KR20210138976A - 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일정한 간격을 두고 일렬로 배열된 복수 개의 중공섬유와, 일렬로 배열된 상기 중공섬유들 상에 형성하여, 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이루는 나노시트와, 관상으로 내부에 상기 나노시트 복합체를 수용하는 배양챔버와, 상기 배양챔버의 일측단과 타측단에 결합하여, 상기 배양챔버의 일측단과 타측단 마감하는 한 쌍의 마감캡을 포함하여, 세포가 배양되는 나노시트 복합체 복수 개를 적층 배열하거나, 또는 하나를 원통형으로 말아 챔버 내부에 수용하여, 세포배양 표면적이 3차원적으로 형성되어, 종래의 접시(dish)에 배양하는 것보다 수십 ~ 수천 배의 고농도로 세포 배양이 가능하고, 3차원적 배양구조에 의해 줄기세포에서 생산되는 줄기세포 배양액(conditioned media), 엑소좀을 대량 생산 가능하여, 엑소좀의 상업화가 가능한 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터를 제공한다.

Description

중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터{Bioreactor using nanosheet composite made of hollow fiber and nanofiber}

본 발명은 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터에 관한 것으로, 세포가 배양되는 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체 복수 개를 적층 배열하거나, 또는 하나를 원통형으로 말아 챔버 내부에 수용하여, 세포배양 표면적이 3차원적으로 형성되어, 종래의 접시(dish)에 배양하는 것보다 수십 ~ 수천 배의 고농도로 세포 대량 배양이 가능한 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터에 관한 것이다.

일반적인 줄기세포는 플레이트 형태의 2D(평면) 배양기에서 2D 형태 또는 3D 스페로이드 형태로 배양되는데 표면적의 한계로 대량 배양이 힘들고, 줄기세포 배양에서 나오는 찌꺼기 축적으로 장기적인(Long- term) 사용이 어렵다.

또한, 대량배양을 위해 3D (3차원) 줄기세포 형태로 원심 배양기에서 배양할 때는 생체 내 환경과 다른 부유 환경에서 배양되기 때문에 줄기세포의 특성을 잃어버릴 수 있고, 3D 스페로이드가 배양액이 회전하는 부유환경에서 안정적으로 형태를 유지하기 어렵다.

이러한 이유로 대량 세포 배양을 위해서는 아주 큰 넓은 배양 공간과 엄청난 양의 세포 배양 관련 일회용 쓰레기가 발생하게 된다.

따라서 가장 효율적인 대량 배양방법으로 중공섬유(hollow fiber) 바이오리엑터를 사용하고 있다.

중공섬유(hollow fiber) 바이오 리액터는 10-30 kDa의 전형적인 분자량 컷오프(MWCO) 범위를 갖는 병렬 배열로 배열된 작은 반투과성 모세관 멤브레인인 중공섬유에 기반한 세포 배양 시스템입니다.

이러한 중공섬유는 생물 반응기 카트리지를 생성하기 위해 관형 폴리카보네이트 셸 내에 묶이고 하우징 된다.

입구 및 출구 포트가 장착된 카트리지 내에는 섬유 내의 모세관 내(IC) 공간과 섬유를 둘러싸는 외부 모세관(EC) 공간의 두 구획이 있다.

세포는 중공섬유 생물 반응기의 EC공간에 시딩되고 거기서 확장된다.

세포 배양 배지는 IC 공간을 통해 펌핑되고 중공섬유 관류를 통해 세포에 산소 및 영양분을 전달합니다.

세포가 팽창함에 따라, 폐기물 및 CO2는 중공섬유를 투과시키며 IC 공간을 통한 매체의 펌핑에 의해 운반된다.

세포 질량이 증가하여 폐기물이 축적됨에 따라, 배지 흐름 속도도 증가하여 폐기물 생식 독성에 의해 세포 성장이 저해되지 않는다.

또한, 종래의 중공섬유 바이오리엑터는 중공섬유가 무정렬하게 한방향으로 중공섬유 다발로 이루어져 있어, 줄기세포가 섬유에 붙어서 자라지 않으면 유속에 의해 챔버 밖으로 씻겨 내려갈 수 있다.

따라서 접착성이 우수한 세포가 아닌 경우 세포가 씻겨 내려갈 수 있고, 줄기세포의 분화, 특성 유지를 위해서는 세포의 형태가 중요한데 세포 접착 표면이 생체 내 환경과 다르거나 접착이 어려우면 아포토시스(apoptosis)가 오거나 원래 줄기세포의 특성을 읽어 버릴 수 있다.

종래기술로는 공개특허 제10-2014-0089310호(2014.07.14)를 참고할 수 있다.

본 발명은 세포가 배양되는 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체 복수 개를 적층 배열하거나, 또는 하나를 원통형으로 말아 챔버 내부에 수용하여, 세포배양 표면적이 3차원적으로 형성되어, 종래의 접시(dish)에 배양하는 것보다 수십 ~ 수천 배의 고농도로 세포 대량 배양이 가능하고, 3차원적 배양구조에 의해 줄기세포에서 생산되는 줄기세포 배양액(conditioned media), 엑소좀을 대량 생산 가능하여, 엑소좀의 상업화가 가능한 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터는 일정한 간격을 두고 일렬로 배열된 복수 개의 중공섬유와, 일렬로 배열된 상기 중공섬유들 상에 형성하여, 나노시트 복합체를 이루는 나노시트와, 관상으로 내부에 상기 나노시트 복합체를 수용하는 배양챔버와, 상기 배양챔버의 일측단과 타측단에 결합하여, 상기 배양챔버의 일측단과 타측단 마감하는 한 쌍의 마감캡을 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 복수 개의 중공섬유는 길이가 횡대로 배열한 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 상기 나노시트는 일정한 간격을 일렬로 배열된 중공섬유들 상에 나노섬유를 전기방사 방식으로 형성하는 것이 바람직하다.

여기서 본 발명에 따른 상기 나노시트 복합체는 복수 개가 상기 배양챔버의 내부에 적층 배열되는 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 나노시트 복합체는 원통형으로 말아 상기 배양챔버의 내부에 구비될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 상기 나노시트 복합체는 그 중공섬유의 길이가 상기 배양챔버의 길이와 동일 선상으로 배치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.

세포가 배양되는 나노시트 복합체 복수 개를 적층 배열하거나, 또는 하나를 원통형으로 말아 챔버 내부에 수용하여, 세포배양 표면적이 3차원적으로 형성되어, 종래의 접시(dish)에 배양하는 것보다 수십 ~ 수천 배의 고농도로 세포 배양이 가능한 효과를 가진다.

또한, 대량배양을 위해 3D(3차원) 줄기세포 형태로 원심 배양기에서 배양할 때는 생체 내 환경과 다른 부유 환경에서 배양되기 때문에 줄기세포의 특성을 잃어버릴 수 있고, 3D 스페로이드가 배양액이 회전하는 부유환경에서 안정적으로 형태를 유지하기 어려운 문제를 해결할 수 있다.

나노시트 복합체를 일정한 간격으로 쌓아서 배열하여 수용할 경우 다양한 세포를 층별로, 또는 구역별로 배양하여 생체와 같이 공배양 가능하여, 질병 치료제 개발 연구에 사용할 수 있고, 치료제 개발 및 3차원 공배양에 사용할 수 있다.

종래에는 줄기세포에서 생산되는 줄기세포 배양액(conditioned media), 엑소좀의 양이 작아, 상업화의 한계가 있었나, 본 발명에 따른 바이오리엑터를 이용하면 3차원적 배양구조에 의해 대량 생산이 가능한 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터가 제조되는 과정을 간략하게 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터가 제조되는 과정을 간략하게 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터의 사용예시를 보인 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 세포가 배양되는 나노시트 복합체 복수 개를 적층 배열하거나, 또는 하나를 원통형으로 말아 챔버 내부에 수용하여, 세포배양 표면적이 3차원적으로 형성되어, 종래의 접시(dish)에 배양하는 것보다 수십 ~ 수천 배의 고농도로 세포 대량 배양이 가능하고, 3차원적 배양구조에 의해 줄기세포에서 생산되는 엑소좀을 대량 생산 가능하여, 줄기세포 배양액(conditioned media), 엑소좀의 상업화가 가능한 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1 및 도 3을 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터는 나노시트 복합체(10)와, 배양챔버(100), 마감캡(110)을 포함하는데, 먼저 상기 나노시트 복합체(10)는 중공섬유(11)와, 나노시트(12)를 포함한다.

상기 중공섬유(11)는 내부가 중공인 관상으로, 복수 개가 일정한 간격을 두고 일렬로 배열된다.

이때 상기 복수 개의 중공섬유(11)는 그 길이를 기준으로 횡대로 배열되는 것이 바람직하고, 횡대로 배열된 상기 중공섬유(11)들 상에는 나노시트(12)를 형성하여, 나노시트 복합체(10)를 이루도록 한다.

여기서 상기 나노시트(12)는 전기방사방식으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 전기방사 방식은 전기장을 이용하여 액체 상태의 고분자용액을 ㎛∼㎚의 직경을 가지는 연속 상의 나노섬유로 구현하면서 방사하는 것으로, 이러한 나노섬유를 거미줄처럼 엮이도록 방사하여 한장의 나노시트(12)를 형성한다.

따라서 일렬로 배열된 상기 중공섬유(11)들 상에 나노시트(12)가 전기방사 방식으로 형성되어, 상기 중공섬유(11)들과 나노시트(12)의 결합으로 나노섬유 복합체(10)를 이룬다.

상기한 나노섬유 복합체(10)는 배양챔버(100)의 내부에 수용하는데, 상기 배양챔버(100)는 내부에 중공 형태의 공간을 갖는 관상으로, 그 내부에 상기 나노시트 복합체(10) 복수 개를 수용한다.

이때 상기 배양챔버(100)는 유체(배양액 등)가 입출하는 챔버포트(101)를 일측편과 타측편에 각각 형성하고, 상기 배양챔버(100)의 내부에 수용되는 상기 나노시트 복합체(10)는 적층 배열되는 것이 바람직하다.

여기서 상기 나노시트 복합체(10)를 이루는 중공섬유(11)의 중공 길이가 상기 배양챔버(100)의 길이와 동일 선상을 이루도록 적층 배열되는 것이 바람직하다.

이러한 상기 나노시트 복합체(10)는 상기 배양챔버(100) 내부에 적층 배열됨에 따라 세포배양 표면적이 3차원적으로 형성되어, 종래의 접시(dish)에 배양하는 것보다 수십 ~ 수천 배의 고농도로 세포 대량 배양이 가능하고, 3차원적 배양구조에 의해 줄기세포에서 생산되는 줄기세포 배양액(conditioned media), 엑소좀을 대량 생산 가능하다.

일례로 상기 배양챔버(100)의 내부에 수용되는 나노섬유 복합체(10) 복수 개를 일정한 간격을 두고 서로 층을 이루도록 적층 배열한다. 이때 복수 개의 나노섬유 복합체(10)은 상기 배양챔버(100)의 내부에 내장되는 브라켓을 이용하여 다단으로 형성된 복수 개의 슬롯에 각각 고정시켜 적층 배열할 수도 있다.

그리고 상기 배양챔버(100)의 일측단과 타측단 각각에는 마감캡(110)을 결합하는데, 상기 마감캡(110)은 상기 배양챔버(100)의 일측단과 타측단 각각에 구비되어, 상기 배양챔버(100)의 일측단과 타측단을 각각 마감한다.

이때 상기 마감캡(110)의 외측면에는 배양액 등과 같은 유체가 입출하는 캡포트(111)를 형성한다.

상기한 나노시트 복합체(10)를 이용한 바이오리액터는 한 쌍의 챔버포트(101)와, 한 쌍의 캡포트(111)를 배양액을 순환시키는 펌프(200)와, 매체 및 성장인자가 포함된 배양액을 수용한 탱크(300)와, 배양액에 산소를 공급하는 산소공급수단(400)과 배양액이 유동하는 배관으로 연결되어, 상기한 배양액의 순환구조로 신선한 배양액과 산소를 배양챔버(100)에 일정하게 지속적으로 공급가능하고, 세포 부산물 찌꺼기 발생이 늘어나면 자연스럽게 유속이 증가되어, 부산물 찌꺼기는 자동으로 배출된다.

또한, 나노시트 복합체(10)를 일정한 간격으로 적층 배열하여, 사용할 경우 다양한 세포를 층별로 배양 가능하여 생체 내와 같이 공배양 가능해 질병 치료제 개발 연구에 사용할 수 있고, 치료제 개발, 3차원 공배양 조직배양에 사용할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터는 나노시트 복합체(10)와, 배양챔버(100), 마감캡(110)을 포함하는데, 먼저 상기 나노시트 복합체(10)는 중공섬유(11)와, 나노시트(12)를 포함한다.

상기 중공섬유(11)는 내부가 중공인 관상으로, 복수 개가 일정한 간격을 두고 일렬로 배열된다.

이때 상기 복수 개의 중공섬유(11)는 그 길이를 기준으로 횡대로 배열되는 것이 바람직하고, 횡대로 배열된 상기 중공섬유(11)들 상에는 나노시트(12)를 형성하여, 나노시트 복합체(10)를 이루도록 한다.

여기서 상기 나노시트(12)는 전기방사방식으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 전기방사 방식은 전기장을 이용하여 액체 상태의 고분자용액을 ㎛∼㎚의 직경을 가지는 연속 상의 나노섬유로 구현하면서 방사하는 것으로, 이러한 나노섬유를 거미줄처럼 엮이도록 방사하여 한장의 나노시트(12)를 형성한다.

따라서 일렬로 배열된 상기 중공섬유(11)들 상에 나노시트(12)가 전기방사 방식으로 형성되어, 상기 중공섬유(11)들과 나노시트(12)의 결합으로 나노섬유 복합체(10)를 이룬다.

상기한 나노섬유 복합체(10)는 배양챔버(100)의 내부에 수용하는데, 상기 배양챔버(100)는 내부에 중공 형태의 공간을 갖는 관상으로, 그 내부에 상기 나노시트 복합체(10)를 원통형으로 말아 수용한다.

이때 상기 배양챔버(100)는 유체(배양액 등)가 입출하는 챔버포트(101)를 일측편과 타측편에 각각 형성하고, 상기 배양챔버(100)의 내부에 수용되는 상기 나노시트 복합체(10)는 상기 배양챔버(100)의 공간 형태에 대응하게 원통형으로 말아 수용되는 것이 바람직하다.

여기서 상기 나노시트 복합체(10)를 이루는 중공섬유(11)의 중공 길이가 상기 배양챔버(100)의 길이와 동일 선상을 이루는 것이 바람직하다.

이러한 상기 나노시트 복합체(10)는 상기 배양챔버(100) 내부에 원통형 형태로 말려 수용됨에 따라 세포배양 표면적이 3차원적으로 형성되어, 종래의 접시(dish)에 배양하는 것보다 수십 ~ 수천 배의 고농도로 세포 대량 배양이 가능하고, 3차원적 배양구조에 의해 줄기세포에서 생산되는 줄기세포 배양액(conditioned media), 엑소좀을 대량 생산 가능하다.

그리고 상기 배양챔버(100)의 일측단과 타측단 각각에는 마감캡(110)을 결합하는데, 상기 마감캡(110)은 상기 배양챔버(100)의 일측단과 타측단 각각에 구비되어, 상기 배양챔버(100)의 일측단과 타측단을 각각 마감한다.

이때 상기 마감캡(110)의 외측면에는 배양액 등과 같은 유체가 입출하는 캡포트(111)를 형성한다.

상기한 나노시트 복합체(10)를 이용한 바이오리액터는 한 쌍의 챔버포트(101)와, 한 쌍의 캡포트(111)를 배양액을 순환시키는 펌프(200)와, 매체 및 성장인자가 포함된 배양액을 수용한 탱크(300)와, 배양액에 산소를 공급하는 산소공급수단(400)과 배양액이 유동하는 배관으로 연결되어, 상기한 배양액의 순환구조로 신선한 배양액과 산소를 배양챔버(100)에 일정하게 지속적으로 공급가능하고, 세포 부산물 찌꺼기 발생이 늘어나면 자연스럽게 유속이 증가되어, 부산물 찌꺼기는 자동으로 배출된다.

또한, 상기 나노시트 복합체(10) 한 장을 원통형으로 말아 수용할 경우, 다양한 세포를 층별로 배양 가능하여 생체 내와 같이 공배양 가능해 질병 치료제 개발 연구에 사용할 수 있고, 치료제 개발, 3차원 공배양 조직배양에 사용할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 나노시트 복합체
11: 중공섬유
12: 나노시트
100: 배양챔버
101: 챔버포트
110: 마감캡
111: 캡포트

Claims (6)

1. 일정한 간격을 두고 일렬로 배열된 복수 개의 중공섬유;
   일렬로 배열된 상기 중공섬유들 상에 형성하여, 나노시트 복합체를 이루는 나노시트;
   관상으로 내부에 상기 나노시트 복합체를 수용하는 배양챔버;
   상기 배양챔버의 일측단과 타측단에 결합하여, 상기 배양챔버의 일측단과 타측단 마감하는 한 쌍의 마감캡;을 포함하는 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수 개의 중공섬유는
   그 길이를 기준으로 횡대 배열한 것을 특징으로 하는 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노시트는
   일정한 간격을 일렬로 배열된 중공섬유들 상에 나노섬유를 전기방사 방식으로 형성하는 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노시트 복합체는
   복수 개가 상기 배양챔버의 내부에 적층 배열되는 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노시트 복합체는
   원통형으로 말아 상기 배양챔버의 내부에 구비되는 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터.
   
6. 청구항 4 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 나노시트 복합체는
   그 중공섬유의 길이가 상기 배양챔버의 길이와 동일 선상으로 배치하는 중공섬유와 나노섬유로 만들어진 나노시트 복합체를 이용한 바이오리액터.
   
   

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