KR20220159487A - 자동화된 생체 세포 주입을 위한 개선된 센싱 - Google Patents
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Abstract
세포와 상호작용하기 위해 니들 액츄에이터(needle actuator)를 제어하는 방법이 제공되고, 상기 방법은: 타워(tower), 스테이지(stage) 및 니들(needle)을 포함하는 액츄에이터(actuator)를 제공하는 단계 - 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -; 상기 니들을 후퇴(retract)시키기 위해 상기 스테이지와 상기 타워 사이의 정전기 전위를 인가하는 단계; 상기 세포를 향해 상기 액츄에이터를 이동시키는 단계; 상기 스테이지 및 니들이 상기 세포를 향해 이동하도록 허용하기 위해, 상기 전위를 감소시키는 단계; 상기 니들이 상기 세포를 관통하는 시점을 검출하기 위해 교정 데이터를 적용하는 단계; 및 상기 니들이 상기 세포를 관통한 것으로 검출되는 경우 상기 전위를 더 감소시키는 단계; 를 포함한다.
Description
본 개시는 예를 들어, 약학적(pharmacological), 생물학적(biological) 또는 화학적(chemical) 에이전트(agent)들을 전달하는 니들(needle)들을 이용하는 세포들의 주입과 같은, 생체 세포 주입의 자동화를 위한 센싱에 대한 개선들에 관한 것이다. 본 개시는 또한 마이크로-스케일 또는 나노-스케일 로보틱 디바이스들을 이용하는 생체 세포들의 주입에 대한 자동화 및 이를 위한 센싱에 관한 것이다. 본 개시는 또한 로보틱 디바이스들의 병렬 어레이를 이용하는 생체 세포들의 주입에 대한 자동화 및 이를 위한 센싱에 관한 것이다.
생체 세포들을 주입하는 것은 주입되는 에이전트(agent)를 전달하기 위해 세포들을 관통하도록 마이크로니들(microneedle) 또는 나노니들(nanoneedle)을 사용함으로써 이루어진다. 종래의 접근법들은 3-D로 니들을 이동시키기 위해 디바이스들을 사용하는 것을 포함한다. 종래의 디바이스들은 실리콘 웨이퍼로 형성되는 디바이스를 포함하는 마이크로-엔지니어드 머신(micro-engineered machine, MEMS) 기술들을 이용한다.
생체 세포 주입 동작을 가능한 비용-효율적으로 만들고, 그리고 생체 세포 주입 동작들의 처리량을 향상시키며 그리고 용이하게 제어가능한 니들 매니퓰레이터들의 어레이를 제공하는 것이 필요하다.
본 출원인은 단일 실리콘 웨이퍼 상에서 병렬로 있는 다수의 디바이스들을 수반하는 주입 동작들에서 잠재적인 장점들은 관찰했다.
본 출원인은 단일 실리콘 웨이퍼 상에서 병렬로 있는 다수의 장치들을 제어하는 것에 있어서 잠재적인 장점을 관찰했다.
세포와 상호작용하는 니들 액츄에이터(needle actuator)를 제어하는 방법이 제공되고, 상기 방법은: 타워(tower), 스테이지(stage) 및 니들(needle)을 포함하는 액츄에이터(actuator)를 제공하는 단계 - 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -; 상기 니들을 후퇴(retract)시키기 위해 상기 스테이지와 상기 타워 사이의 정전기 전위를 인가하는 단계; 상기 세포를 향해 상기 액츄에이터를 이동시키는 단계; 상기 전위를 감소시켜 상기 스테이지 및 니들이 상기 세포를 향해 이동하도록 허용하는 단계; 상기 니들이 상기 세포를 관통하는 시점을 검출하기 위해 교정 데이터를 적용하는 단계; 및 상기 니들이 상기 세포를 관통한 것으로 검출되는 경우 상기 전위를 더 감소시키는 단계; 를 포함한다. 상기 세포는 생체 세포(biological cell)이다. 상기 니들은 마이크로-니들(micro-needle)이고 그리고 상기 스테이지는 마이크로-스테이지(micro-stage)이다.
대안적으로, 상기 세포는 세포 트랩(cell trap)에 의해 보유된다. 상기 세포 트랩은 복수의 마이크로챔버들을 포함하고, 각각의 마이크로챔버는 세포를 보유하도록 배열된다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 스테이지를 향해 상기 니들을 후퇴시키기 위해 상기 스테이지와 상기 타워 사이에 정전기 전위를 인가하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 니들이 상기 세포를 관통하였는지 나타내는 전압 대 변위의 변동을 검출하기 위해 상기 스테이지의 상기 전위 및 변위를 모니터링하는 동안 상기 스테이지 및 니들이 상기 세포를 향해 이동하도록 허용하기 위해 상기 전위를 감소시키는 단계를 더 포함한다. 대안적으로, 레이저 간섭계(laser interferometer)는 상기 니들이 상기 세포를 관통했는지 나타내는데 사용된다.
대안적으로, 상기 교정 데이터는 상기 세포들의 유형들에 대해 저장되는 변위들에 대한 전압들을 정의하는 데이터를 포함한다.
대안적으로, 상기 액츄에이터는, 액츄에이터들의 어레이 상에 제공된고, 각각의 액츄에이터는 복수의 세포들의 각각의 세포와 상호작용한다.
다른 실시예에 있어서, 세포-유형 데이터와 관련되는 타겟 전압 전위들에 대한 교정 데이터를 생성하는 방법이 제공되고, 상기 방법은: 매니퓰레이터 및 세포 트랩을 포함하는 교정 장치를 제공하는 단계 - 상기 매니퓰레이터는 타워, 스테이지, 및 니들을 포함하고, 상기 니들은 상기 스테이지 상에 제공됨 -; 교정되는 세포 유형을 식별하는 단계; 후퇴 위치(retracted position)에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기기 위해 전압을 인가하는 단계; 세포 유형을 수용하도록 구성되는 세포-트랩의 정의되는 범위 이내로 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계; 상기 스테이지의 변위를 측정하는 동안 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해 상기 전압을 변경하는 단계; 상기 니들이 타겟 영역에 도달한 시점을 결정하는 단계; 및 상기 식별된 세포 유형에 대한 세포 주입에 사용하기 위해 작동 데이터를 기록하는 단계; 를 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 교정 장치 상에 제공되는 제어기로 상기 세포 유형에 대한 사용자 입력을 수신하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록, 상기 교정 장치 상에 제공되는 액츄에이터에 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 세포-트랩의 상기 정의된 범위 이내로 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계 - 상기 교정 장치 상에 제공되는 카메라는 상기 매니퓰레이터가 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍됨 -; 을 더 포함한다. 상기 교정 장치 상의 상기 카메라는 상기 매니퓰레이터가 상기 세포 트랩의 둘레부의 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍된다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 스테이지의 변위를 측정하는 동안 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해 상기 전압을 감소시키는 단계를 더 포함한다. 상기 스테이지의 변위를 측정하는 것은 상기 교정 장치에 제공되는 레이저 간섭계에 의해 수행될 수 있다.
대안적으로, 상기 작동 데이터는 기록 타겟 전압, 타겟 수직 작동 변위, 관통 지점, 포킹(poking) 지점, 전압-변위 특성 곡선 왜곡, 및 이들의 조합들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
다른 실시예에서, 컴퓨터로 하여금 세포-유형 데이터와 관련되는 타겟 전압 전위들에 대한 교정 데이터를 생성하기 위한 방법을 수행하도록 하기 위한 프로그램이 저장되는 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체로서, 상기 방법은: 매니퓰레이터 및 세포 트랩을 포함하는 교정 장치를 제공하는 단계 - 상기 매니퓰레이터는 타워, 스테이지, 및 니들을 포함하고, 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -; 교정되는 세포 유형을 식별하는 단계; 후퇴 위치(retracted position)에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기기 위해 전압을 인가하는 단계; 세포 유형을 수용하도록 구성되는 세포-트랩의 정의된 범위 이내로 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계; 상기 스테이지의 변위를 측정하는 동안 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해 상기 전압을 변경하는 단계; 상기 니들이 타겟 영역에 도달한 시점을 결정하는 단계; 및 상기 식별된 세포 유형에 대한 세포 주입에 사용하기 위해 작동 데이터를 기록하는 단계; 를 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 교정 장치 상에 제공되는 제어기로 상기 세포 유형에 대한 사용자 입력을 수신하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록, 상기 교정 장치 상에 제공되는 액츄에이터에 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 세포-트랩의 상기 정의된 범위 이내로 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계 - 상기 교정 장치 상에 제공되는 카메라는 상기 매니퓰레이터가 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍됨 -; 를 더 포함한다. 상기 교정 장치 상의 상기 카메라는 상기 매니퓰레이터가 상기 세포 트랩의 둘레부의 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 대안적으로 프로그래밍될 수 있다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 스테이지의 변위를 측정하는 동안 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해 상기 전압을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 스테이지의 변위를 측정하는 것은 상기 교정 장치에 제공되는 레이저 간섭계에 의해 수행될 수 있다.
대안적으로, 상기 작동 데이터는 기록 타겟 전압, 타겟 수직 작동 변위, 관통 지점, 포킹(poking) 지점, 전압-변위 특성 곡선 왜곡, 및 이들의 조합들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
또 다른 실시예에서, 세포와 상호작용하기 위해 니들 작동을 제어하기 위한 시스템이 제공되고, 상기 시스템은: 타워(tower), 스테이지(stage), 니들(needle) 및 액츄에이터를 포함하는 주입 디바이스 - 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착되고, 그리고 상기 액츄에이터는 상기 타워로부터 떨어지도록 그리고 이를 향하도록 상기 니들을 이동시키기 위해 상기 스테이지에 전압 전위를 인가하도록 구성되고 배치됨 -; 상기 주입 디바이스의 상기 니들에 의해 관통되는 세포를 수용하도록 구성되는 세포 트랩; 상기 세포 트랩에 대한 상기 주입 디바이스의 근접을 모니터링하도록 배치되고 구성되는 제 1 카메라; 및 상기 주입 디바이스의 움직임을 제어하도록 구성되는 제어기; 를 포함한다. 상기 제 1 카메라는 Z-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 구성될 수 있다.
대안적으로, 상기 주입 디바이스는 복수의 액츄에이터들을 더 포함한다.
대안적으로, 상기 시스템은 상기 주입 디바이스와 상기 세포 트랩 사이의 정렬을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성되는 제 2 카메라를 더 포함한다. 대안적으로, 상기 제 1 카메라는 Z-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성되고, 상기 제 2 카메라는 상기 X-축 및 Y-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성되는,
대안적으로, 상기 시스템은 제 2 카메라를 포함하는 현미경(microscope)을 더 포함하고, 상기 현미경은 상기 주입 디바이스와 상기 세포 트랩 사이의 정렬을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성된다. 대안적으로, 상기 제 1 카메라는 Z-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성되고, 그리고 상기 현미경은 상기 X-축 및 Y-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성된다. 상기 현미경은 도립 현미경(inverted microscope)일 수 있다.
대안적으로, 상기 시스템은 상기 주입 디바이스의 움직임을 제어하도록 배치되고 그리고 구성되는 매크로-스테이지(macro-stage)를 더 포함한다.
추가적인 실시예에서, 세포 주입 디바이스를 제어하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은: 세포 주입 디바이스, 세포 트랩, 및 저장 디바이스를 포함하는 장치를 제공하는 단계 - 상기 주입 디바이스는 타워, 스테이지, 및 니들을 포함하고, 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -; 주입되는 세포 유형을 식별하는 단계; 상기 저장 디바이스로부터 작동 데이터를 검색하는 단계; 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록 전압을 인가하는 단계; 세포 유형을 수용하도록 구성되는 상기 세포-트랩의 정의된 범위 이내로 상기 세포 주입 디바이스를 이동시키는 단계; 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해, 검색되는 작동 데이터에 기초하여 가변 타겟 작동 전압을 인가하는 단계; 상기 니들이 타겟 영역에 도달한 시점을 결정하는 단계; 및 상기 후퇴 위치를 향해 상기 니들을 이동시키기 위해 상기 전압을 조정하는 단계; 를 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 장치 상에 제공되는 제어기로 상기 세포 유형에 대한 사용자 입력을 수신하는 단계; 를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록, 상기 주입 디바이스 상에 제공되는 액츄에이터에 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 세포-트랩의 상기 정의된 범위 이내로 상기 주입 디바이스를 이동시키는 단계 - 상기 장치 상에 제공되는 카메라는 상기 주입 디바이스가 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍됨 -; 를 더 포함한다. 대안적으로, 상기 장치 상의 상기 카메라는 상기 주입 디바이스가 상기 세포 트랩의 둘레부의 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍된다.
대안적으로, 상기 작동 데이터는 기록 타겟 전압, 타겟 수직 작동 변위, 관통 지점, 포킹(poking) 지점, 전압-변위 특성 곡선 왜곡, 및 이들의 조합들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
다른 실시예에서, 컴퓨터로 하여금 세포 주입 디바이스를 제어하기 위한 방법을 수행하도록 하기 위한 프로그램이 저장되는 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체가 제공되고, 상기 방법은: 세포 주입 디바이스, 세포 트랩, 및 저장 디바이스를 포함하는 장치를 제공하는 단계 - 상기 세포 주입 디바이스는 타워, 스테이지, 및 니들을 포함하고, 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -; 교정되는 세포 유형을 식별하는 단계; 상기 저장 디바이스로부터 작동 데이터를 검색하는 단계; 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록 전압을 인가하는 단계; 세포 유형을 수용하도록 구성되는 상기 세포-트랩의 정의된 범위 이내로 상기 세포 주입 디바이스를 이동시키는 단계; 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해, 검색되는 작동 데이터에 기초하여 가변 타겟 작동 전압을 인가하는 단계; 상기 니들이 타겟 영역에 도달한 시점을 결정하는 단계; 및 상기 후퇴 위치를 향해 상기 니들을 이동시키기 위해 상기 전압을 조정하는 단계; 를 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 장치 상에 제공되는 제어기로 상기 세포 유형에 대한 사용자 입력을 수신하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록, 상기 주입 디바이스 상에 제공되는 액츄에이터에 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
대안적으로, 상기 방법은 상기 세포-트랩의 상기 정의된 범위 이내로 상기 주입 디바이스를 이동시키는 단계 - 상기 장치 상에 제공되는 카메라는 상기 주입 디바이스가 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍됨 -;를 더 포함한다. 대안적으로, 상기 장치 상의 상기 카메라는 상기 주입 디바이스가 상기 세포 트랩의 둘레부의 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍된다.
대안적으로, 상기 작동 데이터는 기록 타겟 전압, 타겟 수직 작동 변위, 관통 지점, 포킹(poking) 지점, 전압-변위 특성 곡선 왜곡, 및 이들의 조합들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 부가적이고 추가적인 양상들이 첨부되는 도면들을 참조하여, 단지 예시로서 주어지는, 이하의 실시예들의 설명으로부터 독자에게 명백해질 것이다
도 1은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위해 교정되고 그리고 제어되는 단일 유닛 액츄에이터를 도시한다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위해 교정되고 그리고 제어되는 단일 유닛 액츄에이터의 확대도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c은 다양한 실시예들에 따른, 단일 유닛 액츄에이터의 스테이지의 작동을 나타내는 병렬판 액츄에이터 모델을 도시한다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른, 단일 유닛 액츄에이터 및 유닛 액츄에이터들의 어레이를 포함하는 대응하는 병렬 주입 디바이스를 도시한다.
도 5a 내지 도 5f는 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입 프로세스를 도시한다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른, 병렬 주입 디바이스, 대응하는 세포 트랩 어레이 및 카메라들을 도시한다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위한 교정 및 제어 시스템을 도시한다.
도 8은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위한 교정 프로세스를 도시한다.
도 9는 다양한 실시예들에 따른, 교정 프로세스에서 기록되는 특성들을 나타내는 단일 유닛 액츄에이터의 스테이지의 변위와 전압 사이의 관계를 도시한다.
도 10은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위한 제어 프로세스를 도시한다.
도 11은 다양한 실시예들에 따른, 컴퓨터 시스템을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도면들이 반드시 축척에 따라 도시된 것이 아니며, 도면들에서의 객체들이 반드시 서로의 관계에서 축척에 따라 도시된 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 도면들은 본 명세서에서 개시되는 장치들, 시스템들 및 방법들의 다양한 실시예들을 명확하게 하고 이해하도록 하기 위해 의도되는 도시들이다. 가능한 한, 동일한 참조 번호들은 동일 또는 유사한 부분들을 나타내기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다. 또한, 도면들은 어떠한 방식으로도 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위해 교정되고 그리고 제어되는 단일 유닛 액츄에이터를 도시한다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위해 교정되고 그리고 제어되는 단일 유닛 액츄에이터의 확대도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c은 다양한 실시예들에 따른, 단일 유닛 액츄에이터의 스테이지의 작동을 나타내는 병렬판 액츄에이터 모델을 도시한다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른, 단일 유닛 액츄에이터 및 유닛 액츄에이터들의 어레이를 포함하는 대응하는 병렬 주입 디바이스를 도시한다.
도 5a 내지 도 5f는 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입 프로세스를 도시한다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른, 병렬 주입 디바이스, 대응하는 세포 트랩 어레이 및 카메라들을 도시한다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위한 교정 및 제어 시스템을 도시한다.
도 8은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위한 교정 프로세스를 도시한다.
도 9는 다양한 실시예들에 따른, 교정 프로세스에서 기록되는 특성들을 나타내는 단일 유닛 액츄에이터의 스테이지의 변위와 전압 사이의 관계를 도시한다.
도 10은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위한 제어 프로세스를 도시한다.
도 11은 다양한 실시예들에 따른, 컴퓨터 시스템을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도면들이 반드시 축척에 따라 도시된 것이 아니며, 도면들에서의 객체들이 반드시 서로의 관계에서 축척에 따라 도시된 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 도면들은 본 명세서에서 개시되는 장치들, 시스템들 및 방법들의 다양한 실시예들을 명확하게 하고 이해하도록 하기 위해 의도되는 도시들이다. 가능한 한, 동일한 참조 번호들은 동일 또는 유사한 부분들을 나타내기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다. 또한, 도면들은 어떠한 방식으로도 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
다양한 실시예들의 이하의 설명은 단지 예시적이고 설명적이며 그리고 어떠한 방식으로도 제한 또는 한정적으로 해석되지 않아야 한다. 본 개시의 다른 실시예들, 특징들, 객체들, 및 장점들은 설명 및 첨부되는 도면들로부터, 그리고 청구항들로부터 명백해질 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 “포함하다(comprise)”, “포함하다(comprises)”, “포함하는(comprising)”, “포함하다(contain)”, “포함하다(contains)”, “포함하는(containing)”, “가지다(have)”, “가지는(having)”, “포함하다(include)”, “포함하다(includes)”, 및 “포함하는(including)” 및 이들의 변형들은 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 그리고 포괄적이거나 개방적이며, 그리고 추가적인, 인용되지 않은 부가물들, 컴포넌트들, 정수들, 엘리먼트들 또는 방법 단계들을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특징들의 목록을 포함하는 프로세스, 방법, 시스템, 구성, 키트 또는 장치들은 반드시 이러한 특징들에만 한정되는 것은 아니며, 명시적으로 나열되지 않거나 또는 이러한 프로세스, 방법, 시스템, 구성, 키트, 또는 장치들에 고유한 다른 특징들을 포함할 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 니들 매니퓰레이터들의 어레이에 포함되는 단일-유닛 니들 매니퓰레이터(single-unit needle manipulator)(1)의 형태인 마이크로로봇(microrobot) 또는 나노로봇(nanorobot)을 도시하고, 이의 특징들은 도시되는 바와 같이 또는 본 명세서에 개시되는 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다.
도 2는 예를 들어 도 1에 도시되는 바와 같은, 단일-유닛 니들 매니퓰레이터의 중간 부분을 도시한다.
단일-유닛 매니퓰레이터(1)는 니들(needle)(3)이 장착되는 매니퓰레이션 스테이지(manipulation stage)를 가진다. 니들(3)은 객체 또는 세포 내부로 에이전트(agent)를 전달하거나, 또는 주입하기 위해 객체 또는 세포를 관통하는데 적합한 유형일 수 있다. 주입되는 객체 또는 세포는 생체 세포(biological cell)일 수 있고, 여기서 니들(3)은 세포 내부 및/또는 세포 핵에 에이전트를 전달 또는 주입하기 위해 생체 세포들을 관통하는데 적합한 유형일 수 있다.
스테이지(2)는 스테이지(2)에 정전기력들을 가하기 위해 스테이지(2)에 대해 전기적으로 충전될 수 있는 타워(4) 위에 위치할 수 있다. 스테이지 및 타워는 집합적으로 병렬판 액츄에이터로 지칭될 수 있고, 여기서 타워 및 스테이지 상에 대향하는 표면들은 전압이 이들에게 가해지는 경우 정전기적으로 충전된다. 타워(4)와 스테이지(2) 간의 정전기력들은 Z-축으로 스테이지(2)를 작동시킬 수 있다.
도 3을 참조하여 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, Z-축 작동(actuation)은 단지 니들(3)에 의한 적절한 세포 또는 객체의 관통에 영향을 미치기 위해 필요한 이동을 제공하는데 필요한 작동일 수 있다.
도 1에서, Z축은 타워(4)의 중심축으로 고려될 수 있다. 스테이지(2)는 또한 테더(tether)(5a, 5b, 5c)들에 의해, 도 1에 도시되는 바와 같은 매니퓰레이터(1)의 평면에서의 X-Y 평면에 있는 상이한 축들에서 작동될 수 있다. 스테이지(2)는 이러한 규모의 생체 세포 상에 객체들의 관통에 적합한 니들(3)을 매니퓰레이트하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 스테이지(2)는 마이크로 스테이지(micro-stage) 또는 나노 스테이지(nano-stage)로 지칭될 수 있다.
테더(5a, 5b 및 5c)들은 각각 스테이지(2)를 액츄에이터(6a, 6b 및 6c)들에 테더링한다(tether). 액츄에이터(6)들은 태더(5)들에 의해 전달되는 힘들이 X-Y 평면에서의 3개의 상이한 축들에 있을 수 있도록 위치될 수 있다. 각각의 태더(5a,5b 및5c)는 인장력(tensile force)들을 가할 수 있다. 액츄에이터(6)들은 3개의 상이한 방향(A, B, 및 C)로부터의 힘을 가하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터(6)들은 스테이지(2)에 대해 120도 간격으로 배치될 수 있다.
액츄에이터(6a, 6b 및 6c)들의 태더 빔(tether beam)(7a, 7b 및 7c)들은 각각의 테더(5a, 5b 및 5c)들을 3개의 서포트 빔(support beam)(8)들에 연결시킬 수 있다. 서포트 빔(8)들은 빗형-특징들, 또는 빗과 유사한 정전기적 액츄에이터(18)들을 지지한다. 예를 들어, 액츄에이터(6a)는 서포트 빔(8a1, 8a2, 및 8a3)들을 가질 수 있다. 액츄에이터(6a) 및 액츄에이터(6c)는 유사하게 각각 서포트 빔들(8b1,8b2,8b3) 및 서포트 빔들(8c1,8c2,8c3)을 가진다.
정전기적 빗형 특징들은 예를 들어 도 1에 도시되는 서포트 빔(8)들과 동일한 평면에 위치될 수 있다. 빗형-특징들은 빗형-구동 액츄에이터(comb-drive actuator)들 또는 빗형-구동기(comb-drive)들로 지칭될 수 있다. 빗형-특징(18)들은 X-Y축으로 서포터 빔(7)들 상에 힘을 가하도록 구성될 수 있다. 중앙의 마이크로-스테이지(2) 및 그 아래의 타워 (4)를 포함하는 병렬판 액츄에이터는 Z 축으로 테더(5)들 상에 힘을 가하도록 구성될 수 있다. 액츄에이터들은 서포트 빔(8)들 상의 빗형-특징(18)들의 셋 및 매니퓰레이터 몸체 상의 빗형-특징(18)들의 대향하는 다른 셋을 가질 수 있다. 2개의 대향하는 빗형-특징들의 셋들은 빗형-구동기를 제공하여, X-Y축으로 정전기력을 생성하기 위해 서로에 대해 대전될 수 있다. 유사하게는 병렬판 액츄에이터의 대향하는 마이크로-스테이지(2) 및 타워(4)는 Z축으로 정전 용량력(electrostatic capacitive force)을 생성하기 위해 서로에 대해 대전될 수 있다.
스프링-굴곡 빔(Spring-flexure beam)(9a, 9b, 및 9c)들은 서포트 빔(8a, 8b, 및 8c)들을 매니퓰레이터(1)의 기판(10)에 연결하고 고정시킨다. 각각의 액츄에이터(6)는 각각의 방향으로 스테이지(2)에 힘을 가할 수 있다. 각각의 액츄에이터(6)의 방향으로 스테이지(2)에 작용되는 힘들의 개별적인 제어는 각각 스테이지(2)가 작동되도록 허용하여, 니들(3)을 매니퓰레이트하도록 한다. 이러한 방식으로, 태터(5)들이 신장되고, 그리고 스테이지(2)의 움직임이 스프링-굴곡 빔(9)들의 굴곡(flexing) 뿐만 아니라 테더(5)들의 변형 또는 신장에 의존할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시되는 바와 같이, 단일-유닛 매니퓰레이터의 3개의 테더(5)들은 스테이지(2)에 대한 탄성 지지 구조를 제공하기 위해 중앙의 스테이지에 3개의 개별적인 방향들로 액츄에이터를 연결한다.
도 3a 내지 도 3c는 다양한 실시예들에 따른 스테이지의 평면외 Z 작동에 대한 예시적인 도식을 도시하며, 이의 특징들은 단독으로(도시되는 바와 같이) 또는 본 명세서에서 개시되는 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 도 3a는 스테이지 상의 이동형 표면(movable surface)(31) 및 타워(4) 상의 고정형 정전기 표면(fixed electrostatic surface)(14)으로 형성되는 병렬판 정전기 액츄에이터(parallel plate electrostatic actuator)로서의 스테이지(2) 및 타워(4)를 도시한다. 스프링 굴곡 빔(9)은 타워(4) 위로, 그리고 기판(10)에 대한 복원 위치(16)로 스테이지(2)를 가져오는 효과를 가진다. 테더(5)들의 신장은 또한 스프링 효과에 기여할 수 있다. 스테이지(2)의 하부 측면 상의 이동형 정전기 표면(11) 및 타워의 상부 측면 상의 고정형 표면(12)에 대해 전위를 인가하는 것은, 타워(4) 및 기판(10)에 상대적으로 가까운, 후퇴(retracted) 상태(15)(도 3c 참조)로 스테이지(2) 및 니들(3)을 변위시킬 수 있다. 전위를 감소시키는 것은 복원 위치(16)로 타워(4) 및 기판(10)으로부터 상대적으로 떨어지도록 액츄에이터(6)들의 스프링 굴곡 빔(9)들 및 테더(5)들의 복원력에 의해 스테이지(2) 및 니들(3)이 작동되도록 허용할 수 있다. 이러한 기판(10)으로부터 니들을 떨어지도록 작동시키기 위해 후퇴 전위에서 전위를 감소시키는 동작은 Z축에서 니들(3)을 작동시키는 것으로 언급될 것이다. 세포가 니들()의 근접하게 트랩되면, 스테이지(2)가 후퇴 위치에 있는 경우 스테이지가 복원 위치(16)로 복귀하도록 허용하는 전위의 감소에 의해 스테이지 및 니들을 작동시키기 위해 이동형 및 고정형 정전기 표면들에 걸리는 전위를 감소시킴으로써 주입이 이루어질 수 있다. 스테이지가 후퇴 위치에서 복원 위치로 복귀하는 정도는 주어진 유형의 생체 세포를 유용하게 주입하는데 중요한 여러 요소들 중 하나이다. 다양한 실시예들에 따른 이러한 작동의 교정 및 제어가 이하에서 논의된다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른, 단일-유닛 니들 매니퓰레이터(1)들의 6개의 어레이(21)들로 형성되는 병렬 주입 디바이스(20)를 도시하고, 이의 특징들은 도시되는 바와 같이 또는 본 명세서에 개시되는 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 도 4의 6개의 어레이들은 단지 예시이며, 디바이스(20) 상의 어레이들의 개수는 필요에 따라 달라질 수 있다. 디바이스(20)는 어레이에서의 각각의 매니퓰레이터에 매칭되는 세포-트랩을 가지는 세포-트랩들 또는 마이크로-웰 또는 마이크로-챔버(23)들의 어레이를 가지는 세포 트랩핑 플랫폼(cell trapping platform)(22)과 물리적으로 관련될 수 있다. 어레이(21)에서의 매니퓰레이터(1)로 세포를 주입하는 것은 디바이스(20)의 X-Y 평면에서 스테이지(및 관련되는 니들(3))를 매니퓰레이트하여 Z축으로 스테이지(2)를 작동시키는 것을 포함한다.
도 5(도 5a 내지 도 5f)는 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포 주입을 위한 단일-유닛 매니퓰레이터의 니들(3)의 작동에 대한 도식을 도시하고, 이의 특징들은 도시되는 바와 같이 또는 본 명세서에 개시되는 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 도 5a는 임의의 동작 전에 매니퓰레이터(1)를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 타워(4)는 기판(10)에 부착된다. 스테이지(2)는 액츄에이터(6)들의 스프링 굴곡 빔(9)들의 휨, 및 신장을 나타내도록 굴곡되어 있는 테더(5)들에 매달려 있다. 니들(3)은 스테이지(2) 상에 장착된 것으로 도시된다. 도 5a는 또한 세포 내의 핵 또는 다른 타겟(25)을 가지는 생체 세포(24)를 도시한다. 핵(25)은 니들(3) 내에 포함되는 화학적 에이전트(미도시)를 전달하기 위해 니들(3)에 의해 관통될 수 있다. 성공적으로 마이크로 및 나노 스케일에서 니들(3)을 매니퓰레이트 또는 작동시키는 것은 일반적으로 프로세스에 영향을 주는 3가지의 주된 접착력(반데르 발스 힘, 모세관 인력(capillary attraction) 및 정전기)들을 극복하는 것을 포함한다.
도 5b는 타워(4) 및 기판(10)을 향해 스테이지(2)를 후퇴시키기 위해 각각 스테이지(2) 및 타워(4)의 고정형 및 이동형 표면들에 정전기 전위 또는 전압이 인가되는 단계를 도시한다. 후퇴와 함께, 다바이스(20)의 일부로서의 매니퓰레이터(1)는 마이크로-웰(23) 내에 보유되는 세포(24)에 근접하게 된다.
도 5c는 도 5b에 도시되는 상태와 대비되는 기판(10)으로부터 상대적으로 떨어져 복원 위치로 스테이지(2)가 복귀하도록 허용하기 위해 전압을 V1으로 감소시키는 것을 도시한다. 상기 스텝은 세포(24)를 향해 또는 기판(10)으로부터 떨어지는 방향으로 스테이지(2) 및 니들(3)을 작동시키는 것으로 이해될 수 있다. 세포(24)는 니들에 의해 움푹 들어간 것(indented)으로 보이거나, 또는 니들에 의해 찔러진 것처럼 보여진다. 세포는 니들(3) 상에 복원력(26, R1)이 발생하는 것으로 도시된다.
도 5d는 기판(10)으로부터 더 떨어지도록 스테이지(2) 및 니들을 작동시키기 위해 V2로의 추가적인 전압 감소를 도시한다. 세포는 복원력(26, R2)가 발생하는 것으로 도시된다.
도 5e는 니들(3)이 먼저 세포(24)를 관통하는 경우, 복원력(26, R3)을 발생시키는 세포와 V3으로의 추가적인 전압의 감소 시점을 도시한다.
도 5f는 니들(3)이 세포(24)의 핵(25)을 관통하는 전압이 V0으로 감소된 상태의 매니퓰레이터(1)를 도시한다. 이 특정 예시에서, 스테이지(2)는 그 복원 위치에서 있는 것으로 도시된다. 그러나, 전압은 대안적으로 니들(3)이 핵을 통과하도록 충분히 감소되지만 스테이지(2)가 그 복원 위치로 복귀하는 것을 허용하기에 충분히 감소되지 않을 수 있다. 핵 관통 관통시의 전압 레벨에 영향을 미치는 다양한 요소들 중에서, 몇몇은 세포의 유형 및 크기를 포함할 수 있다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른, 세포 주입 동작들에서 사용되는 장치를 도시하고, 이의 특징은 도시되는 바와 같이 사용되거나 또는 본 명세서에 개시되는 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 병렬 주입 디바이스(20)는 트랩된 세포(24)를 가지는 대향하는 세포 트랩핑 플랫폼(22)과 함께 도시된다. X-Y 카메라(28)는 병렬 주입 디바이스(20)와 세포 트랩핑 플랫폼(22) 사이의 정렬을 모니터링하는 것을 허용한다. 카메라(28)는 세포(24)들, 매니퓰레이터들, 및/또는 디바이스(20)의 X-Y 평면에서의 디바이스(20)의 움직임을 추가적으로 모니터링할 수 있다. A Z 카메라(29)는 세포 트랩핑 플랫폼(22)에 대한 병렬 주입 디바이스(20)의 근접성을 모니터링하는 것을 허용한다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른, 생체 세포들과 같은, 객체들 또는 세포들의 주입에 사용되는 시스템(27)을 도시하고, 이의 특징들은 도시되는 바와 같이 또는 본 명세서에 개시되는 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 시스템은 Z 카메라(29)(예를 들어, 고해상도 카메라일 수 있음), X-Y 카메라(28)를 가지는 도립 현미경(inverted microscope), 세포 트랩핑 플랫폼(22), 병렬 주입 디바이스(20), 및 매크로(macro)-스테이지(31)(디바이스(20)를 세포 트랩핑 플랫폼(22)을 향해서 그리고 세포 트랩핑 플랫폼(22)에서 떨어지도록 매크로(macro) 레벨로 이동시킬 수 있음)를 가진다. 디바이스(20)는 기판 상에 형성되는 병렬 어레이 디바이스일 수 있다. 매크로 스테이지는 전체 디바이스(20)를 이동시키도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 매크로 스테이지는 각각의 매니퓰레이터(1)들을 이동시키도록 구성되고 프로그래밍될 수 있다. X-Y 매니퓰레이션 및 Z 작동 둘 다를 위해, 각각의 단일 유닛 매니퓰레이터(1)들을 제어하는 캡스 DAQ 시스템(caps DAQ system)이 또한 도시된다. 실행되는 경우 제어기의 기능을 제공하는 메모리 미디어 상에 저장되는 명령들의 셋을 포함할 수 있는 제어 소프트웨어(33)를 구동하는 제어기가 또한 도시된다.
컴퓨터 시스템
도 11은 본 개시들의 실시예들 또는 실시예들의 일부가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템(1000)을 도시하는 블록 다이어그램이다. 본 개시들의 다양한 실시예들에서, 컴퓨터 시스템(1000)은 버스(1020) 또는 정보를 교환하기 위한 다른 통신 메커니즘, 및 정보를 처리하기 위해 버스(1020)와 연결되는 프로세서(1040)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 컴퓨터 시스템(1000)은 프로세서(1040)에 의해 실행되는 명령들을 결정하기 위해 버스(1020)에 연결되는, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 다른 동적 저장 디바이스일 수 있는, 메모리(1060)도 포함할 수 있다. 메모리(1060)는 프로세서(1040)에 의해 실행되는 명령들의 실행 중에 임시 변수들 또는 다른 간이 정보를 저장하는데 사용될 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 컴퓨터 시스템(1000)은 프로세스(1040)에 대한 명령들 및 정적 정보를 저장하기 위해 버스(1020)에 연결되는, 판독 전용 메모리(ROM)(1080) 또는 다른 정적 저장 디바이스를 더 포함할 수 있다. 자기 디스크 또는 광 디스크와 같은 저장 디바이스(1100)가 제공되고 그리고 명령들 및 정보를 저장하기 위해 버스(1020)에 연결될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 컴퓨터 시스템(1000)은 컴퓨터 사용자에게 정보를 디스플레이하기 위한, 음극선 관(CRT) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은, 디스플레이(1120)에 버스(1020)를 통해 연결될 수 있다. 영숫자 및 기타 키들을 포함하는, 입력 디바이스(1140)는 프로세서(1040)에 대해 정보 및 명령 선택들을 통신하기 위해 버스(1020)에 연결될 수 있다. 다른 유형의 사용자 입력 디바이스는 디스플레이(1120) 상의 커서 움직임을 제어하기 위해 그리고 프로세서(1040)에 대해 정보 및 명령 선택들을 통신하기 위한 마우스, 트랙볼 또는 커서 방향키와 같은, 커서 제어기(1160)이다. 이러한 입력 장치(1140)는 디바이스가 평면에서의 위치들을 특정하도록 허용하는, 2개의 축들(제 1 축(즉 x축) 및 제 2 축(즉, y축))에서의 2개의 자유도를 통상적으로 가진다. 그러나 3차원(x, y 및 z) 커서 움직임을 허용하는 입력 디바이스(1140)가 또한 본 명세서에서 고려된다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시들의 특정 구현들에 따라, 메모리(1060)에 포함되는 하나 이상의 명령들의 하나 이상의 시퀀스들을 실행하는 프로세스(1040)에 응답하여 컴퓨터 시스템(1000)에 의해 결과들이 제공될 수 있다. 이러한 명령들은 저장 디바이스(1100)와 같은, 컴퓨터-판독가능 저장 매체 또는 컴퓨터 판독가능 매체로부터 메모리(1060)로 판독될 수 있다. 메모리(1060)에 포함되는 명령들의 시퀀스들의 실행은 프로세스(1040)가 본 명세서에 설명되는 프로세스들을 수행하도록 할 수 있다. 대안적으로 하드-와이어드 회로(hard-wired circuitry)는 본 개시들을 구현하기 위해 소프트웨어 명령 대신 또는 이와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시들의 구현들은 임의의 특정한 하드웨어 회로 및 소프트웨어의 조합으로 제한되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 “컴퓨터-판독가능 매체”(예를 들어, 데이터 스토어, 데이터 스토리지 등) 또는 “컴퓨터-판독가능 저장 매체”는 실행을 위해 프로세서(1040)에 대해 명령들을 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭한다. 이러한 매체는 비-휘발성 매체, 휘발성 매체, 및 전송 매체를 포함하나, 이에 한정되지 않는 다양한 형태를 취할 수 있다. 비-휘발성 매체의 예시들은 저장 디바이스(1100)와 같은, 광학, 솔리드 스테이트, 자기 디스크들을 포함하고, 이에 한정되지 않는다. 휘발성 매체의 예시들은 메모리(1060)와 같은, 동적 메모리를 포함하고, 이에 한정되지 않는다. 전송 매체의 예시들은 버스(1020)를 포함하는 와이어를 포함하여, 광섬유, 구리선 및 동축 케이블들을 포함하고, 이에 한정되지 않는다.
컴퓨터-판독가능 매체의 통상적인 형태들은 예를 들어, 플로피 디스크, 플렉서블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 또는 임의의 기타 자기 매체, CD-ROM, 임의의 광학 매체, 펀치 카드들, 종이 테이프, 홀(hole)들의 패턴들을 가지는 임의의 물리적 매체, RAM, PROM, 및 EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 기타 메모리 칩 또는 카트리지, 또는 컴퓨터가 판독할 수 있는 임의의 기타 유형 매체를 포함할 수 있다.
컴퓨터 판독가능 매체 이외에, 명령들 또는 데이터는 실행을 위해 컴퓨터 시스템(1000)의 프로세서(1040)로 하나 이상의 명령들의 시퀀스들을 제공하기 위해 통신 장치 또는 시스템 내에 포함되는 전송 매체 상의 신호들로 제공될 수 있다. 예를 들어, 통신 장치는 데이터 및 명령들을 나타내는 신호들을 가지는 트랜시버를 포함할 수 있다. 명령들 및 데이터는 하나 이상의 프로세서들이 본 명세서의 개시들로 설명되는 기능들을 구현하도록 구성된다. 데이터 통신 전송 연결들의 대표적인 예시들은 전화 모뎀 연결, 광역 네트워크(WAN), 근거리 통신망(LAN), 적외선 데이터 연결, NFC 연결 등을 포함하고, 이에 제한되지 않는다.
순서도들, 다이어그램들, 및 첨부된 개시를 포함하여 본 명세서에 설명되는 방법론들은 클라우드 컴퓨팅 네트워크와 같은 공유 컴퓨터 프로세싱 리소스의 분산 네트워크 상에 또는 독립형 디바이스로서 컴퓨터 시스템(1000)을 이용하여 구현될 수 있다.
도 8은 도 7에서 도시되는 시스템의 일부일 수 있는, 교정 장치에서의 단일 유닛 매니퓰레이터(1)에 의해 수행되는 프로세스의 예시를 도시하고, 이의 특징들은 도시되는 바와 같이 또는 본 명세서에서 개시되는 다른 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 상기 프로세서는 주어진 유형의 생체 세포(24) 내부로, 핵(25)과 같은 타겟을 주입하기 위해서, Z-변위를 목적으로 하여 Z-축으로 니들(3)을 작동시키도록 타워(4)에 가하는 타겟 전압 전위들을 결정하는 것일 수 있다. 도 8의 프로세스는 단지 예시로서 단일 유닛 매니퓰레이터에 의해 수행된다. 상기 프로세스는 예를 들어, 도 7에 도시되는 시스템의 병렬 주입 디바이스(20)에 의해 사용될 수 있다.
프로세스 1 단계 1을 P1 S1으로 표시하는 방식을 사용하여, 상기 프로세스의 시작은 단계(P1 S1)로 도시된다.
단계(P1 S2)에서, 시스템(27)의 제어기(32)는 세포벽에 대한 영률(Young's modulus) 및 세포의 유형에 대한 정보를 전달하는 오퍼레이터(operator)로부터 사용자 입력들을 수신한다.
단계(P1 S3)에서, 제어기는 단계(P1 S2)로부터의 정보를 전달하는 데이터를 저장한다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 정보를 전달하는 데이터는 타겟 전압들 및 타겟 Z-변위들 뿐만 아니라 단계(P1 S3)에서 저장되는 다른 정보를 포함한다.
단계(P1 S4)에서, 제어기(32)는 타겟 전압들 및 타겟 Z-변위들을 결정하기 위해 교정 프로세스가 필요한지 여부를 식별하는 오퍼레이터로부터의 입력들을 수신한다. 이는 블라인드 센싱 프로세스로 지칭될 수 있다. 소프트웨어는 블라인드 센싱이 활성화되어야 하는지 여부를 체크하게 된다. '예'인 경우, 작동 전압이 개별적으로 타워들의 병렬 어레이들에 인가될 것이다. '아니오'인 경우, 알고리즘은 처음부터 Z 제어 프로세스를 시작한다. 특히 시스템의 매크로 및 마이크로-정렬에 영향을 미치는 외부 노이즈 또는 세포 유형들을 기록하는데 있어서의 에러와 같은 블라인드 센싱 제어의 종료와 재-시작에 관련된 여러 가지 이유가 있을 수 있다.
단계(P1 S5)에서, 예를 들어, 도 5b에서 도시되는 바와 같이 니들을 후퇴시키도록 스테이지(2) 및 타워(4)에 대한 정전기 전위를 달성하도록 후퇴 전압이 상기 타워에 인가된다. 이러한 후퇴 상태로부터, 타워(4)에 인가되는 전압에서의 임의의 감소는 액츄에이터(6)의 스프링 굴곡 빔(9)들 및 테더(5)들의 복원력 하에서 스테이지(2)를 작동시킬 것이다.
단계(P1 S6)에서, 매크로 스테이지는 세포 트랩핑 플랫폼(22) 내에 제공될 수 있는 세포를 향해 단일 유닛 매니퓰레이터(1)를 점진적으로 안내(guide)한다. 단계(P1 S7)는 매니퓰레이터(1)가 정의된 범위 이내에 있는지, 즉 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 1 μm 미만에 있는지 여부를, 카메라(29)를 이용하여 결정한다. 도 8에 의해 도시되는 프로세스에서, 매니퓰레이터(1)가 예를 들어 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 1 마이크로 미터 이내에 있는지 여부를, 카메라(29)를 이용하여 제어기(32)가 결정한다. 범위가 충족되는 경우, 상기 알고리즘은 후속 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 이전 단계로 돌아가서 근접 조건이 충족될 때까지 매크로 스테이지가 매니퓰레이터(1)를 점진적으로 안내하도록 지시하게 된다. 이는 수직 매니퓰레이션에 대한 제어기(32)의 비-시각적 특성으로 인해 중요하다. 복수의 매니퓰레이터(1)들을 가지는 병렬 구조에서, 복수의 매니퓰레이터(1)들이 예를 들어, 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 1 마이크로-미터(서브-마이크론 근접 조건) 내에 있는지 여부를 제어기(32)가 카메라(29)를 이용하여 결정할 수 있다.
대안적으로, 카메라(29)는 세포 트랩퍼(cell trapper)의 둘레부 상의 세포들에 대한 서브-마이크론 근접 조건을 검증하게 된다. 이러한 상황에서, 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 내부 섹션들 내의 세포들에 대해, 제어기는 단일 병렬 구조 칩에 의해 한번에 매니퓰레이트될 수 있는 세포들의 개수에 대한 통계적 신뢰 데이터에 기초하여 작동하게 된다.
단계(P1 S8)에서, 제어기(32)는 병렬-액츄에이터 판에서의 작동 전압을 계속 감소시켜, 이로 인해, 매니퓰레이터(1)의 수직 액츄에이터의 2개의 판들 사이의 정전기력의 감소로 인해, 니들이 그 본래 위치로 서서히 되돌아가기 시작한다. 작동 변위는 실온에서 단일/이중-빔 레이저 간섭계(single/double-beam laser interferometer)를 이용하여 측정된다. 2개의 판들 사이의 인가된 전압이 지속적으로 변하고, 따라서 이들 플레이트들 사이의 거리가 변한다.
단계(P1 S9)에서, 작동 전압이 점진적으로 감소되는 동안, 대응하는 전압-변위 특성 곡선이 예를 들어, 도 9에 도시되는 바와 같이 그려진다. 플롯은 2가지의 가변 파라미터들에, 즉 도 5에 도시되는 바와 같이 타워(4)에 대한 중앙 스테이지(2)의 위치 변화에 관련되는 병렬판 액츄에이터에서의 전위 변화에 주로 의존한다. 수직 움직임 중에 이러한 2개의 파라미터들(전압 및 변위) 사이의 플롯에서의 급격하고 현저한 감소는 바이오매니퓰레이션(biomanipulation)을 가능하게 하도록 제어기(32)에 대한 피드백을 위한 시그니처(signature)로 사용된다. 플롯에서의 이러한 변화는 예를 들어, 나노니들에 의해 센싱되는 세포막의 강성의 변화에 기인할 수 있다. 매니퓰레이션 중에 힘을 측정(시간에 대해 이를 플롯팅(plotting))하는 대신에, 도 9의 곡선으로 나타난 전압-변위 원리가 관통 지점을 식별하기 위한 전압의 감소를 측정하고 그리고 세포 내로 포킹(poking)하는 것을 허용한다.
단계(P1 S10)에서, 핵 또는 미토콘드리아와 같은 최종 세포 타겟 영역에 니들이 도달한 상태(condition)는 예를 들어 카메라(29)(도 9에서 예시적인 CMOS 카메라로 도시됨) 또는 형광 현미경(fluorescent microscopy)에 의해 검증된다. 이러한 상태가 충족되는 경우, 알고리즘은 작동 데이터를 기록하게 된다. 그렇지 않은 경우, 최종 세포 타겟 구역에 도달할 때까지 작동 전압이 점진적으로 더 감소된다. 이러한 시스템이 세포 유형에 대해 교정되면, 전압과 변위 간의 관계는 선험적으로, 도 11의 저장 디바이스(1100)와 같은, 제어기 데이터베이스로 제공된다(이하에 논의됨).
단계(P1 S11)에서, 세포 내부의 타겟 영역에서의 매니퓰레이션이 완료되면, 기록 타겟 전압(Vd), 타겟 수직 작동 변위(Xd), 관통 및 포킹 지점들, 및 V-D 특성 곡선 왜곡과 같은 작동 데이터가 기록되고 그리고 도 11의 저장 디바이스(1100)와 같은 제어기 데이터베이스에 저장된다. xy 제어와 유사하게, Z 트랙킹에 관하여, 폐-루프를 형성하기 위해 피드백으로서 위치 신호들에서의 에러를 이용함으로써 폐-루프 제어가 사용될 수 있어, 이러한 데이터의 기록은 병렬 매니퓰레이션을 위해 중요하다. 이러한 교정된 데이터는 결국 참조 입력으로 작용하게 되며 그리고 의도되는 전압(Vd)을 구현하기 위한 PID 제어를 이용함으로써 나노니들의 오버슈팅(overshooting)을 방지하게 된다.
단계(P1 S12)에서, 나노니들은 일 속도로 세포의 외부로 당겨진다. 상기 속도는 예를 들어, 0.5 내지 2.5 mm sec-1 사이의 범위일 수 있다. 생체막들은 일반적으로 이들이 파열되기 전 대략 2% 내지 4%만큼만 탄성적으로 신장한다. 세포들은 본 경우의 니들 매니퓰레이션과 같은 외부 힘들에 의해 발생되는 막 장력에서의 빠른 변화들에 저항하는 능력을 가진다. 세포가 세포 환경에서 보다 극적이고 느린 변화에 저항하는 것을 도울 수 있는 다양한 장력-민감성 표면 영역 조절 메커니즘들이 존재한다. 하나의 예시는 막 장력의 미비한 증가를 완충할 수 있는 작은 이중층 저장소(bilayer reservoir)이다.
함께 취해지는 단계(P1 S8, P1 S9, P1 S10 및 P1 S11)는 블라인드 센싱 메커니즘으로 지칭될 수 있다.
도 9는 단계(P1 S9)(위에서 소개된)에서 캡쳐된 마이크로미터 단위의 변위 대 볼트 단위의 전압의 관계에 대한 플롯(33)을 도시한다. 플롯(33)은 도 5c에 도시되는 바와 같은 세포(24)를 포킹(poke)하기 시작하는 니들(3)의 특성인 전압에 따른 변위의 변화률이 점차 감소하는 지점(36)을 도시한다. 상기 플롯(33)은 또한 도 5e에서 도시되는 바와 같이 세포(24)를 관통하기 시작하는 니들(3)의 특성인 전압에 따른 변위의 변화률이 더 감소하는 지점(35)을 도시한다. 제어기(32)는 변위에 대한 전압의 관계를 정의하는 데이터를 특성화 데이터에 연관시킴으로써 이들 지점(36 및 35)들을 인식한다.
도 10은 다양한 실시예들에 따른 병렬 주입 디바이스(20)(또는 세포 주입 디바이스)를 제어하기 위한 프로세스(P2)의 예시를 도시하고, 이의 특징들은 도시되는 바와 같이 또는 본 명세서에 개시되는 다른 실시예들과 함께 사용된다. 도 10의 프로세스는 단지 예시로서 단일 유닛 매니퓰레이터에 의해 수행된다. 상기 프로세스는 예를 들어, 도 6 및 도 7에서 도시되는 장치/시스템의 병렬 주입 디바이스(20)에 의해 사용될 수 있다. 상기 프로세스는 단계(P2 S1)에서 시작한다.
단계(P2 S2)에서, 제어기(32)는 단일 유닛 매니퓰레이터(1)에 의해 주입되는 세포 유형을 식별하는 오퍼레이터로부터 입력들을 수신한다. 세포 유형은 병렬 주입 디바이스(20)에서의 각각의 단일 유닛 매니퓰레이터(1)에 대해 식별되어, 예를 들어 상이한 유형의 세포들이 병렬 주입 동작들로 주입되도록 허용할 수 있다.
단계(P2 S3)에서, 제어기(32)는 세포 유형의 영률을 포함하여, 식별된 세포 유형에 관련하여 저장된 데이터를 검색한다.
단계(P2 S4)에서, 제어기(32)는 예를 들어 이하의 추가적인 정보를 전달하는 데이터를 검색한다: 타워(4)에 인가되는 타겟 전압, 도 8의 단계(P1 S5)에서 캡쳐되는 스테이지(2)의 타겟 수직 변위, 단계(P1 S6) 내지 단계(P1 S8)에서 캡쳐되는 세포(24)를 니들이 관통하기 시작하는 변위 및/또는 전압, 및 단계(P1 S9)에서 캡쳐되는 변위 대 전압 플롯. 포킹 및 관통에 대한 변위 대 전압 플롯 특성을 식별하기 위해 사용되는 데이터가 또한 검색될 수 있다.
단계(P2 S5)에서, 제어기(32)는 세포 주입 동작이 시작되어야 하는지 여부를 결정한다. 제어기(32)는 제어기(32)에 의해 수신되는 오퍼레이터로부터의 입력들에 의해 이를 결정한다. 제어기는 블라인드 센싱이 활성화되어야 하는지 여부를 체크할 수 있다. '예'인 경우, 작동 전압이 개별적으로 타워(4)들의 병렬 어레이들에 인가될 수 있다. '아니오'인 경우, 알고리즘은 처음부터 z 제어 프로세스를 시작하기 위해 단계(P2 S2)로 되돌아 갈 수 있다. 재시작 및 블라인드 센싱 제어의 종료를 위한 여러가지 이유들이 있을 수 있다. 예를 들어, 이는 세포 유형들을 기록하는데 있어서의 에러, 시스템의 매크로 및 마이크로-정렬에 영향을 미치는 외부 노이즈, 또는 다른 예시들을 포함할 수 있다.
단계(P2 S6)에서, 예를 들어, 도 5b에 도시되는 상태로 스테이지(2)를 후퇴시키기 위해 타워(4)에 전압들이 인가된다. 확장하여, 병렬 주입 디바이스(20)에서의 모든 매니퓰레이터(1)들에 인가되는 전위차로, 각각의 스테이지(2)들을 후퇴시키기 위해 각각의 매니퓰레이터(1)들의 각각의 타워(4)에 전압이 인가된다. 3SA 마이크로 로봇은 주입 디바이스(20)의 일례이다.
단계(P2 S7)에서, 세포 트랩핑 어레이(또는 플랫폼)(22)에 대한 병렬 주입 디바이스(20)의 근접성을 모니터링하기 위해 제어기(32)에 의해 Z-카메라(29)가 사용되는 동안, 매크로 스테이지(31)는 세포 트랩핑 플랫폼(22)을 향해 병렬 주입 디바이스(20)를 점진적으로 안내한다. 대안적으로, 카메라(29)는 세포 트랩핑 어레이(22)의 둘레부 상에 병렬 주입 디바이스(20)의 근접성을 검증하게 된다. 이러한 상황에서, 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 내부 섹션들의 세포들에 대해, 제어기는 단일 병렬 구조 칩에 의해 한번에 매니퓰레이트될 수 있는 세포들의 개수에 대한 통계적 신뢰 데이터에 기초하여 작동하게 된다.
단계(P2 S8) 및 단계(P2 S9)에서, 병렬 주입 디바이스(20)가 세포 트랩핑 어레이(22)에 적절하게 근접해 있는지 여부를 결정하고, 그렇지 않으면 단계(P2 S7)로 되돌아 간다. Z 카메라(29)는 이러한 결정을 위해 단계(P2 S9)에서 적합한 비디오 데이터를 제공한다. 서브-마이크론 범위의 근접성 정보는 측방향에 배치된 Z 카메라에 의해 검증된다. 복수의 매니퓰레이터(1)들을 가지는 병렬 구조에서, 예를 들어 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 1 마이크로미터(서브-마이크론 근접 조건) 내에 있는지 여부를 제어기(32)가 카메라(29)를 이용하여 결정할 수 있다.
대안적으로, 카메라(29)는 세포 트랩퍼의 둘레부 상의 세포들에 대한 서브-마이크론 근접 조건을 검증하게 된다. 이러한 상황에서, 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 내부 섹션들 내의 세포들에 대해, 제어기는 단일 병렬 구조 칩에 의해 한번에 매니퓰레이트될 수 있는 세포들의 개수에 대한 통계적 신뢰 데이터에 기초하여 작동하게 된다.
몇몇의 물리적 변화를 통해 매니퓰레이션을 검출할 수 있는 제어기(32)의 메커니즘 및 시스템의 비-시각적 센싱의 특성으로 인해, 니들들의 병렬 어레이들과 이들의 대응하는 세포들 사이의 서브-마이크론 근접은 중요하다. 또한, 니들들의 Z 움직임은 예를 들어 5 내지 10 μm 사이와 같은 범위를 가질 수 있기 때문에, 사전 조건으로서 근접 조건의 충족은 대부분의 세포들이 물리적으로 매니퓰레이트되도록 허용한다. 범위가 충족되는 경우, 알고리즘은 후속 단계로 진행한다. 그렇지 않는 경우, 단계(P2 S7)으로 돌아가 근접 조건이 충족될 때까지 병렬 구조 칩들을 점진적으로 더 안내하도록 매크로스테이지에 지시하게 된다.
단계(P2 S10)에서, 단계(P2 S2)에서 선택된 세포 유형에 대한, 단계(P2 S4)의 타겟 작동 전압이 제어기(32)에 의해 검색되고, 제어되는 매니퓰레이터(1)에 대해, 스테이지 2 및 니들을 타켓으로 작동시키기 위해 타워 4에 인가되어, 예를 들어, 니들 (3)이 타겟을 관통하게 한다. 이는 예를 들어, 도 5f에 도시되는 바와 같이, 단계(P2 S2)에서 선택되는 특정 세포 유형의, 핵(25)과 같은 타겟으로 니들 및 스테이지를 작동시키는 타겟 전압이다. 블라인드 센싱 메커니즘은 세포 매니퓰레이션이 실제로 발생하는 경우에 이 단계에서 사용된다. XY 제어기와 유사한, Z 트랙킹을 위해, 우리는 폐-루프를 형성하기 위해 피드백으로서 위치 신호들에서의 에러를 이용함으로서 폐-루프 제어를 사용한다. 제어기는 참조 입력으로서 의도되는 위치(Xd)를 수신하고 그리고 의도하는 전압(Vd)을 구현하기 위해 PID 제어를 이용하여, 니들의 오버슈팅을 방지한다. 이전에 논의된 바와 같이, Vd 및 Xd의 교정된 값들은 세포들의 상이한 유형들에 대해 제어기(32)에서 사전 프로그래밍된다. 전압은 이제 점진적으로 감소되고(V에서 V1로, V2로, V3로, Vd로), 이는 예를 들어, 도 5c 내지 도 5e에서 도시되는 바와 같이 판들 사이의 정전기력을 점진적으로 감소(E에서 E1로, E2로, E3로, Ed로)시킨다. 제어기(32)가 각각의 니들에 대한 작동 전압을 감소시키기 시작하면, 이들은 병렬 주입 디바이스(20)의 2개의 판들 사이의 정전기력의 감소로 인해 이들의 본래 위치로 점진적으로 되돌아오기 시작한다. 니들들이 이들의 후퇴된 상태로 돌아오기 시작하면, 이들이 이러한 막들을 완전히 뚫고(poke) 세포들의 내부의 타겟 장소에 도달할 때까지, 이들은 매니퓰레이터(1)의 수직 강성 및 병렬판 정전기력의 감소에 의해 세포막들을 점진적으로 관통한다. 제어기(32)의 주요 목적은 블라인드 센싱을 이용하는 매니퓰레이션 가능하게 하고 그리고 매니퓰레이션 프로세스 중 니들들의 오버슈팅을 방지하는 것이다.
병렬 주입 디바이스(20)의 2개의 판들 사이의 인가된 전압이 지속적으로 변하고, 따라서 이들 판들 사이의 거리가 변한다. 따라서, Xd 및 Vd는 이러한 세포들의 어레이들 내의 특정 타겟 위치로 니들들의 어레이들을 안내하도록 지속적으로 변한다. Z 위치 정확도의 에러(Xdiff)는 측정된 위치(Xm)를 의도되는 위치(Xd)와 비교함으로써 블라인드 센싱 모델을 이용하는 평가기(estimator)로 계산된다. 의도되는 Z축의 수직 위치로 병렬 구조에서의 니들들을 구동시키기 위해 PID 제어기가 의도되는 전압을 계산한다. 니들들이 세포 내부에 있으면, 핵과 같은 매니퓰레이트되는 세포 기관에 따라, 니들들이 다른 움직임을 경험하게 되어, 도 9에서 도시되는 바와 같은 V-D 플롯에서의 다른 후속적인 감소를 발생시키고, 제 2 세포 기관을 포킹하는지를 확인하게 한다.
이는 세포막들에 대한 관통 및 이어지는 포킹을 식별하는 전압-변위 트랙킹 곡선의 플롯에서 변화이다. 이러한 변화는 수직 매니퓰레이션 중 니들에 의해 센싱되는 세포막 강성의 변경이며 그리고 도 9에 도시되는 바와 같이 힘-편향 곡선에 반영된다. 이는 주로 블라인드 제어 방식을 이용하는 모델-기반 피드백이고 따라서 Z 좌표 프레임에서의 니들의 위치 정확도는 이러한 블라인드 모델의 정확성에 의존할 수 있다. 정전기력 법칙에 기초하여, 하단의 타워(4)에 대한 중앙 스테이지(2)의 출력 움직임은 작동 전압의 제곱에 비례할 것으로 예상된다(
). 이러한 정전기적 특성으로 인해, 이러한 블라인드 센싱 방식은 결정론적 작용(deterministic behaviour)을 가지는 선형 시스템이다. 그럼에도 불구하고, 세포 내부로의 포킹 직후, 상기 작용은 세포막의 파열과 함께 시스템에 유도되는 진동으로 인해 비-선형적이게 된다.
단계(P2 S11)에서, 타워(4) 상의 전압은 세포(24)로부터 니들(3)을 제거하기 위해 도 5b에서 도시되는 바와 같이 니들(3)을 후퇴시키도록 조정된다. 상기 프로세스는 단계(P2 S12)에서 종료된다.
다양한 실시예들에 따른, 도 8에서 예시되는 것과 같은, 교정 프로세스에 대한 보다 상세한 내용이 도 8의 단계들을 참조하여 주어질 것이다.
단계(P1 S8, P1 S9, P1 S10 및 P1 S11)의 블라인드 센싱 메커니즘은 예를 들어, 세포 크기, 막 두께 및 막의 영률(탄성도)과 같은, 요소들에 인해, 상이한 세포의 유형들에 대해, 상이한 변위 대 전압 플롯들, 및 플롯 특성들을 생성할 수 있다. 따라서, 제어기는 예를 들어 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 세포 유형 및 대응하는 영률(E)과 같은 정보를 전달하는 데이터를 식별하기 위해 입력들을 요청할 수 있다.
예를 들어, 0.2 내지 1.4 kPa의 E값을 가지는 백혈병 골수 세포(HL60)를 주입하는 것은 일반적으로 14 내지 18 kPa의 E값을 가지는 적혈구에 비해 Z-축에서 비교적 적은 힘을 필요로 할 것이다. E값들의 이러한 광범위한 차이들로 인해, 임상적 연구들 및 조사에서 광범위하게 사용되는 것들에서 순환 종양 세포(CTC)들과 같은 보다 희귀한 것들에 이르기까지, 각각의 세포들이 주입을 위해 교정되어야 한다.
세포 유형이 입력되면, 제어기는 도 11의 저장 디바이스(1100)와 같은 제어 데이터베이스에 이러한 정보를 전달하는 데이터를 저장할 수 있다. 제어 데이터베이스는 그 중에서도, 예를 들어 타겟 전압, 변위, 제 1 관통 및 제 1 포킹 지점들과 같은, 작동을 위한 정보를 전달하는 데이터를 포함할 수도 있다. 이는 병렬 주입 동작들을 위해 이후에 검색되게 된다. 변위 대 전압 플롯도 검색된다.
제어기는 예를 들어, 단계(P1 S8, P1 S9, P1 S10 및 P1 S11)의 블라인드 센싱 메커니즘이 활성화되는지 여부를 단계(P1 S4)와 같은 단계에서 체크할 수도 있다. '예'인 경우, 작동 전압이 타워에 인가되게 된다. '아니오'인 경우, 알고리즘은 단계(P1 S2)로 프로세스를 복귀시키게 된다. 예를 들어, 매니퓰레이트되는 세포 유형을 기록하는데 있어서 에러가 있거나 또는 몇몇의 외부 노이즈로 인해 시스템 매크로-정렬이 손상되는 경우, 이러한 교정은 종료되게 된다. 몇몇의 실시예들에서, 니들들의 미세 X-Y축 정렬, 시스템 매크로-정렬, 및 핵에 대한 스캐닝(scanning)과 같은 단계들이 교정이 활성화되기 전에 발생할 수 있다.
0.2 μm의 거친 서브마이크론 해상도 및 거의 40 μm의 정밀 해상도를 가지는, 셔터 인스트루먼트(Sutter Instrument)社의 MP-285와 같은 매크로매니퓰레이터는 이를 제 위치에 견고하게 고정시키기 위해 고정물(fixture)을 이용하여 병렬 구조 칩(20)을 연결시키는데 사용될 수 있다. 전체 칩의 수직 움직임이 발생하기 전, 단계(P1 S5)와 같은 단계에서 매니퓰레이터의 타워에 작동 전압이 인가될 수 있다. 중앙 스테이지는 나노니들들의 미세 X-Y 정렬 중에 인가되는 특정 전위에 이미 있게 된다. 후퇴 전압은 중앙 스테이지 상에 인력인 정전기력을 발생시키고, 타워 및 기판으로 이를 다시 당길 수 있다.
예를 들어, 스테이지 및 니들이 후퇴된 상태에 있는 경우, 매크로매니퓰레이터는 디바이스들이 점진적으로 내려가게 하여 니들들이 세포들에 근접하게 하는 동안, 병렬 주입 디바이스는 거친 매크로-움직임을 겪을 수 있다. 교정 프로세스는 다음 단계로 진행하여 니들 팁(tip)과 상부 세포막 사이의 갭(gap)이 서브-마이크론 범위(예를 들어, 1 μm 미만)에 있도록 요구할 수 있다. 서브-마이크론 범위의 근접 정보는 예를 들어, 고-해상도 CMOS 카메라와 같은 카메라에 의해 단계(P1 S7)와 같은 단계에서 검증될 수 있다. 범위가 충족되는 경우, 제어기는 단계(P2 S8)과 같은 후속 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 제어기는 단계(P2 S6)과 같은 이전 단계로 되돌아가며 그리고 근접 조건이 충족될 때까지 디바이스(20)(예를 들어, 3SA 매니퓰레이터)를 점진적으로 더 안내하도록 매크로매니퓰레이터에 지시하게 된다. 복수의 매니퓰레이터(1)들을 가지는 병렬 구조에서, 복수의 매니퓰레이터(1)들이 예를 들어, 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 1 마이크로미터 이내(서브-마이크론 근접 조건)에 있는지 여부를 제어기(32)가 카메라(29)를 이용하여 결정할 수 있다.
대안적으로, 카메라(29)는 세포 트랩퍼의 둘레부 상의 세포들에 대한 서브-마이크론 조건을 검증하게 된다. 이러한 상황에서, 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 내부 섹션들 내의 세포들에 대해, 제어기는 단일 병렬 구조 칩에 의해 한번에 매니퓰레이트될 수 있는 세포들의 개수에 대한 통계적 신뢰 데이터에 기초하여 작동하게 된다. 이는 수직 매니퓰레이션에 대한 제어기의 비-시각적 특성으로 인해 중요하다.
단계(P1 S8)과 같은 단계에서, 제어기는 타워 상의 작동 전압을 점진적으로 감소시켜, 니들이 스테이지와 타워 사이의 정전기력의 감소로 인해 그 복귀 위치로 점진적으로 되돌아 가도록 허용한다. 후퇴 위치로부터, 또는 복귀 위치로부터, 또는 타워로부터의 스테이지의 변위는 예를 들어, 실온에서 단일 또는 이중-빔 레이저 간섭계를 포함하는 다양한 수단에 의해 측정될 수 있다. 2개의 판들 사이의 인가된 전압이 지속적으로 변할 수 있고, 따라서 이들 플레이트들 사이의 거리가 변한다.
또한, 교정을 위해 단일 유닛 매니퓰레이터를 이용하는 경우, 니들이 핵 또는 미토콘드리아와 같은 주어진 최종 세포 타겟 영역에 도착한 상태는 예를 들어, 카메라(예를 들어, 고-해상도 CMOS 카메라와 같은), 또는 형광 현미경에 의해 검증될 수 있다. 상기 상태가 충족되는 경우, 알고리즘은 작동 데이터를 기록하기 위해 단계(P1 S11)와 같은 단계로 진행할 수 있다. 그렇지 않은 경우, 프로세스가 루프백(loop back)할 수 있어, 최종 세포 타겟 구역에 도달할 때까지 작동 전압이 단계(P1 S8)와 같은 단계(예를 들어, 도 8 상의, 단계(P1 S8)와 단계(P1 S10) 사이의 루프 참조)에서 점진적으로 더 감소될 수 있도록 한다.
이러한 시스템이 세포 유형에 대해 교정되면, 단계(P1 P9)와 같은 단계에서 기록되는 변위와 전압 사이의 관계가 도 11의 저장 디바이스(1100)와 같은 제어기 데이터베이스에 제공될 수 있다. 작동 전압이 점진적으로 감소되는 동안, 대응하는 전압-변위 특성 곡선이 단계(P1 S9)에서 그려진다(예를 들어, 도 9 참조). 플롯(도 9에서 제공되는 것과 같은)은 2가지 가변 파라미터들에, 즉, 예를 들어 도 1에서 도시되는 바와 같이 타워에 대한 스테이지의 위치 변화에 관련되는, 스테이지 및 타워 상의 전위 변화에 주로 의존한다. 수직 움직임 중에 이러한 2개의 파라미터들(전압 및 변위) 사이의 플롯에서의 급격하고 현저한 감소는 주입을 가능하게 하도록 블라인드 센싱 제어기에 대한 피드백을 위한 시그니처 특성으로 사용될 수 있다. 실시간으로 플롯의 전개 또는 플롯에서 관찰되는 정의된 특성은 피드백 시그니쳐 또는 프롬프트(prompt)로 사용될 수 있다. 플롯에서의 이러한 변화는 예를 들어 작동되는 니들에 의해 센싱되는 세포 막의 강성의 변화에 기인할 수 있다. 매니퓰레이션 중에 힘을 측정(시간에 대해 이를 플롯팅(plotting))하는 대신에, 제어기는 세포 내의 포킹 및 관통 지점들을 식별하기 위해, 전압 대 변위에서의 정의된 특성, 또는 전압의 감소를 측정할 수 있다.
세포 내부의 타겟 영역에 대한 니들의 작동 및 매니퓰레이션이 완료되면, 예를 들어, 기록 타겟 전압(Vd), 타겟 수직 작동 변위(Xd), 관통 지점들, 포킹 지점들, 및 V-D 특성 곡선 왜곡과 같은, 작동 정보를 전달하는 교정 데이터가 기록되고 도 11의 저장 디바이스(1100)와 같은 제어기 데이터베이스에 저장된다. 이러한 데이터의 기록은 주입 동작에서의 니들들의 작동 및 매니퓰레이션을 위해 제어기에 의해 사용될 수 있다. 이러한 정보는 병렬 주입 동작들에 대해 특히 유용할 수 있다. X-Y 제어와 유사한, Z-트랙킹에 관하여, 폐-루프를 형성하기 위해 피드백으로서 위치 신호들에서의 에러를 이용함으로 제어기가 폐-루프 제어를 이용할 수 있다. 이러한 교정 데이터는 제어기에 대한 참조 입력을 제공할 수 있으며 그리고 의도되는 기록 타겟 전압(Vd)을 구현하기 위한 PID 제어를 이용할 수 있어, 이로 인해 니들의 오버슈팅을 방지한다.
니들들은 0.5 내지 2.5 mm sec-1 범위의 속도로 단계(P1 S11)와 같은 단계에서 세포의 외부로 당겨질 수 있다. 생체막들은 통상적으로 이들이 파열되기 전 대략 2% 내지 4%만큼 탄성적으로 신장한다. 세포들은 본 경우의 니들 매니퓰레이션과 같은 외부 힘들에 의해 발생되는 막 장력에서의 빠른 변화들에 저항하는 능력을 가진다. 이는 예를 들어, 막 장력의 미비한 증가를 완충할 수 있는 작은 이중층 저장소에 의한 것일 수 있다. 또한, 세포가 세포 환경에서 보다 극적이고 느린 변화에 저항하는 것을 도울 수 있는 기타 알려진 장력-민감성 표면 영역 조절 메커니즘들이 존재한다.
다양한 실시예들에 따른 생체 세포 주입 동작 프로세스가 이제 설명될 것이다. 제어 소프트웨어는 단계(P2 S2)와 같은 단계에서 주입되는 세포 유형들을 식별하는 입력들을 수신한다. 동작의 유형에 따라, 단일 세포 유형(병렬) 또는 다중 세포 유형 정보가 입력될 수 있다.
세포 크기, 막 두께, 및 세포막에 대한 영률과 같은 정보를 전달하는 세포 데이터가 도 11의 저장 디바이스(1100)와 같은 제어 데이터베이스로부터 검색될 수 있다. 이러한 세포 데이터는 Z-움직임 및 주입을 위한 것이다. 교정 데이터는 선험적으로, 제어기에 제공될 수 있는 변위와 전압 사이의 관계 및 상이한 세포 유형들에 대해 단계(P2 S4)와 같은 단계에서 검색될 수 있다. Vd 및 Xd의 교정된 값들은 세포들의 상이한 유형들에 대해 제어기(32)에서 사전 프로그래밍될 수 있다. 따라서, 0.2 내지 1.4 kPa 사이의 막의 영률을 가지는 백혈병 골수 세포(HL60)(표 1)들과 같은, 특정 세포 유형에 대해, 시스템이 교정될 수 있으며 그리고 Xd 및 Vd는 핵과 같은, 세포들의 내부의 의도되는 위치로 니들을 구동시키도록 파라미터들로 사용될 수 있다. 또한, 다중 세포 유형에 관련된 데이터가 동시에 검색될 수 있다.
제어기는 또한 세포가 주입되어야 하는지 여부를, 단계(P2 S5)와 같은 단계에서 체크하도록 구성될 수 있다. '예'인 경우, 검색된 작동 전압이 각각 타워들의 병렬 어레이들에 인가되게 된다. '아니오'인 경우, 제어기는 블라인드 센싱 메커니즘을 종료하며 그리고 프로세스를 재시작하게 된다. 특히 시스템의 매크로 및 마이크로-정렬에 영향을 미치는 외부 노이즈 또는 세포 유형들을 기록하는데 있어서의 에러와 같은 블라인드 센싱 제어를 종료시키고 재시작하게 하는 다양한 이유들이 있다.
상술한 바와 같이, 단계(P2 S5)에서의 체크에 의존하여, 작동 전압이 단계(P2 S6)에서 타워들에 인가될 수 있다. 어레이에서의 각각의 단일 유닛 매니퓰레이터의 스테이지들은 니들들의 미세 X-Y 움직임 중에 이미 편향된다. 따라서, 결과적인 전위 차이는 도 5b에서 도시되는 바와 같이 스테이지를 뒤로 후퇴시킨다. 각각의 스테이지들은 예를 들어, 세포 유형 또는 타겟 영역들에 기초하여 상이하게 편향될 수 있다. 또한, 각각의 타워들은 병렬-판 액츄에이터들에서의 균일한 정전기 갭을 유지하기 위해 상이하게 편향될 수 있다.
이들의 후퇴된 상태에서 칩들을 파지하는(gripping) 수직 매크로위치 스테이지는 단계(P2 S7)와 같은 단계에서 이들을 세포에 근접하도록 점진적으로 내려가게 할 수 있다. 예를 들어, 매크로스테이지는 예를 들어 고-해상도 Z-카메라와 같은 카메라에 의해 안내될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 니들들과 세포들 사이의 서브-마이크로 갭에 대한 조건은 중요하다. 이러한 전체 프로세서 동안, 니들들은 xyz 방향에서 계속하여 사전-정렬된다.
칩들이 세포 또는 복수의 세포들에 근접하도록 점진적으로 내려가게 됨에 따라, 서브-마이크론 범위의 근접 정보가 단계(P2 S9)와 같은 단계에서 예를 들어 카메라(예를 들어, 고-해상도 CMOS 카메라와 같은)에 의해 검증될 수 있다. 복수의 매니퓰레이터(1)들을 가지는 병렬 구조 칩들의 어레이들에 대해, 예를 들어, 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 1 마이크로미터 이내(서브-마이크론 근접 조건)에 있는지 여부를 제어기가 카메라(29)(예를 들어, CMOS 카메라)를 이용하여 결정할 수 있다.
대안적으로, 카메라(29)는 세포 트랩퍼의 둘레부 상의 세포들에 대한 서브-마이크론 근접 조건을 검증하게 된다. 이러한 상황에서, 세포 트랩핑 플랫폼(22)의 내부 섹션들 내의 세포들에 대해, 제어기는 단일 병렬 구조 칩에 의해 한번에 매니퓰레이트될 수 있는 세포들의 개수에 대한 통계적 신뢰 데이터에 기초하여 작동하게 된다.
다양한 실시예들에서 몇몇의 물리적 변화를 통해 주입을 검출할 수 있는 Z 제어기의 메커니즘 및 시스템의 비-시각적 센싱의 특성으로 인해, 니들들의 병렬 어레이들과 이들의 대응하는 세포들 사이의 서브-마이크론 근접을 결정할 수 있는 것이 유리하다. 또한, 몇몇의 경우들에서, 니들들의 Z-움직임은 예를 들어, 5 내지 10 μm 사이의 범위로 제한될 수 있다. 이러한 경우들에서, 근접 조건의 충족은 대부분의 세포들이 물리적으로 매니퓰레이트될 수 있게 하는 필요조건일 수 있다. 단계(P2 S9)와 같은 단계에서 범위가 검증되는 경우, 제어기는 단계(S2 P10)과 같은 후속 단계로 진행한다. 그렇지 않는 경우, 단계(P2 S7)와 같은 단계로 돌아가 근접 조건이 충족될 때까지 병렬 구조 칩들을 점진적으로 더 안내하도록 마이크로스테이지에 지시하게 된다.
상술한 바와 같이, 블라인드 센싱 메커니즘은 세포 주입이 발생하는 단계 동안 이용될 수 있다. XY 제어기와 유사한, Z 트랙킹을 위해, 폐-루프 제어는 폐-루프를 형성하기 위해 피드백으로서 위치 신호들에서의 에러를 이용할 수 있다. 제어기는 참조 입력으로서 의도되는 위치(Xd)를 수신하며 그리고 검색된 전압(Vd)을 구현하기 위해 PID 제어를 이용하여, 이로 인해 니들의 오버슈팅을 방지한다. Vd 및 Xd를 전달하는 교정 데이터는 세포들의 상이한 유형들에 대해 제어기에 의해 저장될 수 있다.
전압이 점진적으로 감소(V에서 V1로, V2로, V3로, Vd로)됨에 따라, 판들 사이의 정전기력이 예를 들어, 도 5c 내지 도 5e에서 도시되는 바와 같이 점진적으로 감소(E에서 E1로, E2로, E3로, Ed로)한다. 제어기가 각각의 니들에 대한 작동 전압을 감소시키기 시작하면, 이들은 병렬-판 액츄에이터들의 2개의 판들 사이의 정전기력의 감소로 인해 이들의 본래 위치로 점진적으로 되돌아오기 시작한다. 니들들이 이들의 후퇴된 상태로 돌아오기 시작하면, 이들이 이러한 막들을 완전히 포킹하고(poke) 세포들의 내부의 타겟 장소에 도달할 때까지, 이들은 매니퓰레이터(1)들의 수직 강성 및 병렬-판 정전기력의 감소에 의해 세포막들을 점진적으로 관통한다.
2개의 판들 사이의 인가된 전압이 지속적으로 변할 수 있고, 따라서 이들 플레이트들 사이의 거리가 지속적으로 변한다. 따라서, Xd 및 Vd는 이러한 세포들의 어레이들 내부의 특정 타겟으로 나노니들들의 어레이들을 안내하도록 지속적으로 변한다. Z 위치 정확도의 에러(Xdiff)는 측정된 위치(Xm)를 의도되는 위치(Xd)와 비교함으로써 블라인드 센싱 모델을 이용하는 평가기로 계산된다. 의도되는 Z축의 수직 위치로 병렬 구조에서의 니들들을 구동시키기 위해 PID 제어기가 의도되는 전압을 계산한다. 니들들이 세포 내부에 있으면, 핵과 같은 매니퓰레이트되는 세포 기관에 따라, 니들들이 다른 움직임을 겪게 되어, V-D 플롯에서의 다른 후속적인 감소를 발생시키고, 제 2 세포 기관을 포킹하는지를 확인한다.
몇몇의 실시예들에서 전압-변위 트랙킹 곡선의 플롯에서의 변화는 세포막들에 대한 관통 및 이어지는 포킹을 식별하는데 도움을 준다. 이러한 변화는 수직 매니퓰레이션 중 니들에 의해 센싱되는 세포막 강성의 변경이며 그리고 도 9에서 먼저 도시되는 바와 같이 힘-편향 곡선에 반영된다. 이는 주로 블라인드 제어 방식을 이용하는 모델-기반 피드백이고 따라서 Z 좌표 프레임에서의 니들의 위치 정확도는 이러한 블라인드 모델의 정확성에 의존할 수 있다. 정전기력 법칙에 기초하여, 타워에 대한 스테이지의 출력 움직임은 작동 전압의 제곱에 비례할 것으로 예상된다(
). 이러한 정전기적 특성으로 인해, 본 블라인드 센싱 방식은 순수하게 결정론적 작용(deterministic behaviour)을 가지는 선형 시스템일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 세포 내부로의 포킹 직후, 상기 작용은 세포막의 파열과 함께 시스템에 유도되는 진동으로 인해 비-선형적이게 된다.
주입이 완료되면, 니들들이 주입 동작의 다음 셋이 발생하기 전 수직 매크로위치 스테이지에 의해 세포들로부터 뒤로 당겨진다. 니들들의 움직임 속도는 약 0.5 내지 2.5 mm sec-1일 수 있다. 따라서 이러한 움직임과 관련된 주파수는 3SA 매니퓰레이터들의 공진 주파수들에 비해 현저히 낮을 수 있다. 유한 요소 분석으로 예측되는 매니퓰레이터의 제 1 공진 주파수는 예를 들어 12 kHz(XY에 대한 평면내 모드)일 수 있고 그리고 제 2 공진 주파수는 예를 들어 27 kHz(빗형-핑거 전극들의 굴곡을 포함하는 Z 모드 움직임)일 수 있다. 세포 매니퓰레이션이 매우 높은 속도로 발생하지 않는 한, 동적 응답 분석(dynamic response analysis)이 중요해지는 때에 공진 주파수들에 더 가까워져, 니들의 움직임이 정적이다.
생체 세포들 이외의 세포들 또는 객체들의 주입이 수행될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 이러한 객체들은 예를 들어, 바이러스, 리포좀(liposomes), 마이셀(micelles), 역마이셀(reverse micelles), 단백질 캡슐(protein capsules), 액체 방울(liquid droplets), 구상 단백질 복합체(globular protein complexes), 단백질-DNA 복합체, 단백질-RNA 복합체, 단백질-보조인자 복합체(protein-cofactor complexes), 별개의 부피를 가지는 임의의 객체, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예의 설명 :
실시예 1: 세포와 상호작용하는 니들 액츄에이터(needle actuator)를 제어하는 방법으로서, 상기 방법은: 타워(tower), 스테이지(stage) 및 니들(needle)을 포함하는 액츄에이터(actuator)를 제공하는 단계 - 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -; 상기 니들을 후퇴(retract)시키기 위해 상기 스테이지와 상기 타워 사이의 정전기 전위를 인가하는 단계; 상기 세포를 향해 상기 액츄에이터를 이동시키는 단계; 상기 전위를 감소시켜 상기 스테이지 및 니들이 상기 세포를 향해 이동하도록 허용하는 단계; 상기 니들이 상기 세포를 관통하는 시점을 검출하기 위해 교정 데이터를 적용하는 단계; 및 상기 니들이 상기 세포를 관통한 것으로 검출되는 경우 상기 전위를 더 감소시키는 단계;
를 포함한다.
실시예 2: 실시예 1의 방법에 있어서, 상기 세포는 생체 세포(biological cell)이다.
실시예 3: 실시예 1 및 2의 방법에 있어서, 상기 니들은 마이크로-니들(micro-needle)이고 그리고 상기 스테이지는 마이크로-스테이지(micro-stage)이다.
실시예 4: 선행하는 실시예들 중 임의의 방법에서, 상기 세포는 세포 트랩(cell trap)에 의해 보유된다.
실시예 5: 선행하는 실시예들 중 임의의 방법에 있어서, 상기 스테이지를 향해 상기 니들을 후퇴시키기 위해 상기 스테이지와 상기 타워 사이에 정전기 전위를 인가하는 단계를 더 포함한다.
실시예 6: 선행하는 실시예들 중 임의의 방법에 있어서, 상기 니들이 상기 세포를 관통하였는지 나타내는 전압 대 변위의 변동을 검출하기 위해 상기 스테이지의 상기 전위 및 변위를 모니터링하는 동안 상기 스테이지 및 니들이 상기 세포를 향해 이동하도록 허용하기 위해 상기 전위를 감소시키는 단계를 더 포함한다.
실시예 7: 선행하는 실시예들 중 임의의 방법에 있어서, 상기 교정 데이터는 상기 세포들의 유형들에 대해 저장되는 변위들에 대한 전압들을 정의하는 데이터를 포함한다.
실시예 8: 선행하는 실시예들 중 임의의 방법에 있어서, 상기 액츄에이터는 액츄에이터들의 어레이 상에 제공되고, 각각의 액츄에이터는 복수의 세포들의 각각의 세포와 상호작용한다.
실시예 9: 실시예 4 내지 8 중 임의의 방법에 있어서, 상기 세포 트랩은 복수의 마이크로챔버들을 포함하고, 각각의 마이크로챔버는 세포를 보유하도록 배열된다.
실시예 10: 실시예 6 내지 9 중 임의의 방법에 있어서, 레이저 간섭계(laser interferometer)는 상기 니들이 상기 세포를 관통했는지 나타내는데 사용된다.
실시예 11: 세포-유형 데이터와 관련되는 타겟 전압 전위들에 대한 교정 데이터를 생성하는 방법으로서, 상기 방법은:
매니퓰레이터 및 세포 트랩을 포함하는 교정 장치를 제공하는 단계 - 상기 매니퓰레이터는 타워, 스테이지, 및 니들을 포함하고, 상기 니들은 상기 스테이지 상에 제공됨 -;
교정되는 세포 유형을 식별하는 단계;
후퇴 위치(retracted position)에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기기 위해 전압을 인가하는 단계;
세포 유형을 수용하도록 구성되는 세포-트랙의 정의되는 범위 이내로 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계;
상기 스테이지의 변위를 측정하는 동안 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해 상기 전압을 변경하는 단계;
상기 니들이 타겟 영역에 도달한 시점을 결정하는 단계; 및
상기 식별된 세포 유형에 대한 세포 주입에 사용하기 위해 작동 데이터를 기록하는 단계;
를 포함한다.
실시예 12: 실시예 11의 방법에 있어서, 상기 교정 장치 상에 제공되는 제어기로 상기 세포 유형에 대한 사용자 입력을 수신하는 단계를 더 포함한다.
실시예 13: 실시예 11 및 12의 방법에 있어서, 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록, 상기 교정 장치 상에 제공되는 액츄에이터에 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
실시예 14: 실시예 11 내지 13의 방법에 있어서, 상기 세포-트랩의 상기 정의된 범위 이내로 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계 - 상기 교정 장치 상에 제공되는 카메라는 상기 매니퓰레이터가 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍됨 - 을 더 포함한다.
실시예 15: 실시예 14의 방법에 있어서, 상기 교정 장치 상의 상기 카메라는 상기 매니퓰레이터가 상기 세포 트랩의 둘레부의 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍된다.
실시예 16: 실시예 11 내지 15의 방법에 있어서, 상기 스테이지의 변위를 측정하는 동안 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해 상기 전압을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
실시예 17: 실시예 16의 방법에 있어서, 상기 스테이지의 변위를 측정하는 것은 상기 교정 장치에 제공되는 레이저 간섭계에 의해 수행된다.
실시예 18: 실시예 11 내지 17의 방법에 있어서, 상기 작동 데이터는 기록 타겟 전압, 타겟 수직 작동 변위, 관통 지점, 포킹(poking) 지점, 전압-변위 특성 곡선 왜곡, 및 이들의 조합들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
실시예 19: 컴퓨터로 하여금 세포-유형 데이터와 관련되는 타겟 전압 전위들에 대한 교정 데이터를 생성하기 위한 방법을 수행하도록 하기 위한 프로그램이 저장되는 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체로서, 상기 방법은:
매니퓰레이터 및 세포 트랩을 포함하는 교정 장치를 제공하는 단계 - 상기 매니퓰레이터는 타워, 스테이지, 및 니들을 포함하고, 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -;
교정되는 세포 유형을 식별하는 단계;
후퇴 위치(retracted position)에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기기 위해 전압을 인가하는 단계;
세포 유형을 수용하도록 구성되는 세포-트랩의 정의된 범위 이내로 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계;
상기 스테이지의 상기 변위를 측정하는 동안 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해 상기 전압을 변경하는 단계;
상기 니들이 타겟 영역에 도달한 시점을 결정하는 단계; 및
상기 식별된 세포 유형에 대한 세포 주입에 사용하기 위해 작동 데이터를 기록하는 단계를 포함한다.
실시예 20: 실시예 19의 방법에 있어서, 상기 교정 장치 상에 제공되는 제어기로 상기 세포 유형에 대한 사용자 입력을 수신하는 단계를 더 포함한다.
실시예 21: 실시예 19 및 20의 방법에 있어서, 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록, 상기 교정 장치 상에 제공되는 액츄에이터에 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
실시예 22: 실시예 19 내지 21의 방법에 있어서, 상기 세포-트랩의 상기 정의된 범위 이내로 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계 - 상기 교정 장치 상에 제공되는 카메라는 상기 매니퓰레이터가 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍됨 - 를 더 포함한다.
실시예 23: 실시예 22의 방법에 있어서, 상기 교정 장치 상의 상기 카메라는 상기 매니퓰레이터가 상기 세포 트랩의 둘레부의 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍된다.
실시예 24: 실시예 19 내지 23의 방법에 있어서, 상기 스테이지의 변위를 측정하는 동안 상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해 상기 전압을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
실시예 25: 실시예 24의 방법에 있어서, 상기 스테이지의 변위를 측정하는 것은 상기 교정 장치에 제공되는 레이저 간섭계에 의해 수행된다.
실시예 26: 실시예 19 내지 25의 방법에 있어서, 상기 작동 데이터는 기록 타겟 전압, 타겟 수직 작동 변위, 관통 지점, 포킹(poking) 지점, 전압-변위 특성 곡선 왜곡, 및 이들의 조합들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
실시예 27: 세포와 상호작용하기 위해 니들 작동을 제어하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
타워(tower), 스테이지(stage) 및 니들(needle)을 포함하는 주입 디바이스를 제공하는 단계 - 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착되고, 그리고 상기 액츄에이터는 상기 타워로부터 떨어지고 그리고 이를 향하도록 상기 니들을 이동시키기 위해 상기 스테이지에 전압 전위를 인가하도록 구성되고 배치됨 -;
상기 주입 디바이스의 상기 니들에 의해 관통되는 세포를 수용하도록 구성되는 세포 트랩;
상기 세포 트랩에 대한 상기 주입 디바이스의 근접을 모니터링하도록 배치되고 구성되는 제 1 카메라; 및
상기 주입 디바이스의 움직임을 제어하도록 구성되는 제어기를 포함한다.
실시예 28: 실시예 27의 시스템에 있어서, 상기 제 1 카메라는 Z-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 구성된다.
실시예 29: 실시예의 27 및 28의 시스템에 있어서, 상기 주입 디바이스는 복수의 액츄에이터들을 더 포함한다.
실시예 30: 실시예 27 내지 29의 시스템에 있어서, 상기 시스템은 상기 주입 디바이스와 상기 세포 트랩 사이의 정렬을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성되는 제 2 카메라를 더 포함한다.
실시예 31: 실시예 30의 시스템에 있어서, 상기 제 1 카메라는 Z-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성되고, 상기 제 2 카메라는 상기 X-축 및 Y-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성된다.
실시예 32: 실시예 27 내지 29의 시스템에 있어서, 상기 시스템은 제 2 카메라를 포함하는 현미경(microscope)을 더 포함하고, 상기 현미경은 상기 주입 디바이스와 상기 세포 트랩 사이의 정렬을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성된다.
실시예 33: 실시예 32의 시스템에 있어서, 상기 제 1 카메라는 Z-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성되고, 그리고 상기 현미경은 상기 X-축 및 Y-축 상의 움직임을 모니터링하도록 배치되고 그리고 구성된다.
실시예 34: 실시예 32 및 33의 방법에 있어서, 상기 현미경은 도립 현미경(inverted microscope)이다.
실시예 35: 실시예 27 내지 34의 방법에 있어서, 상기 시스템은 상기 주입 디바이스의 움직임을 제어하도록 배치되고 그리고 구성되는 매크로-스테이지(macro-stage)를 더 포함한다.
실시예 36: 세포 주입 디바이스를 제어하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
세포 주입 디바이스, 세포 트랩, 및 저장 디바이스를 포함하는 장치를 제공하는 단계 - 상기 주입 디바이스는 타워, 스테이지, 및 니들을 포함하고, 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -;
주입되는 세포 유형을 식별하는 단계;
상기 저장 디바이스로부터 작동 데이터를 검색하는 단계;
후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록 전압을 인가하는 단계;
세포 유형을 수용하도록 구성되는 상기 세포-트랩의 정의된 범위 이내로 상기 세포 주입 디바이스를 이동시키는 단계;
상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해, 검색되는 작동 데이터에 기초하여 가변 타겟 작동 전압을 인가하는 단계;
상기 니들이 타겟 영역에 도달한 시점을 결정하는 단계; 및
상기 후퇴 위치를 향해 상기 니들을 이동시키기 위해 상기 전압을 조정하는 단계; 를 포함한다.
실시예 37: 실시예 36의 방법에 있어서, 상기 장치 상에 제공되는 제어기로 상기 세포 유형에 대한 사용자 입력을 수신하는 단계를 더 포함한다.
실시예 38: 실시예 36 및 37의 방법에 있어서, 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록, 상기 주입 디바이스 상에 제공되는 액츄에이터에 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
실시예 39: 실시예 36 내지 38의 방법에 있어서, 상기 세포-트랩의 상기 정의된 범위 이내로 상기 주입 디바이스를 이동시키는 단계 - 상기 장치 상에 제공되는 카메라는 상기 주입 디바이스가 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍됨 - 을 더 포함한다.
실시예 40: 실시예 39의 방법에 있어서, 상기 장치 상의 상기 카메라는 상기 주입 디바이스가 상기 세포 트랩의 둘레부의 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍된다.
실시예 41: 실시예 36 내지 40의 방법에 있어서, 상기 작동 데이터는 기록 타겟 전압, 타겟 수직 작동 변위, 관통 지점, 포킹(poking) 지점, 전압-변위 특성 곡선 왜곡, 및 이들의 조합들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
실시예 42: 컴퓨터로 하여금 세포 주입 디바이스를 제어하기 위한 방법을 수행하도록 하기 위한 프로그램이 저장되는 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체로서, 상기 방법은:
세포 주입 디바이스, 세포 트랩, 및 저장 디바이스를 포함하는 장치를 제공하는 단계 - 상기 세포 주입 디바이스는 타워, 스테이지, 및 니들을 포함하고, 상기 니들은 상기 스테이지 상에 장착됨 -;
교정되는 세포 유형을 식별하는 단계;
상기 저장 디바이스로부터 작동 데이터를 검색하는 단계;
후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록 전압을 인가하는 단계;
세포 유형을 수용하도록 구성되는 상기 세포-트랩의 정의된 범위 이내로 상기 세포 주입 디바이스를 이동시키는 단계;
상기 스테이지 및 장착된 니들이 상기 후퇴 위치 및 상기 타워로부터 떨어지도록 허용하기 위해, 검색되는 작동 데이터에 기초하여 가변 타겟 작동 전압을 인가하는 단계;
상기 니들이 타겟 영역에 도달한 시점을 결정하는 단계; 및
상기 후퇴 위치를 향해 상기 니들을 이동시키기 위해 상기 전압을 조정하는 단계를 포함한다.
실시예 43: 실시예 42의 방법에 있어서, 상기 장치 상에 제공되는 제어기로 상기 세포 유형에 대한 사용자 입력을 수신하는 단계를 더 포함한다.
실시예 44: 실시예 42 및 43의 방법에 있어서, 후퇴 위치에서의 상기 타워를 향해 상기 스테이지를 당기도록, 상기 주입 디바이스 상에 제공되는 액츄에이터에 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
실시예 45: 실시예 42 내지 44의 방법에 있어서, 상기 세포-트랩의 상기 정의된 범위 이내로 상기 주입 디바이스를 이동시키는 단계 - 상기 장치 상에 제공되는 카메라는 상기 주입 디바이스가 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍됨 - 을 더 포함한다.
실시예 46: 실시예 45의 방법에 있어서, 상기 장치 상의 상기 카메라는 상기 주입 디바이스가 상기 세포 트랩의 둘레부의 상기 정의된 범위 이내에 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍된다.
실시예 47: 실시예 42 내지 47의 방법에 있어서, 상기 작동 데이터는 기록 타겟 전압, 타겟 수직 작동 변위, 관통 지점, 포킹(poking) 지점, 전압-변위 특성 곡선 왜곡, 및 이들의 조합들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
전술한 설명 및 이하의 청구항들에서, 단어 “포함하는” 또는 이의 동등한 변형들은 명시된 특징 또는 특징들의 존재를 규정하는 포괄적인 의미로 사용될 수 있다. 해당 용어는 다양한 실시예들에서 추가적인 특징들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명은 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 제한되지 않고 본 발명의 사상 및 범위 내의 추가적이고 부가적인 실시예들이 도면들을 참조하여 설명되는 예시들로부터 당업자(skilled reader)에게 명백해질 것이라는 점이 이해되어야 한다. 특히, 본 발명은 본 명세서에서 설명되는 특징들의 임의의 조합에 존재할 수 있고, 또는 주어진 특징들에 대해 공지된 등가물들과 이러한 특징들의 대안적인 실시예들 또는 조합들에 존재할 수 있다. 위에서 논의된 본 발명의 예시적인 실시예들의 수정들 및 변형들은 본 기술분야의 당업자들에게 명백할 것이고 그리고 첨부되는 청구항들로 정의되는 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
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- 객체 또는 세포와 상호작용하기 위해 니들 액츄에이터(needle actuator)를 제어하는 방법.
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