KR20130079056A

KR20130079056A - 다중 자기장 자극 세포 배양 장치

Info

Publication number: KR20130079056A
Application number: KR1020120000310A
Authority: KR
Inventors: 김선욱; 이진용; 황도근
Original assignee: 상지대학교산학협력단
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2013-07-10

Abstract

본 발명은 다수의 자기장 자극 조건 변화에 따른 세포 증식 특성을 신속히 분석하고, 자기장 자극 효능 분석시 자기장의 세기 및 주파수 변화에 따른 생체 세포에 대한 분석 효율을 향상시킬 수 있는 다중 자기장 자극 세포 배양 장치에 관한 것으로, 일면에 세포를 배양할 수 있는 다수의 독립된 세포 배양 공간을 갖는 PDMS층과, 각각의 세포 배양 공간 하부에 인접하여 세포 배양 영역의 균일한 세기의 자기장을 형성할 수 있는 다수의 코일들로 이루어진 자기장 발생부, 및 자기장 발생부의 각 코일부 하부에 인접하여 세포 배양 공간 내로 자기장을 집속하는 자기거울 층을 포함하는 구성으로서, 상기 자기장 발생부의 각각의 코일부는 권선수가 등비 증가하는 다수의 코일을 동심원상으로 배열하여 세포 배양 공간의 자기장 분포(자기장 세기)의 균일성을 확보하거나, 또는 각각의 지름이 등비 증가하는 다수의 코일을 동심원상으로 배열하여 세포 배양 공간의 자기장 분포(자기장 세기)의 균일성을 확보하고, 자기거울 층은 자기장 발생부로부터 발생된 자기장을 세포 배양 영역으로 반사하여 자기장 세기를 증가시킬 수 있다.

Description

다중 자기장 자극 세포 배양 장치{MULTI MAGNETIC STIMULATION DEVICE FOR CELL CULTURE}

본 발명은 다수의 자기장 자극 조건 변화에 따른 세포 증식 특성을 신속히 분석하기 위한 자기장 자극 세포 배양 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기장 자극 효능 분석 시 자기장의 세기 및 주파수 변화에 따른 생체 세포에 대한 분석 효율을 향상시킬 수 있는 다중 자기장 자극 세포 배양 장치에 관한 것이다.

‘자기장 자극 세포 배양 장치’란, 비침습적인 시변 자기장으로 생체 내의 유도 이온 전류에 의한 자극 효과로써 체내의 심부 깊숙이 치료할 수 있는 자기장 치료 요법의 효능 검증을 목적으로 하는 것으로, 최근 근골격계 기능 장애에 대한 비침습적, 비접촉적인 적절한 시술방법의 하나로서 자기장 자극 치료법이 폭넓게 연구되고 있다.

특히, 자기장의 파형, 세기, 주파수 또는 자극 횟수 등의 변수에 대한 연구의 일환으로 세포, 동물 및 인체에 대한 임상실험 결과들이 단편적으로 보고되고 있으나, 각 변수들의 의존성에 관한 체계적인 연구는 아직 이루어지지 않고 있다.

전 임상 단계에서 세포 실험을 통한 효능 분석에서 자기장 자극 장치는 대부분 솔레노이드, 헬름 홀츠 또는 전자석의 형태로 제작되며, 표준 세포 배양 플레이트의 85mm × 122mm × 17mm 크기의 공간에서의 균일한 자기장 분포와 높은 자기장 세기를 얻기 위한 방법들이 제시되고 있으나, 거시적 크기에서 균일한 자기장 분포를 얻기 위해서는 코일의 크기가 커지고 높은 전력 인가 장치가 요구된다.

또한, 획득된 데이터의 유의성 검증을 위해서는 7회 이상의 반복실험이 요구되는데, 이것은 효능 검증 기간의 장기화를 초래하여 다양한 변수 조건에 대한 효능 검증결과를 단시간에 획득하기 어렵다.

Soft MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 기술을 바탕으로 하는 세포 배양 장치에 적용되는 코일들은 공간적으로 수백 마이크로미터 이내로 이격된 공간에서 세포를 배양할 수 있기 때문에 낮은 입력 전력으로도 상대적으로 높은 세기의 자기장을 발생시킬 수 있다.

이러한 Soft MEMS 기술을 바탕으로 한 세포 배양 장치는 동일한 세포 배양판 내에 다수의 배양 공간을 제작할 수 있어 다수의 자기장 세기, 주파수, 및 자극횟수 등에 따른 효능 검증을 동일한 세포 배양 환경하에서 시험할 수 있어 변수량으로부터 자유롭다.

그러나, 종래의 자기장 자극 장치에서는 단일 코일을 이용하고 있어 자기장 발생시 세포 배양 영역에서 자기장 세기가 균일하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 자극 변수 변화에 따른 세포 반응을 조사하기 위해 다수의 배양 공간을 집적하여 다수의 자극 조건을 동시에 인가함으로써 생체 세포에 대한 분석시간을 단축시킨 다중 자기장 자극 세포 배양 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 자기장 발생 코일을 세포 배양공간 하부에 수백 마이크로미터 이내로 이격하여 낮은 인가 전력으로 높은 자기장 세기를 발생시키는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 자기장 발생 코일의 권선수와 지름 증가율이 등비 증가하는 다중 코일을 동심원상으로 배열하여 세포 배양 공간에서 자기장의 세기를 균일하게 하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 자기장 발생 코일의 하부에 구비된 자기거울 층을 이용하여 발생된 자기장의 세기를 더욱 강하게 제공하는데 있다.

본 발명은 자기장의 세기 및 주파수 변화에 따른 세포증식 특성을 신속히 분석하기 위한 다중 자기장 자극 세포 배양 장치로서, 일면에 다수의 세포를 배양할 수 있는 다수의 독립된 세포 배양 공간을 갖는 PDMS층, 각각의 세포 배양 공간 하부에 구비되어 각각의 세포 배양 공간에 독립된 자기장을 발생시키는 자기장 발생부, 및 자기장 발생부 하부에 구비되어 상기 자기장 발생부의 발생 자기장을 증가시켜 상기 세포 배양 공간 내로 자기장을 집속하는 자기거울층을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다중 자기장 자극 세포 배양 장치는 각각의 세포 배양 공간의 균일한 자기장 분포를 갖도록 다수의 코일이 동심원상으로 각각 코일 권선수가 등비 증가하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다중 자기장 자극 세포 배양 장치는 각각의 세포 배양 공간의 균일한 자기장 분포를 갖도록 다수의 코일이 동심원상으로 각각 코일 지름 증가율이 등비 증가하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 자기장 자극 세포 배양 장치는 다수의 독립된 세포 배양 공간에 다른 조건의 자기장을 발생시키고, 다른 세포 배양 환경을 동일하게 유지할 수 있어 세포 수준의 자기장 자극 분석의 효율성 및 재현성을 확보하고, 자기장 자극 조건 변화에 대한 생체적합성을 신속하게 검증할 수 있는 효과가 있다.

또한, 세포 배양 공간과 인접한 코일 설계로 낮은 전력으로 높은 자기장 자극 효과를 확인할 수 있으며, 낮은 전력을 사용함으로써 코일의 발열을 최소화할 수 있다.

또한, 다수의 코일의 권선수가 등비 증가하며 동심원상으로 배열된 자기장 발생부의 설계로 세포 배양 영역에서 자기장 분포의 균일성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다수의 코일의 지름이 등비 증가하며 동심원상으로 배열된 자기장 발생부의 설계로 세포 배양 영역에서 자기장 분포의 균일성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 코일 하부에 구비된 자성체 층을 통하여 자기장 발생부로부터 발생된 자기장의 세기를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 다수의 세포 배양 공간부를 PDMS로 제작함으로써, 세포 배양 장치를 구성하는 재료에 의한 세포 독성을 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 외부 전원의 신호를 제어함으로써 다양한 형태 및 자극 조건을 선택할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자기장 자극 세포 배양장치의 분해 구성도,
도 2는 도 1의 자기장 자극 세포 배양장치의 조립 구성도,
도 3은 도 1의 자기장 자극 세포 배양장치의 조립 단면도,
도 4는 본 발명의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치에서 종래와 같은 단일 코일의 자기장 발생부에 의한 세포 배양 영역에서의 자기장 세기 변화를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치에서 다수의 코일이 동심원상으로 배열되고 각각의 권선비가 등비 증가하는 자기장 발생부에 의한 세포 배양 공간의 자기장 분포를 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치에서 다수의 코일이 동심원상으로 배열되고 각각의 지름 증가율이 등비 증가하는 자기장 발생부에 의한 세포 배양 공간의 자기장 분포를 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치에서 자기장 발생부의 하부에 자기거울층을 적용하기 전의 자기장 세기 변화를 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치에서 자기장 발생부의 하부에 자기거울층을 적용한 후의 자기장 세기 변화를 나타내는 그래프.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 자기장 자극 세포 배양 장치의 분해 구성도, 도 2는 도 1의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치의 조립 구성도, 도 3은 도 1의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치의 조립 단면도이다.

본 발명의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치는 soft MEMS(micro-electro mechanical system) 성형 기술을 이용하여 자기장의 세기 및 주파수 변화에 따른 세포증식 특성을 신속히 분석하기 위한 장치로서, 다수의 자기장 자극 조건을 제공하도록 구성됨에 특징이 있다.

본 발명의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치의 구성을 살펴보면, 일면에 세포를 배양할 수 있는 다수의 독립된 세포 배양 공간(11)을 갖는 세포 배양 공간부(10)과, 세포 배양 공간부(10)의 각 세포 배양 공간(세포 배양 영역;11)에 균일한 세기의 자기장을 제공하는 자기장 발생부(20), 그리고 자기장 발생부(20)의 하부에 인접하여 각각의 세포 배양 공간(11) 내로 자기장을 집속하는 자기거울 층(30)을 포함하고 있다.

세포 배양 공간부(10)는 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 구성함이 바람직한데, 이를 통해 세포 배양 장치를 구성하는 재료에 의한 세포 독성을 제거할 수 있게 된다.

자기장 발생부(20)는 세포 배양 공간부(10)의 하부에 위치됨이 바람직한데, 자기장 발생부(20)에는 세포 배양 공간부(10)의 각각의 세포 배양 공간에 대응하는 다수의 코일부(21)가 구비되어 있으며, 이러한 코일부(21)들은 자기장 자극 세기와 주파수를 동일한 배양 조건하에서 각각의 세포 배양 공간(11) 내부의 생체 세포(미도시)에 동시에 인가하게 된다.

본 발명에 따르면, 각각의 코일부(21)는 다수의 코일을 동심원상으로 배열한 구조로서, 코일의 권선수가 등비 증가하는 형태로, 또는 코일의 지름 증가율이 등비 증가하는 형태로 제공됨이 바람직한데, 이를 통해 각각의 세포 배양 공간(11)의 자기장 분포, 즉 자기장 세기의 균일성을 확보할 수 있게 된다.

본 발명은 각각의 세포 배양 공간(10)에 대하여 다양한 자극 조건을 제공하여 각기 다른 세포 배양 환경을 형성할 수 있도록 각 코일부(21)의 코일 권선수 또는 지름 증가율을 서로 상이하게 구성할 수 있다.

이는 다수의 독립된 세포 배양 공간에 다른 조건의 자기장을 발생시켜 각기 다른 세포 배양 환경을 동일하게 유지할 수 있으므로 세포 수준의 자기장 자극 효능 분석시 분석시간을 단축하여 자기장 자극 분석의 효율성 및 재현성을 확보할 수 있고, 자극 조건 외의 세포 배양에 영향을 미치는 환경변수의 영향을 최소화하여 분석 결과의 신뢰성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 자기장 자극 조건 변화에 대한 생체적 합성을 신속하게 검증할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명에서 자기거울층(30)은 자성체 박막 제작기술을 이용하여 제작되는 것으로, 특히 순철을 재질로 하고 두께는 대략 0.1 mm로 하여 자기장 발생부(20)의 하부에 구비함이 바람직하다.

이 같은 자기거울층(30)은 자기장 발생부(20)의 코일부(21)에서 발생된 자기장을 세포 배양 영역으로 반사하여 세포 배양 영역의 자기장 세기를 더욱 증가시킨다.

본 발명은 세포 배양 공간부(10)와 그 하부에 배치되는 자기장 발생부(20)의 사이에 절연필름층(40)을 형성하여 세포 배양 공간부(10)와 자기장 발생부(20) 사이에 일정한 간격이 유지되도록 구성함이 바람직하다.

또한, 자기장 발생부(20)와 그 하부에 배치되는 자기거울층(30)의 사이에 절연필름층(50)을 형성하여 자기장 발생부(20)와 자기거울층(30) 사이에 일정한 간격이 유지되도록 구성함이 바람직하다.

이와 같은 구성의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치를 적용할 경우, 본 발명은 생체 세포에 대한 자기장 자극 효능 분석시 다량의 자극 조건에 따른 조건 변화에 대하여 동시에 분석을 수행할 수 있어 분석시간의 단축 및 분석 효율의 향상을 도모하게 되고, 아울러 자극조건 외의 세포 배양에 영향을 미치는 환경변수의 영향을 최소화하여 분석결과의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

<실시예>

도 4는 본 발명의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치에서 종래와 같은 단일 코일의 자기장 발생부에 의한 세포 배양 영역에서의 자기장 세기 변화를 그래프화한 것으로서, 이 그래프에 따르면 동일 직경의 단일 코일을 이용한 자기장 발생시 세포 배양 공간부(10)의 각 세포 배양 영역(11)에서 자기장 세기가 균일하지 않고, 코일의 중심부에서 멀어질수록 급격히 상승함을 볼 수 있다.

그러나, 본 발명에서 균일한 자기장 분포를 형성하기 위해 아래와 같이 자기장 발생부(20)의 코일 권선수를 등비 증가하도록 구성하거나, 또는 코일 지름비가 등비 증가하도록 구성할 경우에는 자기장 세기를 균일하게 유지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다수의 코일이 동심원상으로 배열되고 각각의 권선비가 등비 증가하는 자기장 발생부에 의한 세포 배양 공간의 자기장 분포를 나타내는 그래프이다.

본 실시예에서 자기장 발생부(20)의 다수의 코일부(21)들은 각기 다른 권선수를 갖는 다중 코일들이 동심원상으로 배열된 구조로서, 이들 다중 코일들의 권선수는 내측으로부터 외측으로 등비 증가하도록 구성됨이 바람직하다. 특히, 본 실시예에 따르면, 자기장 발생부(20)의 코일부(21) 표면으로부터 1.5 mm ~3.5 mm 높이에서 균일한 자기장 세기 분포를 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명의 다수의 코일이 동심원상으로 배열되고 각각의 지름 증가율이 등비 증가하는 자기장 발생부에 의한 세포 배양 공간의 자기장 분포를 나타내는 그래프이다.

본 실시예에서 자기장 발생부(20)의 다수의 코일부(21)들은 각기 다른 권선수를 갖는 다중 코일들이 동심원상으로 배열된 구조로서, 이들 다중 코일들의 지름 증가율은 내측으로부터 외측으로 등비 증가하도록 구성됨이 바람직하다. 특히, 본 실시예에 따르면, 자기장 발생부(20)의 코일부(21) 표면으로부터 2.5 mm ~3.5 mm 높이에서 균일한 자기장 세기 분포를 얻을 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 자기장 발생부 하부에 자기거울층을 적용하기 전과 적용한 후의 자기장 세기 변화를 그래프로 나타낸 것으로, 아래의 표 1에 기재한 바와 같이 자기거울층(30)의 적용 전후 자기장 세기 변화는 다음과 같다.

먼저, 자기장 발생부(20)의 코일부 표면으로부터 0.5 mm 높이에서 자기장 세기 변화는 22.6 mT에서 36.9 mT로 63.3% 증가하였다. 또한, 자기장 발생부(20)의 코일부 표면으로부터 1.5 mm 높이에서 자기장 세기 변화는 21.2 mT에서 34.1 mT로 60.8% 증가하였다. 또한, 자기장 발생부(20)의 코일부 표면으로부터 2.5 mm 높이에서 자기장 세기는 19.5 mT에서 30.9 mT로 58.5% 증가하였다. 또한, 자기장 발생부(20)의 코일부 표면으로부터 3.5 mm 높이에서 자기장 세기는 17.7 mT에서 27.6 mT로 55.9% 증가하였다.

이와 같이 자기거울층(30)은 자기장 발생부(20)의 코일부(21)에서 발생된 자기장을 세포 배양 영역으로 반사하여 세포 배양 영역(11)의 자기장 세기를 더욱 증가시키게 되는데, 이와 같은 구성의 다중 자기장 자극 세포 배양 장치를 적용하면, 생체 세포에 대한 자기장 자극 효능 분석 시 다량의 자극 조건에 따른 조건 변화에 대하여 동시에 분석을 수행할 수 있어 분석시간의 단축 및 분석 효율의 향상을 도모하게 되고, 아울러 자극조건 외의 세포 배양에 영향을 미치는 환경변수의 영향을 최소화하여 분석결과의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 다중 자기장 자극 세포 배양 장치로 구현할 수 있다.

Claims

자기장의 세기 및 주파수 변화에 따른 세포증식 특성을 신속히 분석하기 위한 다중 자기장 자극 세포 배양 장치로서,
일면에 세포를 배양할 수 있는 다수의 독립된 세포 배양 공간부,
각각의 세포 배양 공간 하부에 구비되어 각각의 세포 배양 공간에 독립된 자기장을 발생시키는 자기장 발생부, 및
자기장 발생부 하부에 구비되어 상기 자기장 발생부의 발생 자기장을 증가시켜 각각의 세포 배양 공간 내로 자기장을 집속하는 자기거울층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 자기장 자극 세포 배양 장치.
제 1항에 있어서,
상기 자기장 발생부는, 각각의 세포 배양 공간이 균일한 자기장 분포를 갖도록 다수의 코일이 동심원상으로 각각 코일 권선수가 등비 증가하도록 배열된 것을 특징으로 하는 다중 자기장 자극 세포 배양 장치.
제 1항에 있어서,
상기 자기장 발생부는, 각각의 세포 배양 공간이 균일한 자기장 분포를 갖도록 다수의 코일이 동심원상으로 각각 코일 지름 증가율이 등비 증가하도록 배열된 것을 특징으로 하는 다중 자기장 자극 세포 배양 장치.
제 1항에 있어서,
세포 배양 공간부는 재료에 따른 세포 독성을 배제하기 위해 PDMS 재질로 구성되고, 자기거울층은 0.1 mm 순철을 이용하여 자성체 박막 제작기술로 제작되는 것을 특징으로 하는 다중 자기장 자극 세포 배양 장치.
제 1항에 있어서,
세포 배양 공간부와 자기장 발생부 사이에 절연 필름층이 개재되어, 상기 세포 배양 공간부와 상기 자기장 발생부 사이에 상호 일정한 간격이 유지되고, 자기장 발생부와 자기거울층 사이에 절연 필름층이 개재되어, 상기 자기장 발생부와 상기 자기거울층 사이에 상호 일정한 간격이 유지되도록 구성한 것을 특징으로 하는 다중 자기장 자극 세포 배양 장치.