KR20070014370A - Patch clamp system and method for giga sealing using the same - Google Patents

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Abstract

A patch clamp system and method for sealing of a cell by using the same system are provided to increase reliability of patch clamping by applying cell culture process to the cell absorbed in the area where the patch clamping process is performed, and improve sealing properties of the adsorbed cell. The patch clamp system comprises a substrate structure and a cell attachment-inhibiting membrane(115), wherein the substrate structure contains a substrate consisting of a silicon substrate(111) and a silicon nitride layer(112), and a cell-adsorbing layer(114) coated with a cell adsorption-supporting material; the cell attachment-inhibiting membrane defines the cell adsorption area on the substrate structure and contains a poring channel(113) in the center of the cell adsorption area where poring of the cell is performed; the cell adsorption-supporting material is fibronectin, collagen or PLL(poly-L-lysine); the cell attachment-inhibiting membrane contains polyethylene glycol(PEG); and the cell-adsorbing layer consists of silicon oxide.

Description

패치 클램프 시스템 및 이를 이용한 세포 밀봉 방법{Patch clamp system and method for giga sealing using the same}Patch clamp system and method for giga sealing using the same

도 1은 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템의 사시도.1 is a perspective view of a patch clamp system according to the present invention.

도 2는 도 1의 A-A`선에 따른 단면도. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1.

도 3은 시간의 경과에 따른 세포의 기가 밀봉 정도를 나타낸 그래프.3 is a graph showing the degree of giga sealing of cells over time.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 패치 클램핑 시스템의 제작 공정을 설명하기 위한 공정 단면도. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the patch clamping system according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing

111 : 실리콘 기판 112 : 실리콘 질화물층111 silicon substrate 112 silicon nitride layer

113 : 포어링 채널 114 : 세포 안착층113: pore channel 114: cell seating layer

115 : 세포 부착 억제막 110 : 단위 패치 클램프 영역115: cell adhesion inhibitory membrane 110: unit patch clamp region

100 : 패치 클램프 시스템 A : 세포 안착 영역100: patch clamp system A: cell seating area

본 발명은 패치 클램프 시스템 및 이를 이용한 세포 밀봉 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세포 이온 채널의 기가 밀봉 특성을 향상시켜 패치 클램핑의 신뢰도를 높일 수 있는 패치 클램프 시스템 및 이를 이용한 세포 밀봉 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a patch clamp system and a cell sealing method using the same. More particularly, the present invention relates to a patch clamp system and a cell sealing method using the same, which improves the sealing property of a cell ion channel, thereby increasing the reliability of patch clamping. .

반도체 가공 기술을 전자기계시스템으로 응용한 MEMS(Micro electro mechanical system) 기술은 정보통신분야, 초소형 기계, 초소형 센서, 디스플레이 등에서 눈부신 발전을 거듭해 응용분야를 계속 확대해 오고 있다. 특히, 90년대 말부터 생명공학분야에 이 기술을 접목한 Bio-MEMS 분야는 마이크로 플루이딕스(Microfluidics)의 유용한 특성을 이용하여 모세관 전기이동(Capillary Electrophoresis)을 비롯한 여러 생화학 분석장치에서 우수한 특성을 보이면서 다양한 응용분야를 열고 있다. 미세가공기술로 제작된 바이오 칩(Bio-chip)은 마이크로/나노 가공기술과 생명공학기술을 결합하여 극미량의 혈액이나 뇨, 타액 등과 같은 실질적인 생체시료로부터 유전자, 단백질, 세포 및 대사물질과 같은 생체물질을 추출, 분석하는 소자이다. MEMS (Micro electro mechanical system) technology, which uses semiconductor processing technology as an electromechanical system, has continued to expand its field of application with remarkable developments in the information and communication field, micro machines, micro sensors and displays. In particular, the Bio-MEMS field, which incorporates this technology into biotechnology since the late 90s, shows excellent characteristics in various biochemical analytical devices, including capillary electrophoresis, using the useful properties of microfluidics. It is open to various applications. Bio-chip manufactured by micro-processing technology combines micro / nano processing technology and biotechnology technology to produce biological materials such as genes, proteins, cells, and metabolites from practical biological samples such as trace amounts of blood, urine, and saliva. The device extracts and analyzes materials.

현재 진행되고 있는 질병 진단에는 체액시료에 있는 바이러스, 박테리아 또는 단백질을 실험실 내의 각종 여러 장비를 사용하여 추출, 분리하여 표적물질을 수 밀리 또는 마이크로 수준에서 다양한 방법으로 검출하여 병의 상태를 파악한다. 앞으로는 DNA 칩이나 단백질 칩과 같은 바이오 칩을 이용한 생명공학의 급속한 발전과 더불어 질병진단의학의 대단한 혁명을 가져올 것으로 예견되고 있다. 최근에 는 MEMS 기술을 이용하여 시료의 희석, 혼합, 반응, 분리, 정량 등 모든 단계를 하나의 칩 상에서 수행하도록 만든 랩 온 어 칩(Lab on a chip, LOC)의 개발이 궁극적인 목표로 진행되고 있다. Current disease diagnosis involves the extraction and separation of viruses, bacteria, or proteins from body fluid samples using various equipment in the laboratory to detect disease status by detecting various targets at the millimeter or micro level. In the future, the rapid development of biotechnology using biochips such as DNA chips and protein chips is expected to bring about a revolution in disease diagnosis medicine. Recently, the ultimate goal is to develop a lab on a chip (LOC) that uses MEMS technology to perform all steps, such as dilution, mixing, reaction, separation, and quantification, on a single chip. It is becoming.

한편, 기존의 마이크로 바이오칩에 대한 연구는 주로 DNA나 단백질에 대한 것에 치중되어 DNA 분석, 단백질 분석이나 질병진단 그리고 HTS(High Throughput Screening)를 위한 칩에 치중되어 왔으나 생체 시스템에 대한 원리를 시스템적으로 접근하고자 하는 시도를 위해 생체 시스템의 가장 작은 단위인 세포를 이용한 바이오 칩에 대한 연구가 최근 수행되고 있다. 세포는 외부 자극물질에 민감하게 반응하므로 세포를 이용하는 방법으로 독성을 검출하는 세포 기반의 바이오칩 센서가 개발되었고 병원에서 사용되는 FACS(Fluorescence Activated Cell Sorter)를 마이크로 가공기술로 정밀하게 세포를 분리하는 기술이 개발되었다. 마이크로 가공기술을 이용할 경우 10㎛ 정도의 크기를 갖는 세포를 매니퓰레이션(manipulation) 하기가 용이하므로 기존에 사람이 하던 작업의 노동력과 시간을 많이 절감할 수 있게 된다. On the other hand, the researches on the existing micro biochips have been mainly focused on DNA or protein, and have been focused on chips for DNA analysis, protein analysis or disease diagnosis, and high throughput screening (HTS). Recently, research on biochips using cells, which are the smallest units of a biological system, has been carried out in an attempt to approach. Since cells react sensitively to external stimulants, cell-based biochip sensors that detect toxicity by using cells have been developed, and technology for separating cells precisely using microfluidic technology from FACS (Fluorescence Activated Cell Sorter) used in hospitals. This was developed. By using micro-processing technology, it is easy to manipulate a cell having a size of about 10 μm, thus saving a lot of labor and time of a conventional work.

기존의 신약개발은 약으로 쓰일 후보 화학물질을 스크리닝(screening)하고 난 후 동물실험을 통해 검증을 실시하였으나 신약개발 주기가 12년 정도에서 8년 정도로 줄어들었고 향후에는 4년 정도의 주기를 가질 것으로 예상됨에 따라 스크리닝에 필요한 시간과 경비를 줄이기 위해 스크리닝 작업 자동화를 위한 바이오 칩이 개발되었다. 바이오 물질들간의 상호작용 연구를 위해 마이크로 어레이(micro-array)가 사용되고 있으며 마이크로 플루이딕스를 기반으로 한 시스템도 현재 개발 되어 사용되고 있다. 그러나, 스크리닝된 후보물질은 최종적으로 동물실험과 임상실험의 결과를 가지고 약의 효능과 안전성을 검사하여야 하므로 그 분석결과를 피드백(feedback)하여 최적화해야 한다. 그러므로, 동물실험 전에 살아있는 생체세포에 독성실험을 먼저 수행하여 약 20∼30% 정도의 약물 후보 물질을 스크리닝하는 절차를 거치게 된다. 이 단계에서 후보물질에 대한 최적화를 위한 피드백 시간을 줄이기 위해 약물의 잠재성과 안정성, 독성, 효과 등을 분석하기 위한 생체세포 스크리닝이 수행되는 것이다. Existing drug development was validated through animal experiments after screening candidate chemicals to be used as drugs, but the new drug development cycle has been reduced from about 12 years to about 8 years and will have a 4 year cycle in the future. As expected, biochips have been developed to automate screening tasks to reduce the time and expense required for screening. Micro-arrays are used to study interactions between biomaterials, and microfluidics-based systems are currently being developed and used. However, the screened candidates should be finally optimized by feedback from the assay, since the efficacy and safety of the drug should be examined with the results of animal and clinical trials. Therefore, prior to animal testing, toxicity experiments are first performed on living living cells to screen about 20-30% of drug candidates. At this stage, biological cell screening is performed to analyze the potential, stability, toxicity and effects of the drug to reduce the feedback time for optimization of the candidate.

최근 들어, 이와 같은 독성 검사단계에서 바이오 칩을 이용하여 세포의 개수와 형상변화, 약물에 대한 내부 세포의 이온농도 변화 등을 분석하는 HCS(High Content Screening)가 사용되고 있다. 주로 형광 단백질을 이용하여 후보물질에 대한 살아있는 세포반응을 다양하게 분석함으로써 동물실험 전에 후보물질을 스크리닝하는 방법이다. Recently, HCS (High Content Screening) has been used to analyze the number and shape of cells, changes in ion concentration of internal cells for drugs, and the like using biochips in the toxicity test step. It is a method of screening candidates before animal experiments by analyzing various live cell responses to candidates using mainly fluorescent proteins.

한편, 세포의 활성도 분석이나 유전자 발현 등의 연구에 있어 세포 내부의 이온 채널에 대한 분석은 매우 중요하며 세포의 이온 채널을 목표로 하는 약물에 대해서는 이온 채널 분석방법이 쓰여져야 하는데 이온 채널의 기능을 분석하는 가장 유력한 분석도구는 Hamil 에 의해 개발된 패치 클램프(patch clamp) 방법이다. On the other hand, in the analysis of cell activity and gene expression, the analysis of the ion channel inside the cell is very important and the ion channel analysis method should be used for the drug targeting the cell's ion channel. The most prominent analytical tool to analyze is the patch clamp method developed by Hamil .

상기 패치 클램프 방법은 현미경 하에서 마이크로 매니퓰레이터(micromanipulator)에 의해 구동되는 유리 피펫(glass pipette)을 사용하여 세포벽(cell membrane) 패치를 흡입하여 1 GΩ 정도의 고저항 밀봉(sealing)을 형성한 후 이온 채널을 통한 세포벽 패치나 전체 세포의 세포벽에서의 전류를 측정한다. 비록 많은 개선이 있었지만 이 실험방법은 세포에 피펫을 위치시키기 위해 매우 숙달된 기술을 가진 실험자에 의해서만 가능하며 많은 노동력과 시간을 요구한다. 이러한 이유로 인해 많은 처리량이 요구되는 단백질학 연구나 신약개발에 널리 사용되지 않고 주로 단일 세포 내에서의 물리적 현상을 고찰하기 위한 연구 도구로만 쓰여지고 있다. The patch clamp method uses a glass pipette driven by a micromanipulator under a microscope to inhale a cell membrane patch to form a high resistance seal of about 1 GΩ, followed by ion channels. Measure the current in the cell wall patch or cell wall of the whole cell through. Although there have been many improvements, this method is only possible by experimenters who are very skilled at placing pipettes in cells and require a lot of labor and time. For this reason, it is not widely used for proteomics research or drug development that requires high throughput, but is mainly used as a research tool for examining physical phenomena in a single cell.

최근, 마이크로 가공기술을 적용하여 매니퓰레이션 등을 자동화한 패치 클램프 장치가 개발되고 있다. 이러한 자동화된 패치 클램프 장치를 개발하는 회사로는 PatchXpress 社, Nanion Technologies 社, Sophion Bioscience 社 등을 들 수 있다. 그러나, 이온 채널에서 기가 밀봉(Giga sealing)이 완벽히 되지 않아 신호의 잡음에 문제가 있으며 고정도(高靜度)의 실리콘(Si) 또는 석영(SiO2, Quartz)을 바탕으로 한 공정 비용이 높은 단점이 있다. Recently, patch clamp devices have been developed by applying micromachining technology to automate manipulation. Companies that develop such automated patch clamp devices include PatchXpress, Nanion Technologies, and Sophion Bioscience. However, due to incomplete giga sealing in the ion channel, there is a problem in signal noise and a high process cost based on high-precision silicon (Si) or quartz (SiO 2 , Quartz). There are disadvantages.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 세포 이온 채널의 기가 밀봉 특성을 향상시켜 패치 클램핑의 신뢰도를 높일 수 있는 패치 클램프 시스템 및 이를 이용한 세포 밀봉 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a patch clamp system and a cell sealing method using the same by improving the group sealing characteristics of the cell ion channel to increase the reliability of patch clamping.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템은 기판 구 조물과 상기 기판 구조물 상에 구비되는 세포 부착 억제막의 조합으로 이루어지며, 상기 세포 부착 억제막에 의해 상기 기판 구조물 상의 소정 영역이 세포가 안착되는 세포 안착 영역으로 정의되고, 상기 세포 안착 영역의 중심부에는 세포에 대한 포어링이 진행되는 공간을 제공하는 포어링 채널이 구비되며, 상기 기판 구조물은 기판과 세포 안착층의 이중층 구조로 되고 상기 세포 안착층 상에는 세포의 흡착을 촉진시키는 세포 흡착 보조 물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 한다. The patch clamp system according to the present invention for achieving the above object is made of a combination of the substrate structure and the cell adhesion inhibitory film provided on the substrate structure, the predetermined area on the substrate structure by the cell adhesion inhibitory membrane cells Is defined as a cell seating area to be seated, the center of the cell seating area is provided with a pore channel for providing a space for the poring to the cell, the substrate structure is a double layer structure of the substrate and the cell seating layer On the cell seating layer, a cell adsorption auxiliary material for promoting the adsorption of cells is coated.

바람직하게는, 상기 세포 흡착 보조 물질은 파이브로넥틴(fibronectin), 콜라겐(Collagen), PLL(Poly-L-Lysine) 중 어느 하나이다. Preferably, the cell adsorption auxiliary material is any one of fibronectin, collagen, Poly-L-Lysine (PLL).

바람직하게는, 상기 세포 부착 억제막은 PEG(Poly Ethylene Glycol)를 포함한다.Preferably, the cell adhesion inhibitory membrane comprises Poly Ethylene Glycol (PEG).

바람직하게는, 상기 세포 안착층은 실리콘 산화물로 구성된다.Preferably, the cell seating layer is composed of silicon oxide.

바람직하게는, 상기 기판은 실리콘 기판과 실리콘 질화물층의 이중층으로 이루어진다. Preferably, the substrate consists of a double layer of a silicon substrate and a silicon nitride layer.

본 발명에 따른 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법은 세포가 안착되는 세포 안착 영역을 구비하여 세포 공급, 포어링, 전류 측정 등의 일련의 패치 클램프 과정을 수행하는 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법에 있어서, 상기 세포 안착 영역 상에 세포 흡착 보조 물질이 도포된 상태에서 상기 세포 안착 영역에 세포를 안착시키는 세포 공급 과정을 진행한 후, 해당 세포를 소정 시간 동안 배양시켜 상기 세포와 세포 안착 영역 사이의 기가 밀봉이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다. Cell sealing method using a patch clamp system according to the present invention is a cell sealing method using a patch clamp system having a cell seating area on which cells are seated to perform a series of patch clamping processes such as cell supply, pore, current measurement, etc. In the above, the cell adsorption auxiliary material is applied on the cell seating area, the cell supply process for seating the cell in the cell seating area is carried out, and then the cells are cultured for a predetermined time between the cell and the cell seating area. It is characterized in that the group is sealed.

바람직하게는, 상기 세포의 배양은 2∼3 시간 동안 진행된다. Preferably, the culture of the cells is carried out for 2-3 hours.

바람직하게는, 상기 세포 공급 과정은, 상기 세포 안착 영역 및 세포 부착 억제막 영역으로 구분되는 패치 클램프 시스템 상에 세포를 제공하는 단계와, 소정의 세척액을 이용하여 상기 세포 부착 억제막 영역 상에 위치하는 세포들을 제거하여 상기 세포 안착 영역에만 세포를 존재하도록 하는 단계로 이루어진다. Preferably, the cell supply process, the step of providing a cell on the patch clamp system divided into the cell seating region and the cell adhesion inhibitory membrane region, and located on the cell adhesion inhibitory membrane region using a predetermined wash solution Removing the cells so that the cells exist only in the cell seating region.

바람직하게는, 상기 패치 클램프 시스템 상에 제공되는 세포들은 세포 외액과 동일한 이온 농도를 갖는 소정의 용액 속에 포함된다. Preferably, the cells provided on the patch clamp system are included in a predetermined solution having the same ion concentration as the extracellular fluid.

바람직하게는, 상기 세척액은 물, 미디어 용액(Media solution) 중 어느 하나이다. Preferably, the washing solution is any one of water and media solution.

본 발명의 특징에 따르면, 패치 클램핑 과정이 진행되는 영역에 세포를 안착시킨 후 소정의 세포 배양 과정을 적용하여 안착된 세포의 기가 밀봉 특성을 향상시켜 패치 클램핑의 신뢰도를 높일 수 있게 된다. According to a feature of the present invention, the cells are seated in a region where the patch clamping process is performed, and then a predetermined cell culture process is applied to improve the sealing properties of the seated cells, thereby increasing the reliability of patch clamping.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A`선에 따른 단면도이다. Hereinafter, a patch clamp system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a perspective view of a patch clamp system according to the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view taken along the line AA 'of FIG.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템(100)은 복수개의 단위 패치 클램프 영역(110)으로 구성되며 각각의 단위 패치 클램프 영역(110)은 소정의 세포에 대하여 패치 클램핑을 수행하는 최소 단위의 영역이다. 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템(100)은 상기 단위 패치 클램프 영역(110)이 반복 배치 된 것으로 표현할 수도 있다. 따라서, 상기 단위 패치 클램프 영역(110)은 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템의 축소판이라 할 수 있으며 이하에서는, 상기 단위 패치 클램프 영역의 구조를 통해 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템의 구조를 설명하기로 한다. As shown in FIG. 1, the patch clamp system 100 according to the present invention includes a plurality of unit patch clamp regions 110, and each unit patch clamp region 110 performs patch clamping on predetermined cells. The area of the minimum unit. The patch clamp system 100 according to the present invention may be expressed as the unit patch clamp region 110 is repeatedly arranged. Therefore, the unit patch clamp region 110 may be referred to as a miniature version of the patch clamp system according to the present invention. Hereinafter, the structure of the patch clamp system according to the present invention will be described through the structure of the unit patch clamp region. .

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템은 크게 기판 구조물과 상기 기판 구조물 상에 구비된 세포 부착 억제막(115)의 조합으로 이루어진다. As shown in FIG. 2, the patch clamp system according to the present invention is composed of a combination of a substrate structure and a cell adhesion suppressing layer 115 provided on the substrate structure.

상기 기판 구조물은 기판과 세포 안착층(114)으로 구성된다. 상기 기판은 실리콘 기판(111)이 사용될 수 있으며 상기 실리콘 기판(111)의 선택적 식각 공정 수행을 위해 상기 실리콘 기판(111) 상에 실리콘 질화물층(SiNx)(112)이 적층될 수 있다. 상기 실리콘 질화물층(112) 상에는 세포가 직접 접촉되는 세포 안착층(114)이 구비된다. 상기 세포 안착층(114)은 세포의 기가 밀봉 특성이 우수한 물질이 사용되는 것이 바람직하며 구체적으로, 실리콘 산화물(SiO2), PDMS(Poly dimethyl siloxane) 등이 사용될 수 있다. The substrate structure consists of a substrate and a cell seating layer 114. As the substrate, a silicon substrate 111 may be used, and a silicon nitride layer (SiN x ) 112 may be stacked on the silicon substrate 111 to perform a selective etching process of the silicon substrate 111. On the silicon nitride layer 112 is provided a cell seating layer 114 in direct contact with the cells. The cell seating layer 114 may be a material having excellent cell sealing properties. Specifically, silicon oxide (SiO 2 ), poly dimethyl siloxane (PDMS), or the like may be used.

한편, 도 1에 도시한 바와 같이 각각의 단위 패치 클램프 영역의 중심에는 소정의 개구부가 구비되는데 이를 포어링 채널(poring channel)(113)이라고 칭하기로 한다. 상기 포어링 채널(113)을 통해 세포의 포어링, 전류 측정 등의 일련의 패치 클램핑 과정이 진행됨에 따라 세포의 기가 밀봉 특성을 향상시키기 위해서 상기 기판 상에 구비되는 세포 안착층(114)은 상기 기판 상부뿐만 아니라 상기 포어링 채널(113)의 내측에도 구비되는 것이 바람직하다. Meanwhile, as shown in FIG. 1, a predetermined opening is provided at the center of each unit patch clamp region, which will be referred to as a poring channel 113. As a series of patch clamping processes, such as cell pore and current measurement, are performed through the pore channel 113, the cell seating layer 114 provided on the substrate to improve the sealing property of the cell is provided. It is preferably provided not only on the substrate but also on the inside of the pore channel 113.

도면에 도시하지 않았지만 상기 세포 안착층(114)의 상부 표면 상에는 세포의 흡착성을 향상시키는 역할을 수행하는 세포 흡착 보조 물질이 도포되어 있다. 상기 세포 흡착 보조 물질로는 파이브로넥틴(fibronectin), 콜라겐(Collagen), PLL(Poly-L-Lysine) 등이 사용될 수 있다. Although not shown in the figure, a cell adsorption auxiliary material is applied on the upper surface of the cell seating layer 114 to improve the adsorption of cells. Fibroectin, collagen, Poly-L-Lysine, and the like may be used as the cell adsorption aid.

한편, 전술한 바와 같이 상기 기판과 세포 안착층(114)으로 구성되는 기판 구조물 상의 일측에는 세포 부착 억제막(115)이 구비된다. 상기 세포 부착 억제막(115)에 의해 상기 기판 구조물 상의 소정 영역이 세포 안착 영역(A)으로 정의된다. 상기 세포 안착 영역(A)은 세포가 안착되어 세포를 대상으로 일련의 패치 클램핑 과정이 진행될 수 있는 기반을 제공하는 공간으로서 상기 세포 안착 영역(A)의 중심부에는 상기 포어링 채널(113)이 구비된다. 상기 세포 부착 억제막(115)은 상기 세포 부착 억제막(115) 상에 세포가 흡착되는 것을 방지하여 궁극적으로 상기 세포 안착 영역(A) 상에 세포가 흡착되도록 유도하는 역할을 수행하며, PEG(Poly Ethylene Glycol) 등이 세포 부착 억제막(115)으로 사용될 수 있다. On the other hand, as described above, one side on the substrate structure consisting of the substrate and the cell seating layer 114 is provided with a cell adhesion inhibiting film 115. The predetermined area on the substrate structure is defined as the cell seating region A by the cell adhesion inhibiting layer 115. The cell seating area (A) is a space that provides a base for a series of patch clamping process to the cell is seated to the cell, the foreing channel 113 is provided in the center of the cell seating area (A) do. The cell adhesion inhibiting layer 115 prevents cells from adsorbing on the cell adhesion inhibiting layer 115 and ultimately induces cell adsorption onto the cell seating region A. Poly Ethylene Glycol) and the like may be used as the cell adhesion inhibiting membrane 115.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 패치 클램핑 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법을 설명하면 다음과 같다. Referring to the cell sealing method using a patch clamping system according to the present invention having such a configuration as follows.

먼저, 복수개의 단위 패치 클램프 영역을 구비하는 본 발명에 따른 패치 클램핑 시스템 상에 분석하고자 하는 세포들을 공급한다. 이 때, 상기 세포들은 세포 외액과 동일한 이온 농도를 갖는 소정의 용액에 포함되어 있어 상기 용액의 공급에 의해 세포들이 공급된다. First, cells to be analyzed are supplied onto a patch clamping system according to the present invention having a plurality of unit patch clamp regions. At this time, the cells are contained in a predetermined solution having the same ion concentration as the extracellular fluid, so that the cells are supplied by the supply of the solution.

이와 같이 상기 패치 클램프 시스템 상에 세포들이 공급된 상태에서 소정 시간이 경과되면 상기 세포들은 해당 세포들이 접촉하고 있는 면의 특성에 따라 흡착 정도에 차이가 발생하게 된다. 구체적으로 설명하면, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 패치 클램프 시스템은 평면적으로 세포 부착 억제막(115) 영역과 상기 세포 부착 억제막(115)에 의해 정의되는 세포 안착 영역(A)으로 구분되며 상기 세포 안착 영역(A)에는 세포의 흡착을 촉진시키는 세포 흡착 보조 물질이 도포되어 있다. 이에 따라, 상기 세포 안착 영역(A)에 위치하는 세포는 상기 세포 흡착 보조 물질에 의해 흡착이 촉진되며 이에 반해, 상기 세포 부착 억제막(115) 상에 위치하는 세포들은 세포 부착 억제막(115)의 세포 부착 억제 특성에 의해 상대적으로 흡착 강도가 약하게 된다. As such, when a predetermined time elapses while cells are supplied on the patch clamp system, the cells may have a difference in degree of adsorption depending on the characteristics of the surface to which the cells are in contact. Specifically, as described above, the patch clamp system according to the present invention may be planarly divided into a cell adhesion inhibiting layer 115 region and a cell seating region A defined by the cell adhesion suppressing membrane 115. The cell seating region A is coated with a cell adsorption auxiliary substance that promotes cell adsorption. Accordingly, the cells located in the cell seating region A are promoted to be adsorbed by the cell adsorption auxiliary material, whereas the cells located on the cell adhesion inhibiting membrane 115 are cell adhesion inhibiting membrane 115. Adsorption strength is relatively weak due to the cell adhesion suppression property of

이와 같은 상태에서 상기 패치 클램프 시스템 상부면에 대한 세척 공정을 진행한다. 상기 세척 공정은 상기 세포 부착 억제막(115) 상에 위치하는 세포들을 제거하기 위한 공정으로서 상기 세척 공정에 사용되는 세척액은 물(water), 미디어 용액(Media solution) 등이 적용될 수 있다. 상기 세척 공정에 의해 상대적으로 흡착 강도가 낮은 상기 세포 부착 억제막(115) 상의 세포들은 제거되어 상기 세포 안착 영역(A)에만 세포들이 존재하게 된다. In this state, the cleaning process is performed on the upper surface of the patch clamp system. The washing process is a process for removing cells located on the cell adhesion inhibiting membrane 115. The washing solution used in the washing process may be water, a media solution, or the like. By the washing process, the cells on the cell adhesion inhibiting layer 115 having a relatively low adsorption strength are removed so that the cells exist only in the cell seating region A.

통상, 패치 클램핑 과정은 소정의 패치 클램핑 장치의 특정 위치에 세포를 공급하는 세포 공급 과정, 상기 세포의 세포막을 뚫는 포어링(poring) 과정, 세포의 내액과 외액에 대한 전류 측정 및 분석 과정으로 구성되는데, 본 발명에 있어서 상기 세척 공정 수행에 의해 상기 세포 안착 영역(A)에만 선택적으로 세포를 위치 시키는 것은 상기 세포 공급 과정이 완료됨을 의미한다. In general, the patch clamping process includes a cell supply process for supplying a cell to a specific position of a predetermined patch clamping device, a poring process through the cell membrane of the cell, and a current measurement and analysis process for the inner and outer fluids of the cell. In the present invention, by selectively positioning the cells only in the cell seating area (A) by performing the washing process means that the cell supply process is completed.

한편, 상기 세포 내액 및 외액에 대한 전류 측정 및 분석 과정의 신뢰성이 담보되기 위해서는 측정되는 전류에 잡음(noise)이 최소화되어야 한다. 또한, 상기 잡음의 최소화를 기하기 위해서는 세포 내액과 외액 각각을 대상으로 진행되는 전류 측정시 내액과 외액의 전기적 특성이 서로 영향을 받지 않아야 된다. 상기 세포 내액과 세포 외액이 전기적으로 서로 영향을 받지 않기 위해서는 상기 세포 내액 영역과 세포 외액 영역이 전기적으로 완벽한 절연 상태 즉, 기가 밀봉(giga sealing) 상태를 이루어야 한다. 여기서, 상기 세포 내액 영역은 도 2를 참조하여 보면 상기 세포 내의 세포 내액 및 상기 세포 하부의 상기 포어링 채널(113) 등을 포함하는 영역을 의미하며 상기 세포 외액 영역은 상기 세포의 세포막 기준으로 상부 영역을 의미한다. 상기 기가 밀봉이 요구되는 부위는 상기 세포의 세포막과 상기 세포 안착 영역(A) 표면 사이이며 이와 같은 기가 밀봉이 담보되어야만 이후의 포어링 과정 및 전류 측정 과정의 신뢰성이 향상된다. On the other hand, in order to ensure the reliability of the current measurement and analysis process for the intracellular and external fluids, noise must be minimized in the measured current. In addition, in order to minimize the noise, the electrical properties of the inner liquid and the outer liquid should not be influenced by each other when measuring the current proceeding for each of the intracellular and outer liquids. In order for the intracellular fluid and the extracellular fluid to not be electrically influenced by each other, the intracellular fluid region and the extracellular fluid region must be electrically insulated, that is, a giga sealing state. Here, the intracellular fluid region refers to a region including the intracellular fluid in the cell and the pore channel 113, etc. in the lower part of the cell, and the extracellular fluid region is an upper part based on the cell membrane of the cell. It means an area. The part where the giga sealing is required is between the cell membrane of the cell and the surface of the cell seating area (A). Such a giga sealing must be ensured to improve the reliability of the subsequent pore process and the current measurement process.

따라서, 상기 포어링 과정의 진행 전에 즉, 세포 공급 과정에 있어서 상기 공급된 세포의 기가 밀봉 상태가 이루어져야 한다. 본 발명에 있어서 전술한 바와 같이 상기 세척 공정 수행에 의해 상기 세포 안착 영역(A)에만 선택적으로 세포를 위치시킬 수 있었다. Therefore, the group of the supplied cells must be sealed before the pore process, that is, in the cell supply process. In the present invention, as described above, the cells could be selectively positioned only in the cell seating region (A) by performing the washing process.

이에 더해, 본 발명은 완벽한 기가 밀봉 특성을 담보하기 위해 상기 세포 안착 영역(A)에 안착된 세포를 대상으로 세포 배양 과정을 진행한다. 상기 세포 배양 과정이란 상기 세포 안착 영역(A)에 안착된 세포를 일정 시간 동안 배양하는 것을 의미한다. 상기 세포 안착 영역(A)에는 세포 흡착 보조 물질이 도포되어 있어 안착된 세포의 흡착 강도가 높아지는데 이와 같은 세포의 흡착 강도는 시간의 경과에 따라 그 흡착 강도가 도 3의 그래프에서와 같이 증가한다. 상기 흡착 강도 향상을 위해 요구되는 시간 즉, 세포 배양 시간은 2∼3 시간 정도가 바람직하다. In addition, the present invention proceeds the cell culture process for the cells seated in the cell seating area (A) to ensure the complete giga sealing properties. The cell culturing process means culturing the cells seated in the cell seating region (A) for a predetermined time. The cell adsorption aid (A) is coated with a cell adsorption aid material, so that the adsorption strength of the seated cells increases, and the adsorption intensity of such cells increases with time as shown in the graph of FIG. 3. . The time required for improving the adsorption strength, that is, the cell culture time is preferably about 2 to 3 hours.

이와 같은 세포 배양 과정을 통해 세포의 기가 밀봉 특성을 향상시킬 수 있으며 이후의 포어링 과정 및 전류 측정 과정 수행시 그 결과의 신뢰도를 담보할 수 있게 된다. Through such a cell culture process, the cell can improve the sealing property and it is possible to guarantee the reliability of the result during the subsequent pore process and current measurement process.

한편, 상기의 기가 밀봉 과정이 진행되는 기반을 제공하는 본 발명에 따른 패치 클램핑 시스템의 제작 공정을 설명하면 다음과 같다. 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 패치 클램핑 시스템의 제작 공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다. On the other hand, the manufacturing process of the patch clamping system according to the present invention that provides a basis for the above giga sealing process is described as follows. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the patch clamping system according to the present invention.

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이 기판을 준비한다. 상기 기판은 실리콘 기판(111)을 사용할 수 있으며 상기 실리콘 기판(111)의 선택적 식각을 원활히 수행하기 위해 상기 실리콘 기판(111) 상에 실리콘 질화물층(112)을 구비시킬 수 있다. 이와 같은 상태에서, 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 통해 상기 실리콘 질화물층(112)의 소정 부위를 식각하여 포어링 채널(113)을 형성한다. 여기서, 상기 포어링 채널(113)의 폭(d)이 0.1∼2㎛ 정도가 바람직하며, 상기 실리콘 질화물층(112)의 두께는 1∼2㎛ 정도가 바람직하다.First, a substrate is prepared as shown in FIG. 4A. As the substrate, a silicon substrate 111 may be used, and a silicon nitride layer 112 may be provided on the silicon substrate 111 to smoothly perform selective etching of the silicon substrate 111. In this state, the pore channel 113 is formed by etching a predetermined portion of the silicon nitride layer 112 through a photolithography process and an etching process. Herein, the width d of the pore channel 113 is preferably about 0.1 to 2 μm, and the thickness of the silicon nitride layer 112 is preferably about 1 to 2 μm.

상기 포어링 채널(113)이 형성된 상태에서 도 4에 도시한 바와 같이, 플라즈마 화학기상증착 공정(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등을 이용하여 상기 실리콘 질화물층(112) 상에 세포 안착층(114)을 적층한다. 상기 세 포 안착층(114)은 세포의 기가 밀봉 특성을 향상시키기 위해 형성시키는 것으로서 상기 세포 안착층(114)으로는 실리콘 산화물(SiO2)이 사용될 수 있으며 그 두께는 0.2∼0.7㎛ 정도가 바람직하다. 한편, 상기 세포 안착층(114)은 상기 실리콘 질화물층(112)의 상부면뿐만 아니라 상기 포어링 채널(113) 내측면에도 형성된다. As shown in FIG. 4 in the state in which the foreing channel 113 is formed, a cell deposition layer (not shown) on the silicon nitride layer 112 may be formed using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process. 114) are laminated. The cell seating layer 114 is formed to improve the sealing property of the cells, and as the cell seating layer 114, silicon oxide (SiO 2 ) may be used, and the thickness thereof is preferably about 0.2 μm to 0.7 μm. Do. Meanwhile, the cell seating layer 114 is formed on the inner surface of the pore channel 113 as well as the upper surface of the silicon nitride layer 112.

이와 같은 상태에서 도면에 도시하지 않았지만 상기 세포 안착층(114) 전면 상에 세포 흡착 보조 물질을 도포한다. 상기 세포 흡착 보조 물질로는 흡착 보조 물질로는 파이브로넥틴(fibronectin), 콜라겐(Collagen), PLL(Poly-L-Lysine) 등이 사용될 수 있다. In this state, although not shown in the figure, a cell adsorption auxiliary material is coated on the entire surface of the cell seating layer 114. As the cell adsorption aid material, as the adsorption aid material, fibronectin, collagen, PLL (Poly-L-Lysine), and the like may be used.

상기 세포 흡착 보조 물질이 도포된 상태에서, 도 4c에 도시한 바와 같이 상기 세포 안착층(114)을 포함한 기판 전면 상에 세포 부착 억제 물질을 적층시킨다. 상기 세포 부착 억제 물질은 PEG(Poly Ethylene Glycol) 등이 사용될 수 있으며 상기 PEG 내에는 광개시제(photo initiator)가 포함된다. 이와 같은 상태에서, 상기 적층된 세포 부착 억제 물질에 대하여 선택적으로 노광(exposure) 및 현상(develop) 공정을 진행하여 패터닝하게 되면 세포가 안착되는 공간인 세포 안착 영역(A)을 제외한 영역에 세포 부착 억제막(115)이 형성된다. 즉, 상기 세포 부착 억제막(115)에 의해 상기 세포 안착층(114) 상의 소정 영역이 세포 안착 영역(A)으로 정의된다. In the state where the cell adsorption auxiliary material is applied, the cell adhesion inhibiting material is deposited on the entire surface of the substrate including the cell seating layer 114 as shown in FIG. 4C. Examples of the cell adhesion inhibitor may include PEG (Poly Ethylene Glycol) and a photo initiator in the PEG. In this state, when the patterned by selectively exposing and developing the laminated cell adhesion inhibitor material, the cells adhere to an area other than the cell seating area (A), which is a space where cells are seated. The suppression film 115 is formed. That is, the predetermined area on the cell seating layer 114 is defined as the cell seating area A by the cell adhesion inhibiting film 115.

본 발명에 따른 패치 클램프 시스템 및 이를 이용한 세포 밀봉 방법은 다음과 같은 효과가 있다. Patch clamp system and cell sealing method using the same according to the present invention has the following effects.

패치 클램핑 과정이 진행되는 영역에 세포를 안착시킨 후 소정의 세포 배양 과정을 적용하여 안착된 세포의 기가 밀봉 특성을 향상시켜 패치 클램핑의 신뢰도를 높일 수 있게 된다. After the cells are seated in the area where the patch clamping process is performed, a predetermined cell culture process may be applied to improve the sealing properties of the seated cells, thereby increasing the reliability of patch clamping.

Claims (11)

기판 구조물과 상기 기판 구조물 상에 구비되는 세포 부착 억제막의 조합으로 이루어지며, It consists of a combination of the substrate structure and the cell adhesion inhibiting film provided on the substrate structure, 상기 세포 부착 억제막에 의해 상기 기판 구조물 상의 소정 영역이 세포가 안착되는 세포 안착 영역으로 정의되고, 상기 세포 안착 영역의 중심부에는 세포에 대한 포어링이 진행되는 공간을 제공하는 포어링 채널이 구비되며, A predetermined region on the substrate structure is defined as a cell seating region in which cells are seated by the cell adhesion inhibiting layer, and a pore channel is provided at the center of the cell seating region to provide a space in which pore for the cells proceeds. , 상기 기판 구조물은 기판과 세포 안착층의 이중층 구조로 되고 상기 세포 안착층 상에는 세포의 흡착을 촉진시키는 세포 흡착 보조 물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템.The substrate structure is a double layer structure of the substrate and the cell seating layer, the patch clamp system, characterized in that the cell adsorption auxiliary material is applied on the cell seating layer to promote the adsorption of cells. 제 1 항에 있어서, 상기 세포 흡착 보조 물질은 파이브로넥틴(fibronectin), 콜라겐(Collagen), PLL(Poly-L-Lysine) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템.The patch clamp system of claim 1, wherein the cell adsorption aid is any one of fibronectin, collagen, and poly-L-lysine (PLL). 제 1 항에 있어서, 상기 세포 부착 억제막은 PEG(Poly Ethylene Glycol)를 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템.The patch clamp system of claim 1, wherein the cell adhesion inhibiting membrane comprises poly ethylene glycol (PEG). 제 1 항에 있어서, 상기 세포 안착층은 실리콘 산화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템.10. The patch clamp system of claim 1 wherein the cell seating layer is comprised of silicon oxide. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판과 실리콘 질화물층의 이중층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템.2. The patch clamp system of claim 1 wherein the substrate is comprised of a double layer of a silicon substrate and a silicon nitride layer. 세포가 안착되는 세포 안착 영역을 구비하여 세포 공급, 포어링, 전류 측정 등의 일련의 패치 클램프 과정을 수행하는 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법에 있어서, In the cell sealing method using a patch clamp system having a cell seating area in which cells are seated to perform a series of patch clamping processes such as cell supply, pore, current measurement, etc. 상기 세포 안착 영역 상에 세포 흡착 보조 물질이 도포된 상태에서 상기 세포 안착 영역에 세포를 안착시키는 세포 공급 과정을 진행한 후, 해당 세포를 소정 시간 동안 배양시켜 상기 세포와 세포 안착 영역 사이의 기가 밀봉이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법.After the cell supply process of seating the cells in the cell seating area in a state in which the cell adsorption auxiliary material is applied on the cell seating area, the cells are cultured for a predetermined time to seal the gas between the cell and the cell seating area. Cell sealing method using a patch clamp system, characterized in that to be done. 제 6 항에 있어서, 상기 세포 밀봉 방법은 상기 제 1 항의 패치 클램프 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법. The cell sealing method of claim 6, wherein the cell sealing method uses the patch clamp system of claim 1. 제 6 항에 있어서, 상기 세포의 배양은 2∼3 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법.The method of claim 6, wherein the cell culture is carried out for 2 to 3 hours, the cell sealing method using a patch clamp system. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 세포 공급 과정은,The method of claim 6 or 7, wherein the cell supply process, 상기 세포 안착 영역 및 세포 부착 억제막 영역으로 구분되는 패치 클램프 시스템 상에 세포를 제공하는 단계와, Providing a cell on a patch clamp system that is divided into a cell seating region and a cell adhesion inhibitory membrane region; 소정의 세척액을 이용하여 상기 세포 부착 억제막 영역 상에 위치하는 세포들을 제거하여 상기 세포 안착 영역에만 세포를 존재하도록 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법.Removing cells located on the cell adhesion inhibiting membrane region by using a predetermined washing solution so that the cells exist only in the cell seating region. 제 9 항에 있어서, 상기 패치 클램프 시스템 상에 제공되는 세포들은 세포 외액과 동일한 이온 농도를 갖는 소정의 용액 속에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법. 10. The method of claim 9, wherein the cells provided on the patch clamp system are contained in a predetermined solution having the same ion concentration as the extracellular fluid. 제 9 항에 있어서, 상기 세척액은 물, 미디어 용액(Media solution) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 패치 클램프 시스템을 이용한 세포 밀봉 방법. The cell sealing method of claim 9, wherein the washing solution is any one of water and a media solution.
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