KR20100067298A - 세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템 - Google Patents

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KR20100067298A KR1020080125787A KR20080125787A KR20100067298A KR 20100067298 A KR20100067298 A KR 20100067298A KR 1020080125787 A KR1020080125787 A KR 1020080125787A KR 20080125787 A KR20080125787 A KR 20080125787A KR 20100067298 A KR20100067298 A KR 20100067298A
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Abstract

본 발명은 세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 세포자극기는, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름과 일체로 형성되고, 또한 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 복수 개로 형성된 미세바늘을 포함한다.
PDMS(polydimethylsiloxane), 미세바늘, 스페이서, 배양장치

Description

세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템{CELL STIMULATOR, DEVICE FOR STIMULATING AND CULTIVATING CELL, SYSTEM FOR STIMULATING AND CULTIVATING CELL}
본 발명은 세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템에 관한 것이다.
최근 세포를 대상으로 수행되는 연구에 있어서, 세포에 다양한 자극을 인가하고 그에 대한 영향을 분자생물학적 수준에서 분석하는 연구가 주목받고 있다. 이를 통하여 특정 자극에 대한 유전자 수준의 조절 기작을 이해하고, 이를 기반으로 질병의 치료를 위한 신약을 개발하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 또한 생체 세포의 근원이 되는 줄기세포를 생물체를 이루는 많은 종류의 서로 다른 세포로 분화 시키고자 하는 의료 분야의 연구에 있어서, 분화를 촉진하기 이한 배양액의 조성과 분화 유도 물질의 처리를 통한 생화학적 처리 외에 세포에 인장력, 전단력, 압축력 및 초음파 등 다양한 기계적 처리법들이 적용되고 있다.　
인간 및 동물의 기계-반응 (mechano-responsive) 조직에 포함된 세포의 경우 인장력, 전단력, 압축력 등과 같은 다양한 기계적 자극에 노출되어 있으며, 관절 연골 (articular cartilage) 조직의 경우 반복적인 기계적 자극은 관절염 (arthritis)과 같은 질병의 원인이 된다. 따라서, 최근 들어 기계적 자극이 유발하는 세포 반응에 대한 연구가 주목받고 있다.
또한, 줄기세포로부터 인간 및 동물에 대한 대체 조직 (replacement tissue), 특히 기계-반응 조직의 경우, 완전한 기능을 가지는 조직으로 줄기세포를 분화시키기 위해서는 줄기세포를 배양하는 동안 배양 중인 세포에 기계적 자극을 인가하는 것이 필요하다. 이 경우 세포에 인가되는 자극의 정도는 세포의 유형 및 분화시키고자 하는 조직의 종류에 따라 다양하다.
세포 반응의 연구 및 줄기세포 분화를 위해 인장력, 전단력, 압축력 등의 기계적 자극에 대한 연구가 수행되어 왔다. 예를 들면, 대한민국 특허공개공보 제10-2006-0134264호인 "줄기세포 분화용 세포자극 및 검출 바이오 칩"의 경우,　줄기세포의 분화를 유도하기 위한 기계적 자극으로서 초음파를 이용할 수 있는 세포 자극 및 검출용 바이오칩에 대하여 기재하고 있다. 또한, 대한민국 특허공개공보 제10-2004-0028700호인 "조직공학 및 조직재생을 위한 조직형성세포들을 기계적으로 자극하는 방법"의 경우, 자기력을 이용하여 세포에 국부적인 아이덴테이션(indentation)을 인가하여 줄기 세포로부터 특정 조직의 분화를 촉진하는 장치에 대하여 기재하고 있다. 또한, 대한민국 특허공개공보 제10-2002-0015575호인 "조직재생 장치"의 경우, 추상적인 개념의 기계적 자극을 이용한 조직 재생에 관하여 기 재하고 있다.　　
관련 논문으로는 "Cytoindentation for Obtaining Cell Biomechanical Properties", (Shin, Athanasiou, Journal of Orthopaedic Research, 17: 880-890)에서 탄소 섬유(fiber)의 변형을 포토다이오드(photodiode)를 가지고 판단하여, 유리 캔틸레버 프로브(cantilever probe)로 세포를 자극하는 장치가 있고, "Micromachined force sensors for the study of cell mechnics" (Yang, Saif, Review of Scientific Instruments 76,044301)에서는 MEMS 공정을 이용한 힘 센서(force sensor)로 세포에 아이덴테이션(indentation)을 주어 그것에 대한 반력이 얼마인지를 얻어내는 센서를 연구하고 있다. 그리고, " A Laterally Driven Bistable Electromagnetic Microrelay", (Ko, Lee, ETRI Journal, 28:389-392)에서는 MEMS 공정을 이용하여 전자기력을 사용한 마이크로릴레이(microrelay)가 소개되고 있지만 세포를 자극하는 장치로는 사용이 되고 있지 않다.　
그러나, 장치내부에서 배양된 세포에 대하여 기계적 자극을 가할 수 없고, 또한 소수의 세포만을 대상으로 할 수 있으므로, 세포의 분석에 필요한 충분한 세포를 획득할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 세포자극 및 배양장치의 내부에서 배양된 다수의 세포를 대상으로 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 공정을 통해서 제작된 미세 바늘 배열을 이용하여 직접적이고 기계적인 찌름 자극을 가하는 것에 의하여, 세포분석에 필요한 충분한 세포를 획득할 수 있는 세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 세포자극 및 배양장치의 내부에서 배양된 다수의 세포를 대상으로 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 공정을 통해서 제작된 미세 바늘 배열로 다양한 세기와 주기로 찌름 자극을 인가하는 것에 의하여, 세포를 대상으로 하는 연구 분야에 새로운 세포 자극 방법으로 이용될 수 있는 세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 세포의 배양을 위해 PDMS 필름의 수축과 팽창 과정에서 발생하는 세포 배양액의 유동을 세포 배양기의 일 측에 장착된 체크 밸브를 통하여 일정한 방향으로 순환하도록 하고, 공압 인가를 위한 압력원으로 압축된 5% CO2가스를 사용하는 것에 의하여, 고가의 세포배양 챔버를 이용하지 않고도 세포를 배양시킬 수 있는 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 발명인 세포자극기는, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름과 일체로 형성되고, 또한 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 복수 개로 형성된 미세바늘을 포함한다.
청구항 2에 관한 발명인 세포자극기는, 청구항 1에 관한 발명인 세포자극기에 있어서, 미세바늘은 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, PMMA 중 어느 하나로 형성된다.
청구항 3에 관한 발명인 세포자극기는, 청구항 1에 관한 발명인 세포자극기에 있어서, 미세바늘을 지지하는 미세바늘 지지체, 미세바늘 지지체와 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 형성된 스페이서를 더 포함한다.
청구항 4에 관한 발명인 세포자극 및 배양장치는, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름, 또한 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 복수 개로 형성된 미세바늘, 미세바늘을 지지하는 미세바늘 지지체, 미세바늘 지지체와 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 형성된 스페이서를 포함하는 세포자극기, 세포자극기가 내부로 유입되는 반응 챔버, 반응 챔버의 상부 영역에 공압을 인가하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 팽창시키는 공압인가부, 미세바늘과 소정 간격으로 이격되어 서로 마주보도록 위치되는 세포 배양기; 세포 배양기에 연결되 어 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름의 수축 또는 팽창시 발생하는 세포 배양액의 유동을 일정한 방향으로 순환시키는 세포 배양액 순환부를 포함하고, 공압인가부를 통하여 반응 챔버의 상부 영역에 공압을 인가하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 반응 챔버의 하부 영역방향으로 팽창시키고, 미세바늘이 세포배양기에 배양된 세포를 자극시킨다.
청구항 5에 관한 발명인 세포자극 및 배양장치는, 청구항 4에 관한 발명인 세포자극 및 배양장치에 있어서, 공압원은 5% CO2를 포함한다.
청구항 6에 관한 발명인 세포자극 및 배양장치는, 청구항 4에 관한 발명인 세포자극 및 배양장치에 있어서, 세포 배양기는, 그 하부에 형성되어 세포를 지지하는 세포 배양기 지지체를 더 포함한다.청구항 7에 관한 발명인 세포자극 및 배양장치는, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상 의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 복수 개로 형성된 미세바늘을 포함하는 세포자극기, 세포자극기가 내부로 유입되는 반응 챔버, 반응 챔버의 상부 영역에 공압을 인가하여 PDMS(polydimethylsiloxane)필름을 팽창시키는 공압인가부, 미세바늘과 소정 간격으로 이격되어 서로 마주보도록 위치되는 세포 배양기, 세포 배양기에 연결되어 PDMS(polydimethylsiloxane)필름의 수축 또는 팽창시 발생하는 세포 배양액의 유동을 일정한 방향으로 순환시키는 세포 배양액 순환부를 포함하고, 공압인가부를 통하여 반응 챔버의 상부 영역에 공압을 인가하여 PDMS(polydimethylsiloxane)필름을 반응 챔버의 하부 영역방향으로 팽창시키고, 미세바늘이 세포배양기에 배양된 세포를 자극시킨다.
청구항 8에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템은, 청구항 4에 관한 발명인 세포자극 및 배양장치를 포함하고, 공압 인가부와 공압 인가용 튜브를 통하여 솔레노이브 밸브, 에어필터, 압력 조절기 및 공압원 저장소를 순차적으로 연결하여 PDMS 필름을 팽창시키고, 세포 배양액 순환부와 세포 배양액 순환용 튜브를 통하여 체크밸브 및 세포배양액 저장소를 순차적으로 연결하여 PDMS 필름의 수축 또는 팽창시, 세포 배양액을 일정한 방향으로 흐르게 한다.
청구항 9에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템은, 청구항 8에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템에 있어서, 공압원 저장소는 5% CO2를 포함한다.
청구항 10에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템은, 청구항 8에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템에 있어서, 솔레노이드 밸브는 3방향 솔레노이드 밸브이고, 3방향 솔레노이드 밸브에 연결되어 미리 설정된 주기와 간격으로 전압을 공급하여주는 전압공급부, 전압공급부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
청구항 11에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템은, 청구항 8에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템에 있어서, 세포 배양액의 온도를 조절하는 워터 배쓰(water bath)를 더 포함한다.
청구항 12에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템은, 청구항 7에 관한 발명인 세포자극 및 배양장치를 포함하고, 공압 인가부와 공압 인가용 튜브를 통하여 솔레노이브 밸브, 에어필터, 압력 조절기 및 공압원 저장소를 순차적으로 연결하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 팽창시키고, 세포 배양액 순환부와 세포 배양액 순환용 튜브를 통하여 체크밸브 및 세포배양액 저장소를 순차적으로 연결하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름의 수축 또는 팽창시, 세포 배양액을 일정한 방향으로 흐르게 한다.
청구항 13에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템은, 청구항 12에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템에 있어서, 공압원 저장소는 5% CO2를 포함한다.
청구항 14에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템은, 청구항 12에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템에 있어서, 솔레노이드 밸브는 3방향 솔레노이드 밸브이고, 3방향 솔레노이드 밸브에 연결되어 미리 설정된 주기와 간격으로 전압을 공급하여주는 전압공급부, 전압공급부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
청구항 15에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템은, 청구항 12에 관한 발명인 세포자극 및 배양시스템에 있어서, 세포 배양액의 온도를 조절하는 워터 배쓰(water bath)를 더 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템에 의하면, 세포자극 및 배양장치의 내부에서 배양된 다수의 세포를 대상으로 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 공정을 통해서 제작된 미세 바늘 배열을 이용하여 직접적이고 기계적인 찌름 자극을 가하는 것에 의하여, 세포분석에 필요한 충분한 세포를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 세포자극 및 배양장치의 내부에서 배양된 다수의 세포를 대상으로 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 공정을 통해서 제작된 미 세 바늘 배열로 다양한 세기와 주기로 찌름 자극을 인가하는 것에 의하여, 세포를 대상으로 하는 연구 분야에 새로운 세포 자극 방법으로 이용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 세포의 배양을 위해 PDMS 필름의 수축과 팽창 과정에서 발생하는 세포 배양액의 유동을 세포 배양기의 일 측에 장착된 체크 밸브를 통하여 일정한 방향으로 순환하도록 하고, 워터 배쓰를 통하여 배양액의 온도를 조절함과 동시에, 공압 인가를 위한 압력원으로 압축된 5% CO2가스를 사용하는 것에 의하여, 고가의 세포배양 챔버를 이용하지 않고도 세포를 배양시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포자극기의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포자극기의 미세바늘을 그 예로 하여 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포자극기는, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름(104)과 미세바늘(101)을 포함한다. 또한, 미세바늘 지지체(102)와 스페이서(103)를 더 포함한다.
PDMS(polydimethylsiloxane) 필름(104)은, 다공성이며, 후술하는 공압 가스(CO2)가 챔버(미도시)의 상부 영역의 내부로 주입되면 팽창할 수 있도록 유연한 성질을 가진다.
미세바늘(101)은, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름과 일체로 형성되고, 또한 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 형성된다. 이때, 미세바늘(101)은 복수 개로 형성되어 하나의 어레이 구조(이하, 미세 바늘 배열이라 한다.)를 이루게 된다. 또한, 미세바늘(101)의 배열구조는 세포에 기계적 찌름 자극을 인가할 수 있도록, MEMS (Micro Electro-Mechanical System) 공정을 통하여 다양한 간격 및 높이도 제작될 수 있다. 여기서, 미세바늘(101)은, PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, PMMA 중 어느 하나로 형성된다. 또한, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름과 일체로 형성되지 않은 경우, 미세 바늘이 균일하게 세포와 접촉할 수 있도록 미세바늘을 지지하는 미세바늘 지지체(102)를 형성하고, 인가된 공압에 의하여 미세바늘 휘어짐을 방지하기 위하여 미세바늘 지지체(102)와 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 스페이서(103)를 형성하여 줄 수도 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 다른 세포자극기를 통하여 장치 내부에서 배양된 세포에 다양한 세기와 주기를 갖는 기계적 찌름 자극을 인가할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포자극기의 미세바늘의 예로서, 2 종류의 미세바늘의 전자현미경 사진을 설명하기로 한다. 미세 바늘 배열(201)은 미세바늘 지지체(202)에 고정된 상태로 PDMS 필름(204)에 부착된다. 세포의 종류 및 인가하고자 하는 자극의 특성에 따라 다양한 폭과 간격을 가질 수 있다. 예를 들면, 폭이 넓은 미세바늘 배열(205)는 100 마이크론의 폭과 200 마이크론의 간격을, 폭이 좁은 미세바늘 배열(206)의 간격과 폭은 각각 10 마이크론과 100 마이크론이다. 또한, 미세 바늘 배열의 제작을 위해서 사용될 수 있는 재료는 인가하고자 하는 자극의 특성에 따라 PDMS, 실리콘 및 PMMA 등의 미세 바늘로 성형이 가능한 다양한 재료가 이용될 수 있다. 한편, 연질의 재료로 미세 바늘 배열(206)을 제작할 경우, 미세 바늘 배열(206)은 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름과 일체로 형성되지 않고, 미세 바늘이 균일하게 세포와 접촉할 수 있도록 미세 바늘 지지체(202)와 PDMS 사이에 경질의 스페이서(203)를 끼워 넣어 인가된 공압에 의해 미세바늘 지지체의 휘어짐을 방지하여야 한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양장치의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 4a 내지 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양장치의 단면, 구성부품, 실제 조립된 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양장치는, 세포자극기(301 및 302), 반응챔버(310), 공압인가부(103), 세포배양기(미도시), 세포배양액 순환부(104)를 포함한다.
세포자극기(301 및 302)는, 도 1에서 설명한 바와 같이, 미세바늘이 실리콘 또는 PMMA로 형성된 경우에는, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름(302), PDMS(polydimethylsiloxane) 필름(302) 상면의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 형성된 미세바늘을 포함한다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양장치는, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상 의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 형성된 미세바늘, 미세바늘을 지지하는 미세바늘 지지체, 미세바늘 지지체와 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 형성된 스페이서를 포함한다. 여기서, 미세바늘은, 연성재질로 형성된 미세바늘을 포함하는 세포자극기도 적용될 수 있다.
반응챔버(310)는, 상술한 세포자극기(301 및 302)가 그 내부로 유입되고, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름에 의하여 그 내부가 상부영역 및 하부영역으로 구획된다. 본 발명의 실시예에서는, 반응 챔버(310)가 화학적 안정성을 가지는 것으로 알려진 폴리카보네이트(polycarbonate)와 스테인리스 스틸을 기계적으로 성형하여 제조된 것이다.
공압인가부(303)는, 상술한 반응챔버(310)의 상부 영역에 공압을 인가하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름(302)을 반응 챔버(310)의 하부영역으로 팽창시킨다. 여기서, 공압은 5% CO2를 포함한다. 즉, 공압인가부(303)를 통하여 반응챔버(310)의 상부영역에 공압을 인가하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 반응 챔버 내부 표면방향(즉, 반응챔버의 하부영역)으로 팽창시키고, 미세바늘(301)이 후술하는 세포배양기에 배양된 세포를 찌름 자극시킨다.
세포배양기(미도시)는, 배양된 세포(305)들을 포함하고, 미세바늘(301)과 소정 간격으로 이격되어 서로 마주보도록 위치된다. 또한, 세포배양기의 하부에 형성되어 상기 세포를 지지하는 세포 배양기 지지체(306)를 더 포함한다.
세포배양액 순환부(304)는, 세포 배양기에 연결되어 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름(302)의 수축 또는 팽창시 발생하는 세포 배양액의 유동을 일정한 방향으로 순환시킨다.
보다 상세히 설명하자면, 본 발명의 실시예에서는, 미세 바늘 배열(301)을 PDMS (polydimethylsiloxane) 필름(302) 표면에 부착하고, 세포 반응 챔버 상부(302 및 303 사이)에 고정한 다음, 반응챔버(310)의 상부영역에 공압(307)을 인가하여, PDMS 필름(302)을 세포 반응 챔버 표면 방향으로 팽창시켜서, 미세바늘 배열(301)이 지지체(306) 위에 배양된 세포(305)를 자극하게 하는 것이다. 또한, 세포의 배양을 위해 PDMS 필름(302)의 수축과 팽창 과정에서 발생하는 세포 배양액의 유동을 세포 배양기의 일 측에 장착된 체크 밸브(check valve, 미도시)를 통하여 일정한 방향으로 순환하도록 하고, 공압 인가를 위한 압력원으로 압축된 5% CO2가스를 사용함으로써, 고가의 세포배양 챔버를 이용하지 않고도 배양될 수 있다.
도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양장치의 단면, 구성부품, 실제 조립된 형태를 설명하기 위한 도면이다.
화학적 안정성을 갖는 것으로 알려진 폴리카보네이트 (polycarbonate)와 스테인리스 스틸을 기계적 성형을 통하여 제작하였다. 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양장치의 조립은 상부 지지체(401), 레이어 1(402), PDMS 필름에 고정된 미세바늘 배열, 레이어 2(403), 레이어 3(404) 및 하부 지지체(405) 순으로 배치한 다음 나사(미도시)를 사용하여 체결한다. 이 때 레이어 2(403)과 레이어 3(404) 사이의 공간에 세포 배양을 위해 화학적으로 처리된 지지체(미도시)를 삽입할 수 있다. 또한, 챔버 내부로 유입되는 세포배양액 의 온도를 조절하는 워터 배쓰(water bath, 미도시)를 장착한다. 도 4c는 조립된 장치의 사진을 보여준다. 조립된 장치는 각각 공압 인가 통로(이하, 공압인가부라 한다.)(407) 및 세포 배양액 유로 연결부(이하, 세포배양액 순환부라 한다.)(408)와 연결한 다음, 도 5에 도시한 시스템을 이용하여 세포자극 실험에 이용된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양시스템의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배 양시스템은, 도 1에 기재된 세포자극기를 포함하고, 공압 인가부(미도시)와 공압 인가용 튜브(509)를 통하여 솔레노이브 밸브(502), 에어필터(508), 압력 조절기(504) 및 공압원 저장소(506)를 순차적으로 연결하여 PDMS 필름을 팽창시키고, 세포 배양액 순환부(미도시)와 세포 배양액 순환용 튜브(510)를 통하여 체크밸브(503) 및 세포배양액 저장소(505)를 순차적으로 연결하여 PDMS 필름의 수축 또는 팽창시, 세포 배양액을 일정한 방향으로 흐르게 한다. 또한, 워터 배쓰(water bath, 미도시)를 통하여 순환된 세포배양액의 온도를 조절한다.
또한, 솔레노이드 밸브(502)는 3방향 솔레노이드 밸브인 것이 바람직하다. 그리고, 3방향 솔레노이드 밸브(502)에 전선(511)을 통해 연결되어 미리 설정된 주기와 간격으로 전압을 공급하여주는 전압공급부(512), 전압공급부(512)의 동작을 제어하는 제어부(507)를 더 포함한다.
보다 상세하게 설명하자면, PDMS 필름의 팽창을 위해서 공압 인가부는 공압 인가용 튜브(509)를 이용하여 5% CO2 탱크(506), 압력 조절기(504), 에어 필터(508) 및 3 방향 솔레노이드 밸브(502)와 순차적으로 연결된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 세포자극 및 배양시스템을 구동하기 위한 공압원으로서, 5% CO2를 이용할 경우, 다공성인 PDMS 필름을 통하여 CO2 가스가 세포 배양액으로 확산되고, 워터 배쓰(water bath, 미도시)를 통하여 순한된 세포배양액의 온도를 조절하여 세포 배양에 요구되는 CO2 농도 및 세포배양액의 온도를 유지할 수 있다. 따라서, 이 시스템을 이용할 경우 고가의 세포 배양용 배양기를 이용하지 않고,　온도 조절이 가능한 범용의 항온 시스템만을 이용하여 세포 배양이 가능하다. 그리고, 전압 공급부(512)는 미리 프로그램된 주기와 간격으로 전압을 발생시켜 전선(511)을 통하여 3 방향 솔레노이드 밸브(502)를 구동시킨다. 여기서, 3 방향 솔레노이드 밸브(502)는 전압이 인가될 경우 압력원을 PDMS 필름에 전달되게 하고, 전압이 인가되지 않을 경우 장치 내부의 압력을 외부로 배출시키는 역할을 한다. 압력의 배출을 보다 빠르게 하기 위하여서는 3 방향 솔레노이드 밸브(502)의 배출부에 진공 발생장치를 연결할 수도 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 세포자극 및 배양시스템은 세포 배양액 유로에 유체가 한 방향으로 흐르게 하는 체크밸브(503), 세포 배양액 순환용 튜브(510) 및 세포배양액을 포함하는 세포배양액 저장소(505)와 연결된다. 따라서, 반응 챔버 내부의 세포배양액은 PDMS 필름의 팽창과 수축에 따라 한 방향으로 순환할 수 있다.
이러한 특성은 세포의 자극 단계 또는 자극 후 배양 단계에서 세포의 화학적 자극 및 검출을 위한 시약을 첨가하거나, 배양액의 교체를 통하여 제거하는 데 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 세포자극기, 세포자극 및 배양장치, 세포자극 및 배양시스템은 세포에 대한 기계적 찌름 자극의 인가에만 한정되지 않고, 세포 배양 단계의 특정시기에 화학적 자극의 인가를 병행할 수 있다.
　　　　　　　　
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포자극기의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포자극기의 미세바늘을 그 예로 하여 설명하기 위한 도면.
도 3a 및 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양장치의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양장치의 단면, 구성부품, 실제 조립된 형태를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포자극 및 배양시스템의 구조를 설명하기 위한 도면.

Claims (15)

  1. PDMS(polydimethylsiloxane) 필름; 및
    상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름과 일체로 형성되고, 또한 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 복수 개로 형성된 미세바늘;
    을 포함하는, 세포자극기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세바늘은 PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘, PMMA 중 어느 하나로 형성된, 세포 자극기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미세바늘을 지지하는 미세바늘 지지체; 및
    상기 미세바늘 지지체와 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 형성된 스페이서;
    를 더 포함하는, 세포 자극기.
  4. PDMS(polydimethylsiloxane) 필름, 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상 의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 복수 개로 형성된 미세바늘, 상기 미세바늘을 지지하는 미세바늘 지지체, 상기 미세바늘 지지체와 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 형성된 스페이서를 포함하는 세포자극기;
    상기 세포자극기가 내부로 유입되어, 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 기준으로 상부 및 하부 영역으로 구획되 는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 상부 영역에 공압을 인가하여 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 팽창시키는 공압인가부;
    상기 미세바늘과 소정 간격으로 이격되어 서로 마주보도록 위치되는 세포 배양기; 및
    상기 세포 배양기에 연결되어 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름의 수축 또는 팽창시 발생하는 세포 배양액의 유동을 일정한 방향으로 순환시키는 세포 배양액 순환부;
    를 포함하고,
    상기 공압인가부를 통하여 상기 반응 챔버의 상부 영역에 공압을 인가하여 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 상기 반응 챔버의 하부 영역방향으로 팽창시키고, 상기 미세바늘이 상기 세포배양기에 배양된 세포를 자극시키는,
    세포자극 및 배양장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공압은 5% CO2를 포함하는,
    세포자극 및 배양장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 세포 배양기는, 그 하부에 형성되어 상기 세포를 지지하는 세포 배양기 지지체를 더 포함하는,
    세포자극 및 배양장치.
  7. PDMS(polydimethylsiloxane) 필름, 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 하표면 상의 소정영역에 수직 방향으로 소정의 간격을 가지도록 복수 개로 형성된 미세바늘을 포함하는 세포자극기;
    상기 세포자극기가 내부로 유입되어, 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 기준으로 상부 및 하부 영역으로 구획되는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 상부 영역에 공압을 인가하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 팽창시키는 공압인가부;
    상기 미세바늘과 소정 간격으로 이격되어 서로 마주보도록 위치되는 세포 배양기; 및
    상기 세포 배양기에 연결되어 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름의 수축 또는 팽창시 발생하는 세포 배양액의 유동을 일정한 방향으로 순환시키는 세포 배양액 순환부;
    를 포함하고,
    상기 공압인가부를 통하여 상기 반응 챔버의 상부 영역에 공압을 인가하여 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 상기 반응 챔버의 하부 영역방향으로 팽창시키고, 상기 미세바늘이 상기 세포배양기에 배양된 세포를 자극시키는,
    세포자극 및 배양장치.
  8. 제4항에 의한 세포자극 및 배양장치를 포함하고,
    공압 인가부와 공압 인가용 튜브를 통하여 솔레노이브 밸브, 에어필터, 압력 조절기 및 공압원 저장소를 순차적으로 연결하여 PDMS 필름을 팽창시키고, 세포 배양액 순환부와 세포 배양액 순환용 튜브를 통하여 체크밸브 및 세포배양액 저장소를 순차적으로 연결하여 상기 PDMS 필름의 수축 또는 팽창시, 상기 세포 배양액을 일정한 방향으로 흐르게 하는, 세포자극 및 배양시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공압원 저장소는 5% CO2를 포함하는,
    세포자극 및 배양시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 솔레노이드 밸브는 3방향 솔레노이드 밸브이고,
    상기 3방향 솔레노이드 밸브에 연결되어 미리 설정된 주기와 간격으로 전압을 공급하여주는 전압공급부; 및
    상기 전압공급부의 동작을 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는,
    세포자극 및 배양시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 세포 배양액의 온도를 조절하는 워터 배쓰(water bath)를 더 포함하는,
    세포자극 및 배양시스템.
  12. 제7항에 의한 세포자극 및 배양장치를 포함하고,
    공압 인가부와 공압 인가용 튜브를 통하여 솔레노이브 밸브, 에어필터, 압력 조절기 및 공압원 저장소를 순차적으로 연결하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름을 팽창시키고, 세포 배양액 순환부와 세포 배양액 순환용 튜브를 통하여 체크밸브 및 세포배양액 저장소를 순차적으로 연결하여 상기 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름의 수축 또는 팽창시, 상기 세포 배양액을 일정한 방향으로 흐르게 하는, 세포자극 및 배양시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 공압원 저장소는 5% CO2를 포함하는,
    세포자극 및 배양시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 솔레노이드 밸브는 3방향 솔레노이드 밸브이고,
    상기 3방향 솔레노이드 밸브에 연결되어 미리 설정된 주기와 간격으로 전압을 공급하여주는 전압공급부; 및
    상기 전압공급부의 동작을 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는, 세포자극 및 배양시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 세포 배양액의 온도를 조절하는 워터 배쓰(water bath)를 더 포함하는,
    세포자극 및 배양시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102978151A (zh) * 2012-11-06 2013-03-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种灵活产生形态各异性细胞模块的方法及应用
WO2018131829A1 (ko) * 2017-01-16 2018-07-19 한림대학교 산학협력단 신축 가능한 피부 칩
US10246676B2 (en) 2016-10-20 2019-04-02 Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University Cell stimulation apparatus
CN110713898A (zh) * 2019-10-30 2020-01-21 山东大学 一种向活细胞施加外力的装置、方法及高通量微流控芯片
KR20210082817A (ko) * 2019-12-26 2021-07-06 중앙대학교 산학협력단 동적 세포 배양 장치

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