압축상태에 따라 변화한다.
이어서 도 22는 배양 미디어 공급장치(6)의 변형예를 나타내고 있다. 도 2, 도 3 및 도 14에 나온 배양 미디어 공급장치(6)에서는 송액 피스톤(132)에 가압용 스프링(136)을 설치하였으나, 가압용 스프링(136)을 제외하고, 액추에이터(138)의 볼 스크류(292)에 의해 이동하는 이동 베드(296)에 연결 샤프트(310)를 설치하고, 이 연결 샤프트(310)의 선단에 송액 피스톤(132)의 후단부를 고정 핀(312) 등의 고정수단으로써 연결하도록 해도 좋다. 이와 같이 구성하더라도 볼 스크류(292)의 정역전(正逆轉)에 의해 송액 피스톤(132)을 진퇴시킬 수가 있다.
이어서 도 23은 본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치의 제 3 실시형태를 나타내고 있다. 이 실시형태에서는 압력 인가 장치(16)의 압력용기(22)에서 형성되는 압력 체임버(60)의 내부에 도시하지 아니한 콤프레서로부터 화살표 Pr로 나타낸 바와 같이 가압공기를 압력 조정기(314), 승압 밸브(316) 및 니이들 밸브(318)를 구비한 관로(67)를 통하여 작용시키고, 압력 체임버(60) 내의 가압공기를 니이들 밸브(320) 및 강압 밸브(322)를 구비한 회수 관로(102)를 통하여 배출시키며, 튜우브(50D) 쪽에 밸브(11)(도 1) 또는 핀치 밸브(162)(도 2) 대신에 액추에이터(321)의 회전에 의해 개폐되는 밸브(323)를 설치해도 좋다. 밸브(323)를 간헐적으로 폐색시키는 동작과, 가압공기를 작용시켜 수압막(64)을 가압하는 동작을 병용함으로써 세포(5)에 가압 자극(刺激)을 가할 수가 있다. 이 경우, 가압 자극에 변화를 부여하기 위해서는 승압 밸브(316) 및 강압 밸브(322)의 개폐제어에 의해 실시할 수가 있다. 이와 같은 공기를 사용했을 경우에는 저압에서는 단위 이동량당의 압력 변화량을 적게, 그리고 고압에서는 단위 이동량당의 압력 변화량을 많게 할 수가 있음과 아울러, 세포 또는 조직에 압력을 인가할 때, 모우터 및 액추에이터 등으로부터 발생하는 불필요한 진동의 흡수가 가능해져서 세포 또는 조직에 대한 가압 자극의 정밀도를 높일 수가 있다.
이어서 도 24 및 도 25는 본 발명의 세포 또는 조직의 배양장치의 제 4 실시형태를 나타내고 있다. 배양하고자 하는 세포(5)는 콜라겐 등으로 성형된 토대(7)에 이식되어 있고, 토대(7)마다 배양 체임버(20)에 격납된다. 배양 체임버(20)에는 배양 미디어(3)가 배양 미디어 조(槽)(49)로부터 배양회로 유닛(4)을 통해 공급된다. 배양회로 유닛(4)은 폐회로를 구성하고 있고, 이 배양회로 유닛(4)에는 송액 장치(12)로서의 펌프(324), 압력 센서(326) 및 압력 완충 장치(18)가 설치되어 있다. 압력 센서(326)의 검출압력은 압력 제어기(328)에 가해지고, 그 검출압력에 따라 제어출력이 압력 제어기(328)로부터 펌프(324)에 가해지고 있다. 즉, 배양 미디어(3)의 압력 P가 일정하게 제어되고 있다.
그리고 압력 완충 장치(18)는, 배양회로 유닛(4)의 일부에 삽입된 압력배출 밸브(26)의 밸브체(150)의 플런져(152)에 완충 스프링(154)을 통해 액추에이터(156)를 부착하고, 이 액추에이터(156)에 모우터(158)를 연결한 것이다. 모우터(158)의 회전, 즉 정회전, 역회전, 정지 및 회전속도가 제어장치(40)에 의해 제어된다. 즉, 모우터(158)의 회전이 볼 스크류(302)에 전달되고, 볼 스크류(302)의 회전에 의해 이동 베드(306)가 그 회전방향에 따라 전후로 이동한다. 이 이동은 완충 스프링(154)을 통해 밸브체(150)의 플런져(152)에 전달되기 때문에 밸브체(150)의 폐지력(閉止力)이 이동 베드(306)의 위치 및 완충 스프링(154)의 압축력에 의해 설정된다. 펌프(324)에 의한 배양 미디어(3)의 압력이 밸브체(150)의 폐지력을 이길 때는 밸브체(150)가 열리고, 압력배출 밸브(26)를 배양 미디어(3)가 통과한다.
그리고 배양 미디어 조(49)에는 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 취입(取入)하는 공기관로(330)가 설치되고, 공기관로(330)에는 잡균, 이물 등의 침입을 방지하는 필터(332)가 설치되어 있다. 즉, 공기관로(330)로부터 취입된 산소 또는 이산화 탄소는 배양 미디어(3)와 더불어 배양 체임버(20)의 세포(5)에 전달된다.
이와 같은 구성에 의하면 펌프(324)를 구동함으로써 배양 미디어(3)가 배양회로 유닛(4)에 공급되어 배양 체임버(20)를 통해 흘러 세포(5)에 필요한 양분과 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 공급한다. 압력 완충 장치(18)를 구동함으로써 배양회로 유닛(4)이 폐색되고, 펌프(324)로부터 배양 미디어(3)에 가해지는 압력에 의해 배양 체임버(20) 내의 압력이 상승한다. 압력 완충 장치(18)의 완충력, 즉, 밸브체(150)의 폐지력의 조정에 의해 펌프(324)로부터 가해진 압력과 평형을 이루는 임의의 압력치를 얻을 수가 있다.
도 25는 이 가압동작을 나타내고 있다. 압력 완충 장치(18)를 주기적으로 동작시킴으로써 최대압력 Pmax과 최소압력 Pmin을 교대로 세포(5)에 부여할 수가 있다. 즉, 세포(5)에는 최대압력 Pmax가 시간 t1, 최소압력 Pmin이 시간 t2, 그리고 승압시간 t3및 강압시간 t3가 설정되고, 생체와 마찬가지로 배양 미디어(3)의 압력순환이 얻어져서, 생체와 동등한 성장환경이 실현된다. 그리고 압력 완충 장치(18)의 동작속도를 제어함으로써 시간 t1, t2, t3을 임의로 조정할 수가 있고, 배양하는 세포(5)의 특성 및 생체부위에 따른 최적상태를 실현할 수가 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 다음의 효과가 얻어진다.
(a) 생체내 환경을 모방한 환경하에서 오염됨이 없이 양호한 효율로 배양할 수가 있고, 체내조직에 가까운, 더욱이 체내조직과 융합하기 쉬운 세포 또는 조직을 배양할 수가 있다.
(b) 생체의 세포 또는 조직을 특정의 배양위치에서 유지하고, 생체를 모방한환경하로 설정하여 배양 미디어를 연속적 또는 단속적으로 공급하여 연속, 간헐 또는 주기적으로 변화하는 압력을 가함으로써 수복하고자 하는 생체의 부위에 대응한 이상적이고도 실용적인 조직, 즉, 체내조직에 가깝고, 더욱이 체내조직과 융합하기 쉬운 세포 또는 조직을 배양할 수가 있다.
(c) 배양하고자 하는 세포 또는 조직을 배양 미디어 중에 부유 또는 비부유의 상태로 유지하여, 극히 안정한 상태에서 효율적인 배양을 할 수가 있다.
(d) 세포 또는 조직을 배양 미디어 중에서 부유상태로 하이드로젤 또는 토대에 의해 유지하기 때문에 세포 또는 조직의 배양을 촉진할 수가 있다.
(e) 배양 미디어를 배양하고자 하는 세포 또는 조직에 따른, 예컨대 각종 아미노산, 당류, 염류 또는 단백질 중의 한가지 또는 이들로부터 선택된 2 이상의 물질 또는 모두를 함유하여 구성한 것을 사용하기 때문에, 효율적인 배양 및 품질이 좋은 세포 또는 조직을 배양할 수가 있다.
(f) 배양환경을 생체의 부위의 생리적 조건, 또는 이들 생리적 조건 외에 연령, 신장, 체중, 성별, 기타의 생체마다의 고유정보에 따라 설정하기 때문에 체내조직과 융합하기 쉬운 세포 또는 조직을 배양할 수가 있다.
(g) 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스의 공급 및 제어, 온도 또는 습도의 설정 및 제어에 의해 생체환경을 설정하기 때문에 생체에 가까운 환경제어를 실현할 수 있고 체내조직에 가까운, 더욱이 체내조직과 융합하기 쉬운 세포 또는 조직의 배양에 기여할 수가 있다.
(h) 수복하고자 하는 생체의 부위에 대응하여 압력을 가함으로써 이상적이고도 실용적인 세포 또는 조직을 형성할 수가 있다.
(i) 압력의 패턴을 연속, 간헐 또는 주기적으로 변화하는 형태로 하고, 그것을 선택하거나 조합함으로써 이상적인 물리적 자극(刺激)을 실현할 수가 있고, 세포의 대사기능 및 분열 사이클, 생물 자극의 농도 기울기 및 분산에 영향을 주어 배양의 촉진을 도모할 수가 있다.
(j) 배양 유닛은, 배양하고자 하는 세포 또는 조직을 배양 체임버에 수용하여 외기와 차단된 세포 또는 조직에 필요한 배양 미디어를 공급하기 때문에 외기와 차단된 세포 또는 조직은 균체 등의 오염으로부터 방호(防護)되고, 그 결과, 품질이 좋은 조직을 배양할 수가 있다. 그리고 세포 또는 조직은, 배양 미디어에 의한 정수압(靜水壓)과 흐름에 의한 물리적 자극 외에 가압수단에 의해 소망의 압력이 부여되기 때문에 세포의 대사기능 및 분열 사이클, 생물 자극의 농도 기울기 및 분산에 영향을 받아 세포 또는 조직의 배양을 촉진할 수가 있다. 그리고 세포 또는 조직에 대한 배양 미디어의 공급형태는 배양 미디어 공급수단에 의하여 임의로 설정되고, 간헐적 또는 연속적으로 공급할 수가 있기 때문에 변화가 있는 물리적 자극에 의해 배양의 촉진을 도모할 수가 있다.
(k) 가압수단 또는 배양 미디어 공급수단은 임의로 제어할 수가 있고, 컴퓨터 등의 제어수단을 사용하여 피이드 백 제어 및 피이드 포워드 제어 등의 각종 프로그램 제어를 함으로써 생체환경을 모방함과 아울러 소망의 환경을 설정할 수 있어 효율이 좋은 배양을 할 수가 있다.
(l) 압력을 가하는 방식, 즉 압력 패턴은 배양하고자 하는 세포 또는 조직에대응하여 설정함으로써 보다 효율적인 배양을 할 수가 있다.
(m) 압력 패턴은 모든 형태로 설정할 수가 있어, 그 선택 및 조합에 의해 효율적으로 세포 또는 조직의 배양을 할 수가 있다.
(n) 배양한 세포 또는 조직을 수용하는 배양 체임버를 구비하는 배양 유닛은, 배양장치 본체와 독립하여 분리, 착탈가능하기 때문에 외기와 분리된 배양 유닛과 함께 세포 또는 조직을 이동시킬 수가 있고, 이동 중에 균체 등에 의한 오염으로부터 세포 또는 조직을 방호(防護)할 수가 있어 생체의 수복 등의 신뢰성을 높일 수가 있다.
(o) 배양공간인 밀폐공간이 외기와 차단됨으로써 소망의 가스의 공급에 의한 배양환경의 설정이 가능해짐과 아울러 외기에 의한 오염으로부터 세포 또는 조직을 방호할 수가 있다.
(p) 밀폐공간에 수용되는 배양 유닛에 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 공급함과 아울러, 배양 유닛에 기체흡수 수단을 구비함으로써 가스를 세포 또는 조직에 부여할 수가 있어 가스의 공급 및 제어에 의해 생체환경을 모방할 수가 있다.
(q) 밀폐공간에 의해 형성되는 배양공간에 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 충전시킴으로써 생체환경을 모방하여 소망의 배양공간을 형성할 수가 있다.
(r) 배양 유닛에 필요한 배양 미디어를 공급 또는 순환시키기 위한 배양 미디어 조(槽)를 구비하고, 더욱이 외기와 차단된 밀폐공간 내에 배양 미디어 조를설치하기 때문에 배양 미디어의 오염방지를 도모할 수가 있다.
(s) 수압막의 설치에 의해 배양 체임버에 수용되어 있는 세포 또는 조직에 대해 외기와 차단된 상태에서 가압 자극을 줄 수 있음과 아울러 생체환경을 모방한 자극 등, 소망의 가압 자극을 실현할 수가 있다.
(t) 배양 유닛의 일부를 가압했을 경우, 그 압력조정을 압력완충 수단으로써 하면, 생체환경에 가까운 물리적 자극을 실현할 수가 있고, 세포 또는 조직의 배양의 촉진을 도모할 수가 있다.
(u) 압력의 형성수단으로서 수압, 유압 또는 공기압 등의 어느 것을 사용하더라도 소망의 가압 자극을 실현할 수가 있고, 생체환경을 정밀도가 양호하게 모방할 수가 있다.
(v) 배양 미디어 공급수단을, 송액 체임버에 수용한 배양 미디어를 가압하여 송출하는 송액장치로 구성하면, 배양 유닛에 양호한 효율로 배양 미디어를 공급 또는 순환시킬 수가 있고, 이 가압량을 제어함으로써 소망의 송액량을 설정할 수 있다.
(w) 배양 미디어에 가해지는 압력을 완충하기 때문에 이상적인 가압 자격을 세포 또는 조직에 부여할 수가 있고, 예컨대 압력배출 밸브를 사용하여 배양 미디어의 압력을 압력배출 밸브의 제어에 의해 압력배출 밸브를 열어 배양 미디어의 압력을 강하시키면, 배양 미디어를 오염시킴이 없이 이상적인 압력상태로 제어할 수가 있다.
(x) 배양 유닛이 수용되는 밀폐공간의 온도 및 습도를 제어하여 생체환경에합치하는 배양공간을 형성할 수가 있다.
(y) 생체는 외계로부터의 음향적 자극을 받고 있고, 음파발생 장치를 병용함으로써 생체환경을 음향적으로 모방할 수가 있고, 더욱이 배양 체임버에 배양하고자 하는 세포 또는 조직을 주입할 때에 초음파를 병용하여 효율적이고도 신뢰성이 높은 주입을 할 수가 있다.
(z) 밀폐공간에 공급되는 가스농도를 제어수단에 의해 제어함으로써 생체환경을 모방할 수가 있어 세포 또는 조직의 배양촉진에 기여할 수가 있다.
그리고 본 발명의 실시형태로서의 구성, 작용 및 효과에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시형태 및 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적, 실시의 형태에 의해 추측되는 각종의 구성, 변형예 등, 당업자가 예측 내지 추측할 수가 있는 모든 구성을 포함하는 것이다.
이상과 같이 본 발명의 세포 또는 조직의 배양방법 및 그 장치는 세포조직 공학 및 유전자 치료 등의 응용인 티슈 엔지니어링에 사용되는 세포ㆍ조직 배양기술로서 유용하고, 특히 세포 및 조직의 체외배양에 사용하기에 적합함과 아울러 배양된 세포 또는 조직은 인체의 결손조직의 수복 등에 사용하기에 적합하다.

Claims (26)

  1. 생체의 세포 또는 조직을 특정의 배양위치에서 유지하고, 생체를 모방한 환경하로 상기 세포 또는 상기 조직을 설정함과 아울러 상기 세포 또는 상기 조직에 배양 미디어를 공급하여 상기 배양위치에서 상기 세포 또는 상기 조직을 배양하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  2. 생체의 세포 또는 조직을 특정의 배양위치에서 유지하고, 생체를 모방한 환경하로 상기 세포 또는 상기 조직을 설정함과 아울러 상기 세포 또는 상기 조직에 배양회로를 통해 배양 미디어를 연속적 또는 단속적으로 공급함과 아울러 상기 세포 또는 상기 조직에 연속, 간헐 또는 주기적으로 변화하는 압력을 가하여, 상기 배양위치에서 상기 세포 또는 상기 조직을 배양하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배양위치에서 배양하고자 하는 상기 세포 또는 상기 조직을 상기 배양 미디어 중에서 부유상태 또는 비부유 상태로 유지시키는 유지수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유지수단에 상기 세포 또는 상기 조직을 상기 배양 미디어 중에서 부유상태로 유지시키는 하이드로젤, 또는 상기 세포 또는상기 조직을 유지함과 아울러 그 성장에 의하여 상기 세포 또는 상기 조직에 흡수되는 토대를 사용한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배양 미디어는 각종 아미노산, 당류, 염류 또는 단백질 중의 1 또는 2 이상을 함유해서 구성한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세포 또는 상기 조직을 배양하는 상기 환경은, 상기 생체의 부위의 생리적 조건, 또는 이 생리적 조건 외에 연령, 신장, 체중, 성별, 기타의 상기 생체마다의 고유정보에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 환경은 상기 배양 미디어를 통하여 공급되는 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스, 온도 또는 습도에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 세포 또는 상기 조직에 가하는 상기 압력은, 상기 세포 또는 상기 조직의 상기 부위에 따라 임의로 설정하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 세포 또는 상기 조직에 가하는 상기 압력은, 연속, 간헐 또는 주기적으로 변화하는 압력 또는 이들의 조합으로 된 압력인 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양방법.
  10. 세포 또는 조직을 수용하는 배양 체임버를 구비하여 배양 미디어를 공급하는 배양 유닛과, 상기 배양 체임버 내의 상기 세포 또는 상기 조직에 압력을 부여하는 가압수단과, 상기 배양 유닛에 상기 배양 미디어를 간헐적 또는 연속적으로 공급시키는 배양 미디어 공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가압수단 또는 상기 배양 미디어 공급수단을 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 가압수단으로부터 상기 세포 또는 상기 조직에 가해지는 상기 압력은, 상기 세포 또는 상기 조직에 따라 임의로 설정하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 가압수단으로부터 상기 세포 또는 상기 조직에 가해지는 상기 압력은, 단속 상태, 일정 시간마다의 연속한 반복, 일정 시간마다 증감시키는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 배양 유닛을 배양장치 본체로부터 독립하여 분리가능한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  15. 제10항에 있어서, 외기와 차단된 밀폐공간에 상기 배양 유닛을 수용해서 된 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  16. 제10항에 있어서, 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 흡수 가능한 기체흡수 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  17. 제10항에 있어서, 상기 밀폐공간에 질소, 산소 또는 이산화 탄소 등의 가스를 충전시켜 되는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  18. 제10항에 있어서, 상기 배양 유닛에 공급하고자 하는 상기 배양 미디어를 모으는 배양 미디어 조(槽)를 구비하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  19. 제10항에 있어서, 상기 배양 체임버에 외부로부터 압력을 받는 수압막을 구비한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  20. 제10항에 있어서, 상기 배양 유닛에 압력완충 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  21. 제10항에 있어서, 상기 배양 체임버에 상기 수압막을 통해 압력 체임버를 설치하고, 이 압력 체임버에 수압, 유압 또는 공기압을 작용시켜 상기 배양 체임버 내의 상기 세포 또는 상기 조직에 압력을 가하도록 한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  22. 제10항에 있어서, 상기 배양 미디어 공급수단은, 상기 배양 유닛에 송액 체임버를 설치하고, 이 송액 체임버에 수용된 상기 배양 미디어를 가압하여 송출하는 송액장치로써 구성한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  23. 제10항에 있어서, 상기 배양 유닛에 압력배출 밸브를 설치하고, 상기 배양 미디어의 압력이 상기 압력배출 밸브에 임의로 설정되는 일정 압력을 초과할 때, 상기 압력배출 밸브를 열어 상기 배양 미디어의 압력을 강하시키는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  24. 제10항에 있어서, 상기 밀폐공간은, 가열수단 또는 가습수단이 설치되어 소망의 온도 또는 습도로 유지, 제어되는 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  25. 제10항에 있어서, 상기 배양 유닛의 상기 배양 체임버에 초음파 등의 음파를 부여하는 음파발생 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
  26. 제10항에 있어서, 상기 밀폐공간에 공급되는 가스농도를 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 세포 또는 조직의 배양장치.
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