KR20210131794A

KR20210131794A - 세포 배양 장치

Info

Publication number: KR20210131794A
Application number: KR1020200050344A
Authority: KR
Inventors: 김진영; 최홍수; 김은희
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2021-11-03
Also published as: US20230183624A1; WO2021215894A1; KR102379490B1

Abstract

본 발명은 세포 배양 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치는 세포를 배양하여 3차원 스페로이드(spheroid)로 형성하는 세포 배양 장치로서, 플레이트 및 상기 플레이트의 일면에 기 설정된 간격으로 복수 개 배치되고, 내부에 세포가 배양되며, 내측면에 미세 패턴이 배치되어 상기 내측면과 상기 세포가 이격되는, 웰을 포함할 수 있다.

Description

세포 배양 장치{APPARATUS FOR CELL CULTURE}

본 발명의 실시예들은 세포 배양 장치에 관한 것이다.

종래의 2차원 세포 배양 장치는 상대적으로 세포 배양이 쉬운 반면, 생체 대응성이 떨어져 정확한 생체 정보를 제공하지 못한다. 또한, 종래의 2차원 세포 배양 장치는 형성되는 스페로이드(spheroid)의 크기 및 위치를 조절하기 어렵기 때문에 배양의 반복 재현성이 떨어진다.

또한 종래의 3차원 세포 배양 장치는 생체 환경 모방을 위한 세포외 기질(extracellular matrix)의 종류 및 형상, 세포 배양 인자, 세포 배양 용기의 형상 등의 변수가 많아 세포 배양 장치의 구성이 지나치게 복잡한 문제가 있다.

특히, 종래의 3차원 세포 배양 장치는 세포가 웰에 부착되는 것을 방지하기 위해, 웰의 바닥면에 별도의 세포 부착 방지 코팅을 배치하고 있다. 이러한 세포 부착 방지 코팅은 내구성이 약하여 배양 도중에 피펫과의 접촉 등으로 인해 쉽게 손상될 수 있다. 그리고 손상되어 떨어져 나간 세포 부착 방지 코팅 물질이 세포에 흡착될 수 있으며, 세포의 형성 및 관찰에 영향을 미칠 수 있다.

전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.

본 발명의 실시예들은 세포를 균일한 크기와 형상을 갖는 스페로이드로 배양할 수 있는 세포 배양 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치는, 세포를 배양하여 3차원 스페로이드(spheroid)로 형성하는 세포 배양 장치로서, 플레이트 및 상기 플레이트의 일면에 기 설정된 간격으로 복수 개 배치되고, 내부에 세포가 배양되며, 내측면에 미세 패턴이 배치되어 상기 내측면과 상기 세포가 이격되는 웰을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 웰은 원통형의 가이드벽 및 상기 가이드벽의 단부에서 연장되며, 상기 세포가 중심부에서 응집되도록 아래로 볼록한 형상의 배양홈을 구비하고, 상기 미세 패턴은 상기 배양홈의 내측면에 복수 개의 돌기와 홈이 반복하여 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 돌기는 상기 배양홈의 내측면에서 상기 배양홈의 중심부를 향해 돌출되며, 상기 세포와 접촉하는 접촉면을 구비하고, 상기 접촉면의 전체 면적은 상기 배양홈의 내측면의 전체 면적의 절반 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 돌기는 상기 배양홈의 중심부를 향해 좁아지는 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 미세 패턴은 상기 배양홈의 내측면 상에 배치되는 지지체를 더 포함하고, 상기 돌기는 상기 지지체에서 연장되어, 상기 배양홈의 중심부를 향해 돌출될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 웰은 상기 가이드벽의 단부와 상기 배양홈의 단부 사이에 배치되며, 상기 웰의 내측을 향해 기 설정된 각도로 경사진 스토퍼를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 웰은 상기 배양홈의 상단부에 배치되며, 상기 미세 패턴이 형성되지 않는 메니스커스 영역을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 미세 패턴은 상기 웰과 일체로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 웰은 상기 플레이트의 상면에 복수 개의 행 및 열로 나란히 배치되고, 상기 세포 배양 장치는 상기 플레이트의 상면에 배치되며, 액체가 저장되는 저장조 및 행 방향 또는 열 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 상기 저장조와 상기 복수 개의 웰을 연결하여, 상기 액체를 상기 복수 개의 웰로 공급하는 유동 채널을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치에 있어서, 상기 세포 배양 장치는 소정의 회전축을 따라 회전하여 상기 액체의 유동을 형성할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치는 3차원 스페로이드를 형성할 수 있으며, 세포가 웰의 바닥면에 부착되는 것을 방지하여, 스페로이드의 형상 및 크기를 균일하게 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치는 배양액의 교체 등 세포 배양 과정에서 세포 또는 스페로이드가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치는 각각의 웰에서 배양되는 서로 다른 스페로이드에 유동 채널을 이용해 약물을 흘려주어, 다중 세포 네트워크를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 취한 단면도이다.
도 3, 도 4, 도 5는 도 2의 Ⅲ을 확대하여 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 웰에서 세포가 배양되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 웰을 나타내는 도면이다.
도 8a는 비교예로서 웰에서 액체를 교체하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 8b는 도 7의 웰에서 액체를 교체하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세포 배양 장치를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 Ⅹ-Ⅹ'를 따라 취한 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.

도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다.

또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향은 각각 세포 배양 장치 또는 플레이트의 폭 방향, 길이 방향 및 높이 방향에 각각 대응될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ’를 따라 취한 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ을 확대하여 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)는 세포 배양 실험 등에서 통상적으로 사용되는 96 웰 플레이트 또는 384 웰 플레이트일 수 있다. 다만 웰(200)의 개수는 이에 한정하지 않으며, 배양하고자 하는 세포의 특성 또는 실험의 목적 등에 따라 달라질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 웰(200)의 개수는 96개인 것을 중심으로 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)는 플레이트(100)와, 웰(200)을 포함할 수 있다.

플레이트(100)는 세포 배양 장치(10)의 몸체로서, 도 1에 나타낸 바와 같이 직육면체 형상의 평판일 수 있다. 일 실시예로, 플레이트(100)는 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 플라스틱 재질로서, 사출 공정을 통해 일체로 제조될 수 있다. 다만, 플레이트(100)의 재질은 플라스틱에 한정하지 않으며, 석영(quartz) 등으로 이루어질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 플레이트(100)의 재질은 플라스틱인 것을 중심으로 설명한다.

웰(200)은 플레이트(100)의 일면에 기 설정된 간격으로 복수 개 배치된다. 일 실시예로, 웰(200)은 플레이트(100)와 일체로 형성되며, 플레이트(100)의 상면에 복수 개의 행과 열로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 96개의 웰(200)은 플레이트(100)의 상면에 8개의 행(A행 내지 H행)과 12개의 열(1 열 내지 12 열)로 나란히 배치될 수 있다. 다만, 웰(200)이 배치되는 행 및 열의 개수는 특별히 한정하지 않으며, 12*8, 6*16 등 다양한 조합이 가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 웰(200)이 8*12의 행렬로 배치되는 것을 중심으로 설명한다.

일 실시예로, 웰(200)의 내측면에는 미세 패턴(230)이 배치되어, 웰(200)의 내측면과 세포(C)가 이격될 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 웰(200)의 내부에는 세포(C)가 배양될 수 있다. 이를 위해, 웰(200)의 내부에는 세포(C) 배양에 필요한 액체(W1)가 수용될 수 있으며, 액체(W1)는 세포(C)의 배양을 위한 배양액일 수 있다. 일 실시예로, 웰(200)은 3차원 세포 배양을 위한 U자형 웰일 수 있다.

세포(C)의 종류 및 크기 등은 특별히 한정하지 않는다. 일 실시예로, 세포(C)의 크기는 10 μm 내지 20 μm일 수 있다.

웰(200)은 가이드벽(210)과, 배양홈(220)과, 미세 패턴(230)을 포함할 수 있다.

가이드벽(210)은 플레이트(100)의 일면에서 일측을 향해 연장되어, 웰(200)의 외벽을 형성할 수 있다. 일 실시예로, 가이드벽(210)은 플레이트(100)의 상면에서 Z축을 따라 아래로 연장되는 원통 형상일 수 있다. 가이드벽(210)은 액체(W1)가 수용되는 내부 공간을 구비할 수 있다.

배양홈(220)은 가이드벽(210)에서 연장되며, 세포(C) 또는 스페로이드(S)가 배양되는 공간을 구비할 수 있다. 일 실시예로, 배양홈(220)은 가이드벽(210)의 일단에서 연장되며, 단면이 아래로 볼록한 U자형의 배양 공간을 구비할 수 있다. 이에 따라, 세포(C)들은 중력 또는 원심력에 의해 자연스럽게 배양홈(220)의 중심부에 밀집하여 위치할 수 있다. 그리고 세포(C)들은 배양홈(220)의 중심부에서 성장하여 스페로이드(S)를 형성하게 되므로, 스페로이드(S)가 형성되는 위치와 스페로이드(S)의 크기 및 형상도 균일하게 제어될 수 있다.

배양홈(220)의 형상은 반드시 U자형일 필요는 없으나, 세포(C)들이 배양홈(220)의 중심부에 밀집될 수 있는 형상인 것이 바람직하다. 다른 실시예로, 배양홈(220)은 아래로 볼록한 V자형의 배양 공간을 구비할 수 있다.

미세 패턴(230)은 배양홈(220)의 내측면에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 미세 패턴(230)은 배양홈(220)의 내측면을 따라 돌기(231)와 홈(232)이 반복하여 배치될 수 있다. 미세 패턴(230)은 배양홈(220)의 내측면 전부 또는 일부에 배치될 수 있다.

도 3을 참조하면, 돌기(231)는 배양홈(220)의 내측면에서 중심부를 향해 돌출될 수 있다. 돌출된 돌기(231)는 세포(C) 또는 스페로이드(S)와 접촉하는 접촉면(도면 부호 미도시)을 구비할 수 있다.

돌기(231)의 형상은 특별히 한정하지 않으며, 일 실시예로 돌기(231)는 직육면체일 수 있다.

돌기(231)의 크기는 특별히 한정하지 않으나, 세포(C)의 크기보다 작은 것이 바람직하다. 일 실시예로, 직육면체 형상의 돌기(231)의 폭, 길이 및 높이는 각각 10 nm 내지 100 nm일 수 있다.

돌기(231) 사이에 배치되는 홈(232)의 크기 및 형상은 특별히 한정하지 않는다. 바람직하게, 홈(232)의 크기 및 형상은 돌기(231)의 크기 및 형상에 각각 대응될 수 있다. 이에 따라, 미세 패턴(230)은 돌기(231)와 홈(232)이 서로 격자 구조를 이루도록 반복하여 배치될 수 있다.

이러한 구성을 통해 배양홈(220)과 세포(C)의 접촉 면적을 현저하게 줄일 수 있다.

보다 구체적으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 미세 패턴(230)이 형성되지 않은 경우에 배양홈(220)이 세포(C)와 접촉하는 면적은 A2일 수 있다. 이 경우, 세포(C)와 배양홈(220)이 접촉하는 면적이 지나치게 커, 세포(C)가 서로 응집하려는 힘보다 세포(C)가 배양홈(220)에 부착되는 힘이 더 커지게 된다. 이에 따라, 세포(C)가 균일한 구 형상의 스페로이드(S)로 성장하지 못하거나, 배양홈(220)의 여러 위치에 산발적으로 복수 개의 스페로이드(S)로 성장하게 된다.

반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)의 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 세포(C)들은 돌기(231)와 접촉하며, 각각의 돌기(231)와 세포(C)의 접촉면의 면적인 A1의 합은 A2보다 훨씬 작다. 이에 따라, 세포(C)가 배양홈(220)의 내측면에 부착하는 힘보다 세포(C) 간의 응집력이 더 커지게 되고, 세포(C)가 서로 응집하여 균일한 형상을 갖는 단일 스페로이드(S)로 성장할 수 있다. 또한, 스페로이드(S)는 배양홈(220)의 중심부에 위치할 수 있다.

일 실시예로, 돌기(231)와 홈(232)이 서로 대응되는 형상 및 크기를 가질 수 있고, 이때 돌기(231)와 세포(C)의 접촉면의 전체 면적은 배양홈(220)의 내측면의 전체 면적의 절반 이하일 수 있다. 즉, A1는 0.5A2 이하일 수 있다.

도 4는 도 2의 Ⅲ을 확대하여 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 패턴(230')을 나타내는 도면이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 패턴(230')은 돌기(231)와, 홈(232)과, 지지체(233)를 포함할 수 있다.

지지체(233)는 배양홈(220)의 내측면을 따라 배치되어, 배양홈(220)과 함께 웰(200)의 바닥면을 이중 레이어로 구성할 수 있다. 지지체(233)는 배양홈(220)의 내측면의 전부 또는 일부에 배치될 수 있다.

또한, 돌기(231)는 지지체(233)로부터 배양홈(220)의 중심부를 향해 돌출될 수 있다.

이와 같은 구성을 통해, 세포(C)들이 응집하여 형성되는 스페로이드(S)의 위치 및 형상을 보다 균일하게 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 배양홈(220)의 내측면에 지지체(233)를 배치함으로써, 배양홈(220)의 중심부에서 돌기(231)와 세포(C)가 접촉하는 영역까지의 곡률 반경이 R2에서 R1으로 감소될 수 있다.

이에 따라, 세포(C)들이 배양홈(220)의 중심부에 보다 조밀하게 밀집하게 되어, 보다 균일한 형상의 스페로이드(S)가 형성될 수 있다. 또한, 스페로이드(S)를 배양홈(220)의 중심부에 보다 확실하게 위치시킬 수 있다.

지지체(233)의 높이는 특별히 한정하지 않는다. 지지체(233)의 높이가 커질수록 곡률 반경 R1이 짧아져, 스페로이드(S)가 보다 균일한 구 형상으로 배양될 수 있다. 지지체(233)의 높이는 실험 목적 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

미세 패턴(230')의 다른 구성은 미세 패턴(230)의 구성과 동일하며, 이에 대한 설명은 생략한다.

도 5는 도 2의 Ⅲ을 확대하여 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 패턴(230'')을 나타내는 도면이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 패턴(230'')은 돌기(231')와 홈(232')을 포함할 수 있다.

돌기(231')는 배양홈(220)의 내측면에서 중심부를 향해 돌출되되, 경사지도록 배치될 수 있다. 일 실시예로, 돌기(231')는 배양홈(220)의 내측면에서 중심부를 향할수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 돌기(231')의 측벽은 홈(232')의 바닥면에 수직인 선에 대해 각도 θ만큼 기울어지도록 배치될 수 있다. 또한, 돌기(231')는 폭이 배양홈(220)의 중심부를 향해 d1에서 d2로 점점 감소하는 형상을 가질 수 있다.

이러한 구성을 통해, 돌기(231')와 세포(C)가 접촉하는 면적인 A1'이 보다 감소하게 되어, 세포(C)가 배양홈(220)의 내측면에 부착되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 이에 따라, 세포(C)가 배양홈(220)의 내측면에 부착하는 힘보다 세포(C) 간의 응집력이 보다 더 커지게 되고, 세포(C)들이 배양홈(220)의 중심부에 한층 더 조밀하게 밀집하게 된다. 따라서 한층 더 균일한 형상을 갖는 단일 스페로이드(S)가 배양될 수 있다.

미세 패턴(230'')의 다른 구성은 미세 패턴(230)의 구성과 동일하며, 이에 대한 설명은 생략한다.

일 실시예로, 가이드벽(210)과, 배양홈(220)과, 미세 패턴(230)은 일체로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)는 플라스틱 사출 공정에 의해 제조될 수 있다. 이때, 세포 배양 장치(10)의 플레이트(100)와 웰(200), 그리고 웰(200)에 포함된 가이드벽(210)과, 배양홈(220)과, 미세 패턴(230)은 플라스틱 사출 공정에서 일체로 형성될 수 있다.

즉, 미세 패턴(230)은 배양홈(220)과 별도로 형성되는 것이 아니라, 세포 배양 장치(10) 또는 웰(200)과 일체로 제조될 수 있다.

이에 따라, 미세 패턴(230)을 형성하는 별도의 공정이 필요 없어 세포 배양 장치(10)의 제조에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.

또한, 완성된 세포 배양 장치에 별도의 세포 부착 방지 코팅 처리를 하는 종래의 세포 배양 장치와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)는 배양홈(220)과 미세 패턴(230)이 일체로 형성되어, 내구성이 향상될 수 있다. 이에 따라, 배양 과정에서 피펫(P)과의 접촉 등에 의해 세포 부착 방지 코팅이 손상될 우려가 없다. 또한, 손상된 세포 부착 방지 코팅으로 인한 2차 오염이 발생하지 않아, 실험의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 6은 도 1의 웰(200)에서 세포가 배양되는 상태를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)를 이용하여 세포(C)를 배양하는 경우, 3차원 스페로이드(S)를 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)는 배양홈(220)의 내측면에 미세 패턴(230)을 형성함으로써, 세포(C)와 배양홈(220)의 접촉 면적을 줄여 세포(C)들이 균일한 크기를 갖는 3차원 스페로이드(S)로 성장할 수 있다.

또한, 세포(C)들 간의 응집력이 세포(C)와 배양홈(220) 간의 부착력보다 강하기 때문에, 세포(C)들이 배양홈(220)에 산발적으로 위치하는 것이 아니라, 하나의 스페로이드(S)로 응집됨으로써, 단일 스페로이드(S)를 배양홈(220)의 중심부에 위치시킬 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 웰(200')을 나타내는 도면이고, 도 8a는 비교예로서 웰(200')에서 액체(W1)를 교체하는 상태를 나타내는 도면이고, 도 8b는 도 7의 웰(200')에서 액체(W1)를 교체하는 상태를 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 웰(200')은 가이드벽(210)과, 배양홈(220)과, 미세 패턴(230)과, 스토퍼(240)와, 메니스커스 영역(250)을 포함할 수 있다.

스토퍼(240)는 가이드벽(210)의 단부에서 연장되도록 배치되며, 가이드벽(210)의 외주면을 따라 연속하여 배치될 수 있다. 일 실시예로, 스토퍼(240)는 가이드벽(210)의 하단부에서 각도 φ1만큼 기울어져 웰(200')의 내측으로 연장되도록 배치될 수 있다.

스토퍼(240)의 경사 각도 φ1은 특별히 한정하지 않으나, 피펫(P)이 높이 방향, 예를 들어 Z축 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있는 것이 바람직하다. 일 실시예로, 각도 φ1은 30° 이상일 수 있다.

또한, 스토퍼(240)의 경사 각도가 지나치게 클 경우, 피펫(P)의 입구가 스토퍼(240)에 의해 막혀, 액체(W1)의 교체가 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 일 실시예로, 각도 φ1은 60° 이하일 수 있다.

각도 φ2는 스토퍼(240)와 피펫(P)의 입구가 이루는 각도이다. 각도 φ2는 각도 φ1과 동일할 수 있다. 또는, 각도 φ2는 피펫(P)의 입구의 형상이나 피펫(P)이 기울어진 정도에 따라 각도 φ1과 상이할 수 있다.

스토퍼(240)의 길이는 특별히 한정하지 않는다. 세포(C) 또는 스페로이드(S)의 크기와 위치를 고려하여, 피펫(P)이 스토퍼(240)의 최하단부에 위치한 상태에서 액체(W1)를 교체하더라도, 세포(C) 또는 스페로이드(S)가 손상되지 않는 정도의 길이를 갖는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)는 배양액을 교체하는 과정에서 세포(C) 또는 스페로이드(S)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 웰(200')의 내부 공간에 수용된 액체(W1)를 교체하기 위해 피펫(P)이 이용될 수 있다. 이때, 스토퍼(240)가 없는 경우, 피펫(P)의 기준 위치가 정해지지 않아, 사용자의 숙련도 및 실험의 반복 등에 따라 피펫(P)의 입구 위치가 달라질 수 있다. 이에 따라, 사용자의 숙련도에 따라 교체되는 액체(W1)의 양이 달라질 수 있다.

또한, 피펫(P)의 길이 또는 웰(200')의 전체 깊이에 비해, 세포(C) 또는 스페로이드(S)의 크기나, 세포(C) 또는 스페로이드(S)가 위치하는 배양홈(220)의 깊이는 극히 작기 때문에, 사용자가 피펫(P)을 수작업으로 제어하는 과정에서 세포(C) 또는 스페로이드(S)가 피펫(P)과 접촉하여 손상될 수 있다. 또는, 피펫(P)이 세포(C) 또는 스페로이드(S)와 지나치게 가까운 위치에서 액체(W1)를 흡입함에 따라 세포(C) 또는 스페로이드(S)가 손상될 수 있다.

반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웰(200')은 가이드벽(210)의 단부에서 연장되는 스토퍼(240)를 포함하고 있다. 이에 따라, 사용자는 가이드벽(210)을 따라 피펫(P)의 입구를 스토퍼(240) 상에 안정적으로 위치시킬 수 있다. 또한, 스토퍼(240)가 피펫(P) 위치의 기준이 되기 때문에, 사용자의 숙련도 또는 실험의 반복 횟수와 상관 없이 피펫(P)을 일정한 위치에 위치시킬 수 있다.

따라서, 피펫(P)의 입구가 스토퍼(240)와 접촉한 상태에서 액체(W1)를 교체할 수 있기 때문에 교체되는 액체(W1)의 양을 일정하게 할 수 있다. 또한, 피펫(P)의 입구와 세포(C) 또는 스페로이드(S)가 접촉하거나, 피펫(P)의 입구가 세포(C) 또는 스페로이드(S)와 지나치게 가까운 위치에서 액체(W1)를 흡입하는 것을 방지할 수 있다.

다시 도 7을 참조하면, 메니스커스 영역(250)은 배양홈(220)의 일부 영역일 수 있다. 일 실시예로, 메니스커스 영역(250)은 배양홈(220)에서 미세 패턴(230)이 배치되지 않은 영역일 수 있다.

보다 구체적으로, 전술한 바와 같이 미세 패턴(230)은 돌기(231)가 돌출된 양각 패턴을 가진자. 따라서 미세 패턴(230)이 형성되지 않은 경우에 비해 액체(W1)와의 접촉 면적이 늘어나, 배양홈(220)의 소수성이 더 커지게 된다. 이에 따라, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 미세 패턴(230)이 배양홈(220)의 상단부에도 배치되는 경우, 액체(W1)의 표면은 위로 볼록한 메니스커스를 형성하게 된다(가상선 VC로 표시). 이때, 액체(W1)의 가장자리가 배양홈(220)의 상단부에 위치했을 때, 액체(W1)가 형성하는 메니스커스의 높이는 L1일 수 있다.

이때, 배양홈(220)에 잔존하는 액체(W1)를 흡입하기 위해 피펫(P)을 웰(200')의 중심부에 위치시킬 경우, 피펫(P)의 입구와 스페로이드(S)가 지나치게 가까워져, 피펫(P)이 액체(W1)를 흡입하는 과정에서 스페로이드(S)가 움직일 수 있다. 특히, 일반적으로 피펫(P)의 입구 크기가 스페로이드(S)의 크기보다 더 크기 때문에, 스페로이드(S)가 피펫(P)으로 흡입될 수 있다.

따라서 스페로이드(S)가 액체(W1)의 교체 과정에서 영향을 받는 것을 피하기 위해, 사용자는 피펫(P)의 위치를 액체(W1)의 메니스커스의 가장자리로 위치시켜야 한다. 이에 따라, 액체(W1)의 교체 과정이 길어지고 번잡해질 수 있으며, 교체되지 못하고 배양홈(220)에 잔존하는 액체(W1)의 양이 상대적으로 많아진다.

반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웰(200')은 배양홈(220)의 상단부에 미세 패턴(230)이 배치되지 않은 메니스커스 영역(250)을 포함하고 있다. 이에 따라, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 액체(W1)의 표면은 아래로 볼록한 메니스커스를 형성하게 된다(가상선 VC로 표시). 이때, 액체(W1)의 가장자리가 메니스커스 영역(250)의 상단부에 위치했을 때, 액체(W1)가 형성하는 메니스커스의 깊이는 L2일 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10)는 메니스커스 영역(250)이 없는 경우에 비해, 피펫(P)의 입구를 액체(W1)의 메니스커스 가장자리에 위치시킨 상태에서도 많은 양의 액체(W1)를 교체할 수 있다. 또한, 액체(W1)의 교체 과정에서 세포(C) 또는 스페로이드(S)의 일부가 피펫(P)으로 흡입되는 것을 방지할 수 있다.

다른 실시예로, 웰(200')은 스토퍼(240)와 메니스커스 영역(250)을 모두 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 메니스커스 영역(250)은 배양홈(220)의 상단부, 즉 배양홈(220)과 스토퍼(240)의 경계에 위치할 수 있다. 또한 스토퍼(240)의 일단은 가이드벽(210)의 일단과 연결되고, 스토퍼(240)의 타단은 메니스커스 영역(250)의 일단과 연결될 수 있다.

이와 같은 구성을 통해, 사용자의 숙련도 또는 실험 횟수와 관계 없이 피펫(P)의 위치를 특정할 수 있어, 액체(W1)가 교체되는 양을 균일하게 할 수 있다. 또한, 액체(W1)의 교체 과정에서 스페로이드(S)가 영향 받는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세포 배양 장치(10')를 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9의 Ⅹ-Ⅹ'를 따라 취한 단면도이다.

도 9를 참조하면, 세포 배양 장치(10')는 플레이트(100)와, 웰(200)과, 저장조(300)와, 유동 채널(400)을 포함할 수 있다.

저장조(300)는 플레이트(100)의 상면에 배치되며, 웰(200)과 인접하도록 배치될 수 있다. 일 실시예로, 도 9에 나타낸 바와 같이, 저장조(300)는 1열에 위치한 웰(200)의 좌측과, 12열에 위치한 웰(200)의 우측에 각각 열의 개수와 동일한 개수로 배치될 수 있다.

다른 실시예로, 저장조(300)는 A행에 위치한 웰(200)의 상측과, H행에 위치한 웰(200)의 하측에 각각 행의 개수와 동일한 개수로 배치될 수 있다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 저장조(300)에는 액체(W2)가 저장될 수 있다. 액체(W2)는 액체(W1)와 동일 또는 상이한 액체일 수 있다. 일 실시예로 웰(200)의 내부에서 배양되는 세포(C) 또는 스페로이드(S)에 특정한 화학 자극을 가하기 위한 약물일 수 있다.

유동 채널(400)은 플레이트(100)의 내측 하부에 배치되어, 웰(200)과 저장조(300)를 연결할 수 있다. 일 실시예로, 유동 채널은 행 방향 또는 열 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 저장조(300)와 복수 개의 웰(200)을 연결하도록 배치될 수 있다.

보다 구체적으로 유동 채널(400)은 각각의 행에 배치된 웰(200)과 저장조(300)를 연결하도록 X축 방향으로 연장하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 저장조(300)에 저장된 액체(W2)가 각각의 웰(200)로 전달될 수 있다.

도 9 및 도 10에는 유동 채널(400)이 각각의 행에 배치된 웰(200)과 저장조(300)를 연결하는 것으로 나타냈으나, 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 유동 채널(400)은 각각의 열에 배치된 웰(200)과 저장조(300)를 연결하도록 Y축 방향으로 연장하여 배치될 수 있다. 또는, 유동 채널(400)은 각각의 웰(200)과 저장조(300)를 격자 형태로 연결하도록 X축 방향 및 Y축 방향으로 각각 연장하여 배치될 수 있다.

일 실시예로, 세포 배양 장치(10')는 소정의 회전축을 따라 회전하여 액체(W2)의 유동을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 저장조(300)에 저장된 액체(W2)는 세포 배양 장치(10')가 Z축과 평행한 회전축 AX1을 중심으로 회전함에 따라, 각각의 웰(200)로 유입될 수 있다. 이러한 액체(W2)의 유동은 세포 배양 장치(10')를 틸팅시킴으로써 간단하게 형성할 수 있으며, 이에 따라 스페로이드(S)의 배양과, 액체(W2)와 각각의 웰(200)에서 배양되는 스페로이드(S)의 반응을 하나의 세포 배양 장치(10')에서 용이하게 실험 및 관찰할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10')는 각각의 웰(200)에 서로 다른 스페로이드(S)를 배양하여, 유동 채널(400)을 통해 스페로이드(S)가 서로 연결되어 형성되는 다중 세포 네트워크를 구현할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10')는 각각의 웰(200)에서 배양되는 스페로이드(S)의 형상, 크기 및 위치를 균일하게 제어할 수 있어, 다중 세포 네트워크의 반복 재현이 용이하다.

도 9 및 도 10에는 세포 배양 장치(10')가 웰(200)을 포함하는 것으로 나타냈으나, 이에 한정하지 않는다. 세포 배양 장치(10')는 다양한 형태의 플레이트 및 웰을 포함할 수 있으며, 전술한 실시예의 웰(200')이 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10, 10')는 3차원 스페로이드(S)를 형성할 수 있으며, 세포(C)가 웰(200, 200')의 바닥면에 부착되는 것을 방지하여, 스페로이드(S)의 형상 및 크기를 균일하게 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10, 10')는 배양액의 교체 등 세포 배양 과정에서 세포(C) 또는 스페로이드(S)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10, 10')는 각각의 웰(200, 200')에서 배양되는 서로 다른 스페로이드(S)에 유동 채널(400)을 이용해 약물을 흘려주어, 다중 세포 네트워크를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세포 배양 장치(10, 10')는 세포외 기질(extracellular matrix)를 사용하지 않고도, 하이드로겔(hydrogel) 또는 화학적 전처리 없이 스캐폴드 프리 타입(scaffold free type)의 3차원 스페로이드를 형성할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

10, 10': 세포 배양 장치
100: 플레이트
200, 200': 웰
300: 저장조
400: 유동 채널

Claims

세포를 배양하여 3차원 스페로이드(spheroid)로 형성하는 세포 배양 장치로서,
플레이트; 및
상기 플레이트의 일면에 기 설정된 간격으로 복수 개 배치되고, 내부에 세포가 배양되며, 내측면에 미세 패턴이 배치되어 상기 내측면과 상기 세포가 이격되는 웰;을 포함하는 세포 배양 장치.
제1 항에 있어서,
상기 웰은
원통형의 가이드벽; 및
상기 가이드벽의 단부에서 연장되며, 상기 세포가 중심부에서 응집되도록 아래로 볼록한 형상의 배양홈;을 구비하고,
상기 미세 패턴은
상기 배양홈의 내측면에 복수 개의 돌기와 홈이 반복하여 배치되는, 세포 배양 장치.
제2 항에 있어서,
상기 돌기는
상기 배양홈의 내측면에서 상기 배양홈의 중심부를 향해 돌출되며, 상기 세포와 접촉하는 접촉면을 구비하고,
상기 접촉면의 전체 면적은 상기 배양홈의 내측면의 전체 면적의 절반 이하인, 세포 배양 장치.
제3 항에 있어서,
상기 돌기는
상기 배양홈의 중심부를 향해 좁아지는 형상을 갖는, 세포 배양 장치.
제2 항에 있어서,
상기 미세 패턴은
상기 배양홈의 내측면 상에 배치되는 지지체를 더 포함하고,
상기 돌기는
상기 지지체에서 연장되어, 상기 배양홈의 중심부를 향해 돌출되는, 세포 배양 장치.
제2 항에 있어서,
상기 웰은
상기 가이드벽의 단부와 상기 배양홈의 단부 사이에 배치되며, 상기 웰의 내측을 향해 기 설정된 각도로 경사진 스토퍼를 더 포함하는, 세포 배양 장치.
제2 항에 있어서
상기 웰은
상기 배양홈의 상단부에 배치되며, 상기 미세 패턴이 형성되지 않는 메니스커스 영역을 더 포함하는, 세포 배양 장치.
제1 항에 있어서,
상기 미세 패턴은
상기 웰과 일체로 형성되는, 세포 배양 장치.
제1 항에 있어서,
상기 웰은
상기 플레이트의 상면에 복수 개의 행 및 열로 나란히 배치되고,
상기 세포 배양 장치는
상기 플레이트의 상면에 배치되며, 액체가 저장되는 저장조; 및
행 방향 또는 열 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 상기 저장조와 상기 복수 개의 웰을 연결하여, 상기 액체를 상기 복수 개의 웰로 공급하는 유동 채널;을 포함하는, 세포 배양 장치.
제9 항에 있어서,
상기 세포 배양 장치는
소정의 회전축을 따라 회전하여 상기 액체의 유동을 형성하는, 세포 배양 장치.