KR20190041643A - Impedance sensor array for culturing cells and method of identifying the states of the cells using the same - Google Patents

Impedance sensor array for culturing cells and method of identifying the states of the cells using the same Download PDF

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KR20190041643A
KR20190041643A KR1020170133114A KR20170133114A KR20190041643A KR 20190041643 A KR20190041643 A KR 20190041643A KR 1020170133114 A KR1020170133114 A KR 1020170133114A KR 20170133114 A KR20170133114 A KR 20170133114A KR 20190041643 A KR20190041643 A KR 20190041643A
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cell culture
cell
impedance
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KR1020170133114A
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김대형
현택환
김석주
김재민
조경원
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서울대학교산학협력단
기초과학연구원
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Abstract

The present invention provides an impedance sensor array for culturing a cell and a method for checking the state of a cell using the same. The impedance sensor array for culturing a cell is installed on a cell culturing substrate for culturing a cell and monitors the culturing state of the cell. The impedance sensor array for culturing a cell includes multiple impedance sensors. The method for checking the state of a cell checks the state of the cell by using the impedance sensor array for culturing a cell, which monitors the culturing state of the cell by being installed on the cell culturing substrate to culture the cell. The cell culturing substrate includes N number of cell culturing areas from a first cell culturing area to an N^th cell culturing area. The impedance sensor array for culturing a cell includes N number of the impedance sensors from a first impedance sensor to an N^th impedance sensor. The first to N^th impedance sensor corresponds to the first to N^th cell culturing area one to one and has an impedance sensor in the single cell culturing area. Moreover, the method for checking the state of a cell includes a step of monitoring the culturing state of the cell by the cell culturing area in order from the first impedance sensor to the N^th impedance sensor.

Description

세포 배양용 임피던스 센서 어레이 및 이를 이용한 세포 상태 확인 방법{IMPEDANCE SENSOR ARRAY FOR CULTURING CELLS AND METHOD OF IDENTIFYING THE STATES OF THE CELLS USING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an impedance sensor array for cell culture and a method of identifying a cell state using the same. [0002]

본 발명은 세포 배양용 임피던스 센서 어레이 및 이를 이용한 세포 상태 확인 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an impedance sensor array for cell culture and a method for identifying a cell state using the same.

대량 세포 배양은 개인별 세포 치료를 위한 제약 산업과 시험관내 독성 시험을 위한 화장품 산업 등에서 증가하고 있다. 그러나, 종래의 세포 배양 시스템은 센싱 및 작동, 스마트 피드백 제어 및 원위치 배지 교환 시스템을 포함하는 다기능에 한계가 있으며, 저비용 및 공장 규모의 대량 세포 배양에 부적합하다.Mass cell cultures are increasing in the pharmaceutical industry for individual cell therapy and in the cosmetics industry for in vitro toxicity testing. However, conventional cell culture systems have limited versatility, including sensing and operation, smart feedback control and in situ culture medium exchange systems, and are unsuitable for low cost and factory scale mass cell culture.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 세포 배양에 우수한 세포 배양용 임피던스 센서 어레이를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides an impedance sensor array for cell culture, which is excellent in cell culture.

본 발명은 세포를 대량으로 배양하기 위한 세포 배양용 임피던스 센서 어레이를 제공한다.The present invention provides an impedance sensor array for cell culture for culturing a large amount of cells.

본 발명은 상기 세포 배양용 임피던스 센서 어레이를 이용한 세포 상태 확인 방법을 제공한다.The present invention provides a method for identifying a cell state using the impedance sensor array for cell culture.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.Other objects of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양용 임피던스 센서 어레이는, 세포를 배양하기 위한 세포 배양 기판 위에 배치되어 상기 세포의 배양 상태를 모니터링하는 세포 배양용 임피던스 센서 어레이로서, 상기 세포 배양 기판 위에 배치되는 복수 개의 임피던스 센서를 포함한다.The impedance sensor array for cell culture according to an embodiment of the present invention is an array of impedance sensors for cell culture that is disposed on a cell culture substrate for culturing cells and monitors the culture state of the cells, And includes a plurality of impedance sensors.

상기 세포 배양 기판은 제1 세포 배양 영역부터 제N 세포 배양 영역까지 N개의 세포 배양 영역을 포함하고, 상기 세포 배양용 임피던스 센서 어레이는 제1 임피던스 센서부터 제N 임피던스 센서까지 N개의 임피던스 센서를 포함하며, 상기 제1 내지 제N 임피던스 센서는 상기 제1 내지 제N 세포 배양 영역에 1:1로 대응하여 하나의 세포 배양 영역에 하나의 임피던스 센서가 배치될 수 있다.The cell culture substrate includes N cell culture regions from the first cell culture region to the Nth cell culture region, and the cell culture impedance sensor array includes N impedance sensors from the first impedance sensor to the Nth impedance sensor And the first to Nth impedance sensors correspond to the first to Nth cell culture regions at a ratio of 1: 1, and one impedance sensor may be disposed in one cell culture region.

상기 세포 배양용 임피던스 센서 어레이는, 상기 제1 임피던스 센서부터 상기 제N 임피던스 센서까지 순차적으로 세포 배양 영역별 세포의 배양 상태를 모니터링할 수 있다.The cell culture impedance sensor array may monitor the culturing state of the cells in each cell culture area sequentially from the first impedance sensor to the Nth impedance sensor.

상기 임피던스 센서는 상기 세포 배양 기판에 인접하게 배치되는 무선 통신 시스템에 전기적으로 연결되고, 상기 무선 통신 시스템은 상기 임피던스 센서를 제어하는 외부 장치와 무선으로 통신할 수 있다.The impedance sensor is electrically connected to a wireless communication system disposed adjacent to the cell culture substrate, and the wireless communication system can wirelessly communicate with an external device that controls the impedance sensor.

본 발명의 다른 실시예에 따른 세포 상태 확인 방법은, 세포를 배양하기 위한 세포 배양 기판 위에 배치되어 상기 세포의 배양 상태를 모니터링하는 세포 배양용 임피던스 센서 어레이를 이용하여 상기 세포의 상태를 확인하는 방법으로서, 상기 세포 배양 기판은 제1 세포 배양 영역부터 제N 세포 배양 영역까지 N개의 세포 배양 영역을 포함하고, 상기 세포 배양용 임피던스 센서 어레이는 제1 임피던스 센서부터 제N 임피던스 센서까지 N개의 임피던스 센서를 포함하며, 상기 제1 내지 제N 임피던스 센서는 상기 제1 내지 제N 세포 배양 영역에 1:1로 대응하여 하나의 세포 배양 영역에 하나의 임피던스 센서가 배치되고, 상기 제1 임피던스 센서부터 상기 제N 임피던스 센서까지 순차적으로 세포 배양 영역별 세포의 배양 상태를 모니터링하는 단계를 포함한다.The method for confirming the cell state according to another embodiment of the present invention includes a method of confirming the state of the cell using an impedance sensor array for cell culture, which is disposed on a cell culture substrate for culturing the cells, Wherein the cell culture substrate includes N cell culture areas from the first cell culture area to the Nth cell culture area, and the cell culture impedance sensor array includes N impedance sensors from the first impedance sensor to the Nth impedance sensor, Wherein one of the first to Nth impedance sensors has one impedance sensor disposed in one cell culture region corresponding to the first to Nth cell culture regions at a ratio of 1: And monitoring the culture condition of the cells in the cell culture area sequentially to the Nth impedance sensor All.

본 발명의 실시예들에 따르면, 세포 배양 공장에서 적은 인원으로 여러 인큐베이터에 수용된 다수의 세포 배양 플랫폼을 무선으로 제어할 수 있어 저비용으로 세포를 대량으로 배양할 수 있다. According to embodiments of the present invention, it is possible to wirelessly control a plurality of cell culture platforms accommodated in a plurality of incubators with a small number of cells in a cell culture plant, thereby enabling a large amount of cells to be cultured at low cost.

상기 인큐베이터를 개방하지 않고도 세포의 배양 상태를 실시간으로 확인할 수 있고, 세포를 자극하여 세포 증식 및 분화를 촉진할 수 있다. 또, 세포 배양 기판의 영역별로 세포의 배양 상태를 확인할 수 있고, 배양 상태가 미흡한 영역에 대하여만 세포를 자극하여 세포 증식 및 분화를 촉진할 수 있다. 이에 의해 세포 배양 기판 전체 영역에 대하여 세포 배양이 균일하게 잘 이루어질 수 있다.The incubation state of the cells can be confirmed in real time without opening the incubator, and cell proliferation and differentiation can be promoted by stimulating the cells. In addition, it is possible to confirm the culturing state of the cells for each region of the cell culture substrate, and stimulate the cells only in the region where the culturing state is insufficient, thereby promoting cell proliferation and differentiation. As a result, cell culture can be uniformly performed on the whole area of the cell culture substrate.

세포 배양 기판은 쉽게 적층될 수 있어 세포의 대량 배양에 적합하고, 다층으로 적층되어도 높은 세포 생존력을 유지할 수 있다. 세포 배양 기판에 코팅된 그래핀 산화물은 세포의 접착력을 향상시켜 세포 접착 보조제의 사용을 회피할 수 있다.The cell culture substrate can be easily laminated, which is suitable for mass culture of cells, and can maintain high cell viability even when laminated in multiple layers. The graphene oxide coated on the cell culture substrate can improve the adhesion of the cell and avoid the use of the cell adhesion aid.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서와 발열기의 어레이를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 기판의 개략적인 이미지를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼의 제조 공정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼이 적층된 이미지를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼을 이용한 세포 배양 공장의 이미지를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 산화물(GO)의 코팅 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 베어(bare) PLA 기판 및 그래핀 산화물이 코팅된 PLA(GO-PLA) 기판의 AFM 이미지를 나타낸다.
도 10은 베어 PLA 기판, GO-PLA 기판, 및 GO 파우더의 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 11 및 12는 GO-PLA 기판의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 13은 세포 배양 기간에 따른 PLA 기판과 GO-PLA 기판 위 세포의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 14는 세포 배양 기판의 종류에 따른 세포수를 나타내는 그래프이다.
도 15는 세포 배양 기판 위 정렬된 세포 이미지를 나타낸다.
도 16은 세포 생존력을 실험하기 위헤 배지에 담가진 적층된 세포 배양 기판을 포함하는 세포 배양 플랫폼을 나타낸다.
도 17 내지 도 19는 세포 배양 기판의 적층수와 배지 깊이에 따른 세포 생존율을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 센서를 나타낸다.
도 21은 도 20의 임피던스 센서의 캘리브레이션 곡선을 나타낸다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열기 및 온도 센서를 나타낸다.
도 23은 도 22의 발열기 및 온도 센서의 캘리브레이션 곡선을 나타낸다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서를 나타낸다.
도 25는 도 24의 pH 센서의 캘리브레이션 곡선을 나타낸다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼륨이온 센서를 나타낸다.
도 27은 도 26의 칼륨이온 센서의 캘리브레이션 곡선을 나타낸다.
도 28 내지 도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 및 발열기의 장기 안정성(long term stability)을 나타낸다.
도 34는 세포 종류에 따른 임피던스 곡선을 나타낸다.
도 35는 열 자극과 전기 자극을 받은 C2C12 근육 아세포의 형광 이미지를 나타낸다.
도 36은 자극의 종류에 따른 세포의 임피던스 곡선을 나타낸다.
도 37은 모니터링 소프트웨어에 무선으로 연결되는 세포 배양 플랫폼을 개략적으로 나타낸다.
도 38 내지 도 41은 센서와 발열기의 무선 제어를 개략적으로 나타낸다.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층된 세포 배양 기판을 포함하는 세포 배양 플랫폼의 C2C12 근육 아세포에 대한 임피던스 모니터링 캘리브레이션을 나타낸다.
도 43은 일반 성장 조건에서 C2C12 근육 아세포의 무선 임피던스 모니터링을 나타낸다.
도 44 및 도 45는 자극을 이용한 성장에서 C2C12 근육 아세포의 무선 임피던스 모니터링을 나타낸다.
1 and 2 show a cell culture platform according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 schematically shows an array of sensors and heaters according to one embodiment of the present invention.
4 shows a schematic image of a cell culture substrate according to an embodiment of the present invention.
5 shows a manufacturing process of a cell culture platform according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows a stacked image of a cell culture platform according to an embodiment of the present invention.
7 is an image of a cell culture plant using a cell culture platform according to an embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining a coating process of graphene oxide (GO) according to an embodiment of the present invention.
9 shows an AFM image of a bare PLA substrate and a PLA (GO-PLA) substrate coated with graphene oxide.
10 shows Raman spectra of the bare PLA substrate, GO-PLA substrate, and GO powder.
Figures 11 and 12 show SEM images of GO-PLA substrates.
13 shows SEM images of PLA and GO-PLA substrate cells according to the cell culture period.
14 is a graph showing the number of cells according to the type of cell culture substrate.
15 shows a cell image arranged on a cell culture substrate.
16 shows a cell culture platform comprising a laminated cell culture substrate immersed in a medium for testing cell viability.
17 to 19 are views for explaining the cell survival rate according to the number of laminates and the depth of the culture medium of the cell culture substrate.
20 shows an impedance sensor according to an embodiment of the present invention.
21 shows a calibration curve of the impedance sensor of Fig.
22 shows a heater and a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
23 shows a calibration curve of the heater and the temperature sensor of Fig.
24 shows a pH sensor according to an embodiment of the present invention.
25 shows a calibration curve of the pH sensor of Fig.
26 shows a potassium ion sensor according to an embodiment of the present invention.
27 shows a calibration curve of the potassium ion sensor of Fig.
28 to 33 show long term stability of the sensor and the heater according to an embodiment of the present invention.
Fig. 34 shows an impedance curve according to the cell type.
Fig. 35 shows fluorescence images of C2C12 myoblasts, which were subjected to thermal stimulation and electrical stimulation.
36 shows the impedance curve of the cell according to the type of the stimulus.
Figure 37 schematically shows a cell culture platform wirelessly connected to monitoring software.
38 to 41 schematically show the wireless control of the sensor and the heater.
Figure 42 shows an impedance monitoring calibration for C2C12 muscle cells of a cell culture platform comprising a laminated cell culture substrate according to an embodiment of the present invention.
Figure 43 shows the radio impedance monitoring of C2C12 myoblasts under normal growth conditions.
Figures 44 and 45 show the radio impedance monitoring of C2C12 myoblasts in growth using stimulation.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. The objects, features and advantages of the present invention will be easily understood by the following embodiments. The present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in other forms. The embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure may be thorough and complete, and that those skilled in the art will be able to convey the spirit of the invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소들(elements)을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 또, 어떤 요소가 다른 요소 위에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 요소 위에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, the elements should not be limited by such terms. These terms are only used to distinguish the elements from each other. In addition, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on the other element, or a third element may be interposed therebetween.

도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The sizes of the elements in the figures, or the relative sizes between the elements, may be exaggerated somewhat for a clearer understanding of the present invention. In addition, the shape of the elements shown in the drawings may be somewhat modified by variations in the manufacturing process or the like. Accordingly, the embodiments disclosed herein should not be construed as limited to the shapes shown in the drawings unless specifically stated, and should be understood to include some modifications.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼은 세포 배양 기판, 세포 배양용 센서, 세포 배양용 발열기, 무선 통신 시스템, 및 원위치 배치 교환 시스템을 포함할 수 있다.The cell culture platform according to an embodiment of the present invention may include a cell culture substrate, a sensor for cell culture, a heat generator for cell culture, a wireless communication system, and a home placement exchange system.

상기 세포 배양 기판은 그래핀 산화물이 코팅된 고분자 기판을 포함할 수 있다. 상기 고분자 기판은 생체 적합성 고분자, 예를 들어, 폴리락트산(PLA)을 포함할 수 있다. 상기 그래핀 산화물은 스프레이 방법을 이용하여 상기 고분자 기판 표면에 코팅될 수 있다. 상기 세포 배양 기판은 기판 전체에 배지를 쉽게 침투시키기 위한 복수 개의 천공 구멍을 가질 수 있다. 또, 상기 세포 배양 기판은 둘 이상 적층되어 사용될 수 있다. The cell culture substrate may include a polymer substrate coated with graphene oxide. The polymer substrate may include a biocompatible polymer, for example, polylactic acid (PLA). The graphene oxide may be coated on the surface of the polymer substrate using a spray method. The cell culture substrate may have a plurality of perforations for easily penetrating the culture medium throughout the substrate. In addition, the cell culture substrate may be used by stacking two or more cells.

상기 세포 배양용 센서는 세포 배양 기판 위에 배치된다. 상기 세포 배양용 센서는 임피던스 센서, pH 센서, 칼륨이온(K+) 센서, 및 온도 센서 중 하나 또는 둘 이상 포함할 수 있다.The cell culture sensor is disposed on a cell culture substrate. The cell culture sensor may include one or more of an impedance sensor, a pH sensor, a potassium ion (K +) sensor, and a temperature sensor.

상기 임피던스 센서는 상기 세포 배양 기판에서 배양되는 세포의 상태를 모니터링할 수 있다. 상기 임피던스 센서의 회로에 바이패스 스위치를 연결하는 것에 의해 상기 임피던스 센서는 전기 자극기로 사용될 수 있고, 세포에 전기 자극을 제공할 수 있다. The impedance sensor may monitor the condition of the cells cultured on the cell culture substrate. By connecting a bypass switch to the circuit of the impedance sensor, the impedance sensor can be used as an electric stimulator and can provide electrical stimulation to the cell.

상기 pH 센서와 상기 칼륨이온 센서는 세포 배양액의 pH와 칼륨이온 농도를 측정하여 세포 배양액의 상태를 모니터링할 수 있다. 이와 같이, 세포 배양액의 상태를 모니터링함으로써 상기 임피던스 센서에 의해 모니터링되는 세포의 상태 변화에 대한 정보를 더욱 정확하게 파악할 수 있다.The pH sensor and the potassium ion sensor can monitor the condition of the cell culture liquid by measuring pH and potassium ion concentration of the cell culture liquid. Thus, by monitoring the state of the cell culture fluid, information on the state change of the cells monitored by the impedance sensor can be grasped more accurately.

상기 온도 센서는 상기 세포 배양용 발열기에 인접하게 배치되어 상기 세포 배양용 발열기의 가열 온도를 측정할 수 있고, 상기 세포 배양용 발열기를 제어하여 세포에 대한 열 자극을 조절할 수 있다.The temperature sensor may be disposed adjacent to the heat generator for cell culture to measure the heating temperature of the heat generator for cell culture, and the heat stimulus for the cell may be controlled by controlling the heat generator for cell culture.

상기 세포 배양용 발열기는 상기 세포 배양 기판에서 배양되는 세포를 자극하여 세포의 증식 및 분화를 촉진할 수 있다. 상기 세포 배양용 발열기는 세포에 열 자극을 제공할 수 있다. The heat generator for cell culture stimulates cells cultured on the cell culture substrate to promote cell proliferation and differentiation. The heat generator for cell culture may provide heat stimulation to the cells.

상기 세포 배양 기판은 복수 개의 세포 배양 영역으로 구분될 수 있고, 상기 센서 및 상기 세포 배양용 발열기는 하나 또는 둘 이상의 세포 배양 영역에 대응하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 세포 배양 기판은 16개의 세포 배양 영역으로 구분될 수 있고, 상기 임피던스 센서는 16개의 세포 배양 영역 각각에 배치되어 16개의 영역별로 세포의 상태를 확인할 수 있다. 상기 세포 배양용 발열기, 상기 온도 센서, 및 상기 pH 센서는 4개의 세포 배양 영역에 하나씩 배치될 수 있다. The cell culture substrate may be divided into a plurality of cell culture regions, and the sensor and the heat generator for cell culture may be arranged to correspond to one or two or more cell culture regions. For example, the cell culture substrate may be divided into sixteen cell culture regions, and the impedance sensor may be arranged in each of sixteen cell culture regions to identify the cell state in each of sixteen regions. The heat generator for cell culture, the temperature sensor, and the pH sensor may be disposed one by one in four cell culture areas.

상기 무선 통신 시스템은 상기 센서 및 상기 세포 배양용 발열기와 전기적으로 연결되고 인큐베이터 밖에 배치된 외부 장치와 무선으로 통신할 수 있다. 상기 센서 및 상기 세포 배양용 발열기는 상기 무선 통신 시스템을 통하여 상기 외부 장치에 의해 무선으로 제어될 수 있다. 즉, 상기 센서에 의한 세포 배양의 원위치 모니터링 및 상기 세포 배양용 발열기에 의한 세포 자극이 상기 외부 장치에 의해 무선으로 제어될 수 있다.The wireless communication system can communicate wirelessly with an external device electrically connected to the sensor and the cell culture heat generator and disposed outside the incubator. The sensor and the heat generator for cell culture can be wirelessly controlled by the external device through the wireless communication system. That is, in-situ monitoring of cell culture by the sensor and cell stimulation by the heat generator for cell culture can be wirelessly controlled by the external device.

복수 개의 세포 배양 영역에 각각 배치된 복수 개의 임피던스 센서는 순차적으로 세포의 상태를 센싱하고, 이렇게 획득된 세포 배양 영역별 임피던스 데이터는 상기 무선 통신 시스템을 통하여 순차적으로 상기 외부 장치로 무선으로 전송되어 세포 배양 영역별 세포 배양 상태를 확인할 수 있다. 또, 세포의 배양 상태가 다른 영역에 비해 미흡한 것으로 확인된 영역에 대하여 상기 외부 장치는 상기 세포 배양용 발열기를 무선으로 제어하여 열 자극을 제공함으로써 세포의 증식 및 분화를 촉진할 수 있다. 이에 의해, 세포 배양 기판 전체 영역에서 세포 배양이 균일하게 잘 이루어질 수 있다.The plurality of impedance sensors disposed in each of the plurality of cell culture regions sequentially sense the state of the cells, and the impedance data for each cell culture region thus obtained is wirelessly transmitted to the external device sequentially through the wireless communication system, The cell culture condition for each culture area can be confirmed. In addition, the external device can wirelessly control the heat generator for cell culture to promote heat proliferation and differentiation by providing a thermal stimulus to a region where the cell culture condition is confirmed to be insufficient compared to other regions. Thereby, cell culture can be uniformly performed well in the entire region of the cell culture substrate.

상기 원위치 배지 교환 시스템은 상기 세포 배양 기판이 배치된 웰(well) 및/또는 케이스의 유입구와 배출구에 연결된 관을 통해 세포 배양액을 공급 및 교환할 수 있다.The in-situ culture medium exchange system may supply and exchange the cell culture liquid through a well and / or a tube connected to an inlet and an outlet of the case where the cell culture substrate is disposed.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼(SCCP, Smart Cell Culture Platform)을 나타내고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서와 발열기의 어레이를 개략적으로 나타내며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 기판의 개략적인 이미지를 나타낸다.FIG. 1 and FIG. 2 show a Smart Cell Culture Platform (SCCP) according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 schematically shows an array of sensors and heaters according to an embodiment of the present invention. 4 shows a schematic image of a cell culture substrate according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 세포 배양 플랫폼은 그래핀 산화물(GO)로 코팅된 폴리락트산(PLA) 기판(GO-PLA 기판), 센서 및 자극기 어레이, 아두이노(Arduino) 기반 무선 통신 시스템, 및 원위치 배지 교환 시스템을 포함한다..1 to 4, the cell culture platform includes a polylactic acid (PLA) substrate (GO-PLA substrate) coated with graphene oxide (GO), a sensor and stimulator array, an Arduino- , And in-situ media exchange system.

상기 GO-PLA 기판은 3D 인쇄를 이용하여 PLA로 기판을 형성한 후 스프레이 방법을 이용하여 기판 표면에 그래핀 산화물을 코팅하는 것에 의해 형성될 수 있다. 상기 GO-PLA 기판은 세포 배양 기판 전체에 배지를 쉽게 침투시키기 위한 복수 개의 천공 구멍(1×1 mm)을 가지며, 5개의 GO-PLA 기판이 적층되어도 높은 세포 생존력을 제공할 수 있다. 상기 GO-PLA 기판은 가장자리의 상부 및 하부에 각각 형성된 오목부(Concave hole)와 볼록부(Convex pillar)를 가질 수 있다. 위에 배치되는 GO-PLA 기판의 하부에 형성된 볼록부를 아래에 배치되는 GO-PLA 기판의 상부에 형성된 오목부에 삽입시키는 것에 의해 두 GO-PLA 기판이 자동정렬되면서 적층될 수 있다. 오목부와 볼록부의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 적층되는 두 GO-PLA 기판 사이의 공간(1cm)을 통해 각 기판 내부에 배지가 흘러 들어갈 수 있다. The GO-PLA substrate may be formed by forming a substrate with PLA using 3D printing, and then coating a graphene oxide on the surface of the substrate using a spraying method. The GO-PLA substrate has a plurality of perforations (1 x 1 mm) for easily penetrating the culture medium throughout the cell culture substrate, and can provide high cell viability even when five GO-PLA substrates are laminated. The GO-PLA substrate may have a concave hole and a convex pillar formed at the upper and lower portions of the edge, respectively. The two GO-PLA substrates can be stacked while being automatically aligned by inserting protrusions formed on the bottom of the GO-PLA substrate disposed on the top of the GO-PLA substrate disposed below. The positions of the concave portion and the convex portion can be changed with each other. The medium can flow into each substrate through a space (1 cm) between two GO-PLA substrates stacked.

상기 센서 및 자극기 어레이는 상기 GO-PLA 기판 위에 배치된다. 상기 센서는 임피던스 센서, pH 센서, 칼륨이온 센서, 및 온도 센서를 포함할 수 있고, 상기 자극기는 발열기(열 자극기) 및 전기 자극기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 GO-PLA 기판 위에 온도 센서와 상기 온도 센서를 덮는 제1 절연층이 배치될 수 있다. 상기 제1 절연층 위에 발열기와 상기 발열기를 덮는 제2 절연층이 배치될 수 있다. 상기 제2 절연층 위에 상기 임피던스 센서와 상기 임피던스 센서를 덮는 제3 절연층이 배치될 수 있다. 상기 pH 센서 및 상기 칼륨이온 센서는 상기 임피던스 센서와 함께 상기 제2 절연층 위에 배치될 수 있다.The sensor and stimulator arrays are disposed on the GO-PLA substrate. The sensor may include an impedance sensor, a pH sensor, a potassium ion sensor, and a temperature sensor, and the stimulator may include a heat generator (thermal stimulator) and an electric stimulator. For example, a temperature sensor and a first insulating layer covering the temperature sensor may be disposed on the GO-PLA substrate. A heater and a second insulating layer covering the heater may be disposed on the first insulating layer. And a third insulating layer covering the impedance sensor and the impedance sensor may be disposed on the second insulating layer. The pH sensor and the potassium ion sensor may be disposed on the second insulating layer together with the impedance sensor.

상기 임피던스 센서는 상기 GO-PLA 기판에서 배양되는 세포의 상태를 모니터링할 수 있다. 상기 임피던스 센서의 회로에 바이패스 스위치를 연결하는 것에 의해 상기 임피던스 센서는 전기 자극기로 사용될 수 있고, 세포에 전기 자극을 제공할 수 있다. 상기 pH 센서와 상기 칼륨이온 센서는 세포 배양액의 pH와 칼륨이온 농도를 측정하여 세포 배양액의 상태를 모니터링할 수 있다. 이와 같이, 세포 배양액의 상태를 모니터링함으로써 상기 임피던스 센서에 의해 모니터링되는 세포의 상태 변화에 대한 정보를 더욱 정확하게 파악할 수 있다.The impedance sensor can monitor the state of the cells cultured on the GO-PLA substrate. By connecting a bypass switch to the circuit of the impedance sensor, the impedance sensor can be used as an electric stimulator and can provide electrical stimulation to the cell. The pH sensor and the potassium ion sensor can monitor the condition of the cell culture liquid by measuring pH and potassium ion concentration of the cell culture liquid. Thus, by monitoring the state of the cell culture fluid, information on the state change of the cells monitored by the impedance sensor can be grasped more accurately.

상기 온도 센서는 상기 발열기에 인접하게 배치되어 상기 발열기의 가열 온도를 측정할 수 있고, 상기 발열기를 제어하여 세포에 대한 열 자극을 조절할 수 있다. The temperature sensor may be disposed adjacent to the heat generator to measure the heating temperature of the heat generator, and may control the heat stimulus to the cells by controlling the heat generator.

상기 자극기는 상기 GO-PLA 기판에 배양되는 세포를 자극하여 세포의 증식 및 분화를 촉진할 수 있다. 상기 발열기는 세포에 열 자극을 제공할 수 있고, 상기 전기 자극기는 세포에 전기 자극을 제공할 수 있다. The stimulator may stimulate cells cultured on the GO-PLA substrate to promote cell proliferation and differentiation. The heat radiator may provide thermal stimulation to the cell, and the electric stimulator may provide electrical stimulation to the cell.

상기 GO-PLA 기판은 복수 개의 세포 배양 영역으로 구분될 수 있고, 상기 센서 및 상기 자극기는 하나 또는 둘 이상의 세포 배양 영역에 대응하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 GO-PLA 기판은 16개의 세포 배양 영역으로 구분될 수 있고, 상기 임피던스 센서는 16개의 세포 배양 영역 각각에 배치되어 16개의 영역별로 세포의 상태를 확인할 수 있다. 상기 발열기, 상기 온도 센서, 및 상기 pH 센서는 4개의 세포 배양 영역에 하나씩 배치될 수 있다. The GO-PLA substrate may be divided into a plurality of cell culture regions, and the sensor and the stimulator may be arranged to correspond to one or more cell culture regions. For example, the GO-PLA substrate may be divided into 16 cell culturing regions, and the impedance sensor may be arranged in each of 16 cell culturing regions to confirm the cell state by 16 regions. The heat generator, the temperature sensor, and the pH sensor may be disposed one by one in four cell culture areas.

아두이노(Arduino) 기반 무선 통신 시스템은 상기 센서 및 상기 자극기와 전기적으로 연결되고 인큐베이터 밖에 배치된 외부 장치와 무선으로 통신할 수 있다. 상기 센서 및 상기 자극기는 상기 아두이노 기반 무선 통신 시스템을 통하여 상기 외부 장치에 의해 무선으로 제어될 수 있다. 즉, 상기 센서에 의한 세포 배양의 원위치 모니터링 및 상기 자극기에 의한 세포 자극이 상기 외부 장치에 의해 무선으로 제어될 수 있다. An Arduino-based wireless communication system is capable of wirelessly communicating with an external device that is electrically connected to the sensor and the stimulator and disposed outside the incubator. The sensor and the stimulator may be wirelessly controlled by the external device through the Arduino-based wireless communication system. That is, in-situ monitoring of cell culture by the sensor and cell stimulation by the stimulator can be wirelessly controlled by the external device.

상기 원위치 배지 교환 시스템은 아크릴 케이스의 유입구와 배출구에 연결된 실리콘관을 통해 세포 배양액을 공급 및 교환한다.The in-situ media exchange system supplies and exchanges the cell culture liquid through a silicon tube connected to the inlet and outlet of the acrylic case.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼의 제조 공정을 나타낸다.5 shows a manufacturing process of a cell culture platform according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 30nm의 Ni이 증착된 실리콘 웨이퍼 위에 파릴렌층(Parylene C layer)을 증착한 후 패턴닝한다. 온도 센서를 만들기 위해 150nm의 Au층을 형성한 후 패터닝하고, 그 위에 에폭시(SU8)를 증착한다. 그리고 이 공정을 반복 수행하여 히터, 임피던스 센서, 칼륨이온 센서, 및 pH 센서를 형성한다. 에폭시층과 파릴렌층을 증착하여 인캡슐레이션층을 형성한다. 그 위에 스프레이 방법을 이용해 그래핀 산화물(GO)을 코팅한 후 패터닝하여 그래핀 산화물 패턴을 형성한다. 이에 의해 상기 실리콘 웨이퍼 상에 세포 배양용 장치가 형성된다. 상기 실리콘 웨이퍼 위에 증착되어 있던 Ni을 에칭하고 그 위에 형성된 상기 세포 배양용 장치를 SAM 처리한 후 스쿠핑(scooping) 방법을 이용하여 PLA 기판 위에 전사한다. ACF(anisotropic conductive film)를 PCB 기판에 연결한 후 pH 센서에 이리듐 산화물을 증착하고 칼륨이온 센서에 PEDOT을 증착하여 상기 이온 센서들의 작동 전극을 형성하고, Ag/AgCl 잉크를 이용해 기준 전극을 형성한 후, 이온 선택성 멤브레인(ion selective membrane)을 코팅한다. 상기 세포 배양용 장치가 전사된 PLA 기판을 적층한 후 무선 통신 시스템(wireless system)과 연결한다. 상기 적층된 PLA 기판을 PDMS 웰(well) 내에 배치하고 실리콘관을 통해 세포 배양액을 공급 및 교환한다.Referring to FIG. 5, a parylene C layer is deposited on a silicon wafer on which Ni of 30 nm is deposited, followed by patterning. To form a temperature sensor, a 150 nm Au layer is formed and patterned, and an epoxy (SU8) is deposited thereon. The process is repeated to form a heater, an impedance sensor, a potassium ion sensor, and a pH sensor. An epoxy layer and a parylene layer are deposited to form an encapsulation layer. A graphene oxide (GO) is coated thereon using a spray method and then patterned to form a graphene oxide pattern. Whereby a device for cell culture is formed on the silicon wafer. The Ni deposited on the silicon wafer is etched, the cell culture apparatus formed thereon is subjected to SAM treatment, and then transferred onto a PLA substrate using a scooping method. After connecting ACF (anisotropic conductive film) to the PCB substrate, iridium oxide was deposited on the pH sensor and PEDOT was deposited on the potassium ion sensor to form the working electrodes of the ion sensors, and the reference electrode was formed using the Ag / AgCl ink Then, an ion selective membrane is coated. The PLA substrate on which the cell culture device is transferred is laminated and then connected to a wireless communication system. The laminated PLA substrate is placed in a PDMS well, and a cell culture liquid is supplied and exchanged through a silicon tube.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼이 적층된 이미지를 나타낸다. FIG. 6 shows a stacked image of a cell culture platform according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 인큐베이터에서 최대수의 세포 배양 플랫폼을 배치하는 효율을 높이기 위해 각 세포 배양 플랫폼은 공기 통로와 유입구/배출구를 갖는 아크릴 케이스에 수용될 수 있다. 상기 아크릴 케이스는 각 세포 배양 플랫폼의 치수를 표준화하고 적층을 용이하게 할 수 있다.Referring to Figure 6, each cell culture platform may be housed in an acrylic case having an air passage and an inlet / outlet to increase the efficiency of deploying the maximum number of cell culture platforms in an incubator. The acrylic case can standardize the dimensions of each cell culture platform and facilitate lamination.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 플랫폼을 이용한 세포 배양 공장의 이미지를 나타낸다.7 is an image of a cell culture plant using a cell culture platform according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 상기 세포 배양 공장에는 다수의 세포 배양 플랫폼을 수용하는 인큐베이터들이 배치된다. 상기 세포 배양 플랫폼은 부착 세포의 세포 생존력, 증식 및 분화와 같은 현재 상태를 지속적으로 모니터하고 이에 따라 적절한 자극을 가하여 소프트웨어와 무선으로 통신하여 세포 증식 또는 분화를 촉진한다. 임피던스, 온도, pH, 및/또는 칼륨 이온 농도의 급격한 증가 또는 감소와 같은 비정상적인 조건이 발생하는 경우 적절한 조치가 수행될 수 있다. 상기 스마트 세포 배양 플랫폼은 무선 통신에 의해 작은 인원으로도 공장 규모로 관리할 수 있기 때문에 노동 비용 등의 관리 및 운영 비용이 크게 절감될 수 있다.Referring to FIG. 7, the cell culture plant is provided with incubators accommodating a plurality of cell culture platforms. The cell culture platform continuously monitors the current state of the adherent cells such as cell viability, proliferation and differentiation, and accordingly stimulates cell proliferation or differentiation by appropriately stimulating and communicating with the software wirelessly. Appropriate measures can be taken if abnormal conditions such as impedance, temperature, pH, and / or sudden increase or decrease in potassium ion concentration occur. Since the smart cell culture platform can be managed on a factory scale by a small number of persons by wireless communication, the management and operation cost of labor costs and the like can be greatly reduced.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 산화물(GO)의 코팅 공정을 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 그래핀 산화물이 스프레이 방법으로 3D 인쇄된 PLA 기판 위에 코팅될 수 있다.8 is a view for explaining a coating process of graphene oxide (GO) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, graphene oxide may be coated on a 3D printed PLA substrate by a spray method.

도 9는 베어(bare) PLA 기판 및 그래핀 산화물이 코팅된 PLA(GO-PLA) 기판의 AFM 이미지를 나타내고, 도 10은 베어 PLA 기판, GO-PLA 기판, 및 GO 파우더의 라만 스펙트럼을 나타내고, 도 11 및 12는 GO-PLA 기판의 SEM 이미지를 나타내고, 도 13은 세포 배양 기간에 따른 PLA 기판과 GO-PLA 기판 위 세포의 SEM 이미지를 나타내며, 도 14는 세포 배양 기판의 종류에 따른 세포수를 나타내는 그래프이다.9 shows an AFM image of a bare PLA substrate and a graphene oxide coated PLA (GO-PLA) substrate, FIG. 10 shows a Raman spectrum of a bare PLA substrate, a GO-PLA substrate, FIGS. 11 and 12 show SEM images of GO-PLA substrates, FIG. 13 shows SEM images of PLA substrates and GO-PLA substrate cells according to cell culture period, FIG. 14 shows cell numbers FIG.

도 9 내지 도 14를 참조하면, 코팅된 그래핀 산화물은 높은 생존력을 갖기 위한 세포 접착력을 향상시키고, GO-PLA 기판은 베어 PLA 기판에 비하여 세포가 잘 부착하고, 폴리스티렌 기판, 유리 기판에 비하여 증식 및 분화되는 세포의 수가 크게 증가하는 것으로 나타났다.9 to 14, the coated graphene oxide improves the cell adhesion force to have high viability, and the GO-PLA substrate has better cell adhesion than the bare PLA substrate, and the proliferation And the number of differentiated cells was significantly increased.

도 15는 세포 배양 기판 위 정렬된 세포 이미지를 나타낸다. 도 15를 참조하면, 그래핀 산화물의 패터닝은 네이티브 조직(native tissue)을 모방할 필요가 있는 세포에 세포 정렬을 제공한다.15 shows a cell image arranged on a cell culture substrate. Referring to FIG. 15, patterning of graphene oxide provides cell alignment to cells that need to mimic native tissue.

도 16은 세포 생존력을 실험하기 위헤 배지에 담가진 적층된 세포 배양 기판을 포함하는 세포 배양 플랫폼을 나타내고, 도 17 내지 도 19는 세포 배양 기판의 적층수와 배지 깊이에 따른 세포 생존율을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 16 shows a cell culture platform including a laminated cell culture substrate immersed in a culture medium in order to test cell viability. FIGS. 17 to 19 show the cell survival rate according to the number of the cell culture substrates and the culture medium depth FIG.

도 16 내지 도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(Designed substrate)은 세포 배양 기판의 적층수가 5인 경우에도 세포 생존율이 거의 100%를 유지하였고, 평평한 기판(Flat substrate)에 비해 세포 생존력을 크게 향상시켰다. 또, 세포까지 배지의 깊이가 약 10mm가 될 때까지 세포 생존율이 거의 100%로 유지되었다.16 to 19, the designed substrate of the present invention maintains a cell survival rate of about 100% even when the number of stacked cell culture substrates is 5, Cell viability was significantly improved. In addition, the cell survival rate was maintained at almost 100% until the depth of the culture medium reached about 10 mm.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 센서를 나타내고, 도 21은 도 20의 임피던스 센서의 캘리브레이션 곡선을 나타낸다.FIG. 20 shows an impedance sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 21 shows a calibration curve of the impedance sensor of FIG.

도 20 및 도 21을 참조하면, 임피던스 센서는 교차 전극(interdigitated electrodes)을 포함할 수 있다. 또, 임피던스 센서는 전압 또는 전류를 제공하는 것에 의해 세포에 전기 자극을 제공하는 전기 자극기로 기능할 수 있다.20 and 21, the impedance sensor may include interdigitated electrodes. The impedance sensor may also function as an electrical stimulator that provides electrical stimulation to the cell by providing voltage or current.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열기 및 온도 센서를 나타내고, 도 23은 도 22의 발열기 및 온도 센서의 캘리브레이션 곡선을 나타낸다.FIG. 22 shows a heater and a temperature sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 23 shows a calibration curve of a heater and a temperature sensor of FIG.

발열기(히터)는 구불구불한 라인 형상의 금속 패턴을 포함할 수 있다. 상기 발열기는 27℃에서 43℃까지 온도를 선형으로 변화시킬 수 있다. 온도 센서는 라인 형상의 금속 패턴을 포함할 수 있다. 상기 온도 센서는 상기 발열기 아래에 배치되어 상기 발열기의 온도를 측정할 수 있다. 상기 온도 센서의 저항은 25℃에서 50℃까지 온도에 선형적으로 변하며, 급격한 온도 변화에 신속하게 대응할 수 있다.The heater (heater) may include a meandering line-shaped metal pattern. The heater can linearly change the temperature from 27 캜 to 43 캜. The temperature sensor may include a line-shaped metal pattern. The temperature sensor may be disposed under the heat generator to measure the temperature of the heat generator. The resistance of the temperature sensor linearly changes from 25 占 폚 to 50 占 폚 and can cope with rapid temperature changes quickly.

도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서를 나타내고, 도 25는 도 24의 pH 센서의 캘리브레이션 곡선을 나타내며, 도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼륨이온 센서를 나타내고, 도 27은 도 26의 칼륨이온 센서의 캘리브레이션 곡선을 나타낸다.FIG. 24 shows a pH sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 25 shows a calibration curve of the pH sensor of FIG. 24, FIG. 26 shows a potassium ion sensor according to an embodiment of the present invention, 26 shows a calibration curve of the potassium ion sensor of Fig.

도 24 내지 도 27을 참조하면, pH 센서와 칼륨이온 센서는 각각 4~10 pH와 1~32mM K+ 농도로 H+와 K+의 개방 회로 포텐셜을 측정하고 7.94~6.94 pH와 0.125~2mM K+ 농도로 작은 변화 범위에서 민감하게 감지한다.24-27, the pH sensor and the potassium ion sensor measure the open circuit potential of H + and K + at 4 to 10 pH and 1 to 32 mM K + concentration, respectively, and measured the open circuit potential at 7.94 to 6.94 pH and 0.125 to 2 mM K + Sensitively sensing in the range of change.

도 28 내지 도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 및 발열기의 장기 안정성(long term stability)을 나타낸다.28 to 33 show long term stability of the sensor and the heater according to an embodiment of the present invention.

도 28 내지 도 33을 참조하면, 임피던스 센서, 전기 자극기, 발열기, 온도 센서, pH 센서, 및 칼륨이온 센서는 모두 배지 내에서 장기간 안정적으로 기능할 수 있다.28 to 33, both the impedance sensor, the electric stimulator, the heater, the temperature sensor, the pH sensor, and the potassium ion sensor can stably function in the medium for a long period of time.

도 34는 인간 제대 정맥 내피 세포(human umbilical vein endothelial cells, HUVEC), 인간 피부 섬유 아세포(human dermal fibroblast, hDFB), 심장 근육 세포(cardiac muscle cell, HL-1), 및 C2C12 근육 아세포의 임피던스 곡선을 나타낸다. Figure 34 shows the impedance curves of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC), human dermal fibroblast (hDFB), cardiac muscle cells (HL-1), and C2C12 myoblasts .

도 34를 참조하면, 모든 유형의 세포에서, 세포가 증식하여 전극을 덮으면 임피던스는 증가한다. 근육 세포는 분화되면서 근관 세포(myotube)를 형성하여 전도성을 갖게 되므로 시간이 흐름에 따라 임피던스가 감소한다.Referring to Fig. 34, in all types of cells, the impedance increases when the cells proliferate and cover the electrode. Muscle cells are differentiated and form myotubes, so they have conductivity, so impedance decreases with time.

도 35는 열 자극과 전기 자극을 받은 C2C12 근육 아세포의 형광 이미지를 나타내고, 도 36은 자극의 종류에 따른 세포의 임피던스 곡선을 나타낸다.Fig. 35 shows fluorescence images of C2C12 myoblasts, which were subjected to thermal stimulation and electrical stimulation, and Fig. 36 shows impedance curves of cells according to the types of stimulation.

도 35를 참조하면, C2C12 근육 아세포는 열 자극(TS) 및/또는 전기 자극(TS)에 의해 증식 및 분화가 향상되는 것으로 나타났다. 상기 두 가지 자극의 결합으로 근관 세포의 형성이 크게 향상되었다. Referring to FIG. 35, C2C12 myoblasts were shown to be enhanced by thermal stimulation (TS) and / or electrical stimulation (TS). The combination of the two stimuli greatly improved the formation of canaliculus cells.

도 36을 참조하면, C2C12 근육 아세포에 대한 자극의 증강된 효과는 임피던스 센서에 의해 감지되어 기록될 수 있다.Referring to Figure 36, the enhanced effect of stimulation on C2C12 myoblast can be sensed and recorded by an impedance sensor.

도 37은 모니터링 소프트웨어에 무선으로 연결되는 세포 배양 플랫폼을 개략적으로 나타낸다.Figure 37 schematically shows a cell culture platform wirelessly connected to monitoring software.

도 37을 참조하면, 세포 배양 플랫폼은 인쇄 회로 기판과 아두이노 기반 무선 통신 시스템을 사용하여 신호 컨디셔닝, 증폭 및 무선 데이터 전송을 통합하여 제어할 수 있고, 신호 프로세싱, 아날로그-디지털(AD) 변환 및 디지털-아날로그(DA) 변환 기능을 활용할 수 있다. 이에 의해 세포 배양 플랫폼의 세포 배양 기판에 배치된 센서와 자극기(발열기)는 무선으로 제어되고 관리될 수 있다. 37, a cell culture platform may be integrated with and controlled for signal conditioning, amplification, and wireless data transmission using a printed circuit board and an Arduino-based wireless communication system, and may include signal processing, analog-to- Digital-to-analog (DA) conversion. Whereby the sensors and stimulators (heaters) disposed on the cell culture substrate of the cell culture platform can be controlled and managed wirelessly.

도 38 내지 도 41은 센서와 발열기의 무선 제어를 개략적으로 나타낸다.38 to 41 schematically show the wireless control of the sensor and the heater.

도 38 내지 도 41을 참조하면, 임피던스 측정을 위해, 생성된 교류 신호는 1:16 멀티플렉서(MUX)를 사용하여 임피던스 센서 어레이를 연속적으로 통과한다. 이 신호는 트랜스임피던스 증폭기(TIA)에 의해 증폭되고, 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)에 의해 처리되며, 무선 데이터 전송을 위해 블루투스 모듈로 전송된다. 전기 자극을 위해, 임피던스 측정을 위한 회로는 추가적인 바이패스 스위치와 함께 그대로 사용될 수 있다. pH와 칼륨이온 농도 측정을 위해, pH 센서와 칼륨이온 센서의 높은 임피던스 때문에 개방 회로 전압을 정확하게 측정하기 위해 전압 버퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 무선으로 멀티플렉서를 제어하는 것에 의해 발열기와 전기 자극기는 배양된 세포를 선택적으로 자극하여 세포의 증식 및 분화를 촉진할 수 있다.Referring to Figures 38-41, for impedance measurement, the generated alternating signal is passed through the impedance sensor array continuously using a 1:16 multiplexer (MUX). This signal is amplified by a transimpedance amplifier (TIA), processed by a microcontroller unit (MCU), and transmitted to a Bluetooth module for wireless data transmission. For electrical stimulation, the circuit for impedance measurement can be used as is with an additional bypass switch. For pH and potassium ion concentration measurements, it is desirable to use a voltage buffer to accurately measure the open circuit voltage due to the high impedance of the pH and potassium ion sensors. By controlling the multiplexer wirelessly, the heaters and electrical stimulators can selectively stimulate the cultured cells to promote cell proliferation and differentiation.

도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층된 세포 배양 기판을 포함하는 세포 배양 플랫폼의 C2C12 근육 아세포에 대한 임피던스 모니터링 캘리브레이션을 나타내고, 도 43은 일반 성장 조건에서 C2C12 근육 아세포의 무선 임피던스 모니터링을 나타내며, 도 44 및 도 45는 자극을 이용한 성장에서 C2C12 근육 아세포의 무선 임피던스 모니터링을 나타낸다.Figure 42 shows an impedance monitoring calibration for C2C12 myoblasts in a cell culture platform comprising a laminated cell culture substrate according to an embodiment of the present invention and Figure 43 shows the radio impedance monitoring of C2C12 myotube cells under normal growth conditions , Figures 44 and 45 show the radio impedance monitoring of C2C12 myoblasts in growth using stimulation.

도 43을 참조하면, 임피던스 컬러 맵은 자극 없이 정상 상태에서 C2C12를 배양하는 것을 나타낸다. 도 44를 참조하면, 제1 층(L1)의 상부 좌측의 위치가 열 및 전기로 자극되었고, 도 45를 참조하면, 제2 층(L2)의 우측 상부와 제4 층(L4)의 좌측 하부가 자극되었다. 자극된 C2C12의 증식과 분화는 자극 부위에서 촉진되는 것으로 나타났다.Referring to Figure 43, the impedance color map shows the cultivation of C2C12 in steady state without stimulation. Referring to FIG. 44, the upper left position of the first layer Ll is thermally and electrically excited, and referring to FIG. 45, the upper right portion of the second layer L2 and the lower left portion of the fourth layer L4 Was stimulated. Proliferation and differentiation of stimulated C2C12 were promoted at the site of stimulation.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention have been described. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (5)

세포를 배양하기 위한 세포 배양 기판 위에 배치되어 상기 세포의 배양 상태를 모니터링하는 세포 배양용 임피던스 센서 어레이로서,
상기 세포 배양 기판 위에 배치되는 복수 개의 임피던스 센서를 포함하는 세포 배양용 임피던스 센서 어레이.
1. An array of impedance sensors for cell culture, which is disposed on a cell culture substrate for culturing cells to monitor the culture condition of the cells,
And a plurality of impedance sensors disposed on the cell culture substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 세포 배양 기판은 제1 세포 배양 영역부터 제N 세포 배양 영역까지 N개의 세포 배양 영역을 포함하고,
상기 세포 배양용 임피던스 센서 어레이는 제1 임피던스 센서부터 제N 임피던스 센서까지 N개의 임피던스 센서를 포함하며,
상기 제1 내지 제N 임피던스 센서는 상기 제1 내지 제N 세포 배양 영역에 1:1로 대응하여 하나의 세포 배양 영역에 하나의 임피던스 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 세포 배양용 임피던스 센서 어레이.
The method according to claim 1,
Wherein the cell culture substrate includes N cell culture regions from a first cell culture region to an Nth cell culture region,
The cell culture impedance sensor array includes N impedance sensors from the first impedance sensor to the Nth impedance sensor,
Wherein the first to N-th impedance sensors correspond to the first to N-th cell culturing regions at a ratio of 1: 1, and one impedance sensor is disposed in one cell culturing region.
제 2 항에 있어서,
상기 세포 배양용 임피던스 센서 어레이는,
상기 제1 임피던스 센서부터 상기 제N 임피던스 센서까지 순차적으로 세포 배양 영역별 세포의 배양 상태를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 세포 배양용 임피던스 센서 어레이.
3. The method of claim 2,
In the impedance array for cell culture,
Wherein the culture condition of each cell culture area is monitored sequentially from the first impedance sensor to the Nth impedance sensor.
제 2 항에 있어서,
상기 임피던스 센서는 상기 세포 배양 기판에 인접하게 배치되는 무선 통신 시스템에 전기적으로 연결되고,
상기 무선 통신 시스템은 상기 임피던스 센서를 제어하는 외부 장치와 무선으로 통신하는 것을 특징으로 하는 세포 배양용 임피던스 센서 어레이.
3. The method of claim 2,
Wherein the impedance sensor is electrically connected to a wireless communication system disposed adjacent to the cell culture substrate,
Wherein the wireless communication system wirelessly communicates with an external device that controls the impedance sensor.
세포를 배양하기 위한 세포 배양 기판 위에 배치되어 상기 세포의 배양 상태를 모니터링하는 세포 배양용 임피던스 센서 어레이를 이용하여 상기 세포의 상태를 확인하는 방법으로서,
상기 세포 배양 기판은 제1 세포 배양 영역부터 제N 세포 배양 영역까지 N개의 세포 배양 영역을 포함하고,
상기 세포 배양용 임피던스 센서 어레이는 제1 임피던스 센서부터 제N 임피던스 센서까지 N개의 임피던스 센서를 포함하며,
상기 제1 내지 제N 임피던스 센서는 상기 제1 내지 제N 세포 배양 영역에 1:1로 대응하여 하나의 세포 배양 영역에 하나의 임피던스 센서가 배치되고,
상기 제1 임피던스 센서부터 상기 제N 임피던스 센서까지 순차적으로 세포 배양 영역별 세포의 배양 상태를 모니터링하는 단계를 포함하는 세포 상태 확인 방법.
A method for confirming the state of a cell using an impedance sensor array for cell culture, the cell being disposed on a cell culture substrate for culturing the cell,
Wherein the cell culture substrate includes N cell culture regions from a first cell culture region to an Nth cell culture region,
The cell culture impedance sensor array includes N impedance sensors from the first impedance sensor to the Nth impedance sensor,
Wherein the first to Nth impedance sensors correspond to the first to Nth cell culture regions at a ratio of 1: 1, and one impedance sensor is disposed in one cell culture region,
And monitoring the cell culture state of each cell culture area sequentially from the first impedance sensor to the Nth impedance sensor.
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