KR20060127144A - 생물학적 샘플의 자기 조작 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 소자(20)를 포함하고, 생물학적 세포를 수용하는 세포 캐리어(10)에 관한 것으로, 적어도 한 방향에서 고체 베이스 표면 위에서 치환될 수 있는 안정한 지지체(31)를 형성하는 바닥 소자를 포함한다. 또한 생물학적 샘플을 위한 조작기구 및 생물학적 샘플을 조작하는 방법에 관한 것이다.

생물학적 세포, 세포 캐리어, 배양 캐리어, 자기 소자, 수용 소자, 바닥소자, 조작 기구.

Description

생물학적 샘플의 자기 조작{Magnetic manipulation of biological samples}

본 발명은 청구항 1의 전문의 특징을 가지는 세포 캐리어(cell carrier), 복수의 상기 세포 캐리어를 포함하는 배양 캐리어(culture carrier), 생물학적 샘플들을 조작하기 위해 상기 세포 캐리어를 사용하는 조작 기구(manipulation devices), 및 생물학적 샘플들, 예를 들면 세포 및/또는 세포 구성성분들을 조작하는 방법에 관한 것이다.

생명공학과 의학에서 중요한 목적은, 가능한 한 자동화된 방법으로 세포 그룹과 개별적인 생물학적 세포들을 포함하는 세포 집합체를 생산하고 가공하는 데 있다. 예를 들면, 원하는 특성을 가진 세포들은 함께 그룹화되고, 처리되고, 조작되거나 일반적으로 공간적 및/또는 시간적 조작에 종속되어야 한다. 세포 배양을 위한 한 가지 필수 조건은 고체 표면(부착성 세포, adherent cells)을 가지는 생물학적 세포와의 접촉이다. 세포 치료나 생명 공학(예를 들면, 섬유아세포(fibroblast), 대식세포(macrophages), 림프구(lympocytes), 줄기세포)과 관련되는 많은 세포 형태들은 이러한 접촉이 없으면 생존하거나 또는 적어도 분할할 수 없다. 따라서 분자성의 마스크화 또는 미세구조화 및 나노 구조화된 표면들이 점차 중요해지고 있다.

실제로, 소위 “bio-labs on a chip" 형태의 소형화 시스템은, 특히 바람직한 무균성과 낮은 비용 때문에 유리하다는 것이 증명되었다. 이들은 예를 들면 생물학적 세포들을 분리하고, 처리하고, 그룹화하고, 특정화하기 위한 광학적 또는 전기적 작용의 구성 성분들을 가지는 유체 마이크로채널 시스템으로 종종 생산된다. 그러나 종래 마이크로채널 시스템의 한 가지 단점은 이들에 있어서, 세포들이 고체 표면, 예를 들면, 비활성 흐름, 전기장(전기침투(elctroosmosis), 유전영동(dielectrophoresis), 전기영동), 또는 광학적 힘(optical force)에 의해서 고체 표면에 고정되지 않는 현탁 상태에서만 이동할 수 있다는 점이다. 따라서 상기한 고체 표면과의 접촉은 배제되어 있다. 그러나 세포들이 표면에 부착된다면, 대개 분리는 어려워지고, 생화학적 경로(트립신처리(trypsinization))에 의해서만 또는 높은 수준의 기계적 압력과 세포 손실을 가지고서만 가능하다.

그러므로 표면을 가지는 세포처리, 세포 접촉 또는 세포 배양은 종래 마이크로채널 시스템을 사용하는 제한된 범위에서만 수행될 수 있다. 최근에는 부착성 세포를 조작하기 위한 실질적인 보조기구가 없다. 부착성 세포(adherent cells)는 채널 시스템에 관련해서나 서로와 관련해서도 개별적으로 움직일 수 없다. 그러나 세포의 부착이 가장 중요하므로, 여기에서 연구 실험실, 산업 특히 의학적 세포치료를 수행할 때 사용될 수 있는 기술이 크게 필요하다.

외부 자기장을 이용하여 세포 이동을 수행하기 위해 자기(magnetic) 입자들(소위 나노비즈 또는 마이크로비즈)의 현탁액에서 생물학적 세포가 결합하는 것으로 알려져 있다. 구면 형상을 가지는 자기 비즈의 이용은 세포그룹의 비특정 조작(예를 들면 현탁된 세포를 모을 때)이 현재 제한되어 있다. 개별적으로 또는 한정된 위치에서 비즈-결합된 세포의 조작을 하는 것은 현재 가능하지 않다. 비즈/세포 복합체는 강한 상호작용을 나타내는데, 바람직하지 않은 집합(자기장 또는 표면에 따른 입자/입자 상호작용)이 빠르게 발생할 수 있다. 더욱이, 비즈/세포 복합체를 현탁액으로부터 개별적으로 제거하는 문제는 현재 해결되지 않고 있다.

본 발명의 목적은 종래 유체 마이크로시스템(fluidic microsystem)의 불리한 점 및 한계를 극복함으로, 예를 들면, 세포, 세포 그룹, 세포 구성성분, 또는 생물학적 활성 물질과 같은 생물학적 세포들을 조작하는 개선된 기술을 제공하는 것이다. 특히, 생물학적 샘플을 고체 상(soild phase)에 결합된 부착 상태에 개별적으로 또는 그룹으로 움직이거나 위치하게 하고 및/또는 한정된 방식으로 그들을 서로 접촉하는 것을 제공할 수 있고, 예를 들면 생화학, 유전 공학, 의학, 또는 생물학 공정 기술에서의 사용가능성에 의해 고도로 가능한 유연성이 얻어진다. 본 발명으로, 또한 부착성 세포를 개별적으로 그리고 무균 상태(sterile conditions)에서 신뢰할 만하게 조작하는 것을 제공하는 것이 가능하다.

이러한 목적은 청구항 1의 특징을 가지는 세포 캐리어, 청구항 30의 특징을 가지고, 다수의 상기 세포 캐리어들로 이루어진 배양 캐리어, 청구항 36의 특징을 가지는 생물학적 샘플을 위한 조작 기구, 그리고 청구항 46의 특징을 가지는 생물학적 샘플을 조작하는 방법에 의해 해결된다. 본 발명의 유리한 실시예와 응용은 청구항에서 나타난다.

장치에 있어서, 우선 본 발명은 생물학적 샘플을 수용하기 위한 세포 캐리어를 제공하는 일반적인 기술적 가르침에 근거를 두고 있으며, 적어도 하나의 자기 소자 즉 자기력에 의해 세포 캐리어를 이동하거나 위치하는 것을 가능하게 하는 자기 소자를 포함하고, 상기 바닥 소자(bottom element)는 세포 캐리어를 기계적으로 안정적 방식으로 고체 표면 위에 놓거나 치환할 수 있도록 하기 위해 제공된다. 세포 캐리어의 아랫면에 지지체를 형성하는 바닥 소자를 제공함으로, 세포 캐리어의 위치 안정성이 휴지 상태와 특히 자기력에 의해 움직이는 상태 모두에서 유리하게 얻어진다. 세포 캐리어의 안정성은 이하에서 베이스 표면 또는 플로어 표면으로 언급되는 고체 표면 위에서 경사(tilting) 없이 배열될 수 있음을 의미한다. 베이스 표면과 관련하여 세포 캐리어의 방향에서 어떠한 변화도 가능하지 않는데, 예를 들면, 경사 이동, 낙하 또는 180°의 완전한 회전과 같은 것이 가능하지 않다. 유리하게도, 본 발명에 따른 세포 캐리어는 단지 자기력의 힘에 의해 방향이 미리 결정된 방식으로 베이스 표면 위에서 치환될 수 있다. 자기력은 자기 소자의 자기적 상호 작용에 의해 발생하며, 외부 자기장 또는 외부 자기화 물질을 가지는 자석 및/또는 자기화 물질을 포함한다.

유리하게도, 종래 자기 마이크로비즈의 불리한 점은 고체 표면 위에서 휴지하거나 안정적으로 움직일 수 있는 세포 캐리어의 능력에 의해 극복된다. 특히, 마이크로 비즈의 비재현성의 집합을 배재할 수 있다. 더욱이 종래 비즈에 근거한 세포의 조작은 예정된 크기와 예정된 성질에서의 세포 성장을 위한 평면 그리고 복합 구조의 표면을 제공할 가능성을 제시하지 않는다.

바람직하게도, 자기 소자를 가진 세포 캐리어는 아랫면에 바닥 소자를 포함하고, 상기 바닥 소자는 적어도 한 방향에서 고체 베이스 표면 위에 치환될 수 있는 안정한 지지체를 형성하고, 그리고 윗면에 생물학적 샘플을 수용하기 위한 표면을 가지는 수용 소자를 포함한다. 한 가지 특징에 따르면, 유리한 점 때문에 바람직하지만 반드시 필요한 것은 아니며, 최소한 수용 소자는 표면에 미리 예정된 일부 부분에서 부착을 촉진하기 위해 변경되며, 그것은 생물학적 샘플을 더 바람직하게 부착하게 하는 코팅 및/또는 구조화를 가지는 것으로 말할 수 있다. 실제 사용을 위해, 부착-촉진 코팅 및/또는 구조화가 표면의 한 부분에 제공되고, 부착-감소 코팅은 표면의 다른 부분에 제공되며, 상기 부분들은 서로 인접하거나 서로 분리된다면 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 세포 캐리어는 바람직하게는 자기 물질 또는 자기화 부분을 포함하거나 수송하는 판(plates)이며, 상기에서 세포 캐리어는 힘을 수용하도록 설계되고, 배양 플랫폼과 세포를 위한 표면을 형성한다. 세포 캐리어는 배양기 또는 마이크로시스템 외부를 따라 축소된 x,y,z 조작기에 의해 소형화됨으로 움직일 수 있다. 세포의 크기에 따라, 이 시스템들은 마이크로미터 범위로 축소될 수 있고, 어떤 경우에는 배양기 벽면의 전형적인 면적보다 더 작게도 가능하다. 세포 캐리어는 벽면위에서 미끄러지는 능력 및 세포와 생체 적합성(biocompatibility)을 가질 수 있는 물질로 코팅할 수 있다. 넓은 범위의 물질 조합, 물질 이방성(anisotropy), 물질 증감이 가능하다.

본 발명에 따른 세포 캐리어의 바닥 소자는 특정하게 응용된 방식으로 형성될 수 있고, 특히 세포 캐리어가 사용되는 베이스 표면의 배열에 따른 방식으로 형성될 수 있다. 일반적으로 바닥 소자의 표면 형상은 베이스 표면과 상보적인 어떠한 형상도 가질 수 있고, 상기에서 바닥 소자는 바람직한 위치 변경 능력(shiftability) 때문에 적어도 한 방향에서 어떠한 뒤틀림(curvature)에서도 자유로운 직선 모양을 가진다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 바닥 소자는 평평하고 구조화되지 않은 표면 구조를 가진다. 유리하게도, 평평하고, 부드러운 지지체가 형성되며, 모든 방향에서, 특히 평평한 베이스 표면에서, 베이스 표면과 평행하게 자유로이 치환될 수 있다. 또는, 바닥 소자는 평평한 형상을 가지고 구조화된 지지체를 형성하는 표면 형상을 가질 수 있다. 예의 방식에 의해, 적어도 3개 이상의 지지점이 통상적인 평면에 제공될 수 있고, 상응하는 방식으로 본 발명에 따른 세포 캐리어의 평평한 지지체를 형성할 수도 있다. 이러한 경우에, 베이스 표면과 관련하여, 세포 캐리어의 마찰을 감소시킨다는 이점을 얻을 수 있다. 또 다른 형태에 따르면, 바닥 소자는 세포 캐리어가 사용되는 베이스 표면과 상보적인 특정 지지체 윤곽을 가질 수 있다. 유리하게도, 지지체 윤곽을 한정함으로, 베이스 표면 위에서의 세포 캐리어의 이동 방향이 레일 위에서의 이동과 같은 방식으로 안정적으로 미리 정해질 수 있다. 일반적으로 바닥 소자의 표면 형상의 지지체 윤곽은 완전히 오목하거나(concave) 볼록할(convex) 수 있고, 또는 부분적으로 오목하거나 볼록할 수 있다. 지지체 윤곽이 환형의 횡단 구획을 가진다면, 바닥 소자가 일직선 환형 실린더의 구획을 형성하기 위해, 원통 방식으로 구부러진 베이스 표면 위에서 세포 캐리어를 사용하는 것과 관련하여 이점이 얻어질 수 있다.

본 발명에 따른 세포 캐리어의 바닥 소자가 주로 기계적으로 안정화된 작용을 가지기 때문에, 바닥 소자의 물질에 있어서 제한이 없다. 그러나 최소한의 자기력에 의해 세포 캐리어의 붕괴되지 않는 이동을 위한 이점이, 바닥 소자가 다른 고체 물질과의 관계에서 감소된 부착성을 가지는 물질로 이루어거나, 또는 적어도 그러한 물질로 코팅이 된다면 얻어질 수 있다. 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, 이하 “PTFE”라 함) 또는 동등한 낮은 부착성을 가지는 다른 플라스틱 물질을 사용한다. PTFE은 생물학적 세포 또는 세포 배양을 조작할 때 실제로 중요하게 사용하기 위해 불활성이기 때문에 부가적인 이점들을 가진다.

본 발명에 따른 세포 캐리어의 한 가지 바람직한 실시예에 따르면, 세포 캐리어는 생물학 샘플을 수용하기 위한 표면을 가진 상기 수용소자(receiving element)를 가지고 있으며, 상기 표면은 바닥 소자에 대해서 다른 방향을 가리키고 있다. 대개 수용 소자는 반대편에 바닥 소자가 위치한 세포 캐리어의 한 면 위에 형성된다. 수용 소자를 제공하는 것은 생물학적 샘플을 위해 제한되고 한정된 기하학적 범위를 창설하고, 그 범위는 샘플의 성질 및 세포 캐리어의 특정 용도에 따라 특정 방식으로 배열될 수 있다는 이점을 가진다. 세포 캐리어는 샘플을 가지고 이동할 수 있는 반면에, 샘플은 세포 캐리어와 관련하여(예를 들면 생물학적 세포의 자연적 방향 이동으로부터 분리되어) 반드시 이동할 수 없다. 수용 소자의 다른 이점은 외부 영향으로부터 자기 소자를 보호한다는 것이다. 수용소자는 주위의 유체나 세포 캐리어 위에 배열될 샘플로부터 자기 소자를 분리하는 커버를 형성한다.

세포 캐리어의 윗면에 제공되는 수용 소자는 세포 캐리어의 기능성을 확장하거나 특정 샘플을 위한 수용 소자 표면을 적응시키기 위해 유리하게 미리 예정된 표면 형상을 형성하도록 할 수 있다. 평면이라면 비구조화된 수용 소자가 제공되어, 보편적으로 사용될 수 있는 세포 캐리어의 능력을 가지도록 하는 이점이 얻어질 수 있다. 더욱이, 세포 캐리어 위에서 샘플의 광학 측정을 위해 유리할 수 있는 한정된 관련 표면이 만들어진다. 수용 소자가 평면이고, 구조화된 모양을 가진다면, 생물학적 샘플, 특히 생물학적 세포의 부착과 일시적인 고정에 의해 유리한 점이 얻어질 수 있다. 특히 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 범위에서 전형적인 구조적 크기를 가지는 나노구조 또는 마이크로구조가 형성될 수 있고, 이는 세포와 수용 소자와의 결합에 영향을 미친다. 수용 소자가 평면이 아니고, 계단 모양이라면 침하가 유리하게 형성될 수 있다. 침하는 샘플의 위치를 결정하게 도와주고 나중에 그것을 보호하게 도와준다. 세포 캐리어 위의 샘플 보호는 수용 소자가 샘플을 수용할 수 있는 공동(cavity)을 가지면 더 개선될 수 있다.

본 발명의 다른 변형에 따르면, 본 발명에 따른 세포 캐리어의 수용 소자는 특정 물질의 선택이나 코팅의 응용에 의하여 변경될 수 있다. 예를 들면, 수용 소자의 표면은 생물학적 샘플, 특히 세포나 세포 구성성분의 부착이 촉진되거나 감소되는 것과 같이 적어도 한 부분에서 화학적으로 변경될 수 있다. 부착을 촉진하기 위해, 예를 들면 파이브로넥틴(fibronectin) 코팅이나 리셉터(receptor)/리간드 조합을 형성하는 코팅이 제공될 수 있다. 수용 소자의 표면에, 특정 항체가 어떤 세포를 특이하게 부착하고 다른 세포들은 부착하지 않도록 제공된다면, 수용 소자의 세포 특이적 결합 능력과 관련하여 이점이 얻어질 수 있다.

본 발명에 따른 세포 캐리어의 수용 소자가 주변 말단(peripheral edges)을 가진다면, 수용 소자의 중심에서 샘플의 범위가 유리하게 얻어질 수 있다. 예를 들어 말단이 부착-감소 코팅을 가지면, 세포부착이 감소되거나 방해받는다. 예로서, PTFE 또는 poly-HEMA로 코팅된 말단이 제공될 수 있다. 실제 사용을 위해, 코팅된 말단이 20μm의 최소 직경을 가지는 것이 유리하다.

또는, 말단의 부착-감소 코팅은 생략할 수 있으며, 이는 세포 캐리어 위의 세포가 집합을 형성하도록 그룹화되고, 이 말단에서 세포 캐리어 표면을 넘어서 성장하거나 이동하게 하는 응용 시 특히 유리하다. 이러한 경우에 말단의 최소 직경은, 부착성 접촉의 자연 재배열이 세포 캐리어에서부터 베이스 표면으로 이동하지 않는 것에 의한 고유 세포 이동의 결과로서 세포가 이동하기 위해, 바람직한 공정 시간(예를 들면 0.5에서 2시간)내에서 바람직하게 선택될 수 있다. 약 100μm/h의 세포의 전형적인 고유 속도를 가지고, 적어도 200μm의 표면 측면 치수가 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 만일 바닥 소자와 수용 소자가 하나 위에 다른 하나가 배열되고, 세포 캐리어가 층상 구조(layered structure)를 형성한다면, 세포 캐리어의 위치 안정성과 관련하여 이점이 얻어진다. 층상 구조는 두께가 200μm보다 작고 횡단면 표면이 2mm 이하의 측면 두께, 특히 바람직하게는 1mm 이하의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 변형에 따르면, 세포 캐리어가 투명한 부분(transparent partial region)을 가지고 거기에 세포 캐리어가 반짝이면, 세포 캐리어아 관찰과 관련하여, 예를 들면 샘플이 세포 캐리어 위에 위치하고 있는지 아닌지를 확인하는 것과 관련하여 이점을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 세포 캐리어의 다른 이점은 수용 소자, 자기 소자 및 바닥 소자가 각각의 응용에 큰 유연성을 가지고 적응하는 방식으로 형성될 수 있다는 것이다. 자기 소자와 바닥 소자가 통상의 구성 성분을 형성하는 것을 특히 제공할 수 있다. 이러한 경우에 세포 캐리어의 안정한 지지체는 자기 소자의 아랫면에 의해 제공된다. 따라서 자기소자는 수용 소자의 기능을 수행할 수 있다. 일반적으로 본 발명에 따른 세포 캐리어는 오직 자기 소자만으로 이루어질 수 있고, 상기 자기 소자의 하부 표면은 베이스 표면 위에서 지지체를 형성하고, 상부 표면은 샘플을 위한 수용 소자를 형성하며, 이 경우에 세포 캐리어의 특히 단순한 구조가 얻어진다.

또는, 한쪽에는 자기 소자 및 다른 쪽에는 수용 소자 및/또는 바닥 소자가 별개의 구성성분을 형성할 수 있다. 예로서, 자기 소자는 종래의 자기 비즈 방식으로 샘플에 결합될 수 있고, 샘플은 수용 소자 위에 배열된다.

본 발명에 따른 세포 캐리어의 적어도 하나의 자기 소자는 자기장을 발생시키도록 또는 외부에 발생된 자기장과 상호 작용을 하도록 설계되고, 그 결과 일반적으로 자기 또는 자기화 물질을 포함한다. 본 발명에 따르면, 자기 소자는 상자성, 강자성 및/또는 반자성 물질을 포함할 수 있다. 외부 자기장 작동기에 의해 세포 캐리어를 효과적으로 조작하는 것과 관련된 특별한 이점이 높은 내부 자화 또는 자기화도(magnetizability)의 경우에 얻어지므로, 자기 소자는 바람직하게는 금속, 예를 들면 철(Fe) 또는 니켈(Ni), 또는 규소철(FeSi, 96% 철, 4% 규소), 퍼멀로이(permalloy) 또는 뮤 메탈(mu-metal, Ni/Fe/Cu/Cr)과 같은 합금을 포함한다. 더욱이, 예를 들면 백금(Pt)과 같은 상자성 물질, 또는 비스무트(Bi)와 같은 반자성 물질들의 이용이 제공될 수 있다.

강한 자기 상호작용과 자기 소자를 위한 물질의 선택에 있어서의 유연성과 관련된 이점은 유도 장치가 자기 소자로서 제공된다면 얻어질 수 있다. 유리하게도, 마이크로구조화 기술을 사용하므로, 인덕턴스(inductance)가 높은 자기 상호작용에도 불구하고 낮은 높이를 나타내는 수용 소자의 아랫면과 같은 고체 표면 위에 예를 들면 층상 형상으로 형성될 수 있다. 자기 소자로서, 적어도 한번 감고 가능하다면 예를 들면 철(Fe)로 구성된 코일 코어를 가진 코일이 예로서 제공될 수 있다. 유리하게도, 코일의 모양과 관련해서는 제한이 없다. 코일이 실린더 코일로서 고리 모양 방식으로 형성된다면, 강한 자기장 힘과 관련하여 이점이 얻어질 수 있다. 기준면이 수용 소자 및 바닥 소자와 평형하게 감긴 코일은 세포 캐리어의 높이를 작게 유지할 수 있다는 이점을 가진다.

본 발명의 다른 이점은 자기 소자의 모양 및 세포 캐리어에서의 그 배열과 관련하여 제한이 없다는 것을 포함한다. 오히려 자기 소자의 구성이 세포 캐리어의 특정 용도의 작용으로서 선택될 수 있다. 자기 소자가 예를 들어 바닥 소자와 평형하게 작동하는 자기화 또는 자기 물질의 연속적인 층이라면, 높은 자기력이 유리하게 얻을 수 있다.

또는, 자기 소자는 세포 캐리어의 본체에 분포되어 자기 소자의 부가적인 기능을 얻을 수 있는 다수의 부분 소자를 포함할 수 있다. 부분 소자(또는 개별 자기 소자)가 세포 캐리어의 적어도 한쪽 측면 말단으로부터 일정 거리에 배열된다면, 이웃하는 세포 캐리어 사이에서 서로의 상호작용이 감소될 수 있다. 결국, 자기 소자는 바람직하게는 세포 캐리어의 중심에 위치한다. 또는, 자기 소자 또는 다수의 부분 소자들은 외부의 자기적 작동기뿐만 아니라 이웃하는 세포 캐리어와의 상호 작용을 얻기 위해, 세포 캐리어의 말단에 배열될 수 있다. 예로서, 세포 캐리어는 하나의 특정 방향으로의 이동을 위해 설계될 수 있다. 자기 소자의 부분 소자들이 이동 방향과 관련하여 전방 및/또는 후방 말단에 배열된다면, 자극의 방향에 의존하여 이웃하는 세포 캐리어들 사이에서의 쇄 모양 결합 또는 이웃하는 세포 캐리어들 사이에서의 안전 한계(safety margin)의 창설이 얻어질 수 있다. 세포 캐리어의 자기 방향은 부분 소자들에 의해 한정될 수 있다. 자기 방향이 기학적으로 바람직한 세포 캐리어의 방향과 일치한다면, 광학 조절 하에서의 세포 캐리어의 조작은 쉬워질 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 자기 소자나 자기 소자의 부분 소자들은 적어도 하나의 데이터 메모리 세포를 형성할 수 있다. 유리하게도, 이것은 세포 캐리어나 그 위에 위치한 샘플을 특징짓는 증명 정보나 다른 데이터를 세포 캐리어에 기록하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 또 다른 중요한 이점은 세포 캐리어의 측면 외형과 관련하여 또한 제한이 없다는 사실이다. 예를 들면, 외형이 다른 방향에서 서로 상보적으로 되도록 형성된 구획(section)을 가지고 형성될 수 있다. 유리하게도, 결과적으로, 다수의 세포 캐리어가 본 발명에 따른 배양 캐리어를 형성하게 위하여 및/또는 샘플들 사이의 어떤 작용을 성취하기 위하여 서로의 옆에 가까이 위치할 수 있다. 세포 캐리어의 외형은 일반적으로 세포 캐리어가 최대 치수를 가지는 높이에서 세포 캐리어의 측면 말단의 모양이다. 콘 모양 또는 피라미드 모양의 세포 캐리어의 경우에 있어서, 외형은 예를 들어 바닥 소자의 윤곽에 의해 형성될 수 있다. 또는, 수용 소자 및/또는 자기 소자가 바닥 소자 위에 돌출부를 형성하면, 외형은 수용 소자 및/또는 자기 소자의 외곽에 의해 형성된다.

외형이 다각형으로 나타날 수 있고, 따라서 적어도 세 개의 일직선 부분으로 제한된다면, 배양 캐리어를 형성하기 위하여 어떠한 간격도 없이 서로 인접하여 배치되는 세포 캐리어와 관련하여 이점이 얻어질 수 있다. 바람직하게는, 외형이 동일한 모양의 세포 캐리어들이 간격 없는 평면 패키지(gap-free flat package)로 허용하고, 예를 들면, 정육각형 또는 정삼각형의 외형을 가는 경우로 선택된다. 다수의 세포 캐리어의 간격 없는 배열은 바람직하게도 세포 배양을 위한 밀페된 기질 표면의 창설을 허용한다.

또는, 어떤 응용에서는, 세포 캐리어가 어떠한 간격도 없이 서로 인접하여 위치할 수 없거나, 수용 소자의 특히 커다란 표면 지역이 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에는, 세포 캐리어의 둥근 외형이 생산되다. 예로서 환형 또는 타원형의 외형이 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 변형에 따르면, 세포 캐리어는 세포 캐리어의 바람직하기 않은 경사에 대한 보호를 제공하는 적어도 하나의 측면 지지 소자를 구비할 수 있다. 상기 보호는 예를 들면 외부 자기력이 발생한다면, 배양 배지에서의 유동력(flow forces) 또는 자기 간섭력과 같은 외부 자기력이 발생한다면, 유리할 수 있다. 지지 소자(supporting element)는 바람직하게는 세포 캐리어 본체의 한 면으로부터 튀어나온 막대 또는 조각이며, 단단하거나 유연하게 설계될 수 있다. 본 발명의 한 가지 바람직한 변형에 따르면, 지지 소자는 세포 캐리어가 본 발명에 따른 배양 캐리어를 형성하기 위해 함께 결합할 때 부가적인 기능을 수행할 수 있으며, 이웃하는 세포 캐리어의 지지 소자가 서로 함께 걸린다는 면에서 그러하다. 오목한 부분(recesses)이 세포 캐리어의 본체에 또한 제공될 수 있는데, 상기 오목한 부분은 이웃하는 세포 캐리어와 서로 맞물리도록 하기 위하여 지지 소자와 상보적인 방식으로 형성된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 본 발명에 따른 세포 캐리어가 적어도 하나의 증명 소자(identification element)를 가진다면, 예를 들면 본 발명에 따른 조작 기구에서(아래 참조) 다수의 세포 캐리어를 모니터링하는 것과 관련하여 이점이 얻어질 수 있다. 증명 소자로서, 광학적 데이터 캐리어가 바코드의 형태 또는 상기한 자기 데이터 메모리의 형태로 예를 들면 제공될 수 있다.

일반적으로 본 발명의 이용은 특정 크기의 조건에 제한되지 않는다. 그러나 만일 세포 캐리어가 개별 세포 또는 개별 세포 그룹을 수용할 수 있도록 설계된 소형화된 구성 성분으로서 생산된다면, 의도적인 생물학적 및 의학적 이용을 위한 특정 이점들이 얻어진다. 샘플을 수용하기 위해 제공되는 세포 캐리어의 표면(특히, 세포 캐리어의 수용 소자의 표면)은 바람직하게도 기껏해야 하나의 세포의 부착을 위해 적용되는 자유 표면을 가진다. 그 결과, 표면의 측면 치수(예를 들면 지름 또는 가장자리 길이)는 10μm 내지 1cm, 특히 10μm 내지 5000μm의 범위 내에서 전형적으로 선택된다. 세포 캐리어의 아랫면에 형성되는 지지체는 상기 범위 내의 크기를 가지는 것이 또한 바람직하다. 베이스 표면 위에서의 세포 캐리어의 안정한 위치 및/또는 이동을 위하여, 세포 캐리어의 높이는 샘플을 받기 위해 제공되는 표면의 최소한의 측면 치수보다는 더 작은 것이 바람직하다. 높이는 수용 소자의 표면과 바닥 소자에 의해 형성된 지지체 사이의 수직 거리에 일치한다. 바람직하게는 0.5μm 내지 2000μm, 특히 1μm 내지 1000μm의 범위 내에서 선택한다. 세포 캐리어의 소형화를 제공하기 위하여, 세포-특이성 샘플 조작을 위한 도구, 즉 거시적 작동기를 이용하여 높은 수준의 신뢰도 및 선택도를 가지고 놀랍게 작동할 수 있는 도구가 제공된다.

장치에 있어서, 본 발명은 두 번째로 생물학적 샘플을 수용하기 위한 배양 캐리어를 제공하는 일반적인 기술적 가르침에 근거를 두며, 상기 생물학적 샘플은 본 발명에 따른 다수의 세포 캐리어를 포함한다. 세포 캐리어가 그룹들로 함께 결합되면, 기질은 다수의 세포를 위해 창설되고, 이 기질이 여기에서 배양 캐리어로 또한 언급된다. 본 발명에 따른 세포 캐리어의 한 가지 중요한 이점은, 특정 응용에 따라서, 다양한 형태로 설계되고, 분리되고, 부분적으로 결합되고, 다른 방법으로 진행할 수 있는 극히 유연한 기질을 만들 수 있다는 것이다.

첫 번째 변형에 따르면, 배양 캐리어의 세포 캐리어들은 서로 인접하여 배열되고, 서로 측면 접촉한다. 이러한 경우, 세포 캐리어는 서로 결합하지 않는다. 서로의 측면 접촉은 간단히 제공된다. 놀랍게도, 세포 캐리어들의 이러한 느슨한 결합은 이웃 세포 캐리어 위의 세포들이 기계적 또는 물질적 접촉을 하게하고, 및/또는 세포의 배양이 발생하게 하기에 충분하다. 또는 배양 캐리어의 세포 캐리어들은 서로 보호될 수 있다. 세포 캐리어의 집합체는 증가된 안정성의 이점을 가진다. 세포 캐리어들은 서로 분리할 수 있거나 또는 분리할 수 없는 형태로 결합하도록 집합체에서 배열될 수 있다.

본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 결합된 세포 캐리어들의 수용 소자들은 평면의 배양 캐리어 표면을 형성한다. 이것은 종래 배양 기질과의 적합성이라는 이점을 가진다. 또는, 세포 캐리어는 비평면의, 예를 들면 구부러지거나 층상의 배양 캐리어 표면을 형성할 수 있다. 이러한 경우에, 특정 기하학적 형태를 가진 세포 배양을 창설하는 것과 관련하여 이점이 있을 수 있는데, 소위 “조직 공학(tissue engineering)"에서 바람직할 수 있다.

장치에 있어서, 본 발명은 세 번째로 생물학적 샘플을 위한 조작 기구를 제공하는 일반적 기술적 가르침에 근거를 두는데, 본 발명에 따른 적어도 하나의 세포 캐리어를 위치시키는 베이스 표면 및 적어도 하나의 세포 캐리어 위에 자기력을 행사하는 작동기를 포함한다. 조작 기구에 의하여, 특히 종래 전기장에서 접촉없이 입자 조작을 사용하는 유체 마이크로시스템에서의 단점이, 부착 표면 접촉을 가지고 그럼에도 개별적으로 움직일 수 있는 세포 위에서 세포 조작이 수행되기 때문에 극복된다. 세포조작은 높은 수준의 안정성과 재현성을 가지고 수행될 수 있다. 신뢰할 만한 작동을 위하여, 캐리어 흐름이나 전기장을 유지할 필요는 없다. 샘플 및/또는 생물학적 활성 기질을 포함하는 세포 캐리어들은 미리 정해진 공간과 시간 프로그램에 의해 위치하고, 움직이고, 상호작용을 가져올 수 있다. 분 또는 시의 범위 내에서 배양 및 실제로 흥미있는 상호작용 시간에 적용되는 시간 스케줄이 충족될 수 있다.

베이스 표면은 예를 들면 배양용기 또는 유체 마이크로시스템(fluidic microsystem)과 같은 배양기구 부분을 형성한다. 세포 캐리어의 이동은 극히 작은 자기 근원(magnetic source)에 의해 수행될 수 있는데, 자기 근원은 조작 기구의 외부 환경으로부터 베이스 표면에 대하여 힘 소자로서 작용하고, 그 결과 세포 캐리어의 완전한 무균상태가 보장될 수 있다. 힘 소자는 존재할 수 있는 이웃 세포 캐리어에 대한 영향을 최소화하도록 형성될 수 있다. 외부의 힘 소자를 움직이므로, 세포 캐리어는 배양 용기 또는 마이크로시스템 내부에서 이동된다. 그 결과, 예를 들면 채널 표면으로부터 멀리 이동함으로 세포 캐리어 위의 힘을 방해할 수 있는 프로그램화할 수 있는 x,y,z 조작기를 만드는데 이용될 수 있다. 상기 조작기의 평형 작용 또는 매우 빠른 충동 작용은 다수의 세포 캐리어를 동시에 질서있게 이동하도록 한다.

베이스 표면은 대개 세포 캐리어를 보유하는 구성성분의 부분을 형성하는데, 바람직하게는 층상 또는 평면 형상이고, 보유판(holding plate)(특히 베이스 판 또는 커버 판)으로서 언급된다. 작동기가 보유판의 뒷면 위에 배열되고, 세포 캐리어를 지닌 베이스 표면이 반대편이 배열되면, 베이스 표면은 유리하게도 자유 플랫폼을 형성할 수 있다. 플랫폼 위에, 특히 개별적인 세포 또는 세포 배양을 처리하고 진행하는 방법이 명확하게 실험될 수 있고, 부가적인 측정에 의해 선택적으로 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 베이스 표면은 적어도 부분적으로 자기 또는 자기화 물질을 포함하는데, 적어도 하나의 세포 캐리어의 자기 소자의 상호작용이 자기 소자를 가진 작동기의 상호 작용보다 더 약하다. 따라서 베이스 표면 위에 세포 캐리어의 부동이며 안정한 고정이 이루어질 수 있는데, 작동기가 멀리 움직이거나 꺼진 경우에도 그러하다.

또 다른 변형에 따르면, 베이스 표면이 평평한 표면이라면, 세포 캐리어가 모든 면으로 치환되는 능력과 관련하여 이점이 얻어질 수 있다. 또는, 베이스 표면이 구부러진 형태를 가질 수 있다. 이것은 유리하게도 밀폐된 용기(container)내에서의 공정 조절을, 예를 들면 용기(vessels) 또는 속이 빈 실린더 내에서 할 수 있게 한다.

조작 기구의 기능성은 베이스 표면이 돌출 및/또는 함몰된 표면 구조를 가지는 경우 상당히 확장될 수 있다. 이러한 경우에, 지형도(topography)는 베이스 표면의 특정 부분이 특정 공정 목적을 위해 최적화될 수 있음으로 제공된다. 표면 구조는 형상화된 소자로서 바람직하게는 적어도 하나의 자유 영역(free area), 하나의 채널, 하나의 옆가지(branching), 한 세트의 포인트 스위치, 하나의 고리 모양 경로 및/또는 코트(courts)를 포함한다. 자유 영역은 다수의 세포 캐리어를 사용하는 세포 배양에 특히 적합한 비구조화된 부분이다. 채널은 일직선이거나 구부러져 있고, 뒷면의 채널 벽면들과의 사이에서 세포 캐리어의 이동 경로를 제한하는데 기여하는 경도 방향의 베이스 표면의 일부분을 신장한다. 특별한 채널 형상들은 적어도 두 개의 채널(옆가지, 포인트의 세트) 또는 밀폐된 원주(고리 모양 경로)를 가지는 채널 형상으로 분리시킴으로 특정화된다. 폐쇄된 말단을 가진 짧은 채널들은 소위 울타리(enclosure)를 형성하며, 개별 세포 캐리어 또는 세포 캐리어 그룹이 종착하는 위치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 베이스 표면은 적어도 하나의 투명한 부분을 가질 수 있다. 유리하게도, 세포 캐리어와 자기 소자 및/또는 특히 조작 기구가 작동되는 동안에 두 부분의 상대적인 위치를 관찰하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 조작 기구는 두 개의 보유판(holding plates)을 가지는데, 상기 보유판은 두 개의 베이스 표면, 그들 사이에 공간을 가지고 서로 마주 향하고 세포 캐리어를 수용하는데 기여하는 자유 표면을 형성한다. 베이스 표면 사이에서, 반응 챔버는 본 발명에 따른 세포 캐리어가 조작될 수 있는 두 개의 벽면 위에 바람직하게 창설된다. 바람직하게는 동일한 기하학적 모양을 가지는 베이스 표면들 사이의 거리는, 베이스 표면 위에서 서로 반대로 놓여진 세포 캐리어 위의 샘플들이 서로 상호 작용에 들어갈 수 있는 방식에서 선택될 수 있다.

본 발명에 따른 조작 기구의 베이스 표면이 배양 배지와 같은 액체로 덮이면, 배양 조건을 세팅하는 것과 관련하여 유리한 점이 얻어질 수 있다.

조작 기구의 작동기는 적어도 하나의 힘 소자를 포함하는데, 세포 캐리어에서 자기 상호작용이 발생함으로 그러하다. 세포 캐리어의 자기 소자에 의존하여, 힘 소자는 영구 자석, 상자성체, 강자성체, 반자성체, 전기 유도 자석(인덕턴스) 및/또는 자기화 액체를 포함한다. 유리하게도, 힘 소자의 이들 유형 각각은 소형화 방식으로 생산될 수 있다. 이것은 힘 소자를 세포 캐리어의 치수에 적용하는 것이 가능하게 하고, 좁은 공간 내에서 다수의 힘 소자를 제공할 수 있게 한다.

원칙적으로 힘 소자들은 고정된 위치에 배열될 수 있는데, 세포 캐리어의 치환은 인접한 힘 소자들을 차례로 작동시킴으로 수행될 수 있다. 그러나 힘 소자들이 베이스 표면과 관련하여 개별적으로 치환될 수 있게 하는 치환 장치를 가지는 조작 기구를 제공하는 본 발명에 따른 실시예가 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 조작 기구에 모니터링 기구가 장착되면, 세포 캐리어를 관찰하고 세포 캐리어를 사용하는 방법들을 조절하는 것과 관련하여 이점을 얻을 수 있다. 현미경이 모니터링 기구로서 제공되는 것이 바람직하다.

방법에 있어서, 본 발명은 본 발명의 또 다른 부면과 관련하여 생물학적 샘플을 조작하기 위하여 세포 캐리어 위에 상기 샘플을 배열하고, 세포 캐리어를 베이스 표면 위에서 안정적인 위치에 놓고, 세포 캐리어를 자기력에 의해 이동하거나 예정된 위치에 놓는 일반적인 기술적 가르침에 근거를 둔다. 이러한 방법의 이점은 묶인 상태에 영향을 미치지 않고 부착되어 묶인 세포를 움직인다는 것이다. 세포 캐리어로서, 상기 기술한 본 발명에 따른 세포 캐리어을 이용하는 것이 바람직하다. 조작은 상기 기술한 본 발명의 조작 기구를 사용하여 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 한 가지 실시예에 따르면, 베이스 표면 위의 다른 세포 캐리어 위의 샘플들은 서로 또는 활성 물질과 상호작용에 들어간다. 세포 캐리어는 서로 인접하여 배열되며, 세포 캐리어 위의 세포 및/또는 세포 구성성분들은 예를 들면 서로 또는 활성 물질들과 기계적 또는 물질적 상호 작용에 들어간다. 세포 캐리어와 인접한 세포 및/또는 세포 구성성분들이 서로 접촉하면, 막 접촉이 유리하게 발생할 수 있다.

본 발명의 다음과 같은 다른 이점들을 가진다. 첫 번째로, 마이크로 채널과 같은 부착 상태에서 배양액(nutrient solution)에서, 무균 조건하에서, 개별 세포 캐리어 위에서, 공정에서 세포 자체를 활성화하는데 필요한 힘이 없이도 세포 이동이 실제 가능하게 제공된다. 게다가, 세포 캐리어를 함께 그룹화하고, 다시 그들을 분리하거나, 또는 영구적으로 결합하고, 세포 캐리어로부터 세포 캐리어로 세포를 옮기고, 세포를 포함하는 세포 캐리어를 모니타하고, 패턴을 형성하고 반복적으로 세포 캐리어를 그룹화하고, 또한 세포 캐리어와 세포를 포함하는 세포 캐리어를 마이크로 채널 시스템과 같은 조작 기구에 도입하거나 제거할 수 있다. 본 발명의 한 가지 중요한 이점은 조작 기구에서 서로와 관련하여 세포의 한정되고 예정된 방향과 위치이다. 무작위 요소들은 대개 배제될 수 있다. 본 발명에 따른 배양 캐리어를 만들 때 배열에 있어서의 자유로움 덕분에, 기하학적 배열과 세포 부착을 위한 고정 표면의 물질이 대개 마음대로 선택될 수 있다.

더욱이, 부착성 세포, 예를 들면 부착되어 성장하는 세포를 관찰하고 또한 이미지화 하는 것이 가능하다. 알려진 현미경 사용 방법 중 어느 것도 사용할 수 있고, 이미지화는 매우 높은 현미경 분석으로 수행될 수 있다.

세포 캐리어의 조작은 우선 흐름 또는 심지어 다른 방향에서, 예를 들면 액체에 의해 흐르는 조작 기구의 채널에서 자유 이동 카운터를 얻을 수 있게 한다. 세포들은 또한 출구의 표면 장력에 대항하여 조작 기구 밖으로 움직일 수 있다.

다른 이점은 다수의 세포 캐리어들의 평형 조작과 조작 기구의 가능한 많은 벽 표면들 위에서 세포 개리어의 이동이 가능하다는 것이며, 또한 세포를 포함하는 다른 세포 캐리어들이 서로 빠르게 움직이거나 심지어 반대 방향으로 움직이기 위해서다. 움직임의 정밀함은 이러한 경우에 마이크로미터 및 나노미터 범위에 있고, 매우 빠르게(mm/s) 매우 느린(μm/h) 움직임을 허용한다.

본 발명의 바람직한 실시예와 응용은 아래에서 도면을 참조하여 기술된다.

도 1은 본 발명에 따른 세포 캐리어들의 다른 실시예의 단면도이다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 세포 캐리어들의 또 다른 실시예의 투시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 배양 캐리어들의 다른 실시예의 위에서 본 모습이다.

도 5는 본 발명에 따른 배양 캐리어의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 조작 기구의 한 실시예를 나타낸 것이다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 조작 기구의 또 다른 실시예의 측면도이다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 세포 조작 방법의 실시예를 나타낸 것이다.

도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 세포 캐리어 위에서 힘이 행사되는 것을 나타낸 것이다.

도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 조작 기구의 또 다른 실시예에 대한 위에서 본 모습이다.

도 15 및 도 16은 구부러진 베이스 표면을 가지는 본 발명에 따른 조작 기구의 실시예를 나타낸 것이다.

본 발명은 아래에서 예를 참조하여 설명되는데, 세포 캐리어와 배양 캐리어의 기본 모양이 개략적으로 설명된다. 본 발명의 실시는 설명된 실시예들에 의해 제한되지 않으며, 또한 특정한 응용 목적에 적합하게 특히 형태, 크기, 물질들을 변경하여 실시할 수 있다.

도 1은 A에서 M의 부분 이미지에서, 본 발명에 따른 세포 캐리어(10)의 수직 부분도를 나타내는데, 각각의 경우에서 자기 소자(20), 바닥 소자(30), 수용 소자(40)를 포함한다. 이들 소자들은 다른 부분들을 포함하거나 일반적 부분에 의해 형성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 세포 캐리어(10)는 대개 판 또는 디스크 모양이며, 두께(또는 높이)가 최소 측면 치수(lateral dimension)보다 더 작다. 판 모양은 조작 기구(아래 참조)의 평평한 베이스 표면의 방향과 평행하게 작동하는 x, y 평면에서 반드시 확장한다. 대부분의 예시에서, 소자 (20), (30) 및 (40)은 차례로 배열되며, 본질적으로 더미(stack)처럼 배열된다. 세포 캐리어들은 미세구조 기술(microstructure technology)의 미세역학(micromechanical) 또는 미세화학(microchemical) 방법에 의해 생산되며, 예를 들면 본질적으로 실리콘, 유리 및/또는 플라스틱으로 알려져 있다.

도 1A에 나타난 것처럼, 각각의 경우에 자기 소자(20), 바닥 소자(30) 및 수용 소자(40)는 층상(layer form)을 가진다. 자기 소자(20)는 철을 포함하고, 100nm 내지 500μm 범위의 두께를 가지고, 바람직하게는 1μm부터 100μm의 범위이며, 예를 들면 40μm이다. 바닥 소자(30)는 예를 들면 PTFE로 만들어진, 연속된 평평한 지지체(flat support)(31)를 형성하는 층을 구성한다. 지지체(31)는 자기 소자(20) 와 주변 사이에서 보호층을 유리하게 형성한다. PTFE 층은 수 μm의 두께를 가진다. 수용 소자(40)는 플라스틱 층이고, 예를 들면 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리우레탄(PU)으로 만들어지고, 0.1μm 내지 100μm의 두께를 가진다. 세포(1)는 수용 소자(40) 위에 배열된다. 도 1A에 따르면, 소자(20), (30) 및 (40)은 x, y 평면에서 동일한 외형을 가지는데, 일직선의 더미(stack)를 형성한다. z 방향에 수직인 횡단 부분 표면은 예를 들면 300μm의 지름을 가진 환형이다. 세포 캐리어의 측면 치수는, 예를 들면 10μm 내지 1cm 이내이고, 바람직하게는 2mm이하이고, 특히 바람직하게는 1mm이하이며, 반면에 높이는 예를 들면 1μm 내지 1000μm의 범위이고 바람직하게는 200μm이하이다.

바닥 소자(30)와 수용 소자(40)는 양자가 동일한 물질(예를 들면 PE 또는 PU)로 이루어진 표면을 가질 수 있고, z 방향에서 세포 캐리어의 구조는 중심 평면에 대하여 대칭이다. 이러한 대칭은 세포 캐리어의 취급(handling)과 관련하여 유리할 수 있다.

세포(1) 또는 세포 구성성분들을 가진 수용 소자(40)의 적재(loading)는, 예를 들면 피펫으로 원래 알려져 있는 분배 기술에 영향을 받는다. 또는, 인접하는 세포 캐리어 위로의 이동은 세포의 고유 이동에 의해 제공될 수 있다. 수용 소자(40)가 기질 위에서 세포의 이주에 의한 물질 잔여물처럼 뒤에 남겨진 세포 구성성분으로서, 세포 흔적에 의해서만 제공된다면, 적재는 수용 소자(40) 위에서의 세 포 이동에 의해서 발생할 수 있다.

도 1B는 바닥 소자(30)를 가진 세포 캐리어를 나타내는데, 통상의 평면에 위치하고 지지체(31)를 형성하는 바닥소자(30)는 받침 부분(32)을 가진 다수의 반구상 또는 반원통형 구조를 포함하며, 도 1A와 비교하여 베이스 표면 위에 감소된 마찰을 나타낸다. 더욱이 도 1B는 수용 소자(40)가 중심에 구조화된 표면(42)로서, 예를 들면 0.01μm 내지 100μm의 전형적인 구조 치수를 가진 울퉁불퉁한 부분을 가진다.

도 1C에서, 수용 소자는 통로(45)를 가지는 공동(cavity, 44)이 형성되어 있다. 통로(opening, 45)를 통하여, 세포(1)가 공동(44)에 넣어질 수 있다. 도 1C는 더욱이 바닥 소자(30)의 기능이 자기 소자(20)에 의해 행해질 수 있음을 나타낸다.

도 1D에 나타낸 지지 소자(11)는 특히 세포 캐리어의 경사(tilting)에 대해서 보호를 제공한다. 지지 소자(11)는 바닥을 향하고, 측면에서 튀어온 막대(strip) 같이 형성되는데, 상기 막대는 예를 들면, 수용 소자(40) 또는 바닥 소자(30)의 물질로 된 한 조각으로 형성된다. 이 예에서 자기 소자(20)는 층상을 가지며, 세포 캐리어의 전체 본체에 대하여 작용하지 않지만, 오히려 예를 들면 플라스틱으로 구성된 보호 층(21)에 의해 말단에서 주변과 분리되다. 보호층(21)은 또한 수용 소자(40)를 가지는 한 조각으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 지지 소자(supporting element, 11)는 부분적으로 또는 전체적으로 바닥 소자(30)의 기능을 수행한다. 예를 들면, 도 1B에 나타낸 바닥 소자(30)는 단지 하나 또는 두 개의 지지점(32)을 가질 수 있고, 적어도 하나의 다른 지지 소자(11)와 함께 원하는 안정한 지지체를 형성한다. 게다가, 세포 캐리어는 적어도 3개의 지지 소자(11) 위에서 완전히 안정될 수 있다.

보호 층(21)이 특히 두껍게 선택되면, 세포 캐리어의 본체에서 자기 소자(20)의 중심 배열은 도 1E에 나타난 것처럼 얻어진다. 자기화 또는 자기 지역은 본체의 중심 부분에 제한되어, 인접 세포 캐리어들 사이에서 자기 상호작용이 작게 하거나 방해할 수 있다.(또한 도 12 참조)

도 1F와 1G에서, 자기 소자(20)는 세포 캐리어(10)에 분포되어 있는 다수의 부분 소자들(22), (23), (24)을 포함한다. 세포 캐리어(도 1F)의 말단(edge)의 부분 소자들(22), (23)은 인접하는 세포 캐리어와의 상호작용에 영향을 줄 수 있다(쇄 형성 또는 반발작용, 부분 소자들의 분포와 자극 배열에 의존함). 도 1F는 또한 수용 소자와 바닥 소자들이 하나의 물질로부터 하나의 조각으로 생산될 수 있는데, 예를 들면 원형의 디스크 또는 평평한 사각형의 형태로 생산될 수 있고, 부분 소자(22), (23)는 측면에 삽입된다. 또는, 부분 소자(22), (23)은 세포 캐리어 본체에 층상으로 응용될 수 있다.(도 2A, C 참조)

세포 캐리어의 말단 및 내부에 있는 부분 소자들 (22), (23), (24)은 데이터 메모리(data memories)로서 사용될 수 있다(도 1G). 그들은 예를 들면 분리된 자기화 입자들 또는 자기 소자의 영역을 포함하고, 자기화의 방향은 자기장에 의해 개별적으로 정해질 수 있다.

도 1G는 단계적 형성에 의한 수용 소자(40)의 구조화를 나타내며, 함몰(depression, 46)이 형성된다. 예를 들면, 함몰(46)은 원래 알려진 미세구조화 기술에 의해 가공되거나 에칭되어, 수용 소자(40)는 예를 들면 0,01μm 내지 100μm의 깊이가 되고, 효과적인 측면 보호가 부착성 세포를 위해 형성된다. 부착 촉진 코팅(47)은 함몰(46)의 바닥에 제공되거나, 일반적으로 수용 소자(40)의 표면에 제공될 수 있는데(도 1H), 상기 코팅은 적어도 한 부분, 예를 들면 표면(41)의 중심을 덮는다. 코팅(47)은 10nm 내지 수 μm의 두께를 가지는 피브로넥틴(fibronectin)을 구성한다. PTFE로 만들어진 부착 감소 말단(48)에 의해 둘러 쌓인다. 또는, 코팅은 세포와 상호작용을 발생하는 생리적 활성 분자를 포함할 수 있다.

도 1I 및 도 1J는 돌출되거나 움푹 들어가서 휘어진 지지 윤곽을 지닌 지지체(33)를 형성하는 바닥 소자들을 가지는 세포 캐리어들을 나타낸다. 원통형의 지지체 윤곽으로, 이러한 세포 캐리어들은 도 15 및 도 16에 나타난 휘어진 베이스 표면들 위에서 안정한 지지를 위해 적합하다.

도 1K는 서로 상보적인 모양으로 돌출(protrusion)과 오목한 부분(recesses)으로 세포 캐리어의 면들 위에 위치하는 측면 보호 소자(12)를 나타낸다. 그들은 인접하는 세포 캐리어를 서로 보호하는데 기여하고, 충분한 측면 면적을 가진다면(점선으로 나타낸 변형 참조), 지지 소자로서 선택적으로 기여한다. 만일 세포 캐리어 그룹이 새로운 시스템 또는 배양 챔버로 옮겨진다면, 보호 세포 캐리어 연결은, 선택적으로 더 이상 방출되지 않을 수 있어서, 예를 들면 마이크로채널 시스템에서의 방출에 유리할 수 있다. 이러한 방식으로 고도의 자동화가 생명공학에서 응용을 위해 바람직하게 성취될 수 있다.

도 1L에서, 자기 소자(20)와 바닥 소자(30)는 분리된 부분으로 제공된다. 예로서, 자기 소자(20)는 종래 자기 비즈(magnetic bead) 방식으로 샘플(1)에 결합될 수 있고, 바닥 소자(30)의 표면 위에 배열된다.

도 1M은 증가된 흡착 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 구체의 수용 소자(40)를 가지는 세포 캐리어의 한 변형을 나타낸다.

도 2는 도 1B 및 도 1H처럼 개관도로서 세포 캐리어(10)의 다른 실시예를 나타내고, 도 2A 및 도 2B는 세포(1)가 잘 부착되고 생존할 수 있는 표면 부분(40, 구조화된 지역)을 나타낸 것이다. 도 2A에서, 동일한 소자(13)는 바코드(barcide) 형태로 지지 소자의 표면에 적용된다.

세포(1)가 잘 부착하는 표면 부분(42)은 막대 형태의 주로 경로(run path, 42A)처럼 세포 캐리어의 말단까지 확장된다(도 2B 참조). 배양 캐리어로서 결합된 상태에서(도 4참조), 주로 경로(42A)는 인접하는 세포 캐리어들 사이에서 세포 이주를 도울 수 있다.

세포 캐리어(10)의 자기 소자(20)는 삽입층(inserted layer, 도 2B)처럼, 삽입된 부분 소자(도 2C)처럼, 또는 하부 코팅(도 2D)처럼 밀집된 방식(도 2A)으로 설계된다. 중요한 점은 세포 캐리어(10)가 내부 자기장 또는 외부 자기장에 의해, 회전하거나 기우는 경향이 없다는 것이다. 그러므로 세포는 채널 벽 또는 베이스 표면(아래 참조)으로 밀릴 수 없고, 거기에 부착한다.

세포 캐리어(10)의 기하학적 배열은 넓은 범위 내에서, 예를 들면 더 쉽게 서로 결합하게 하거나 거기에서 방향을 결정짓게 하기 위해서, 자유롭게 선택될 수 있다. 도 2A 내지 도 2C는 바람직한 방향(A, B) 또는 육각형의 대칭(C)을 가진 다각형의 외형(14)을 나타낸다.

다른 변형에 따르면(도시되지 않음), 세포 캐리어는 정팔각형, 직각, 사각 형, 타원형 또는 환형의 기본 모양을 가진다.

도 3A는 함몰(depression, 46)이 중앙 부분에 있는 끝이 잘린 콘 또는 피라미드 모양의 세포 캐리어(10)를 나타내며, 상기 중앙 부분에는 하나 또는 그 이상의 세포(1)가 고정될 수 있고, 상기 세포는 이러한 기하학적 모양의 결과로서 특정한 양의 보호를 받는다. 층상의 자기 소자(20)는 바닥면에 대하여 바닥 소자(30)에 의해 덮인다. 나타낸 실시예들은 훌륭한 위치 안정성을 가지고 동시에 세포 배양 표면의 주변의 배열에 대해서 자유를 나타낸다. 도 3에서, 세포 캐리어(10)의 수용 소자는 예를 들면 실리콘의 이방성 에칭에 의해 생산된다.

도 3B는 부분 소자 (22), (23)를 포함하는 자기 소자를 가진 세포 캐리어(10)를 나타낸다. 세포 캐리어(10)는 예를 들면 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 투명한 판으로 구성되며, 그 표면에서 구조화되고 불투광성 코팅(42)이 수용 소자(40)로 제공된다. 둥글게 도려낸 부분(cutout, 43)은 코팅(42)에 의해 형성된다. 도려낸 부분(43)은 수용 소자(40) 위의 샘플의 광학적 관찰이 가능하게 하는 투명한 관찰 지역을 형성한다. 투명한 세포 캐리어는 코팅(42)의 말단에 노출된다. 도 2B에 나타낸 변형과 유사한 방법에서, 주로 경로(42A)는 인접하는 세포 캐리어로의 세포 이동을 위해 제공된다.

본 발명에 따른 배양 캐리어(50)의 실시예들은, 각각의 경우에 다수의 세포 캐리어(10)들을 포함하는데, 도 4에 나타낸다. A 내지 D의 변형들은 어떻게 질서있고 패턴화된 배열이 동일하거나 다른 기하학적 외형을 가진 세포 캐리어(10)들로부터 형성될 수 있는지 보여준다. 세포 캐리어들이 연속적인 표면을 가지고 패턴을 형성하는 동안, 배양 캐리어(50)는 세포 배양을 위한 기질 또는 특정 응용에서 높은 수준의 적합성을 가지는 세포 모노층으로서 사용되는 폐쇄된 배양 캐리어 표면(51)을 가진다. 유리하게도, 세포 캐리어들이 함께 결합하는 유연성에 기해서, 세포 배양은 특정하고, 선택적으로 다른 세포들의 한정된 위치 배열에서 만들어질 수 있다.

도 4A에 나타낸 정육각형의 세포 캐리어를 가지는 변형은, 세포 캐리어들이 개개의 세포 캐리어들은 단일한 표면을 가지면서 하나의 큰 표면을 가지고 결합될 수 있다는 이점이 있다. 도 4D에 나타낸 화살 모양을 가지는 변형은, 외부에서 또는 광학적으로 검출할 수 있는 기하학적으로 바람직한 방향이 제공된다는 이점을 가진다. 화살 모양의 세포 캐리어들은 한 말단(전면 말단)에 포인트 팁을 가지고, 반대 말단(후면 말단)에는 들어간 모양을 가지는 막대(strip) 형태를 가진다. 포인트와 들어간 모양은 서로에 대해 상보적으로 형성된다. 전면 및 후면 말단은 기하학적으로 바람직한 방향을 한정하며, 바람직하게는 자기 소자의 자성의 방향 또는 그 부분들을 결정한다. 다른 세포 캐리어들은 포인트 또는 들어간 모양을 서로에 대해 가질 수 있다.

본 발명에 따른 배양 캐리어(50) 위의 세포 배양의 배열에 있어서 다른 자유도는 도 5에 나타낸다. 다른 높이를 지닌 세포 캐리어들(10)이 통상의 베이스 표면(61)에 결합되면, 단계적 지형(stepped topography)을 가진 배양 캐리어의 표면(53)이 얻어진다. 이러한 경우에, 세포 캐리어들은 서로 인접하여 배열될 수 있고, 다른 것 위로 미끄러지거나 또는 걸리거나 또는 서로 보호할 수 있다.

생물학적 샘플을 위한 본 발명에 따른 조작 기구(60)에 관한 상세한 점은 도 6 내지 도 16에 나타낸다. 일반적으로 조작 기구(60)는 고체의 베이스 표면(61)과 그 위에 적어도 하나의 세포 캐리어(10)가 위치하며 이동하고, 작동기(70)는 세포 캐리어(10) 위에 자기력을 행사한다. 이러한 결합은 세포 배양, 예를 들면 배양 접시 또는 다른 작업 플랫폼과 같은 다양한 기구들에 의해 얻어질 수 있다. 다음의 설명은 유체 마이크로시스템을 가진 조작 기구(60)의 바람직한 실시예와 관련되고, 유체로 채워진 구획들과 조작되는 세포를 받는 채널들을 소형화하는 것을 특징으로 한다. 유체 마이크로시스템과 구조화된 베이스와 커버 판으로부터의 그 생산물들은, 공간적으로 서로 분리되고, 예를 들면 플라스틱, 유리 및/또는 반도체 물질로 만들어져서, 그 자체로 알려져 있으므로 그 세부점들은 여기에서 기술하지 않는다.

이하에서는, 수평 방향의 마이크로 시스템에 대해 언급될 것이다. 본 발명은 수직 방향의 베이스 표면, 또는 가능하다면 어떤 다른 방식으로 기울어진 베이스 표면을 가지고 상응하는 방식으로, 작동기 또는 또 다른 부착 메카니즘에 의해 본 질적인 자성 결합에 기해, 휴지 상태의 세포 캐리어가 중력 영향 하에서 치환되지 않게 가능한 확실하게 실시할 수 있다.

도 6A는 작동기(60)의 부분과 부분도로서, 베이스 판(62)과 커버 판(63) 사이에 형성된 채널(64)을 나타낸다. 고체 베이스 표면(61)은 채널(64)을 향한 베이스 판(62)의 표면에 의해 형성된다. 베이스와 커버 판 (62), (63)은 투명하고 예를 들면 50μm 내지 3mm의 두께를 가진, 유리, 실리콘 및/또는 플라스틱 물질로 이루어져 있다. 베이스와 커버 판 (62), (63) 사이의 z방향에서의 거리는 예를 들면 10μm 내지 5mm이다. y방향에서 채널의 폭은 예를 들면 40μm 내지 10mm이다. 채널(64)은 흐를 수 있거나 정지할 수 있는 액체로 채워져 있다. 액체가 생리학적 물질 또는 영양 배지라면, 세포 캐리어(10) 위의 세포는 생존할 수 있고, 심지어 성장도 가능할 수 있고, 세포 캐리어 위에서 증식할 수 있다. 베이스와 커버 판의 표면들은 최소한 부분적으로 PTFE 또는 유사한 부착 감소성 물질로 코팅될 수 있다. 채널은 예를 들면 다음의 치수들: 1mm 이하의 높이, 10mm 이하의 폭, 바람직하게는 5mm, 길이:특정 응용에 따라서, 예를 들면 cm 내지 m 범위이다.

본 발명에 따르면, 적어도 하나의 세포(1)를 가진 세포 캐리어(10)는, 작동기(70)에 의해 채널 벽(여기에서는 베이스 판(62))을 통하여 외부로부터 자기장을 함유한다. 세포 캐리어(10)의 성장 면은 항상 채널(64)을 행한다. 작동기(70)는 적어도 하나의 힘 소자(71)를 포함하는데, 이러한 경우에는 영구 자석, 자기화 입자 또는 코일이다. 힘 소자(71)는 변위 기구(displacement device, 72)에 의해 베이스 판(62)과 관련하여 기계적으로 움직일 수 있다. 특정한 응용에 따라서는, 움직임은 적어도 한 방향으로 향상하여 발생할 수 있고, 예를 들면, 채널의 길이 방향(x 방향)과 평형하게일 수 있고, 일반적으로는 모든 공간의 방향으로 발생할 수 있다. 변위 기구(72)는 서보 모터(servo motor) 또는 압전기(piezoelectric drive)를 포함할 수 있다. 평평한 디자인및 작은 크기 때문에(예를 들면 지름이 10μm 내지 100μm인 인간의 세포 또는 포유류의 세포를 움직이기 위하여), 세포 캐리어는 한정된 위치에서 보유될 수 있고, 채널(64)의 내부 면 위에서 반대로 무균성(sterility)에 영향을 미지치 않고 0.1μm 이내의 정확도를 가지고 움직일 수 있다.

도 6B는 채널 사이드 벽(65) 사이의 베이스 판(62) 위에 세포(1)를 가지는 세포 캐리어(10)의 배열을 위에서 본 모습으로 나타낸 것이다. 세포 캐리어(10)는 타원형의 외형을 가지고, 점선으로 나타낸 힘 소자(71)의 모양과는 다르다. 각각의 작동 상태에서, 세포(1)는 채널(64)의 벽들과는 충분한 거리에 있다.

도 7에 나타난 것처럼, 힘 소자는 다른 채널(66)에서 움직이는 자성 액체의 물방울(droplets, 73)에 의해 형성되는데, 상기 다른 채널은 첫 번째 채널(64)로부터 유동적으로 분리된다. 자성 액체의 이동은 채널(66)에서 연속적이거나 비연속적인 액체 흐름으로 발생한다. 자성 액체는 자석 또는 자기화 입자가 분산되어 분포 되어 있는 오일이다. 자성 물방울(73)은 자성 액체가 혼합할 수 없는 액체 부분에 의해 서로로부터 분리된다. 이러한 방식으로, 세포 캐리어들은 미리 정할 수 있는 일정한 거리에서 차례로 움직일 수 있다. 유사한 방법으로, 예를 들면 영구 자석 도는 코일 형태의 힘 소자로 구성하여 이용할 수 있다.

다수의 세포 캐리어(10)의 이동은 도 8에 나타난 것처럼, 다른 채널 벽 위에서 발생할 수 있다. 첫 번째 세포 캐리어(10)는 베이스 판(62) 위의 첫 번째 작동기의 힘 소자(73)에 의해 이동되고, 반면에, 그와는 독립하여, 두 번째 세포 캐리어(10)는 커버 판(63) 위의 두 번째 작동기의 힘 소자(71)에 의해 이동된다. 작동기는 동일한 형태 또는 나타난 것처럼 다른 형태일 수 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 방법의 실시예들을 나타낸 것으로, 세포 캐리어(10)는 세포 캐리어 위의 세포 및/또는 세포 구성 성분이 서로 상호작용을 할 수 있도록 대개 서로 인접하여 배열된다. 이러한 경우에, 예를 들면, 하나의 세포 캐리어로부터 인접하는 세포 캐리어로의 세포 이동(도 9) 및/또는 다른 세포 캐리어 위의 세포들 사이의 부착성 상호 작용(도 10)이 제공된다.

다른 세포 유형들 (1a), (1b), (1c)를 다루기 위해, 이들은 첫 번째로 분리된 세포 캐리어(10) 위에 제공된다(도 9, 단계 A). 세포 캐리어 위에 세포를 적재하는 것은 예를 들면 배양 배지에서 침강 공정에 의해 발생하며, 광학적 핀셋을 사 용하거나 또는 유전 전기 영동 조작에 의해 발생한다. 상기 기술된 방식으로, 세포 캐리어(10)는 예를 들면, 채널 시스템이나 또는 또 다른 액체 체적 내에서, 배양 캐리어(50)를 형성하기 위해 함께 결합할 수 있다(도 9, 단계 B). 그들의 고유 활성 이동 또는 필로포디아(filopodia, 사상족)를 통하여, 세포들은 그리고 나서 서로 접촉을 추구하고, 집합을 형성하는데, 이는 바람직하다(도 9, 단계 C). 그 후 결과 그룹들이 가능하다면 또한 다시 분리되고(도 9, 단계 D), 예를 들면 다른 배양에도 적용하기 위해 그러하다.

도 9에 나타난 과정에 따르면, 예를 들어 동물이나 인간 근원의 성인 줄기 세포, 혈액 세포, 암세포, 또는 면역 세포가 서로 상호 작용을 가져 오는 것이 가능하다.

도 9에 나타낸 과정은 세포들이 부착 상태에서 미리 예정된 방식으로 부드럽게 서로 상호 작용을 가져올 수 있고, 세포 위에 어떠한 비생리학적인 스트레스가 없다는 이점이 있다.

도 10은 단계 A, B, 및 C에서, 다른 세포 캐리어(10) 위에서 필수적인 상들과 접촉 및 다른 세포 (1d), (1e)사이에서의 결합을 나타낸다. 세포/세포 접촉은 조직 공학에서, 특히 줄기 세포 치료를 위한 의학 분야에서 예를 들면, 특정 세포 유형 내에서 분리화하는 목적을 가진 세포들을 “찍을”(imprinting) 때 중요한 역 할을 한다. 도 8과 동일한 방법으로, 서로 접촉시키기 위해 가져온 세포(1d), (1e)가 놓여 있는 세포 캐리어(10)는 채널 또는 구획의 베이스 및 커버 판(62), (63)과는 독립적으로 움직일 수 있다(단계 A). 자기력에 의해, 세포들은 차례로 위치하여 그들 사이에 10μm이하의 간격을 유지한다(단계 B).

대부분의 동물과 인간의 세포는 그 후에 자동적으로 그들의 필로포디아(filopodia)(2)를 확장하고, 활동적으로 서로 접촉을 추구한다(세포들 사이에 검은 선으로도 된 단계 B 참조). 집중적이고 광범위한 세포 접촉이 달성될 때까지, 그 후에 국부적인 접촉이 활동적으로 수립된다(단계 C). 방법이 진행됨에 따라, 수용 소자들을 가지고 서로를 향하고 있고, 부착성 세포를 매개로 결합되어 있는 두 개의 세포 캐리어로 구성된 세포 캐리어 집합체(15)는 그 후 또 다른 이동 및/또는 조작에 특히 본 발명에 따른 기술과 관련된 방식으로 조작된다.

도 11 및 도 12는 자기 작동기의 힘 소자와 관련된 다른 세부점들을 나타낸다. 세포를 가진 세포 캐리어(10)가 위치하고 있는 보유 판(holding plate, 67) 아래에, 다양한 형태의 자석(74), (75), (76)은 도 11에 나타나며, 상기 자석들은 보유 판(67)을 따라 안내되고, 그 후에 외부로부터 세포 캐리어를 움직이기 위해 측면으로 치환된다. 가능한 한 국부적으로 자기장을 형성하기 위해, 작은 접극자(armatures, 74), 팁(75) 및/또는 영구 자석(76)이 사용될 수 있다. 보유 판(67)을 향하여 마주하고 있는 자석의 면은 세포 캐리어(10)보다 훨씬 작다. 적절한 영 구 자석의 선택에 의해, 세포 캐리어들이 지나치게 가까워지면, 반발력도 생성되게 할 수 있다.

한 가지 변경된 변형에 따르면(도시되지 않음), 힘 소자는 영구 자석 코어(지름이 약 2mm)를 가진 원통형 구조 및 코어를 보호하고, 작동기 내에 힘 소자를 보유하고, 선택적인 영역 발생을 위한 외부 하우징(지름이 약 8mm)을 포함한다. 영구 자석 코어는 예를 들면, PVC와 같은 플라스틱이 하우징 안에 끼워져 있는데, 이는 예를 들면 철이나 스틸로 이루어져 있다. 영구 자석 코어 대신에 전기적으로 유도된 코일이 제공될 수 있다.

도 12는 개략적으로 복합 멀티채널 시스템의 기구 구조를 나타낸다. 도 1E(세포는 도시되지 않음)에 따른 다수의 세포 캐리어(10)는 서로 독립적으로 움직일 수 있는데, 마이크로 시스템의 베이스 판(62) 위에 위치한다. 막대 모양의 힘 소자(77)를 가지고, 세포 캐리어(10)는 베이스 판(62)의 평면에서 서로의 주위에 안내될 수 있고, 바람직한 어떠한 위치로 안내될 수 있다. 막대 모양의 힘 소자(77)는 예를 들면, 영구 자석 또는 자화 입자가 위치하는 자유 말단을 가진 캐리어 막대로 구성된다. 막대 모양 힘소자(77)를 움직이기 위해, 원래 알려져 있는 μm 범위의 정확성을 가지는 x,y,z 치환 유닛으로 구성하여 이용한다. 필요에 따라, 평형하게 작동할 수 있는 다수의 힘 소자(77)가 베이스 판(62) 아래에 배열될 수 있다. 채널의 면적이 마이크로미터에서 밀리미터 범위 안에 있을지라도, 상당한 표 면 면적의 전체 시스템은 생산될 수 있다. 이것은 심지어 유리, 플라스틱, 세라믹, 실리콘 등으로 구성된 제곱미터 범위의 판들까지 갈 수 있다.

본 발명에 따른 조작 기구(60)의 베이스 표면(61)은 바람직하게는 돌출 및/또는 함몰을 가진 표면 구조(80)를 가지는데, 상기 특별한 기능을 가진 다른 부분에 의해 서로에 대해 한계를 정할 수 있다. 유체 마이크로시스템의 경우에, 표면 구조(80)는 예를 들면 채널이나 구획으로 된 분리된 벽들에 의해 형성된다. 마이크로시스템의 표면 구조는 자유 지역(free areas, 81), 채널(82), 브랜칭(branching, 83), 고리 모양의 경로(84) 및 막힌 곳(enclosure, 85)을 포함하며, 마이크로시스템의 배열에 있어서의 다양성은, 도 13 및 도 14에 예시적 방식으로 나타내었다.

도 13은 4개의 채널 시스템을 위에서 본 모습을 나타낸 것이며, 상기 밝은 부분은 유체로 채워진 채널(82)을 나타내는 반면에, 검은 부분은 채널 벽(86)과 공간 부분(87)을 나타낸다. 밝은 부분에서, 세포 캐리어를 위한 베이스 표면은 투명하다. 둥근 세포 캐리어(10)(여기에서는 세포없이 도시됨)는 자석 또는 자기화 힘 소자(71)에 의해 베이스 판(62) 위에서 화살표 방향으로 움직일 수 있다.

결합과 세포 성장 목적(개별 세포로부터 세포 그룹으로)의 마이크로시스템에서 바람직하게 사용되는 중요한 기본 소자들은 채널(82)과 코트(courts, 85) 사이에 통로를 가진 브랜칭(83)을 포함하며, 상기 코트는 세포 캐리어가 정차하는 위치 로 사용될 수 있다(도 13). 평형하게 작동하는 채널들은 또한 경로들을 추월할 때 사용될 수 있다. 상기 소자들을 결합하는 것은 예를 들면 관찰 및 조명에 관한 많은 가능성을 가지고, 세포 조작 및 완전한 멸균 조건하에서 시험관에서의 배양을 위한 복합 마이크로시스템을 설계하는 것을 가능하게 한다.

코트(85)는 세포 캐리어를 위해 보호되는 안정위(rest position)를 형성하며, 특정한 방법 단계들이 수행될 수 있는데, 예를 들면, 배양 성장, 활성 물질과의 상호작용 및/또는 세포 캐리어에 세포 골격을 형성하거나 고정하는 것과 같은 것들이 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 조작 기구들(특히 마이크로채널 시스템)은 더욱이 광학적이고 전기적이고 유체 구성성분들이 갖추어질 수 있다. 예를 들면, 전기장을 발생시키는 전극들(전기천공, 전기 융합, 전기침투(electroosmosis), 유전영동, 전기이동)이 제공될 수 있다.

도 14는 우선 특정 세포를 가진 세포 캐리어(10)가 조작 기구(60)의 투입구(68)에 평행하게 위치하는 방법을 나타낸다. 자유 지역(81)은 세포 캐리어 체인(55)을 형성하기 위한 그룹화 지역, 막힌 곳(85)에서 특정한 상호 작용을 수행하기 위해 채널(82)로 이전되는 개별 세포 캐리어들, 정차 루프(parking loop)를 형성하는 교차 채널 또는 인접하는 채널을 형성한다. 더욱이, 세포 캐리어들은 세포 캐리어 결합 또는 그룹화 링을 형성하는 고리 모양 경로(84)위에 배열될 수 있다. 고리모양 경로(84)로부터, 브랜칭(83)은 다른 채널(82)로 이끌거나 또는 출구(69)로 향할 수 있다.

도 14는 조직 공학과 생명공학에서 그 표면 위에 세포를 “찍는” 것에 요구되는 것처럼, 세포 캐리어 조작 및 그룹화의 광범위한 가능성을 나타낸다. 더 많은 복합 채널 시스템이 또한 개발되고 네트워크화되고, 동일한 방식으로 서로 결합될 수 있다.

본 발명의 실시는 직사각형 구조에 제한되지 않는다. 도 15는 구부러진 베이스 표면(61) 위의 도 1I에 따른 세포 캐리어(10)를 나타내는데, 예를 들면, 모세관과 같이 속이 빈 원통형의 내벽에 형성된다. 속이 빈 원통형의 내부 부피는 유체가 통과하여 흐를 수 있는 채널(64)을 형성한다. 세포 캐리어(10)의 바닥 소자(30)의 적합한 형성이 이루어지면, 세포를 가진 세포 캐리어는 모든 면으로 바라는 방식으로 움직일 수 있다(부분 이미지 B, C). 이것은 세포들 사이에서 특정한 접근을 제공하기 위한 매우 많은 가능성을 초래한다. 특히 다르거나 동일한 세포 형태들을 한정된 그룹화 문제점에 대한 해결책이 제공되는데, 특히 조직 공학에서 사용된다.

도 16은 세포 집합을 위한 다른 기본적인 배열의 예시를 나타낸다. 원통형 채널(64)에 위치하고 있는 네 개의 세포 캐리어(10)는 동일하거나 다른 세포(1)가 위치하고 있다. 세포 캐리어는 사이드에서 서로 결합할 수 있으며(16A), 또는 남아있는 내부 공간이 증식에 의해 채워질 수 있으며, 심지어 거기에서 세포(1f)가 발견될 수 있다(16B). 결과적으로, 연접하는 세포 캐리어 집합(15)은 네 개의 세포 개리어로 형성되며, 이러한 집합은 결국 하나의 유닛으로서 더 조작될 수 있다. 내부 부분에서 세포들은 또한 유체를 따라 흘러나오는 세포일 수 있고, 또는 합성체일 수 있는데, 넓은 범위와 집합체의 한정된 형성의 다양한 형태는 생명공학에서 유용하다.

이러한 점에서, 자기력은 세포 집합체를 다시 분리할 수 있을 정도로 충분히 높게 형성될 수 있다고 언급될 수 있다. 이것은 대부분의 다른 방법들(유전 영동, 광학적 핀셋 등)로는 달성될 수 없지만, 조직 공학에서는 기본적으로 요구된다. 이러한 공정들은 빠르게 수행될 수 있으며, 그에 의해 세포 손상이 고려되어져야 하고, 그 밖에 세포의 부착성 접촉의 변동율에 상응하는 속도를 수행될 수 있다. 이들은 그 후에 수 내지 수백 μm/h의 범위에서의 이동 속도일 수 있다. 상기 속도는 외부 자기장을 통해서 쉽게 달성될 수 있다.

도 16C는 횡단 부분에 각이 있는 채널을 나타내는데, 각이 있는 베이스 표면(61)을 형성한다. 자기화 또는 자기 자석 소자(20, 검은색)을 가진 세포 캐리어(10)는 경로, 그루브(grooves) 등에서 이동할 수 있다. 수용 소자(40)로서 이들 위에 배열된 것은 예를 들면, 세포(도시되지 않음)들이 다시 부착할 수 있는 구형 부분이다. 이러한 방식으로, 채널 표면으로부터 세포들의 특정 거리는 달성되며, 이것은 채널 벽에 어떠한 세포의 부착을 방지하는데 도움이 된다. 레일, 가이드 및 채널 형태에서 두꺼운/얇은 부분들은 동일한 방식으로 형성될 수 있다.

상기의 기술, 특허청구범위 및 도면에서 나타난 본 발명의 특징들은, 개별적으로 및 서로 조합하여 다양한 실시예로서 본 발명을 실시하기 위하여 모두 중요할 수 있다.

본 발명의 목적은 종래 유체 마이크로시스템의 불리한 점 및 한계를 극복함으로, 예를 들면, 세포, 세포 그룹, 세포 구성성분, 또는 생물학적 활성 물질과 같은 생물학적 세포들을 조작하는 개선된 기술을 제공하는 것이다. 특히, 한 가지 가능성은 생물학적 샘플을 고체 상에 결합된 부착 상태에 개별적으로 또는 그룹으로 움직이거나 위치하게 하고 및/또는 한정된 방식으로 그들을 서로 접촉하는 것을 제공할 수 있고, 예를 들면 생화학, 유전 공학, 의학, 또는 생물학 공정 기술에서 사용가능성에 의해 가장 높은 가능한 유연성이 얻어진다. 본 발명으로, 또한 부착성 세포를 개별적으로 그리고 무균 상태에서 신뢰할 만하게 조작하는 것을 제공하는 것이 가능하다

Claims (51)

1. 자기 소자(20)를 포함하고, 생물학적 세포를 수용하는 세포 캐리어(10)에 있어서,

   적어도 한 방향에서 고체 베이스 표면 위에서 치환될 수 있는 안정한 지지체(31)를 형성하는 바닥 소자(30), 그리고

   바닥 소자(30)의 반대쪽에 있는 세포 캐리어(10)의 한 면 위의 수용 소자(40)를 포함하고, 상기 수용 소자(40)는 생물학적 샘플을 수용하기 위한 표면(41)을 가지고, 상기 수용 소자(40)는 표면(41)의 미리 예정된 부분에서 부착을 촉진하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 바닥 소자(30)가 평면 지지체(31)를 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 평면 지지체(31)는 전체 표면 위에 또는 적어도 세 개의 지지점(32)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 바닥 소자(30)는 미리 예정된 지지체 윤곽을 가지는 윤곽을 이룬 지지체(33)를 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 지지체 윤곽이 원통형 표면의 한 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 바닥 소자(30)는 부착-감소성 코팅을 가진 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 수용 소자(40)는 평면의 비구조화된 모양(41), 평면의 구조화된 모양(42), 함몰(45) 및 공동(44)으로 이루어진 표면 모양들 중 적어도 하나를 한 부분에 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바닥 소자(30)와 상기 수용 소자(40)는 차례로 배열되고 층상 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
9. 청구항 8에 있어서, 200μm 이하의 두께를 가지고, 2mm 이하의 측면 치수를 가지는 횡단 부분 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
10. 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수용 소자(40)는 부착-감소성 코팅을 제공하는 말단(47)을 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 투명한 부분(43)을 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 소자(20)는 바닥 소자(30) 및/또는 수용 소자(40)로 이루어지거나, 또는 샘플(1)에 결합하는 개별 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 소자(20)는 상자성, 강자성 및 반자성 물질로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 소자(20)는 적어도 하나의 유도 기구(induction device)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 소자(20)는 세포 캐리어(10)를 관류하는 연속적인 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
16. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 소자(20)는 세포 캐리어(10)에 분포된 다수의 부분 소자들(22, 23)을 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 부분 소자(22)는 세포 캐리어(10)의 적어도 하나의 측면 말단으로부터 거리를 두고 배열되는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
18. 청구항 16에 있어서, 상기 부분 소자(23)는 세포 캐리어(10)의 적어도 한 측면의 말단에 배열되는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
19. 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 소자(20)는 적어도 하나의 메모리 세포(24)를 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
20. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서, 서로 상보적(complementary)이 되도록 형성된 다른 면 위에 구획을 가진 외형(12)을 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
21. 청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서, 다각형 또는 둥근 외형(14)을 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
22. 청구항 1 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 세포 캐리어들(10)이 서로 인접하는 방식으로 선택된 외형(14)이 어떠한 간격도 없이 평평한 패키지를 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
23. 청구항 1 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서, 세포 캐리어(10)의 면에 적어도 하나의 돌출 부분과 적어도 하나의 오목한 부분에 의해 형성된 보호 소자(securing elements, 12)를 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
24. 청구항 1 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서, 세포 캐리어(10)의 한 면에서 돌출되는 적어도 하나의 지지 소자(11)를 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
25. 청구항 24에 있어서, 다수의 지지 소자(11)가 바닥 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
26. 청구항 1 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 증명 소자(13)를 가지는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
27. 청구항 1 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 생물학적 세포(1)를 수용하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 세포 캐리어.
28. 청구항 1 내지 청구항 27 중 어느 한 항에 있어서, 표면(41)이 10μm 내지 1cm의 범위 내에서 선택되는 측면 치수를 가지는 것을 특징으로 세포 캐리어.
29. 청구항 1 내지 청구항 28 중 어느 한 항에서 있어서, 0.5μm 내지 2000μm의 범위 내에서 선택된 높이를 가지는 것을 특징으로 세포 캐리어.
30. 청구항 1 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 있어서의 다수의 세포 캐리어를 가지고, 생물학적 세포를 수용하기 위한 배양 캐리어(50).
31. 청구항 30에 있어서, 세포 캐리어(10)가 서로 인접하여 배열되고, 상기 세포 캐리어(10)는 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 배양 캐리어.
32. 청구항 31에 있어서, 세포 캐리어들(10)이 서로 보호되는 것을 특징으로 하는 배양 캐리어.
33. 청구항 30 내지 청구항 32 중 어느 한 항에 있어서, 세포 캐리어(10)의 수용 소자(40)가 평평한 배양 캐리어의 표면(51)을 형성하는 것을 특징으로 하는 배양 캐리어.
34. 청구항 30 내지 청구항 33 중 어느 한 항에 있어서, 세포 캐리어(10)의 수용 소자(40)가 구부러진 배양 캐리어 표면(52)을 형성하는 것을 특징으로 하는 배양 캐리어.
35. 청구항 30 내지 청구항 34 중 어느 한 항에 있어서, 세포 캐리어(10)의 수용 소자(40)가 단계를 가지는 배양 캐리어 표면(53)을 형성하는 것을 특징으로 하는 배양 캐리어.
36. 생물학적 샘플을 위한 조작 기구(60)에 있어서,

    청구항 1 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 있어서의 적어도 하나의 세포 캐리어(10)를 위치시키기 위해 적응된 고체 베이스 표면(61), 및

    적어도 하나의 세포 캐리어(10) 위에 자기력을 행사하는 작동기(70)를 포함하는 조작 기구.
37. 청구항 36에 있어서, 베이스 표면(61)이 평평한 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
38. 청구항 36에 있어서, 베이스 표면(61)이 구부러진 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
39. 청구항 36 내지 청구항 38 중 어느 한 항에 있어서, 베이스 표면이 돌출 및/또는 함몰을 가진 표면 구조(80)를 가지는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
40. 청구항 39에 있어서, 표면 구조(80)가 자유 지역(81), 채널(82), 브랜칭(83), 고리모양의 경로(84) 및 코트(85)로 이루어진 형상화된 소자들의 군에서 선택된 적어도 하나의 형상화된 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
41. 청구항 36 내지 청구항 40 중 어느 한 항에 있어서, 두 개의 베이스 표면(61)이 제공되고, 상기 베이스 표면의 자유 표면들이 그들 사이에 공간을 가지고 서로 마주보고, 양자가 세포 캐리어를 수용하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
42. 청구항 36 내지 청구항 41 중 어느 한 항에 있어서, 베이스 표면(61)이 적어도 부분에 자석 또는 자기화 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
43. 청구항 36 내지 청구항 42 중 어느 한 항에 있어서, 작동기(70)가 영구 자석, 상자성체, 강자성체, 반자성체, 전기적으로 유도된 자석 및, 자석 유체로 이루어진 힘 소자들의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 힘 소자(71, 73-77)를 가지는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
44. 청구항 43에 있어서, 힘 소자(71, 73-77)는 치환 기구(72)에 의해 베이스 표면(61)과 관련하여 치환될 수 있는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
45. 청구항 36 내지 44 중 어느 한 항에 있어서, 모니터링 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 조작 기구.
46. 적어도 하나의 세포 캐리어(10) 위에 적어도 하나의 샘플(1)을 위치시켜서, 고체 베이스 표면(61) 위에서 치환될 수 있도록 배열되고, 그리고,

    자기력을 행사함으로 샘플(1)을 가진 세포 캐리어(10)를 움직이는 단계들을 포함하는 생물학적 샘플들을 조작하는 방법.
47. 청구항 46에 있어서, 다수의 세포 캐리어들이 서로 인접하여 위치하여, 세포 캐리어 위의 세포(1) 및/또는 세포 구성성분들이 서로 상호작용에 들어가는 것을 특징으로 하는 생물학적 샘플들을 조작하는 방법.
48. 청구항 47에 있어서, 세포(1)가 인접하는 세포 캐리어(10)들 사이에서 움직이는 것을 특징으로 하는 생물학적 세포들을 조작하는 방법.
49. 청구항 47에 있어서, 인접하는 세포 캐리어들 위의 세포(1) 및/또는 세포 구성성분들이 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 생물학적 세포들을 조작하는 방법.
50. 청구항 49에 있어서, 인접하는 세포 캐리어들(10) 위에서 세포를 세포학적으로 찍는 것이 발생하는 것을 특징으로 하는 생물학적 세포들을 조작하는 방법.
51. 청구항 50에 있어서, 자기력이 샘플(1) 및/또는 세포 캐리어(10) 위에 작용하는 것을 특징으로 하는 생물학적 세포들을 조작하는 방법.

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