KR20100056017A - 세포 배양용 인큐베이터 - Google Patents

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KR20100056017A
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Abstract

본 발명은 세포 배양용 인큐베이터에 관한 것으로서, 세포를 배양하는 배양실(10)과, 배양실(10) 내의 공기를 외부로 배출시키는 진공 펌프(20)와, 배양실(10) 내로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 탱크(40)의 공급관(41)과 질소를 공급하는 질소 탱크(50)의 공급관(51)을 제어하여 이산화탄소와 질소를 공급하는 자동제어밸브(30)와, 배양실(10) 내의 이산화탄소 농도를 감지하는 이산화탄소 감지 센서(60) 및 산소 농도를 감지하는 산소 감지 센서(70)와, 상기 진공 펌프(20) 및 각 센서(60, 70)의 감지신호를 전송받아 자동제어밸브(30)를 제어하는 컨트롤러(80)로 구성된다.
상기와 같은 구성을 통해 본 발명은 배양실 내에 이산화탄소 농도를 조절하면서 사용하는 이산화탄소 인큐베이터와 산소 농도를 조절하면서 사용하는 하이폭시아 인큐베이터를 간단한 구성으로 선택적으로 사용 가능하도록 한 것이다.
세포, 배양, 인큐베이터, 진공 펌프, 자동제어밸브

Description

세포 배양용 인큐베이터{INCUBATOR FOR CELL CULTURE}
본 발명은 세포를 배양하기 위한 인큐베이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배양실 내의 이산화탄소 농도를 대기 중 보다 높게 사용하는 이산화탄소 인큐베이터와, 배양실 내의 산소 농도를 대기 중 보다 낮게 사용하는 하이폭시아 인큐베이터를 선택적으로 사용할 수 있는 세포 배양용 인큐베이터에 관한 것이다.
세포 배양은 생물체의 조직으로부터 분리된 세포를 배양하는 것으로 주로 식물에서는 캘러스(callus, 식물체에 상처가 났을 때 생기는 조직으로 유상조직, 유합조직, 칼루스라고도 한다) 일부를 액체 배양하거나 동식물의 종양 세포를 배양한다.
일반적으로 세포를 배양하는데 인큐베이터가 사용된다. 세포는 그 종류마다 다양한 조건들을 맞추어야 하는데 그 중 주로 사용되는 것으로는 대부분의 동물세포를 배양하는 이산화탄소 인큐베이터가 있다. 대기 중 공기는 질소 78％, 산소 21％, 이산화탄소 0.03％ 및 기타 성분들로 이루어지는데, 이산화탄소 인큐베이터에 서 세포가 배양되기 적합한 이산화탄소의 농도는 5％ 정도이다.
공개특허공보 제10-2004-27395호에는 이산화탄소 인큐베이터가 개시되어 있는데, 상기 문헌에 개시된 이산화탄소 인큐베이터는 도 1에 도시된 바와 같이 인큐베이터 내에 이산화탄소 농도를 검출하는 검출 수단, 이산화탄소 농도를 설정하는 설정 수단, 이산화탄소를 공급하는 공급 수단 및 공급 수단을 제어하는 제어 수단으로 이루어져 공급 수단에서 이산화탄소를 공급하면서 배양 공간 내의 공기를 배출관을 통해 배양 공간 외부로 밀어내어 배양 공간 내의 이산화탄소 농도를 조절하도록 구성된다.
상기 이산화탄소 인큐베이터는 구성이 간단하고 비교적 저가이긴 하나 이산화탄소 농도 조절을 통해 배양되는 조건을 만족하는 세포들만 배양할 수밖에 없어 사용이 제한되는 단점이 있다.
상기 이산화탄소 인큐베이터에서 배양되는 세포들과는 달리 산소 농도 조절을 통해 줄기세포와 같은 종류의 세포를 배양하는 하이폭시아(Hypoxia) 인큐베이터가 있는데, 그 하나의 예가 미국 공개특허공보 제2003-92178호에 개시되어 있다.
대기 중 산소 농도는 약 21％ 정도인데 이러한 상태를 노목시아 상태라 하고, 산소 농도가 대기 중 보다 낮은 상태를 하이폭시아 상태라 한다. 이러한 하이폭시아 상태를 유지시켜 가며 사용되는 것을 하이폭시아 인큐베이터라 한다. 하이폭시아 인큐베이터에서 산소 농도에 의해 배양되는 줄기세포 등이 배양되기 적합한 산소 농도는 그 종류에 따라 1∼8％ 정도이다.
상기 문헌에 개시된 하이폭시아 인큐베이터는 도 2에 도시된 바와 같이 배양 실에 컨트롤러에 의해 산소 탱크, 질소 탱크 및 이산화탄소 탱크가 연결되어 컨트롤러에서 배양실 내로 산소, 질소 및 이산화탄소의 공급을 제어하도록 이루어져 배양실 내로 각 성분들을 공급하면서 공기를 밀어내어 배양실 내의 산소 농도를 조절하도록 구성된다.
상기 하이폭시아 인큐베이터는 이산화탄소 인큐베이터에 비해 상당히 고가이고, 세 개의 각 탱크에서 공급되는 성분들을 섞는데 있어서 상당한 기술을 필요로 하고 약간의 오차만 나도 잔고장이 잦으며 각 성분들을 감지하는 센서가 3개나 들어가게 되므로 센서의 개수가 많은 만큼 센서들에 의한 고장확률이 높아지게 되는 문제점도 안고 있다.
한편, 상기 이산화탄소 인큐베이터와 하이폭시아 인큐베이터를 선택적으로 사용할 필요가 있으나, 현재 하나의 인큐베이터로 이산화탄소 인큐베이터와 하이폭시아 인큐베이터를 모두 사용할 수 있는 인큐베이터가 개발되어 있지 않는 실정이고, 각각 별도로 구매하는 경우 이에 따른 비용 및 유지보수비용이 늘어나게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 배양실 내에 이산화탄소 농도를 조절하여 주로 동물세포 배양에 사용되는 이산화탄소 인큐베이터와 배양실 내에 산소 농도를 조절하여 주로 줄기세포 배양에 사용되는 하이폭시아 인큐베이터를 선택적으로 사용할 수 있는 세포 배양용 인큐베이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 이산화탄소 인큐베이터와 하이폭시아 인큐베이터를 복합적으로 구성하되 장치를 간단하게 함으로써 비용을 절감하고 그 유지보수를 용이하게 할 수 있는 세포 배양용 인큐베이터를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 세포를 배양하는 배양실(10)과, 배양실(10) 내의 공기를 외부로 배출시키는 진공 펌프(20)와, 배양실(10) 내로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 탱크(40)의 공급관(41)과 질소를 공급하는 질소 탱크(50)의 공급관(51)을 제어하여 이산화탄소와 질소를 공급하는 자동제어밸브(30)와, 배양실(10) 내의 이산화탄소 농도를 감지하는 이산화탄소 감지 센서(60) 및 산소 농도를 감지하는 산소 감지 센서(70)와, 상기 진공 펌프(20) 및 각 센서(60, 70)의 감지신호를 전송받아 자동제어밸브(30)를 제어하는 컨트롤러(80)로 구성되는데 그 기술적 특징이 있다.
또한 본 발명은 상기 자동제어밸브(30)가 이산화탄소 공급관(41)과 질소 공급관(51)에 연결되어 이산화탄소와 질소를 선택적으로 제어하여 공급하는 3방향밸브인 것을 그 기술적 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 자동제어밸브(30)가 이산화탄소 공급관(41)과 질소 공급관(51)에 각각 연결되는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 세포 배양에 이산화탄소 농도를 조절하여 사용하는 이산화탄소 인큐베이터와 산소 농도를 조절하여 사용하는 하이폭시아 인큐베이터를 하나의 인큐베이터로 구성함으로써 각각의 인큐베이터를 별도를 구매할 필요가 없어 비용이 절감된다.
또한 이산화탄소 인큐베이터와 하이폭시아 인큐베이터를 복합적으로 구성하되 각각의 인큐베이터에서 제어하는 탱크와 센서의 개수를 줄임으로써 구성이 간단하여 이에 따른 유지보수가 용이하고, 농도조절이 용이한 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 구성 및 실시형태를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 세포 배양용 인큐베이터의 개략 구성도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 세포 배양용 인큐베이터의 개략 구성도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 보면 본 발명의 실시형태에 따른 세포 배양용 인큐베이터(A)는 세포를 배양하는 배양실(10)과, 배양실(10) 내의 공기를 외부로 배출시키는 진공 펌프(20)와, 배양실(10)에 이산화탄소 또는 질소를 제어하여 공급하는 자동제어밸브(30)와, 배양실(10) 내의 이산화탄소 농도를 감지하는 이산화탄소 감 지 센서(60) 및 산소 농도를 감지하는 산소 감지 센서(70)와, 상기 진공 펌프(20) 및 각 센서(60, 70)의 감지에 따라 자동제어밸브(30)를 제어하는 컨트롤러(80)를 포함하는 구조이다.
배양실(10)은 생물체(주로 미생물 및 발생중인 동식물의 배(胚))나 생물체의 일부(기관, 조직, 세포 등)를 적당히 인공적으로 조절한 환경조건에서 생육시키는 공간으로, 주로 도어 구조가 설치된 케이스 형상(미도시됨)으로 구성되어 그 내부에 세포가 담긴 배양용기(미도시됨)를 넣고 세포의 안정된 성장조건에 따라 배양실(10) 내의 공기 조성비를 조절해 가며 세포를 배양하는데 사용된다.
본 발명에서는 배양실(10) 내에서 공기 조성비, 특히 이산화탄소 농도 및 산소 농도를 선택적으로 조절할 수 있도록 한 것이며, 이때 이산화탄소 농도를 조절하여 사용하는 것을 이산화탄소 인큐베이터(Carbon dioxide Incubator)라 하고, 산소 농도를 조절하여 사용하는 것을 하이폭시아 인큐베이터(Hypoxia Incubator)라 하 한다.
진공 펌프(20)는 배양실(10)에 연결 설치되어 배양실(10) 내의 공기를 외부로 강제 배출시키게 되고, 또한 컨트롤러(80)와 연결 설치되어 배양실(10) 내의 상황에 따라 제어된다.
진공 펌프(20)에서 배양실(10) 내의 공기를 외부로 배출시킨 후 이산화탄소 인큐베이터로 사용할 때에는 이산화탄소 탱크(40)로부터 이산화탄소를 공급하여 배양실(10) 내의 이산화탄소의 양을 증가시킴으로써 0.03%인 이산화탄소의 농도를 5% 정도로 조절하게 되고, 하이폭시아 인큐베이터로 사용할 때에는 질소 탱크(50)로부 터 질소를 공급하여 배양실(10) 내의 질소의 양을 증가시킴으로써 21%인 산소의 농도를 1~8% 정도로 저하시켜 산소 농도를 조절하게 된다. 이때 하이폭시아 인큐베이터로 사용할 때에는 통상 이산화탄소를 주도적으로 제어할 필요가 없으나, 이산화탄소 농도가 너무 낮거나 높아 이산화탄소 농도를 조절할 필요가 있는 경우에는 이산화탄소 탱크(40)로부터 이산화탄소를 공급하거나 진공펌프(20)에서 배양실(10) 내의 공기를 배출시켜 이산화탄소 농도를 조절할 수도 있다.
자동제어밸브(30)는 배양실(10) 내로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 탱크(40)의 공급관(41)과, 질소를 공급하는 질소 탱크(50)의 공급관(51)에 연결 설치되고, 진공 펌프(20)와 이산화탄소 감지 센서(60) 및 산소 감지 센서(70)로부터 감지신호를 전송 받은 컨트롤러(80)에 의해 배양실(10) 내로 이산화탄소 및/또는 질소를 공급 조절함으로써 배양실(10) 내의 이산화탄소 또는 산소의 농도를 조절하게 된다.
이때 도 3에서와 같이 각 공급관(41, 51)을 3방향밸브로 연결하여 사용할 수도 있고, 도 4에서와 같이 별개로 사용할 수도 있다. 또한 도 3 및 도 4에서는 각 공급관(41, 51)을 별개로 설치하였으나, 이산화탄소 인큐베이터로 사용할 때에는 이산화탄소 탱크를 연결하고, 하이폭시아 인큐베이터로 사용할 때에는 이산화탄소 탱크를 제거하고 질소 탱크를 연결하여 사용할 수도 있다. 물론 하이폭시아 인큐베이터에서 이산화탄소 농도를 조절할 필요가 있는 경우에는 이산화탄소 탱크와 질소 탱크를 모두 연결하여 사용하게 된다.
이산화탄소 감지 센서(60)는 이산화탄소 인큐베이터로 사용할 때 작동되는데 이때 감지범위는 주로 이산화탄소 농도 5％ 정도이며 그 외 원하는 농도로 자유 조절이 가능하다. 이산화탄소 탱크(40)로부터 배양실(10) 내로 이산화탄소를 공급시키고 배양실(10) 내의 이산화탄소 농도가 이산화탄소 감지 센서(60)에 입력된 이산화탄소 감지 범위에서 벗어나게 되면 센서(60)에서 컨트롤러(80)로 감지신호를 보내게 되며, 컨트롤러(80)에서는 자동제어밸브(30)를 작동시켜 이산화탄소 탱크(40)로부터 배양실(10) 내로의 이산화탄소 공급을 중단하여 배양실(10) 내의 이산화탄소 농도를 조절하게 된다.
반면 산소 감지 센서(70)는 하이폭시아로 사용할 때 작동되며 이때 감지범위는 세포가 배양되는 조건을 만족하는 범위에서 결정되고 주로 산소 농도 1∼8％로 설정되며, 그 외 대기 중 산소 농도인 21％ 이하의 범위에서 자유 조절이 가능하다. 질소 탱크(50)로부터 배양실(10) 내로 질소를 공급시키고 배양실(10) 내의 산소 농도가 산소 감지 센서(70)에 입력된 산소 감지 범위에서 벗어나게 되면 센서(70)에서 컨트롤러(80)로 신호를 보내게 되고, 컨트롤러(80)에서는 자동제어밸브(30)를 작동시켜 질소 탱크(40)로부터 배양실(10) 내로의 질소 공급을 중단하여 배양실(10) 내의 산소 농도를 조절하게 된다.
상기 이산화탄소 감지 센서(60)와 산소 감지 센서(70)는 컨트롤러(80)에 각각 연결되어 감지신호를 컨트롤러(80)로 전송하게 된다.
컨트롤러(80)는 상기 센서(60, 70)와 자동제어밸브(30) 및 진공 펌프(20)와 상호 연결되어 센서(60, 70)와 진공 펌프(20)에서 감지신호가 전송되면 이산화탄소 탱크(40)와 질소 탱크(50)에 연결된 자동제어밸브(30)를 조절함으로써 배양실(10) 내의 이산화탄소 농도 및 산소 농도를 조절하도록 구성된다.
상기 컨트롤러(80)는 주로 PLC(자동제어회로)로 구성되어 배양실(10) 내의 조건에 맞도록 구성된 프로그램에 의해 작동되며, 주어진 조건들이 복잡하거나 다양하지 않으므로 저가의 PCB회로기판을 사용할 수도 있고 그 외 다양한 회로로 구성될 수 있다.
이하에서는 상기한 구조로 이루어진 본 발명의 세포 배양용 인큐베이터(A)를 사용하는 방법에 대해 설명한다.
먼저 대부분의 동물세포를 배양하는데 사용되고 이산화탄소의 농도를 조절해 가며 사용되는 이산화탄소 인큐베이터에 대해 설명한다.
세포가 담긴 배양용기를 배양실(10) 내에 넣은 후 진공 펌프(20)에서 배양실(10) 내의 공기를 강제 흡입하여 외부로 배출시키면 컨트롤러(80)가 그 신호를 감지하여 자동제어밸브(30)를 동작시켜 이산화탄소 탱크(40)로부터 배양실(10) 내의 모자란 공기량만큼의 이산화탄소를 공급하여 준다.
이산화탄소가 공급되면서 배양실(10) 내의 이산화탄소 농도가 향상되고, 세포배양에 적합한 이산화탄소 농도(주로 5％)에 다다르게 되면 배양실(10) 내에 설치된 이산화탄소 감지 센서(60)에서 감지하여 그 신호를 컨트롤러(80)로 보내게 되며, 컨트롤러(80)는 다시 자동제어밸브(30)를 동작시켜 이산화탄소의 공급을 중단하게 된다.
이 상태(이산화탄소 농도 5％)에서 세포를 배양하게 되고, 배양이 완료된 세포를 배양실(10) 외부로 빼내게 되면 배양실(10)의 도어가 개방되면서 배양실(10) 내의 공기성분은 다시 대기 중 이산화탄소 농도(0.03％)와 같아지게 된다. 또 다른 세포 배양을 위해 배양실(10) 내에 세포가 담긴 배양용기를 넣고 도어를 닫게 되면 진공 펌프(20)의 작동을 시작으로 상기 동작들을 순서대로 반복하게 되면서 세포 배양시 배양실(10) 내의 이산화탄소 농도(주로 5％)를 일정하게 유지시켜 주게 된다.
다음으로 줄기세포와 같은 종류의 세포들을 배양하는데 사용되고 산소의 농도를 조절해가며 사용되는 하이폭시아 인큐베이터에 대해 설명한다.
상기와 마찬가지로 세포가 담긴 배양용기를 배양실(10) 내에 넣은 후 진공 펌프(20)에서 배양실(10) 내의 공기를 강제 흡입하여 외부로 배출시키면 컨트롤러(80)가 그 신호를 감지하여 자동제어밸브(30)를 동작시켜 질소 탱크(50)로부터 배양실(10) 내의 모자란 공기량만큼의 질소를 공급하여 준다.
질소가 공급되면서 배양실(10) 내의 산소 농도가 저하되고, 세포배양에 적합한 산소 농도(주로 1∼8％)에 다다르게 되면 배양실(10) 내에 설치된 산소 감지 센서(70)에서 감지하여 그 신호를 컨트롤러(80)로 보내게 되며, 컨트롤러(80)는 다시 자동제어밸브(30)를 동작시켜 질소의 공급을 중단하게 된다.
이 상태(산소 농도 1∼8％)에서 세포를 배양하게 되고, 배양이 완료된 세포를 배양실(10) 외부로 빼내게 되면 배양실(10)의 도어가 개방되면서 배양실(10) 내의 공기성분은 다시 대기 중 산소 농도(21％)와 같아지게 된다. 또 다른 세포 배양을 위해 배양실(10) 내에 세포가 담긴 배양용기를 넣고 도어를 닫게 되면 진공 펌프(20)의 작동을 시작으로 상기 동작들을 순서대로 반복하게 되면서 세포 배양시 배양실(10) 내의 산소 농도(주로 1∼8％)를 일정하게 유지시켜 주게 된다.
이때 배양실(10) 내로 질소만을 공급하여 산소 농도가 저하되도록 조절하는 것은 배양실(10) 내의 세포가 배양되면서 자연스레 이산화탄소가 발생되므로 별도로 이산화탄소를 공급할 필요는 없기 때문이나, 필요에 따라 이산화탄소 농도를 조절할 필요가 있는 경우에는 이산화탄소 탱크로부터 이산화탄소를 공급하여 이산화탄소 농도를 조절하게 된다.
본 발명의 세포 배양용 인큐베이터(A)를 상기와 같이 구성함으로써 배양되는 세포의 종류에 따라 이산화탄소 농도를 조절하면서 사용되는 이산화탄소 인큐베이터와, 산소 농도를 조절하면서 사용되는 하이폭시아 인큐베이터를 선택적으로 사용할 수 있게 되는 것이다.
또한 기존의 이산화탄소 인큐베이터를 변경 제작하면 하이폭시아 인큐베이터를 동시에 사용할 수 있으므로 사용자들의 많은 수요가 기대된다.
도 1은 종래 이산화탄소 인큐베이터의 구성도,
도 2는 종래 하이폭시아 인큐베이터의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 세포 배양용 인큐베이터의 개략 구성도,
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 세포 배양용 인큐베이터의 개략 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
A: 세포 배양용 인큐베이터 10: 배양실
20: 진공 펌프 30: 자동제어밸브
40: 이산화탄소 탱크 41, 51: 공급관
50: 질소 탱크 60: 이산화탄소 감지 센서
70: 산소 감지 센서 80: 컨트롤러

Claims (3)

  1. 세포를 배양하기 위한 인큐베이터에 있어서,
    세포를 배양하는 배양실(10)과,
    배양실(10) 내의 공기를 외부로 배출시키는 진공 펌프(20)와,
    배양실(10) 내로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 탱크(40)의 공급관(41)과 질소를 공급하는 질소 탱크(50)의 공급관(51)을 제어하여 이산화탄소 또는 질소를 공급하는 자동제어밸브(30)와,
    배양실(10) 내의 이산화탄소 농도를 감지하는 이산화탄소 감지 센서(60) 및 산소 농도를 감지하는 산소 감지 센서(70)와,
    상기 진공 펌프(20) 및 각 센서(60, 70)의 감지신호를 전송받아 자동제어밸브(30)를 제어하는 컨트롤러(80)로 구성되는 것을 특징으로 하는 세포 배양용 인큐베이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    자동제어밸브(30)는 이산화탄소 공급관(41)과 질소 공급관(51)에 연결되어 이산화탄소와 질소를 선택적으로 제어하여 공급하는 3방향밸브인 것을 특징으로 하는 세포 배양용 인큐베이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    자동제어밸브(30)는 이산화탄소 공급관(41)과 질소 공급관(51)에 각각 연결되는 이산화탄소와 질소를 제어하는 것을 특징으로 하는 세포 배양용 인큐베이터.
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