KR20200061036A - Apparatus for manufacturing 3D tumor model - Google Patents

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KR20200061036A KR1020180146361A KR20180146361A KR20200061036A KR 20200061036 A KR20200061036 A KR 20200061036A KR 1020180146361 A KR1020180146361 A KR 1020180146361A KR 20180146361 A KR20180146361 A KR 20180146361A KR 20200061036 A KR20200061036 A KR 20200061036A
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Abstract

Provided in the present invention is an apparatus for preparing a 3D tumor model. According to an embodiment of the present invention, the apparatus for preparing a 3D tumor model comprises: a first inlet part, into which an oil phase solution is introduced; a second inlet part, into which a water phase solution containing cells related to a 3D tumor model to be prepared is introduced; a branched passage part, in which the oil phase solution separately flows and the oil phase solution flows in opposite directions at one end; a water phase solution passage part, in which the water phase solution flows and which is disposed to cross the branched passage part; an extension passage part which extends from a cross point between the branched passage part and the water phase solution passage part toward an opposite side of the water phase solution passage part and in which a cell droplet containing cells is formed by mixing the water phase solution and the oil phase solution; a liquid droplet passage part in which cell droplets flow; and an outlet part from which the cell droplets are discharged to the outside. At this time, the cell droplets containing cells are incubated for a certain period of time, after which the cells are aggregated and formed into a 3D tumor model and a flow rate of the water phase solution and the oil phase solution and a concentration of the cells contained in the water phase solution can be controlled so that a finally obtained 3D tumor model can have a desired size.

Description

3차원 종양모델 제조 장치{Apparatus for manufacturing 3D tumor model} Apparatus for manufacturing 3D tumor model

본 발명은 3차원 종양모델 제조 장치에 관한 것으로, 특히, 3차원 종양의 대량 제조 및 균일한 크기 조절을 위한 3차원 종양모델 제조 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus, in particular, to a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus for mass production and uniform size control of a three-dimensional tumor.

신약 대상 물질에 대한 약물 효용성을 판별하기 위하여 세포 모델을 이용하는 것이 일반적이며, 특히 3차원 형태의 세포의 경우 신약 대상 물질의 전달을 방해하는 요소로 작용하여 체내의 종양과 유사한 약물의 효용성을 검증할 수 있는 장점을 가진다. It is common to use a cell model to determine drug efficacy for a drug substance, and in the case of 3D cells, it acts as a factor that interferes with the delivery of the drug substance, so that the efficacy of drugs similar to tumors in the body can be verified. It has the advantage of being able to.

그러나 일반적인 세포는 2차원의 형태로 자라나는 특성을 가지고, 이렇게 자라난 2차원 형태의 세포는 상기 3차원 형태의 세포와는 물리적, 생물학적 특징이 달라, 신약 대상 물질에 대한 약물 효용성을 효과적으로 검증하기 어려운 문제가 있다. However, a typical cell has a property of growing in a two-dimensional form, and the two-dimensional cell thus grown has different physical and biological characteristics from the cell of the three-dimensional form, making it difficult to effectively verify drug efficacy for a drug substance. there is a problem.

이에 따라, 3차원 형태의 세포를 배양하는 기술이 개발되고 있으며, 현재까지 많이 사용되는 방법으로는 현적배양법(hanging drop), 마이크로 몰딩법(micromolding) 등이 있다. 한편, 이러한 현적배양용 제품으로 SpheroFilm(iN CYTO社), Perfecta3D(3D Biomatrix社) 등이 시판되고 있으나, 361well(SpheroFilm), 96 또는 384well(Perfecta3D) 등의 한정된 개수를 수작업을 통하여 제조하는 방식이므로 3차원 종양모델을 제조하기에는 한계가 있다. Accordingly, a technique for culturing a cell in a three-dimensional form has been developed, and methods that are widely used to date include a hanging drop method and a micromolding method. On the other hand, SpheroFilm (iN CYTO), Perfecta3D (3D Biomatrix), etc. are commercially available as these cultivation products. There is a limit to producing a 3D tumor model.

따라서 이러한 3차원 종양모델 제조에 있어서의 낮은 생산성 문제를 해결하여 보다 효과적으로 3차원 종양모델을 제조하기 위한 기술이 필요한 상황이다.Therefore, there is a need for a technique for manufacturing a 3D tumor model more effectively by solving the low productivity problem in manufacturing the 3D tumor model.

대한민국 등록특허 제10-1544391호Republic of Korea Registered Patent No. 10-1544391

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 액적을 이용하여 3차원 종양모델의 제조수율을 향상시킬 수 있는 동시에 3차원 종양모델의 크기를 균일하게 조절할 수 있는 는 3차원 종양모델 제조 장치를 제공하고자 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, one embodiment of the present invention can improve the production yield of the three-dimensional tumor model using droplets while simultaneously controlling the size of the three-dimensional tumor model. It is intended to provide an apparatus for manufacturing a dimensional tumor model.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 유상용액(oil phase solution)이 유입되는 제1유입부; 제조하고자 하는 3차원 종양모델과 관련된 세포를 포함하는 수상용액(oil phase solution)이 유입되는 제2유입부; 상기 유상용액이 분리되어 유동되며, 일단에서 상기 유상용액이 서로 반대방향으로 유동되는 분기 유로부; 상기 수상용액이 유동되며, 상기 분기 유로부와 교차하게 배치되는 수액 유로부; 상기 분기 유로부 및 상기 수액 유로부의 교차지점으로부터 상기 수액 유로부의 반대측으로 연장 형성되며, 상기 수상용액과 상기 유상용액의 혼합에 의해 상기 세포를 포함하는 세포 액적이 형성되는 연장 유로부; 상기 세포 액적이 유동되는 액적 유로부; 및 상기 세포 액적이 외측으로 유출되는 유출부를 포함하며, 상기 세포를 포함하는 세포 액적은 소정 시간 배양 후에 상기 세포가 응집되어 3차원 종양모델로 형성되고, 최종 획득되는 3차원 종양모델의 크기가 목표하는 크기를 가질 수 있도록 상기 수상용액 및 상기 유상용액의 유속 및 상기 수상용액에 포함되는 세포의 농도가 제어되는 3차원 종양모델 제조 장치가 제공된다. According to an aspect of the present invention for solving the above problems, the oil inlet solution (oil phase solution) is introduced into the first inlet; A second inflow part into which an oil phase solution containing cells related to a 3D tumor model to be manufactured is introduced; A branch flow path part in which the oil phase solution is separated and flows, and at one end, the oil phase solution flows in opposite directions; A fluid flow passage portion through which the aqueous solution flows and intersects the branch flow path portion; An extended flow path portion extending from an intersection point of the branch flow path portion and the fluid flow path portion to an opposite side of the liquid flow path portion, wherein cell droplets containing the cells are formed by mixing the aqueous solution and the oil solution; A droplet flow path portion through which the cell droplet flows; And an outlet through which the cell droplets are discharged to the outside, and the cell droplets containing the cells are aggregated to form a three-dimensional tumor model after culturing for a predetermined time, and the size of the finally obtained three-dimensional tumor model is targeted. A three-dimensional tumor model manufacturing apparatus is provided in which the flow rate of the aqueous phase solution and the oil phase solution and the concentration of cells contained in the aqueous phase solution are controlled so as to have a size.

일 실시예에서, 상기 3차원 종양모델 제조 장치는 상기 유상용액을 상기 제1유입부로 공급하는 제1실린지 펌프; 상기 수상용액을 상기 제2유입부로 공급하는 제2실린지 펌프; 및 상기 유상용액 및 상기 수상용액의 유속을 조절하도록 상기 제1실린지 펌프 및 상기 제2실린지 펌프를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the apparatus for manufacturing a 3D tumor model includes a first syringe pump that supplies the oily solution to the first inlet; A second syringe pump supplying the aqueous solution to the second inlet; And it may further include a control unit for controlling the first syringe pump and the second syringe pump to adjust the flow rate of the oil phase solution and the water phase solution.

일 실시예에서, 상기 유상용액의 유속은 120~300㎕/min 이고, 상기 수상용액의 유속은 40~100㎕/min 이며, 상기 유상용액과 상기 유상용액의 유속비는 1:3일 수 있다. In one embodiment, the flow rate of the oil phase solution is 120 ~ 300μl/min, the flow rate of the water phase solution is 40 ~ 100μl/min, and the flow rate ratio of the oil phase solution and the oil phase solution may be 1:3. .

일 실시예에서, 상기 수상용액에 포함되는 세포의 농도는 1.47×106 ~ 29.4×106 개/㎖일 수 있다. In one embodiment, the concentration of cells contained in the aqueous solution may be 1.47 × 10 6 ~ 29.4 × 10 6 pieces / ml.

일 실시예에서, 상기 세포 액적은 그 직경이 50㎛ 이상 450㎛ 이하일 수 있다. In one embodiment, the cell droplet may have a diameter of 50 μm or more and 450 μm or less.

일 실시예에서, 상기 3차원 종양모델은 그 직경이 50-150㎛일 수 있다. In one embodiment, the 3D tumor model may have a diameter of 50-150㎛.

일 실시예에서, 상기 연장 유로부의 폭은 상기 분기 유로부, 상기 수액 유로부, 상기 액적 유로부의 폭보다 작을 수 있다. In one embodiment, the width of the extended flow path portion may be smaller than the width of the branch flow path portion, the fluid flow path portion, and the droplet flow path portion.

일 실시예에서, 상기 액적 유로부는 그 폭이 상기 연장 유로부로부터 곡선형상으로 확장될 수 있다.In one embodiment, the width of the droplet flow path portion may extend in a curved shape from the extension flow path portion.

일 실시예에서, 상기 세포는 암세포일 수 있다. In one embodiment, the cells may be cancer cells.

일 실시예에서, 상기 세포 액적은 24시간 배양되어 상기 3차원 종양모델이 형성될 수 있다.In one embodiment, the cell droplets can be cultured for 24 hours to form the 3D tumor model.

일 실시예에서, 상기 3차원 종양모델은 원심분리에 의해 상기 세포 액적의 외부로 배출될 수 있다.In one embodiment, the three-dimensional tumor model may be discharged to the outside of the cell droplets by centrifugation.

일 실시예에서, 상기 수상용액의 유속(X1; ㎕/min)에 따른 상기 세포 액적의 직경(Y1; ㎛)은 하기의 수학식으로 산출될 수 있다; In one embodiment, the diameter (Y1; μm) of the cell droplet according to the flow rate (X1; μl/min) of the aqueous solution may be calculated by the following equation;

Y1 = - 0.9695 × X1 + 471.61 (R2 = 0.9866).Y1 =-0.9695 × X1 + 471.61 (R 2 = 0.9866).

일 실시예에서, 상기 세포 농도(X2; 개/㎖)에 따른 상기 세포 액적 내의 세포의 개수(Y2)는 하기의 수학식으로 산출될 수 있다; In one embodiment, the number (Y2) of cells in the cell droplet according to the cell concentration (X2; dog/mL) may be calculated by the following equation;

Y2 = 3 × 10-5 × X2 - 16.687 (R2 = 0.9873).Y2 = 3 × 10 -5 × X2-16.687 (R 2 = 0.9873).

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치는 수상용액과 유상용액의 혼합에 의해 종양모델을 형성하기 위한 세포가 내부에 포함된 액적을 연속적으로 형성함으로써, 3차원 종양모델을 용이하게 제조하는 동시에 다량으로 제조할 수 있으므로 3차원 종양모델의 제조수율을 향상시킬 수 있다. The apparatus for manufacturing a 3D tumor model according to an embodiment of the present invention facilitates the 3D tumor model by continuously forming droplets in which cells for forming a tumor model are formed by mixing the aqueous solution and the oil solution. Since it can be produced in large quantities at the same time as manufacturing, it is possible to improve the production yield of the three-dimensional tumor model.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치는 수상용액과 유상용액의 유속 및 수상용액에 포함되는 세포의 농도를 조절함으로써 제조되는 세포 액적의 크기 및 세포의 응집에 의해 형성되는 다양한 크기의 3차원 종양모델을 균일하게 제조할 수 있다. In addition, the apparatus for manufacturing a 3D tumor model according to an embodiment of the present invention is formed by adjusting the flow rate of the aqueous solution and the oil solution, and the concentration of cells contained in the aqueous solution, and the size of the cell droplets and the aggregation of cells. Three-dimensional tumor models of various sizes can be produced uniformly.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치를 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 A 영역에서 액적이 형성되는 과정을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 도 1의 A 영역의 확대도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치의 블록도,
도 5는 수상용액 및 유상용액의 유속에 따른 액적 직경 및 수율의 관계를 나타낸 그래프,
도 6은 수상용액의 세포 농도에 따른 액적 내 세포수의 관계를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치에 의해 제조되는 세포액적을 촬영한 이미지,
도 8은 도 7의 세포액적을 배양하여 형성된 3차원 종양모델을 촬영한 이미지,
도 9는 수상용액의 세포 농도에 따른 3차원 종양모델의 직경의 관계를 나타낸 그래프,
도 10은 수상용액의 세포 농도에 따른 3차원 종양모델을 촬영한 이미지이다.
1 is a perspective view showing a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 schematically illustrates a process in which droplets are formed in region A of FIG. 1,
3 is an enlarged view of region A of FIG. 1,
Figure 4 is a block diagram of a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention,
Figure 5 is a graph showing the relationship between the droplet diameter and yield according to the flow rate of the aqueous solution and the oil solution,
Figure 6 is a graph showing the relationship between the number of cells in the droplet according to the cell concentration of the aqueous solution,
7 is an image of a cell droplet produced by a 3D tumor model manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention,
8 is an image of a three-dimensional tumor model formed by culturing the cell droplets of FIG. 7,
Figure 9 is a graph showing the relationship between the diameter of the three-dimensional tumor model according to the cell concentration of the aqueous solution,
10 is an image of a three-dimensional tumor model according to the cell concentration of the aqueous solution.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. The present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are attached to the same or similar elements throughout the specification.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 3차원 종양 모델 제조 장치를 보다 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A 영역에서 액적이 형성되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 도 1의 A 영역의 확대도이다. Hereinafter, an apparatus for manufacturing a 3D tumor model according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. 1 is a perspective view showing a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a diagram schematically showing the process of droplet formation in the region A of Figure 1, Figure 3 is a diagram of Figure 1 This is an enlarged view of area A.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 종양 모델 제조 장치(10)는 액적 기반 마이크로 유체 시스템으로서, 몸체부(100), 제1유입부(110), 제1유로부(111), 제1분기 유로부(112), 제2분기 유로부(113), 제2유입부(120), 제2유로부(121), 제3유로부(131), 연장 유로부(132) 및 유출부(130)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a 3D tumor model manufacturing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention is a droplet-based microfluidic system, the body portion 100, the first inlet portion 110, and the first flow path portion ( 111), the first branch flow path 112, the second branch flow path 113, the second inflow section 120, the second flow path section 121, the third flow path section 131, the extended flow path section 132 ) And the outlet portion 130.

몸체부(100)는 3차원 종양 모델 제조 장치(10)의 몸체를 형성하며 투명한 재질을 포함하고, 전체적으로는 얇은 두께의 사각 칩(chip) 형상을 가질 수 있다.The body portion 100 forms the body of the 3D tumor model manufacturing apparatus 10 and includes a transparent material, and may have a thin rectangular chip shape as a whole.

제1유입부(110)는 몸체부(100)의 일단에 형성되며, 몸체부(100)의 내부로 연결되는 개구부로 형성될 수 있다. 또한, 제1유입부(110)는 유상용액(200)이 유입될 수 있다. 여기서, 유상물질(200)은, 예를 들어, 3M 社의 Novec 7500 Engineered fluid 상에 5%의 농도로 Dolomite-microfludicis 社의 Pico Surf 2를 혼합한 것일 수 있다. The first inlet part 110 is formed at one end of the body part 100 and may be formed as an opening connected to the inside of the body part 100. In addition, the first inlet 110 may be introduced into the oil solution 200. Here, the oily material 200 may be, for example, a mixture of Pico Surf 2 of Dolomite-microfludicis company at a concentration of 5% on a Novec 7500 Engineered fluid of 3M company.

제1유로부(111), 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)는 제1유입부(110)로부터 유입된 유상용액(200)이 유동될 수 있다. 여기서, 제1유로부(111)는 제1유입부(110)로부터 연장되며 지그재그형태로 형성될 수 있다.In the first flow path 111, the first quarter flow path 112, and the second quarter flow path 113, the oil solution 200 introduced from the first flow path 110 may flow. Here, the first flow path 111 extends from the first flow path 110 and may be formed in a zigzag shape.

제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)는 유상용액(200)이 분리되어 유동되는 분기 유로부이다. 즉, 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)는 제1유로부(111)로부터 양측으로 분기되도록 배치될 수 있다. The first branch flow path portion 112 and the second branch flow path portion 113 are branch flow path portions in which the oil phase solution 200 is separated and flows. That is, the first branch flow path portion 112 and the second branch flow path portion 113 may be arranged to branch from the first flow path portion 111 to both sides.

여기서, 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)는 대략 사각형 형상으로 형성될 수 있다. 따라서 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)는 제1유입부(110)의 반대측에서 다시 통합될 수 있다. 즉, 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)는 제2유로부(121) 및 제3유로부(131)과 연결될 수 있다. Here, the first branch flow path portion 112 and the second branch flow path portion 113 may be formed in a substantially rectangular shape. Therefore, the first quarter flow path 112 and the second quarter flow path 113 may be integrated again at opposite sides of the first inflow portion 110. That is, the first branch flow path 112 and the second branch flow path 113 may be connected to the second flow path 121 and the third flow path 131.

이때, 유상용액(200)은 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)를 따라 분기된 후 제1유입부(110)의 반대측 일단에서 서로 반대 방향으로 혼합되도록 유동될 수 있다.At this time, the oil solution 200 may be flowed so as to be mixed in opposite directions from one end on the opposite side of the first inlet part 110 after being branched along the first branch passage part 112 and the second branch passage part 113. have.

제2유입부(120)는 제1유입부(110)와 소정 거리 이격되게 배치되며, 제1유입부(110)와 유사하게 몸체부(100)의 내부로 연결되는 개구부로 형성될 수 있다. 여기서, 제2유입부(120)는 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)의 내측에 배치될 수 있다. 이러한 제2유입부(120)는 수상용액(300)이 인입될 수 있다. The second inlet 120 is disposed to be spaced apart from the first inlet 110 by a predetermined distance, and may be formed as an opening connected to the interior of the body 100 similar to the first inlet 110. Here, the second inflow portion 120 may be disposed inside the first branch flow path portion 112 and the second branch flow path portion 113. The aqueous solution 300 may be drawn into the second inflow part 120.

이때, 수상용액(300)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제조하고자 하는 3차원 종양모델과 관련된 세포를 포함할 수 있다. 여기서, 세포는 3차원 종양모델을 형성하기 위한 암세포일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일례로, 수상용액(300)에 포함되는 세포는 종양과 비교 실험을 위한 정상세포일 수도 있다. At this time, the aqueous solution 300 may include cells associated with a 3D tumor model to be manufactured, as shown in FIGS. 2 and 3. Here, the cells may be cancer cells for forming a 3D tumor model, but are not limited thereto. For example, the cells included in the aqueous solution 300 may be normal cells for comparison with tumors.

여기서, 수상용액(300)은 암 세포주를 세포 배양액 상에 단일 세포 단위로 혼합한 것일 수 있다. 일례로, 배양한 유방암 세포주(MCF-7)를 세포 배양액(Dullecco Modified Eagle Medium, Fatal Bonine Serum, L-Glutamine, Penicillin-Streptomycin) 상에 단일 세포 단위로 혼합한 것일 수 있다. Here, the aqueous solution 300 may be a mixture of cancer cell lines in a single cell unit on a cell culture solution. For example, the cultured breast cancer cell line (MCF-7) may be a single cell unit mixture on a cell culture solution (Dullecco Modified Eagle Medium, Fatal Bonine Serum, L-Glutamine, Penicillin-Streptomycin).

제2유로부(121)는 수상용액(300)이 유동되는 수액 유로부로서, 일단은 제2유입부(120)에 연결되고, 타단은 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)와 연결될 수 있다.The second flow path portion 121 is a fluid flow path portion through which the aqueous solution 300 flows, one end being connected to the second flow path portion 120, and the other end of the first flow path portion 112 and the second flow path portion It can be connected with (113).

이때, 제2유로부(121)는 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)와 수직으로 교차하게 배치될 수 있다.In this case, the second flow path part 121 may be disposed to intersect the first flow path part 112 and the second branch flow path part 113 vertically.

제3유로부(131)은 세포 액적(400)이 유동되는 액적 유로부로서, 일단이 연장 유로부(132)와 연결되며, 타단은 유출부(130)에 연결될 수 있다. 이러한 제3유로부(131)은 제2유로부(121)의 폭(W1)보다 큰 폭으로 형성될 수 있다. The third flow path portion 131 is a droplet flow path portion through which the cell droplet 400 flows, one end of which is connected to the extended flow path portion 132, and the other end of which may be connected to the outlet portion 130. The third flow path part 131 may be formed to have a width larger than the width W1 of the second flow path part 121.

연장 유로부(132)는 일단이 제2유로부(121), 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)와 연결되며, 타단은 제3유로부(131)에 연결될 수 있다. 즉, 연장 유로부(132)는 분기 유로부(112, 113)와 수액 유로부(121)의 교차지점으로부터 수액 유로부(121)의 반대측으로 연장형성될 수 있다.The extended flow path portion 132 has one end connected to the second flow path 121, the first branch flow path 112, and the second branch flow path 113, and the other end to be connected to the third flow path portion 131. have. That is, the extended flow path portion 132 may be formed to extend from the intersection of the branch flow path portions 112 and 113 and the fluid flow path portion 121 to the opposite side of the fluid flow path portion 121.

이때, 제2유로부(121)와 연장 유로부(132)는 실질적으로 일직선 상에 배치되고, 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)가 실질적으로 일직선 상에 배치될 수 있다. 또한, 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)와 제2유로부(121) 및 연장 유로부(132)는 서로 수직인 방향으로 연결될 수 있다. 따라서 제1분기 유로부(112), 제2분기 유로부(113), 제2유로부(121) 및 연장 유로부(132)는 십자형 교차로 형태로 연결될 수 있다.At this time, the second flow path portion 121 and the extended flow path portion 132 are substantially disposed on a straight line, and the first branch flow path portion 112 and the second branch flow path portion 113 are substantially disposed on a straight line. Can be. In addition, the first branch flow path portion 112 and the second branch flow path portion 113, the second flow path portion 121, and the extended flow path portion 132 may be connected in a direction perpendicular to each other. Therefore, the first branch flow path 112, the second branch flow path 113, the second flow path portion 121, and the extended flow path portion 132 may be connected in a cross-shaped intersection.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 수상용액(300)과 유상용액(200)의 혼합에 의해 세포(301)를 포함하는 세포 액적(400)이 형성될 수 있다. 2 and 3, cell droplets 400 including cells 301 may be formed by mixing the aqueous phase solution 300 and the oil phase solution 200.

유출부(130)는 제3유로부(131)와 연결되어 세포 액적(400)이 외부로 유출될 수 있다. 여기서, 유출부(130)는 몸체부(100)의 내부로부터 외부로 개구된 개구부로 형성될 수 있다.The outlet portion 130 is connected to the third flow path portion 131 so that the cell droplet 400 can be discharged to the outside. Here, the outlet portion 130 may be formed as an opening that is opened from the inside of the body portion 100 to the outside.

여기서, 상기 유로부들(111, 112, 121, 131, 132)은 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane) 폴리머로 형성될 수 있다. 이때, 세포 액적(400)의 형성을 보다 용이하게 하기 위하여, 3차원 종양 모델 제조 장치(10)의 유로부들에 대하여 소수성 처리를 수행할 수 있다.Here, the flow path parts 111, 112, 121, 131, and 132 may be formed of a polydimethylsiloxane (PDMS) polymer. At this time, in order to more easily form the cell droplets 400, hydrophobic treatment may be performed on the flow path portions of the 3D tumor model manufacturing apparatus 10.

일례로, 3차원 종양 모델 제조 장치(10)의 유로부들에 대하여 유리 발수 코팅제인 Pittsburgh Glass Works 社의 아쿠아펠(Aquapel)을 이용하여 소수성 처리를 수행하며, 유로부들의 재료인 PDMS 폴리머와 세포의 비정상적인 접착을 방지하기 위하여 BSA(Bovine Serum Albumin)을 처리할 수 있다. For example, hydrophobic treatment is performed on the flow path portions of the 3D tumor model manufacturing apparatus 10 using Aquapel of Pittsburgh Glass Works, a glass water-repellent coating, and the PDMS polymer and the cells of the flow path portions are processed. BSA (Bovine Serum Albumin) may be processed to prevent abnormal adhesion.

도 2에 도시된 바와 같이, 연장 유로부(132)의 폭(W3)은 제2유로부(121)의 폭(W1) 및 제1분기 유로부(112)와 제2분기 유로부(113)의 폭(W2)보다 작을 수 있다. 또한, 제3유로부(131)는 그 폭이 연장 유로부(132)로부터 곡선형상으로 확장되도록 형성될 수 있다.As shown in FIG. 2, the width W3 of the extended flow path portion 132 is the width W1 of the second flow path portion 121 and the first branch flow path portion 112 and the second branch flow path portion 113. It may be smaller than the width (W2). In addition, the third flow path portion 131 may be formed such that its width extends in a curved shape from the extended flow path portion 132.

이에 의해, 수상용액(300)과 유상용액(200)이 교차하여 세포 액적(400)을 형성할 때, 제3유로부(131)로 유동하는 수상용액(300)의 흐름을 유상용액(200)에 의해 용이하게 끊음으로써 액적을 효과적으로 형성할 수 있다.Thereby, when the water phase solution 300 and the oil phase solution 200 cross to form the cell droplet 400, the flow of the water phase solution 300 flowing into the third flow path part 131 flows into the oil phase solution 200. By easily breaking, the droplets can be effectively formed.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치의 블록도이다. 4 is a block diagram of a 3D tumor model manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 3차원 종양 모델 제조 장치(10)는 제어부(11), 제1실린지 펌프(12) 및 제2실린지 펌프(13)를 더 포함할 수 있다. The 3D tumor model manufacturing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention may further include a control unit 11, a first syringe pump 12, and a second syringe pump 13.

제어부(11)는 유상용액(200) 및 수상용액(300)의 유속을 조절하도록 제1실린지 펌프(12) 및 제2실린지 펌프(13)의 펌프를 제어할 수 있다.The control unit 11 may control the pumps of the first syringe pump 12 and the second syringe pump 13 to adjust the flow rates of the oil phase solution 200 and the aqueous phase solution 300.

제1실린지 펌프(12)는 유상용액(200)을 제1유입부(110)로 공급할 수 있다. 여기서, 제1실린지 펌프(12)는 튜브를 통하여 제1유입부(110) 및 유상용액(200)이 저장된 용기와 연결될 수 있다. 이러한 제1실린지 펌프(12)는 유상용액(200)의 절대 유속을 조절할 수 있다. The first syringe pump 12 may supply the oil solution 200 to the first inlet 110. Here, the first syringe pump 12 may be connected to a container in which the first inlet part 110 and the oil solution 200 are stored through a tube. The first syringe pump 12 may control the absolute flow rate of the oil phase solution 200.

제2실린지 펌프(13)는 수상용액(300)을 제2유입부(120)로 공급할 수 있다. 여기서, 제2실린지 펌프(13)는 튜브를 통하여 제2유입부(120) 및 수상용액(300)이 저장된 용기와 연결될 수 있다. 이러한 제2실린지 펌프(13)는 수상용액(300)의 절대 유속을 조절할 수 있다.The second syringe pump 13 may supply the aqueous solution 300 to the second inlet 120. Here, the second syringe pump 13 may be connected to a container in which the second inlet part 120 and the aqueous solution 300 are stored through a tube. The second syringe pump 13 may control the absolute flow rate of the aqueous solution 300.

상술한 바와 같은 3차원 종양 모델 제조 장치(10)에 세포(301)는 포함된 수상용액(300)과 유상용액(200)을 주입함으로써, 세포 액적(400)을 형성할 수 있다.Cells 301 may be injected into the three-dimensional tumor model manufacturing apparatus 10 as described above, thereby forming the cell droplets 400 by injecting the aqueous phase solution 300 and the oil phase solution 200 included therein.

즉, 제1유입부(110)를 통하여 유상용액(200)이 주입되면, 유상용액(200)은 제1유로부(111)로 유동된 후, 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)를 통하여 분기된다. That is, when the oil phase solution 200 is injected through the first inlet part 110, the oil phase solution 200 flows to the first flow passage part 111, and then the first quarter flow passage part 112 and the second quarter flow. Branched through the flow path portion 113.

이때, 제2유입부(120)를 통하여 세포(301)가 포함된 수상용액(300)이 주입되면, 수상용액(300)은 제2유로부(121)로 유동된다. At this time, when the aqueous solution 300 containing the cells 301 is injected through the second inlet part 120, the aqueous solution 300 flows to the second flow part 121.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)를 통해 유동된 유상용액(200)은 제2유로부(121)를 통해 유동된 수상용액(300)과 혼합된다. As shown in FIG. 2, the oil phase solution 200 flowing through the first quarter flow path 112 and the second quarter flow path 113 is a water phase solution 300 flowing through the second flow path 121. ).

이때, 유상용액(200)은 수상용액(300)의 흐름과 수직한 방향으로 혼합되어 수상용액(300)의 흐름을 끊음으로써 세포 액적(400)이 형성될 수 있다. 형성된 세포 액적(400)은 제3유로부(131)를 통해 유출부(130)로 유동될 수 있다.At this time, the oil phase solution 200 is mixed with the flow of the aqueous phase solution 300 in a vertical direction to cut the flow of the aqueous phase solution 300, thereby forming a cell droplet 400. The formed cell droplets 400 may flow to the outlet 130 through the third flow passage 131.

이와 같이 생성된 세포 액적(400)은 24시간 배양될 수 있다. 여기서, 세포의 배양액은 세포 액적(400) 내에 포함될 수 있다. 일례로, 생성된 세포 액적(400)을 37.5℃, 5% CO2 농도 환경에서 24시간 배양할 수 있다. The cell droplets 400 thus generated may be cultured for 24 hours. Here, the cell culture medium may be included in the cell droplet 400. As an example, the resulting cell droplets 400 can be cultured in an environment of 37.5° C., 5% CO 2 for 24 hours.

이때, 세포 액적(400) 내의 세포(301)는 응집되어 3차원 종양모델이 생성될 수 있다. 이후에, 원심분리에 의해 세포 액적(400)으로부터 3차원 종양모델을 분리할 수 있다.At this time, the cells 301 in the cell droplet 400 can be aggregated to generate a 3D tumor model. Thereafter, the three-dimensional tumor model can be separated from the cell droplet 400 by centrifugation.

한편, 수상용액(300) 및 유상용액(200)의 유속 및 수상용액(300)에 포함되는 세포(301)의 농도를 변화시키면서, 세포 액적의 제조수율 및 세포 액적(400)과 3차원 종양모델의 크기를 실험을 통해 관찰하였다. On the other hand, while changing the flow rate of the aqueous solution 300 and the oil phase solution 200 and the concentration of the cells 301 contained in the aqueous solution 300, the production yield of the cell droplets and the cell droplet 400 and the three-dimensional tumor model The size of was observed through experiments.

먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 3차원 종양 모델 제조 장치(10)를 제작하였다. 여기서, 몸체부(100)의 두께(t)는 150㎛이고, 액적 접합 부분인 연장 유로부(132)의 폭(W3)은 300㎛이며, 제1유로부(111)의 폭(W1)은 600㎛, 제1분기 유로부(112) 및 제2분기 유로부(113)의 폭(W2)은 400㎛로 하였다. First, a 3D tumor model manufacturing apparatus 10 as shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured. Here, the thickness t of the body portion 100 is 150 µm, the width W3 of the extended flow path portion 132 which is the droplet bonding portion is 300 µm, and the width W1 of the first flow path 111 is The width W2 of the 600 µm, the first branch flow path 112 and the second branch flow path 113 was 400 µm.

여기서 세포는 유방암 세포주(MCF-7)를 사용하였다. 이와 같은 세포를 10% v/v 태아 혈청, 100 U/㎖ 페니실린, 100㎍/㎖ 스트렙토 마이신 및 2 mM L-글루타민이 추가된 고급 DMEM/F12 기본 배지에서 배양하였다. 세포를 트립신(trypsin)-EDTA를 이용하여 분리하였다(모든 세포 시약은 Invitrogen 社(USA)에서 구입). The breast cancer cell line (MCF-7) was used as the cell. These cells were cultured in high-grade DMEM/F12 basal medium supplemented with 10% v/v fetal serum, 100 U/ml penicillin, 100 μg/ml streptomycin and 2 mM L-glutamine. Cells were separated using trypsin-EDTA (all cell reagents were purchased from Invitrogen Corporation (USA)).

또한, 3차원 종양모델의 최종 직경을 결정하기 위해 MCF-7의 5가지 농도(1×, 2.5×, 5×, 10×, 20× 106 개/㎖)를 사용하였다. 세포-캡슐화 마이크로-액적을 형성하기 위해, 세포 현탁액을 수상용액으로 사용하였다. 세포 현탁액은 세포 배양 배지 및 현탁 암세포를 함유하였다. In addition, five concentrations of MCF-7 (1×, 2.5×, 5×, 10×, and 20×10 6 /mL) were used to determine the final diameter of the 3D tumor model. To form cell-encapsulated micro-droplets, the cell suspension was used as aqueous solution. The cell suspension contained cell culture medium and suspended cancer cells.

이때, 안정하고 균일한 마이크로 액적을 형성하기 위해 5% 희석된 계면 활성제(Pico-Surf™, Dolomite Microfluidics, Royston, UK)를 불소화 오일(Novec™ 7500, 3M, Maplewood, MN, USA)에 사용하였다. 계면 활성제는 플루오로 카본 캐리어 오일을 포함하는 화학 용액이다. At this time, 5% diluted surfactant (Pico-Surf™, Dolomite Microfluidics, Royston, UK) was used in the fluorinated oil (Novec™ 7500, 3M, Maplewood, MN, USA) to form stable and uniform micro droplets. . Surfactants are chemical solutions containing fluorocarbon carrier oil.

또한, 1H, 1H, 2H, 2H,-퍼플루오로(perfluoro)-1-옥타놀(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)을 사용하여 액적을 분열하여 24시간 배양 후 액적 내에 위치한 3D 종양 회전 타원체를 회수하였다. In addition, 1H, 1H, 2H, 2H, -perfluoro (perfluoro)-1-octanol (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) using the fragments were divided into 3D after incubation for 24 hours and cultured Tumor spheroids were recovered.

이때, 1H, 1H, 2H, 2H,-퍼플루오로-1-옥타놀을 액적 용액에 첨가하고 오일 상 용액과 부드럽게 혼합하였다. 배양 배지를 포함하는 상청액(supernatant) 및 방출된 회전 타원체를 원심 분리에 의해 혼합물 용액으로부터 분리하였다. 2차원 세포 단층의 형성을 방지할 뿐만 아니라 회전 타원체 사이의 예기치 않은 결합을 최소화하기 위해, 회전 타원체 및 배양 배지를 자기 교반(magnetic stirring)하에 통상적인 세포 배양 시스템(MCO-18 AC, Panasonic Healthcare Co., Ltd., Tokyo, Japan)에 옮겨 배양하였다. At this time, 1H, 1H, 2H, 2H,-perfluoro-1-octanol was added to the droplet solution and gently mixed with the oil phase solution. The supernatant containing the culture medium and the released spheroid were separated from the mixture solution by centrifugation. Conventional cell culture systems (MCO-18 AC, Panasonic Healthcare Co.) under magnetic stirring of the spheroid and culture medium to prevent the formation of two-dimensional cell monolayers as well as to minimize unexpected binding between the spheroids ., Ltd., Tokyo, Japan).

한편, 액적 내에 캡슐화된 MCF-7 세포를 생성하기 위해, 배양 배지에 현탁된 세포를 도 3에 도시된 바와 같은 수상용액으로 사용하였다. 이때, 유상용액(200) 및 수상용액(300)에 대한 다양한 유속하에서 세포를 액적으로 캡슐화하였다. On the other hand, in order to generate MCF-7 cells encapsulated in droplets, cells suspended in the culture medium were used as an aqueous solution as shown in FIG. 3. At this time, the cells were encapsulated as droplets under various flow rates for the oil phase solution 200 and the water phase solution 300.

여기서, 유상용액(200)의 유속은 20~100 ㎕/min이고, 수상용액(300)과 유상용액(200) 사이의 유속비는 1:3으로 고정하였다. Here, the flow rate of the oil phase solution 200 is 20 to 100 μl/min, and the flow rate ratio between the aqueous phase solution 300 and the oil phase solution 200 is fixed to 1:3.

도 5는 수상용액 및 유상용액의 유속에 따른 액적 직경 및 수율의 관계를 나타낸 그래프이다. Figure 5 is a graph showing the relationship between the droplet diameter and yield according to the flow rate of the aqueous solution and the oil solution.

도 5에 도시된 바와 같이, 수상용액(300)에 대해 가장 느린 조건(20 ㎕/min)에서 액적 직경 및 생성 수율은 각각 451.5 ± 5.3㎛ 및 7㎐(초당 7개 생성)로 나타났다. 반면, 가장 빠른 조건(100 ㎕/min)에서, 액적 직경 및 생성 수율은 각각 370.5 ± 4.6㎛ 및 57㎐로 나타났다. As shown in Fig. 5, in the slowest condition (20 µl/min) for the aqueous solution 300, the droplet diameter and production yield were found to be 451.5 ± 5.3 µm and 7 mm 2 (7 generated per second), respectively. On the other hand, at the fastest conditions (100 μl/min), droplet diameter and product yield were found to be 370.5 ± 4.6 μm and 57 mm 3, respectively.

이때, 액적 직경과 생성 수율은 반비례 관계로 나타났다. 즉, 액적 직경과 수상용액(300) 및 유상용액(200)의 유속은 반비례 관계이고, 생성 수율과 수상용액(300) 및 유상용액(200)의 유속은 비례 관계이다. At this time, the droplet diameter and production yield were inversely related. That is, the droplet diameter and the flow velocity of the water phase solution 300 and the oil phase solution 200 are inversely related, and the production yield and the flow rate of the water phase solution 300 and the oil phase solution 200 are proportional.

여기서, 액적의 직경이 450㎛를 초과하는 경우, 그 모양이 불규칙하게 형성되었다. 이는 액적의 크기가 크고 시린지 펌프에서 안정된 가장 느린 유속과 같은 실험 장비의 기계적 제한 때문이다.  Here, when the diameter of the droplet exceeds 450 µm, its shape is irregularly formed. This is due to the mechanical limitations of the experimental equipment, such as the slowest flow rate that is large in the droplet size and stable in the syringe pump.

더욱이, 액적 직경이 500㎛를 초과하는 경우, 액적들이 형태를 유지하지 못하고 합쳐지는 현상이 발생한다. Moreover, when the diameter of the droplets exceeds 500 μm, a phenomenon occurs in which the droplets do not maintain their shape and merge.

따라서 3차원 종양 모델 제조 장치(10)에 의해 생성되는 액적 직경은 50㎛ 이상 450㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이때, 유상용액(200)의 유속은 120~300㎕/min 이고, 수상용액(300)의 유속은 40~100㎕/min인 것이 바람직하다. 여기서, 유상용액(200)과 수상용액(300)의 유속비는 1:3일 수 있다. Therefore, the droplet diameter generated by the 3D tumor model manufacturing apparatus 10 is preferably 50 μm or more and 450 μm or less. At this time, the flow rate of the oil phase solution 200 is 120 ~ 300 μl/min, and the flow rate of the water phase solution 300 is preferably 40 ~ 100 μl/min. Here, the flow rate ratio of the oil phase solution 200 and the water phase solution 300 may be 1:3.

다음으로, 캡슐화된 세포의 수를 최대화하도록 설정된 가장 큰 액적 직경으로 분당 최소 1000개의 액적(16.7㎐)을 제조했다. 이때, 수상용액(300) 및 유상용액(200)의 유속은 각각 40 및 120 ㎕/min로 고정했다.Next, at least 1000 droplets per minute (16.7 mm 3) were prepared with the largest droplet diameter set to maximize the number of encapsulated cells. At this time, the flow rates of the water phase solution 300 and the oil phase solution 200 were fixed at 40 and 120 μl/min, respectively.

상기의 유속 조건에서, 세포 캡슐화된 마이크로-액적을 생성시켰다. Under the flow rate conditions above, cell encapsulated micro-droplets were generated.

이때, 각 마이크로-액적 내에 캡슐화된 세포의 평균 수를 결정하기 위해 MCF-7 샘플을 5가지 농도(1x, 2.5x, 5x, 10x 및 20x 106 개/㎖)로 준비하였다. At this time, MCF-7 samples were prepared at 5 concentrations (1x, 2.5x, 5x, 10x and 20x 10 6 /ml) to determine the average number of cells encapsulated within each micro-droplet.

각각의 경우, 액정 당 MCF-7 세포는 도 6에 도시된 바와 같이, 측정되었다. 도 6은 수상용액의 세포 농도에 따른 액적 내 세포수의 관계를 나타낸 그래프이다. In each case, MCF-7 cells per liquid crystal were measured, as shown in FIG. 6. 6 is a graph showing the relationship between the number of cells in a droplet according to the cell concentration of the aqueous solution.

도 6에 도시된 바와 같이, 세포의 농도에 따른 액적 당 MCF-7 세포수는 평균 500.3±39.9(20×106 개/㎖), 282.2±14.3(10×106 개/㎖), 89.4±15.0(5×106 개/㎖), 42.9±6.24(2.5×106 개/㎖), 17.5±3.81(1×106 개/㎖)개로 측정되었다. As shown in Fig. 6, the number of MCF-7 cells per droplet according to the concentration of the cells averaged 500.3±39.9 (20×10 6 cells/mL), 282.2±14.3 (10×10 6 cells/mL), 89.4± It was measured as 15.0 (5×10 6 pieces/ml), 42.9±6.24 (2.5×10 6 pieces/ml), and 17.5±3.81 (1×10 6 pieces/ml).

이론적으로, 세포 농도에 따른 액적 당 예상 세포 수는 단일 액적의 세포 용액 부피에 기초하여 계산될 수 있다. 세포 농도 20×106 개/㎖ 및 액적 직경 400㎛인 경우, 각 액적에 대략 670개의 세포(약 33.5 nl/액적)가 캡슐화되는 것으로 예상했다. 모든 경우에 캡슐화된 세포의 수는 30-35% 감소했다. 이는 균질하지 않은 세포 현탁액을 초래하는 중력에 의한 세포 침강(sinking)과 세포가 일회용 주사기뿐 아니라 튜브 표면에 달라붙는 것에 기인한다. 본 실험에서, 손실된 세포는 평균 32.3%로 관찰되었다.Theoretically, the expected number of cells per droplet depending on the cell concentration can be calculated based on the cell solution volume of a single droplet. For a cell concentration of 20×10 6 /ml and a droplet diameter of 400 μm, it was expected that approximately 670 cells (about 33.5 nl/droplet) were encapsulated in each droplet. In all cases, the number of encapsulated cells was reduced by 30-35%. This is due to cell sinking due to gravity resulting in non-homogeneous cell suspension and the cells sticking to the tube surface as well as disposable syringes. In this experiment, lost cells were observed with an average of 32.3%.

따라서 수상용액(300)에 포함되는 세포의 농도는 손실되는 세포수를 보상하여 1.47×106 ~ 29.4×106 개/㎖인 것이 바람직하다. 이때, 3차원 종양모델의 직경은 50~150㎛인 것이 바람직하다. Therefore, the concentration of cells contained in the aqueous solution 300 is preferably 1.47 × 10 6 ~ 29.4 × 10 6 pieces/ml by compensating for the number of lost cells. At this time, the diameter of the three-dimensional tumor model is preferably 50 ~ 150㎛.

세포 응집은 지지 물질(supporting material)(SMovieclip1)에 나타난 바와 같이 처음 1시간 동안 관찰되었다. 콤팩트한 회전 타원체 형성은 액적 배양으로부터 3시간 후에 관찰되었다. 콤팩트한 회전 타원체의 회전 운동은 24시간의 배양 동안 관찰되었다.Cell aggregation was observed during the first hour as shown in the supporting material (SMovieclip1). Compact spheroid formation was observed 3 hours after droplet culture. The rotational motion of the compact spheroid was observed during the 24 hour incubation.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치에 의해 제조되는 세포액적을 촬영한 이미지이고, 도 8은 도 7의 세포액적을 배양하여 형성된 3차원 종양모델을 촬영한 이미지이며, 도 9는 수상용액의 세포 농도에 따른 3차원 종양모델의 직경의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 10은 수상용액의 세포 농도에 따른 3차원 종양모델을 촬영한 이미지이다. 7 is an image of photographing cell droplets produced by a 3D tumor model manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an image of 3D tumor model formed by culturing the cell droplets of FIG. 7, and FIG. 9 Is a graph showing the relationship between the diameter of the 3D tumor model according to the cell concentration of the aqueous solution, and FIG. 10 is an image of the 3D tumor model according to the cell concentration of the aqueous solution.

액적에서 MCF-7의 형태 변화는 도 7 및 도 8에 도시된다. 도 7에서, 초기 농도를 갖는 세포를 포함하는 세포 액적은 배양에 의해 서로 응집된다. 도 8에서, 세포 응집에 의해 3차원 종양모델이 액적 내에 형성된다. The morphological changes of MCF-7 in droplets are shown in FIGS. 7 and 8. In FIG. 7, cell droplets containing cells with initial concentration aggregate with each other by culture. In Fig. 8, a three-dimensional tumor model is formed in droplets by cell aggregation.

초기 세포-시드 액적 및 초기 세포 농도를 변화시키면서 이를 24시간 동안 배양하였다. 도 9에 도시된 바와 같이, 직경이 각각 54.2, 73.4, 94.6, 123.2 및 148.3㎛인 3D 종양 회전 타원체 모델 내에 17.5, 42.9, 89.4, 282.2 및 500.3개의 세포가 각각 존재하였다(선형 곡선 피팅, R2 = 0.9936). It was incubated for 24 hours while changing the initial cell-seed droplets and initial cell concentration. As shown in Figure 9, there were 17.5, 42.9, 89.4, 282.2 and 500.3 cells in 3D tumor spheroid models with diameters of 54.2, 73.4, 94.6, 123.2 and 148.3 μm, respectively (linear curve fitting, R 2) = 0.9936).

도 10의 (a)~(e)에서, 초기 농도(1x, 2.5x, 5x, 10x 및 20x 106 개/㎖)의 세포를 포함하는 액적은 24시간 배양 후에 세포가 응집되어 3차원 종양모델이 형성된다. 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 세포 농도와 3차원 종양모델의 크기는 비례 관계를 나타낸다. In FIGS. 10A to 10E, droplets containing cells of initial concentrations (1x, 2.5x, 5x, 10x, and 20x 10 6 cells/ml) were aggregated and the cells were aggregated after 24 hours of culture, resulting in a three-dimensional tumor model. It is formed. 9 and 10, the cell concentration and the size of the 3D tumor model show a proportional relationship.

세포 캡슐화된 액적은 3일 후에 3D 회전 타원체 모델의 직경을 증가시켰다. 10×106 개/㎖의 경우, 3D 종양 회전 타원체 모델의 단일 세포가 제한된 공간에서 영양분과 가스 교환 또는 대사성 폐기물의 축적이 없기 때문에 36시간 후에 분리되기 시작했다. Cell encapsulated droplets increased the diameter of the 3D spheroid model after 3 days. At 10×10 6 cells/ml, single cells of the 3D tumor spheroid model began to separate after 36 hours because there was no accumulation of nutrients and gas exchange or metabolic waste in a confined space.

또한, 동일한 이유로 20×106 개/㎖의 회전 타원체 형성 수율은 약 50%였다. 따라서 액적 배양의 시간 제한은 10×6 개/㎖ 세포의 경우에 24 시간이라는 것을 발견했다. 이러한 결과를 바탕으로, 하나의 단일 MCF-7 세포는 액적 내부에서 생존하기 위해 3.7 pL/h의 배양 배지가 요구된다. 이론적으로, 20×106 개/㎖는 450㎛ 직경의 마이크로-액적과 관련하여 44.7 nl의 배양 배지가 필요하다. Further, for the same reason, the yield of spheroid formation of 20 x 10 6 particles/ml was about 50%. Thus, it was found that the time limit for droplet culture was 24 hours for 10 x 6 cells/ml cells. Based on these results, one single MCF-7 cell requires 3.7 pL/h of culture medium to survive inside the droplet. Theoretically, 20×10 6 pcs/ml require 44.7 nl of culture medium with respect to 450 μm diameter micro-droplets.

도 6 및 도 9에 도시된 바와 같이, 3D 종양모델의 최종 직경은 단일 마이크로-액적에서 캡슐화된 세포의 수에 의해 결정될 수 있음을 알 수 있다. 6 and 9, it can be seen that the final diameter of the 3D tumor model can be determined by the number of encapsulated cells in a single micro-droplet.

결과적으로, 세포 액적(400)의 크기 및 세포(301)의 응집에 의해 형성되는 3차원 종양모델의 크기가 수상용액(300) 및 유상용액(200)의 유속 및 수상용액(300)에 포함되는 세포(301)의 농도에 따라 효과적으로 조절될 수 있다는 사실을 지득하였다. As a result, the size of the cell droplet 400 and the size of the three-dimensional tumor model formed by aggregation of the cells 301 are included in the flow rate of the aqueous solution 300 and the oil phase solution 200 and the aqueous phase solution 300 We have learned that it can be effectively adjusted according to the concentration of cells 301.

여기서, 도 5의 실험결과를 기초로, 수상용액(300)의 유속(X1)에 따른 세포 액적(400)의 직경(Y1)은 하기의 수학식으로 산출될 수 있다.Here, based on the experimental results of FIG. 5, the diameter Y1 of the cell droplet 400 according to the flow rate X1 of the aqueous solution 300 may be calculated by the following equation.

Y1 = - 0.9695 × X1 + 471.61 (R2 = 0.9866)Y1 =-0.9695 × X1 + 471.61 (R 2 = 0.9866)

여기서, 세포 액적(400)의 직경(Y1)의 단위는 ㎛이고, 수상용액(300)의 유속(X1)의 단위는 ㎕/min이다. Here, the unit of the diameter Y1 of the cell droplet 400 is μm, and the unit of the flow rate X1 of the aqueous solution 300 is μl/min.

또한, 도 9의 실험결과를 기초로, 초기 세포의 농도(X2)에 따른 세포 액적(400) 내의 세포의 개수(Y2)는 하기의 수학식으로 산출될 수 있다. In addition, based on the experimental results of FIG. 9, the number (Y2) of cells in the cell droplet 400 according to the initial cell concentration (X2) may be calculated by the following equation.

Y2 = 3 × 10-5 × X2 - 16.687 (R2 = 0.9873)Y2 = 3 × 10 -5 × X2-16.687 (R 2 = 0.9873)

여기서, 세포의 농도(X2)의 단위는 개/㎖이다. Here, the unit of cell concentration (X2) is dog/ml.

이와 같은 구성에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 종양모델 제조 장치는 3차원 종양모델을 용이하게 제조하는 동시에 다량으로 제조할 수 있으므로 3차원 종양모델의 제조수율을 향상시킬 수 있다. With such a configuration, the apparatus for manufacturing a 3D tumor model according to an embodiment of the present invention can easily manufacture a 3D tumor model and simultaneously manufacture a large amount, thereby improving the production yield of the 3D tumor model.

또한, 본 발명은 제조되는 세포 액적의 크기 및 세포의 응집에 의해 형성되는 다양한 크기의 3차원 종양모델을 균일하게 제조할 수 있다. In addition, the present invention can uniformly produce a three-dimensional tumor model of various sizes formed by the size of the cell droplets to be produced and the aggregation of cells.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented herein, and those skilled in the art to understand the spirit of the present invention may add elements within the scope of the same spirit. However, other embodiments may be easily proposed by changing, deleting, adding, or the like, but it will also be considered to fall within the scope of the present invention.

10 : 3차원 종양모델 제조 장치 100 : 몸체부
110 : 제1유입부 111 : 제1유로부
112 : 제1분기 유로부 113 : 제2분기 유로부
120 : 제2유입부 121 : 제2유로부
130 : 유출부 131 : 제3유로부
132 : 연장 유로부 200 : 유상용액
300 : 수상용액 301 : 세포
400 : 세포 액적 11 : 제어부
12 : 제1실린지 펌프 13 : 제2실린지 펌프
10: 3D tumor model manufacturing apparatus 100: body portion
110: first inflow section 111: first flow section
112: Euro portion of the first quarter 113: Euro portion of the second quarter
120: second inlet part 121: second flow part
130: outlet portion 131: the third flow path
132: extended flow path 200: paid solution
300: aqueous solution 301: cells
400: cell droplet 11: control
12: first syringe pump 13: second syringe pump

Claims (13)

유상용액(oil phase solution)이 유입되는 제1유입부;
제조하고자 하는 3차원 종양모델과 관련된 세포를 포함하는 수상용액(oil phase solution)이 유입되는 제2유입부;
상기 유상용액이 분리되어 유동되며, 일단에서 상기 유상용액이 서로 반대방향으로 유동되는 분기 유로부;
상기 수상용액이 유동되며, 상기 분기 유로부와 교차하게 배치되는 수액 유로부;
상기 분기 유로부 및 상기 수액 유로부의 교차지점으로부터 상기 수액 유로부의 반대측으로 연장 형성되며, 상기 수상용액과 상기 유상용액의 혼합에 의해 상기 세포를 포함하는 세포 액적이 형성되는 연장 유로부;
상기 세포 액적이 유동되는 액적 유로부; 및
상기 세포 액적이 외측으로 유출되는 유출부를 포함하며,
상기 세포를 포함하는 세포 액적은 소정 시간 배양 후에 상기 세포가 응집되어 3차원 종양모델로 형성되고,
최종 획득되는 3차원 종양모델의 크기가 목표하는 크기를 가질 수 있도록 상기 수상용액 및 상기 유상용액의 유속 및 상기 수상용액에 포함되는 세포의 농도가 제어되는 3차원 종양모델 제조 장치.
A first inflow part into which an oil phase solution flows;
A second inflow part into which an oil phase solution containing cells related to a 3D tumor model to be manufactured is introduced;
A branch flow path part in which the oil phase solution is separated and flows, and at one end, the oil phase solution flows in opposite directions;
A fluid flow passage portion through which the aqueous solution flows and intersects the branch flow path portion;
An extended flow path portion extending from an intersection point of the branch flow path portion and the fluid flow path portion to an opposite side of the liquid flow path portion, wherein cell droplets containing the cells are formed by mixing the aqueous solution and the oil solution;
A droplet flow path portion through which the cell droplet flows; And
The cell droplets include an outlet that flows outward,
The cell droplets containing the cells are aggregated and formed into a three-dimensional tumor model after culturing for a predetermined time.
3D tumor model manufacturing apparatus in which the flow rate of the aqueous solution and the oil phase solution and the concentration of cells contained in the aqueous phase solution are controlled so that the size of the finally obtained 3D tumor model has a target size.
제1항에 있어서,
상기 유상용액을 상기 제1유입부로 공급하는 제1실린지 펌프;
상기 수상용액을 상기 제2유입부로 공급하는 제2실린지 펌프; 및
상기 유상용액 및 상기 수상용액의 유속을 조절하도록 상기 제1실린지 펌프 및 상기 제2실린지 펌프를 제어하는 제어부를 더 포함하는 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
A first syringe pump supplying the oily solution to the first inlet;
A second syringe pump supplying the aqueous solution to the second inlet; And
3D tumor model manufacturing apparatus further comprising a control unit for controlling the first syringe pump and the second syringe pump to control the flow rate of the oil phase solution and the water phase solution.
제1항에 있어서,
상기 유상용액의 유속은 120~300㎕/min 이고,
상기 수상용액의 유속은 40~100㎕/min 이며,
상기 유상용액과 상기 유상용액의 유속비는 1:3인 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The flow rate of the oil phase solution is 120 to 300 μl/min,
The flow rate of the aqueous solution is 40-100 μl/min,
A device for manufacturing a three-dimensional tumor model in which the flow rate ratio between the oil solution and the oil solution is 1:3.
제1항에 있어서,
상기 수상용액에 포함되는 세포의 농도는 1.47×106 ~ 29.4×106 개/ml인 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The concentration of cells contained in the aqueous solution is 1.47 × 10 6 ~ 29.4 × 10 6 /ml 3D tumor model manufacturing apparatus.
제1항에 있어서,
상기 세포 액적은 그 직경이 50㎛ 이상 450㎛ 이하인 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The cell droplets are three-dimensional tumor model manufacturing apparatus having a diameter of 50㎛ to 450㎛.
제1항에 있어서,
상기 3차원 종양모델은 그 직경이 50~150㎛인 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The three-dimensional tumor model is a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus having a diameter of 50 ~ 150㎛.
제1항에 있어서,
상기 연장 유로부의 폭은 상기 분기 유로부, 상기 수액 유로부, 상기 액적 유로부의 폭보다 작은 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The width of the extended flow path portion is three-dimensional tumor model manufacturing apparatus smaller than the width of the branch flow path portion, the fluid flow path portion, and the droplet flow path portion.
제1항에 있어서,
상기 액적 유로부는 그 폭이 상기 연장 유로부로부터 곡선형상으로 확장되는 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The droplet flow path portion is a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus whose width extends in a curved shape from the extended flow path portion.
제1항에 있어서,
상기 세포는 암세포인 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The cell is a cancer cell 3D tumor model manufacturing apparatus.
제1항에 있어서,
상기 세포 액적은 24시간 배양되어 상기 3차원 종양모델이 형성되는 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The cell droplets are cultured for 24 hours, and a 3D tumor model manufacturing apparatus in which the 3D tumor model is formed.
제1항에 있어서,
상기 3차원 종양모델은 원심분리에 의해 상기 세포 액적의 외부로 배출되는 3차원 종양모델 제조 장치.
According to claim 1,
The three-dimensional tumor model is a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus that is discharged to the outside of the cell droplets by centrifugation.
제1항에 있어서,
상기 수상용액의 유속(X1; ㎕/min)에 따른 상기 세포 액적의 직경(Y1; ㎛)은 하기의 수학식으로 산출되는 3차원 종양모델 제조 장치.
Y1 = - 0.9695 × X1 + 471.61 (R2 = 0.9866)
According to claim 1,
A device for manufacturing a three-dimensional tumor model in which the diameter (Y1; μm) of the cell droplet according to the flow rate (X1; μl/min) of the aqueous solution is calculated by the following equation.
Y1 =-0.9695 × X1 + 471.61 (R 2 = 0.9866)
제1항에 있어서,
상기 세포 농도(X2; 개/㎖)에 따른 상기 세포 액적 내의 세포의 개수(Y2)는 하기의 수학식으로 산출되는 3차원 종양모델 제조 장치.
Y2 = 3 × 10-5 × X2 - 16.687 (R2 = 0.9873)
According to claim 1,
The number of cells in the cell droplet (Y2) according to the cell concentration (X2; dogs/mL) is a three-dimensional tumor model manufacturing apparatus calculated by the following equation.
Y2 = 3 × 10 -5 × X2-16.687 (R 2 = 0.9873)
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