KR20230120487A - Modular microfluidic chip with individual flow rate control and oxygen concentration control - Google Patents

Modular microfluidic chip with individual flow rate control and oxygen concentration control Download PDF

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Abstract

The present invention is a microfluidic chip which simulates human organs, and a modular microfluidic chip which allows adjustment of the oxygen concentration and fluid flow rate required for cell culture, and provides a highly efficient hypoxic target disease screening or drug testing platform by modularizing the microfluidic chip's channels and organ chips. To solve this purpose, the present invention comprises: a chip module (100) in which cells are cultured using a cell culture medium and a gas permeable membrane (112) formed on the bottom; a flow rate control module (200) which allows cell culture medium to flow into the chip module (100); an oxygen control module (300) which provides hypoxic conditions to the chip module (100) while flowing an oxygen absorption solution and a diluent toward the gas permeable membrane (112); and a module port layer (400) which is laminated on the upper surface of the oxygen control module (300) and allowing the chip module (100) and a flow rate control module (200) to be detachably assembled.

Description

유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩{Modular microfluidic chip with individual flow rate control and oxygen concentration control}Modular microfluidic chip with individual flow rate control and oxygen concentration control}

본 발명은 인체장기를 모사하는 미세유체칩으로서, 세포 배양에 필요한 산소 농도와 유체의 유량을 조절 가능하게 하며, 미세유체칩의 채널 및 장기칩을 모듈화되게 하여 매우 효율적인 저산소 타겟 질병 스크리닝 또는 약물 테스트 플랫폼을 제공하는 모듈형 미세유체칩에 관한 것이다.The present invention is a microfluidic chip that mimics human organs, which enables control of the oxygen concentration and flow rate of fluids required for cell culture, and makes the channels and organ chips of the microfluidic chip modular, enabling very efficient hypoxia target disease screening or drug testing It relates to a modular microfluidic chip that provides a platform.

일반적으로 약물의 테스트는 동물 실험을 통해 이루어지며, 동물을 이용한 약물 테스트는 윤리적인 문제로 인해 동물 실험을 대체할 수 있는 테스트 플랫폼의 개발이 요구되고 있으며, 특히 저산소성 질병의 동물 실험의 경우 인위적으로 동물에게 저산소상태를 유발하는 과정에서 심각한 윤리적 문제를 야기할 수 있어 최근에는 특정 장기를 구성하는 세포를 배양하여 해당 장기의 생리적 기능과 약물에 대한 반응을 모사할 수 있는 미세유체칩이 개발되고 있다.In general, drug testing is performed through animal testing, and drug testing using animals requires the development of a test platform that can replace animal testing due to ethical issues. In particular, in the case of animal testing for hypoxic diseases, artificial This can cause serious ethical problems in the process of inducing hypoxic conditions in animals. Recently, a microfluidic chip has been developed that can simulate the physiological function of the organ and its response to drugs by culturing cells constituting a specific organ. there is.

예를 들어, 한국등록특허공보 제10-2279961호를 살펴보면, 세포배양 층; 멤브레인 층; 산소흡수용액을 포함하는 산소흡수 층; 산소흡수용액에 맞닿는 멤브레인 층 윗부분에 위치된 광학 산소 센서; 및 산소 농도에 따른 산소 센서의 형광 변화를 측정하기 위한 광학 탐지기;를 포함하고, 상기 산소흡수 층은 산소흡수용액의 상층 및 하층의 흐름 속도 조절을 통해 저산소증을 유도하는 저산소증에 의한 임신중독증 환경을 구현한 태반 모사 장기칩이 제시되어 있다.For example, looking at Korean Patent Registration No. 10-2279961, a cell culture layer; membrane layer; an oxygen absorbing layer containing an oxygen absorbing solution; an optical oxygen sensor located above the membrane layer facing the oxygen absorbing solution; and an optical detector for measuring a change in fluorescence of the oxygen sensor according to the oxygen concentration, wherein the oxygen absorbing layer controls the preeclampsia environment caused by hypoxia by controlling the flow rate of the upper and lower layers of the oxygen absorbing solution. An implemented placenta-like organ chip is presented.

그러나 종래에는 단순하게 산소흡수용액의 흐름 속도를 조절하면서 저산소증을 유도하는 구조를 갖기 때문에 유체의 흐름 특성상 조절된 상태의 산소 농도가 일정하지 않으며, 세포 배양액의 경우 유량 및 세포에 가해지는 전단응력을 조절하지 못하는 문제점이 있었다.However, in the prior art, since it has a structure that induces hypoxia while simply controlling the flow rate of the oxygen absorbing solution, the oxygen concentration in the controlled state is not constant due to the flow characteristics of the fluid, and in the case of cell culture media, the flow rate and the shear stress applied to the cells I had a problem that I couldn't control.

또한, 종래에는 미세유체칩이 특정 장기에 대한 저산소증 모사만 수행 가능하며, 인체장기를 구성하는 세포들은 배양조건이 다른 경우가 많아 배양 세포에 대응하여 미세유체칩의 채널 등을 다시 제작해야 하는 번거로움이 있고, 하나의 미세유체칩에서 다양한 장기 세포를 배양할 수 없는 문제점이 있었다.In addition, conventionally, microfluidic chips can only simulate hypoxia for specific organs, and cells constituting human organs often have different culture conditions, so it is cumbersome to remanufacture the channels of the microfluidic chip in response to the cultured cells. However, there was a problem in that various organ cells could not be cultured on a single microfluidic chip.

한국등록특허공보 제10-2279961호(등록일:2021.07.15)Korean Registered Patent Publication No. 10-2279961 (registration date: 2021.07.15)

본 발명은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 장기칩에 대응하여 산소흡수용액과 희석액의 비율이 결정되어 산소 농도를 조절할 수 있도록 구성함으로써, 각 해당 장기칩에 대응하여 산소 농도를 각각 조절하면서 산소 농도를 일정하게 유지하도록 하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the conventional problems, and is configured to adjust the oxygen concentration by determining the ratio of the oxygen absorbing solution and the dilution solution corresponding to various organ chips, while adjusting the oxygen concentration respectively corresponding to the organ chips. Its purpose is to keep the oxygen concentration constant.

또한, 본 발명은 다양한 장기칩에 대응하여 세포 배양액의 공급을 위한 채널의 통로가 서로 다른 크기로 각각 형성됨으로써, 각 해당 장기칩에 따라 세포 배양액의 유량 및 세포에 가해지는 전단응력을 서로 다르게 각각 조절되게 하는데 그 목적이 있다.In addition, according to the present invention, channels for supplying cell culture fluid are formed in different sizes in correspondence with various organ chips, so that the flow rate of the cell culture fluid and the shear stress applied to the cells are different for each corresponding organ chip. Its purpose is to be controlled.

또한, 본 발명은 세포 배양액의 공급을 위한 채널 및 장기칩을 모듈 포트에 선택적 조합하여 결합되게 하는 모듈형 구조로 구성함으로써, 배양조건이 다른 인체장기들을 하나의 미세유체칩에서 간편하게 배양할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.In addition, the present invention is composed of a modular structure in which a channel for supplying cell culture medium and an organ chip are selectively combined and coupled to a module port, so that human organs with different culture conditions can be easily cultured on a single microfluidic chip. But it has a purpose.

이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은;The present invention to solve this object;

세포배양액에 의해 세포가 배양되며, 바닥면에 기체 투과성 막이 형성된 칩 모듈과;a chip module in which cells are cultured by a cell culture medium and a gas permeable membrane is formed on a bottom surface;

상기 칩 모듈에 세포배양액이 흐르도록 하는 유량조절 모듈과;a flow control module for allowing the cell culture medium to flow through the chip module;

상기 기체 투과성 막 측으로 산소흡수용액 및 희석액을 흐르게 하면서 상기 칩 모듈에 저산소 조건을 제공하는 산소조절 모듈; 및an oxygen control module providing a hypoxic condition to the chip module while flowing an oxygen absorbing solution and a diluting solution toward the gas permeable membrane; and

상기 산소조절 모듈의 상면에 적층되며, 상기 칩 모듈 및 유량조절 모듈을 각각 탈착 가능하게 조립되게 하는 모듈 포트층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩을 제공한다.A modular microfluidic chip capable of adjusting the flow rate and oxygen concentration, characterized in that it is configured to include; a module port layer that is laminated on the upper surface of the oxygen control module and allows the chip module and the flow control module to be detachably assembled, respectively. provides

이러한 본 발명에 따르면, 각각의 해당하는 장기칩에 대응하여 조절된 산소 농도를 일정하게 유지 가능한 효과가 있고, 세포 배양액의 유량 및 세포에 가해지는 전단응력의 조절이 가능한 효과가 있으며, 미세유체칩이 모듈화되어 배양조건이 서로 다른 인체장기들을 하나의 미세유체칩에서 간편하게 배양 가능한 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of maintaining a constant oxygen concentration corresponding to each corresponding organ chip, an effect of controlling the flow rate of the cell culture medium and the shear stress applied to the cells, and a microfluidic chip This modularization has the effect of easily culturing human organs under different culture conditions on a single microfluidic chip.

도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩의 전체 구성도.
도 3은 도 1의 모듈형 미세유체칩 중 칩 모듈을 나타낸 도면.
도 4는 도 1의 모듈형 미세유체칩 중 유량조절 모듈을 나타낸 도면.
도 5는 도 1의 모듈형 미세유체칩 중 산소조절 모듈을 나타낸 도면.
도 6은 도 1의 모듈형 미세유체칩의 산소농도조절을 위한 측정 그래프이다.
1 and 2 are diagrams of the overall configuration of a modular microfluidic chip capable of controlling flow rate and oxygen concentration according to the present invention.
Figure 3 is a view showing a chip module of the modular microfluidic chip of Figure 1;
4 is a view showing a flow control module of the modular microfluidic chip of FIG. 1;
5 is a view showing an oxygen control module in the modular microfluidic chip of FIG. 1;
6 is a measurement graph for oxygen concentration control of the modular microfluidic chip of FIG. 1 .

본 발명에 따른 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩을 첨부된 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.The characteristics of the modular microfluidic chip capable of controlling the flow rate and oxygen concentration according to the present invention will be understood by the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

한편, 실시 예를 설명함에 있어 본 발명이 속하거나 속하지 아니한 기술분야에서 광범위하게 널리 알려져 사용되고 있는 구성요소에 대해서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하며, 이는 불필요한 설명을 생략함과 더불어 이에 따른 본 발명의 요지를 더욱 명확하게 전달하기 위함이다.On the other hand, in describing the embodiments, detailed descriptions of components that are widely known and used in the technical field to which the present invention belongs or does not belong will be omitted, and unnecessary descriptions will be omitted, and the present invention according to this will be omitted. This is to make the point more clear.

도 1은 모듈형 미세유체칩의 사시도, 도 2는 모듈형 미세유체칩의 요부 단면도, 도 3은 칩 모듈의 사시도, 도 4는 유량조절 모듈의 평면도, 도 5는 산소조절 모듈의 평면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 모듈형 미세유체칩의 실시 예시를 위한 그래프이다.1 is a perspective view of a modular microfluidic chip, FIG. 2 is a cross-sectional view of main parts of a modular microfluidic chip, FIG. 3 is a perspective view of a chip module, FIG. 4 is a plan view of a flow control module, FIG. 5 is a plan view of an oxygen control module, 6 is a graph for an embodiment of a modular microfluidic chip according to the present invention.

이에 따른 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩(1)을 개략적으로 살펴보면, 세포가 배양되는 칩 모듈(100); 칩 모듈(100)에 세포배양액을 흐르도록 하는 유량조절 모듈(200); 칩 모듈(100)에 저산소 조건을 제공하는 산소조절 모듈(300); 칩 모듈(100) 및 유량조절 모듈(200)을 각각 탈착 가능하게 하는 모듈 포트층(400);을 포함하여 구성된다.Schematically looking at the modular microfluidic chip 1 capable of adjusting the flow rate and oxygen concentration accordingly, the chip module 100 in which cells are cultured; a flow control module 200 to flow the cell culture medium through the chip module 100; An oxygen control module 300 providing hypoxic conditions to the chip module 100; A module port layer 400 enabling the chip module 100 and the flow control module 200 to be attached or detached, respectively; is configured to include.

이하, 본 발명에 따른 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩의 구성을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the configuration of the modular microfluidic chip capable of controlling the flow rate and oxygen concentration according to the present invention will be described in detail.

먼저, 상기 칩 모듈(100)은;First, the chip module 100;

세포배양액에 의해 세포가 배양되며, 바닥면에 기체 투과성 막(112)이 형성된 것으로, 칩 모듈(100)은 세포가 배양되는 구간에 해당되며, 유량조절 모듈(200)에 튜브를 통해 연결되어 세포배양액이 공급되어 흐르면서 인체장기를 모사하기 위한 세포를 배양할 수 있도록 한다.Cells are cultured by the cell culture medium, and a gas permeable membrane 112 is formed on the bottom surface, and the chip module 100 corresponds to the section in which the cells are cultured, and is connected to the flow control module 200 through a tube to generate cells. As the culture medium is supplied and flowing, cells to simulate human organs can be cultured.

한편, 상기 칩 모듈(100)은 인체장기를 모사하는 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)을 더 포함한다.Meanwhile, the chip module 100 further includes a first organ chip 110a, a second organ chip 110b, and a third organ chip 110c that simulate human organs.

도 2에 도시한 바와 같이 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)에는 세포가 배양되는 공간인 제1챔버(111)가 각각 마련되고, 제1챔버(111)는 유입구 및 배출구를 갖으면서 세포배양액이 연속으로 흐르도록 한다.As shown in FIG. 2, the first chamber 111, which is a space for culturing cells, is provided in the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c, respectively. The chamber 111 has an inlet and an outlet so that the cell culture medium continuously flows.

여기서 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)의 제1챔버(111)는 모사되는 인체장기에 대응하여 서로 다른 크기로 이루어지는데, 제1장기칩(110a)은 간 세포를 배양하는 것으로 제1챔버(111)가 직선 형태로 이루어지고, 제2장기칩(110b)은 신장 세포를 배양하는 것으로 제1챔버(111)가 원호 형태로 이루어지며, 제3장기칩(110c)은 동맥 세포를 배양하는 것으로 제1챔버(111)가 지그재그 형태로 이루어진다.Here, the first chambers 111 of the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c have different sizes corresponding to the simulated human organs. (110a) is for culturing liver cells, and the first chamber (111) is made in a straight shape, and the second organ chip (110b) is for culturing kidney cells, and the first chamber (111) is made in an arc shape. The third organ chip 110c is for culturing arterial cells, and the first chamber 111 is formed in a zigzag shape.

이때, 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)은 해당하는 인체장기의 전단응력과 부피를 고려하여 제1챔버(111)의 형태를 각각 다르게 형성하였으며, 체내 전단응력의 경우 제1장기칩(110a)은 0.1 ~ 0.5dyne/cm^2 이고, 제2장기칩(110b)은 0.1 ~ 0.5dyne/cm^2이며, 제3장기칩(110c)은 10 ~ 15dyne/cm^2이고, 또한 체외 전단응력의 경우 0.3dyne/cm^2이며, 제2장기칩(110b)은 0.25dyne/cm^2이고, 제3장기칩(110c)은 9.25dyne/cm^2이다.At this time, the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c have different shapes of the first chamber 111 in consideration of the shear stress and volume of the corresponding human organ. In the case of internal shear stress, the first organ chip (110a) is 0.1 ~ 0.5 dyne/cm^2, the second organ chip (110b) is 0.1 ~ 0.5 dyne/cm^2, and the third organ chip (110c) is 10 to 15 dyne/cm^2, and in the case of in vitro shear stress is 0.3 dyne/cm^2, the second organ chip 110b is 0.25 dyne/cm^2, and the third organ chip 110c is 9.25 dyne /cm^2.

또한, 상기 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)은 Polymethyl methacrylate(PMMA) 재질로 제작되는데, PMMA는 기체투과도가 낮아 외부 기체에 의한 영향을 최소화하는데 그 목적이 있다. 상기 칩 모듈(100)의 하단에 기체 투과성 막(112)이 형성되며, 기체 투과성 막(112)은 기체 투과가 가능한 투명한 고분자 물질인 Polydimethylsiloxane(PDMS) 재질로 이루어진다.In addition, the first long-term chip 110a, the second long-term chip 110b, and the third long-term chip 110c are made of polymethyl methacrylate (PMMA), which has low gas permeability to minimize the influence of external gases. But it has a purpose. A gas permeable membrane 112 is formed at the bottom of the chip module 100, and the gas permeable membrane 112 is made of Polydimethylsiloxane (PDMS), a transparent high molecular material capable of gas transmission.

기체 투과성 막(112)은 제1챔버(111)의 바닥면에 50μm 두께로 형성되어 기체 투과성 막(112) 측으로 산소흡수용액이 흐르면 제1챔버(111)의 산소농도을 조절하여 배양되는 세포에 저산소 조건을 제공하게 된다.The gas-permeable membrane 112 is formed to a thickness of 50 μm on the bottom surface of the first chamber 111, and when the oxygen absorbing solution flows toward the gas-permeable membrane 112, the oxygen concentration of the first chamber 111 is controlled to reduce hypoxia to the cultured cells. conditions will be provided.

또한, 상기 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)은 둘레면이 하향 축소되는 형태의 제1경사부(113)를 갖고, 상기 제1경사부(113)에 대응하여 모듈 포트층(400)에 상향 확장되는 형태의 제2경사부(423)가 형성된 것을 더 포함한다.In addition, the first long-term device chip 110a, the second long-term device chip 110b, and the third long-term device chip 110c each have a first inclined portion 113 having a downwardly contracted circumferential surface, and the first inclined portion Corresponding to (113), a second inclined portion 423 extending upward is formed on the module port layer 400.

제1경사부(113)는 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c) 둘레면에 각각 형성되고, 제2경사부(423)는 후술하는 모듈 포트층(400)의 제2포트홀(422) 내측 둘레면에 형성되어 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)이 각각 제2포트홀(422)에 끼워져 조립되면 제1경사부(113)와 제2경사부(423)가 맞닿아 루어록(luar-lock) 방식으로 이들을 조립되게 하며, 이 경우 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)의 조립부분으로 산소흡수용액이 누출되는 것을 방지하게 된다.The first inclined portion 113 is formed on the peripheral surfaces of the first long-term device chip 110a, the second long-term chip 110b, and the third long-term device chip 110c, respectively, and the second inclined portion 423 is a module port described later. It is formed on the inner circumferential surface of the second porthole 422 of the layer 400, and the first long-term chip 110a, second long-term chip 110b, and third long-term chip 110c are inserted into the second porthole 422, respectively. When assembled, the first inclined part 113 and the second inclined part 423 come into contact so that they are assembled in a luar-lock method. In this case, the first long-term chip 110a and the second long-term chip 110b ), it prevents the oxygen absorbing solution from leaking into the assembled part of the third organ chip 110c.

그리고, 상기 유량조절 모듈(200)은;And, the flow control module 200;

상기 칩 모듈(100)에 세포배양액이 흐르도록 하는 것으로, 유량조절 모듈(200)은 칩 모듈(100)의 유입 측 및 배출 측에 각각 튜브를 통해 연결되어 칩 모듈(100)에 세포배양액을 연속으로 흐르게 하며, 유량조절 모듈(200)은 정량펌프가 연결되어 외부에서 세포배양액이 공급되게 된다.The cell culture fluid flows through the chip module 100, and the flow control module 200 is connected to the inlet side and the outlet side of the chip module 100 through tubes, respectively, to continuously supply the cell culture fluid to the chip module 100. and the flow control module 200 is connected to a metering pump so that the cell culture medium is supplied from the outside.

한편, 상기 유량조절 모듈(200)은 세포배양액이 주입되는 제1유량조절 모듈(210a); 및 칩 모듈(100)을 통과한 세포배양액을 배출시키는 제2유량조절 모듈(210b);을 갖는 것을 더 포함한다. On the other hand, the flow control module 200 includes a first flow control module 210a into which the cell culture medium is injected; And a second flow rate control module (210b) for discharging the cell culture solution that has passed through the chip module (100);

제1유량조절 모듈(210a) 및 제2유량조절 모듈(210b)은 칩 모듈(100)을 중심으로 양방향에 서로 대칭된 형태로 각각 배치되어 마련되는데, 제1유량조절 모듈(210a) 및 제2유량조절 모듈(210b)은 모듈 포트층(400)의 제1포트홀(421)에 탈착되게 조립되어 유량조절 모듈(200)을 모듈화할 수 있도록 한다.The first flow control module 210a and the second flow control module 210b are arranged in a symmetrical manner in both directions around the chip module 100, and the first flow control module 210a and the second flow control module 210a The flow control module 210b is detachably assembled to the first port hole 421 of the module port layer 400 so that the flow control module 200 can be modularized.

여기서 상기 제1유량조절 모듈(210a) 및 제2유량조절 모듈(210b)은 세포배양액이 흐르는 제1채널(211)이 마련되고, 상기 제1채널(211)은 칩 모듈(100)을 구성하는 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)에 세포배양액을 각각 공급하는 하나 이상의 제1통로(211a)가 마련되며, 상기 하나 이상의 제1통로(211a)는 모사되는 인체장기에 대응하여 서로 다른 크기로 이루어진 것을 더 포함한다.Here, the first flow control module 210a and the second flow control module 210b are provided with a first channel 211 through which the cell culture medium flows, and the first channel 211 constitutes the chip module 100. One or more first passages 211a are provided to supply the cell culture medium to the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c, respectively, and the one or more first passages 211a ) further includes those made of different sizes corresponding to the human organs to be simulated.

제1채널(211)은 세포배양액이 유입되는 유입구 및 유입된 세포배양액이 배출되는 배출구를 갖고, 제1채널(211)의 유입구와 배출구 사이로 하나 이상의 제1통로(211a)가 서로 연결되어 마련된다.The first channel 211 has an inlet through which the cell culture medium is introduced and an outlet through which the inflowed cell culture medium is discharged, and one or more first passages 211a are connected to each other between the inlet and the outlet of the first channel 211. .

하나 이상의 제1통로(211a)는 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)에서 배양되는 인체장기 모사 세포에 대응하여 세포배양액을 각각 다르게 공급하기 위한 것이며, 제1장기칩(110a)에 연결된 제1통로(211a)는 폭 130μm, 높이 200μm로 유량이 6μl/min이고, 제2장기칩(110b)에 연결된 제1통로(211a)는 폭 233μm, 높이 200μm로 유량이 20μl/min이며, 제3장기칩(110c)에 연결된 제1통로(211a)는 폭 493μm, 높이 200μm이고, 유량이 74μl/min이다.One or more first passages 211a are for supplying cell culture fluids differently in response to human organ-like cells cultured in the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c. The first passage 211a connected to the first long-term chip 110a has a width of 130 μm and a height of 200 μm, and a flow rate of 6 μl/min. The first passage 211a connected to the second long-term chip 110b has a width of 233 μm, The height is 200 μm, the flow rate is 20 μl/min, and the first passage 211a connected to the third organ chip 110c has a width of 493 μm, a height of 200 μm, and a flow rate of 74 μl/min.

그리고, 상기 산소조절 모듈(300)은;And, the oxygen control module 300;

상기 기체 투과성 막(112) 측으로 산소흡수용액 및 희석액을 흐르게 하면서 상기 칩 모듈(100)에 저산소 조건을 제공하는 것으로, 산소조절 모듈(300)은 외부에서 산소흡수용액 및 희석액이 유입되는 유입구 및 유입된 산소흡수용액 및 희석액이 배출되는 배출구를 갖고, 산소조절 모듈(300) 역시 정량펌프에 연결되어 산소흡수용액 및 희석액이 연속으로 공급되어 흐르게 한다.A low-oxygen condition is provided to the chip module 100 while the oxygen absorbing solution and the diluent flow toward the gas permeable membrane 112. It has an outlet through which the oxygen absorbing solution and the diluted solution are discharged, and the oxygen control module 300 is also connected to the metering pump so that the oxygen absorbing solution and the diluted solution are continuously supplied and flowed.

한편, 상기 산소조절 모듈(300)은 산소흡수용액 및 희석액이 각각 주입되는 제2채널(310)이 마련되고, 상기 제2채널(310)은 산소흡수용액과 희석액을 혼합시켜 각각 공급하는 하나 이상의 제2통로(311)가 마련된 것을 더 포함한다.On the other hand, the oxygen control module 300 is provided with a second channel 310 into which the oxygen absorbing solution and the diluent are respectively injected, and the second channel 310 mixes the oxygen absorbing solution and the diluent and supplies one or more of them. It further includes that the second passage 311 is provided.

제2채널(310)은 산소흡수용액 및 희석액이 유입되는 유입구가 각각 마련되고, 유입된 산소흡수용액 및 희석액이 배출되는 배출구를 갖으며, 제2채널(310)의 유입구와 배출구 사이로 하나 이상의 제2통로(311)가 서로 연결되어 마련된다.The second channel 310 has an inlet through which the oxygen absorbing solution and the diluent are introduced, an outlet through which the oxygen absorbing solution and the dilution solution are discharged, and one or more channels are provided between the inlet and the outlet of the second channel 310. Two passages 311 are provided connected to each other.

이때, 제2채널(310)에는 칩 모듈(100)이 안착되어 기체 투과성 막(112)에 산소흡수용액 및 희석액이 흐르도록 하는 제2챔버(312)가 형성되며, 제2챔버(312)는 칩 모듈(100)이 조립되는 측에 연결되어 있다.At this time, the chip module 100 is seated in the second channel 310 to form a second chamber 312 through which the oxygen absorbing solution and the diluent flow through the gas permeable membrane 112, and the second chamber 312 It is connected to the side where the chip module 100 is assembled.

하나 이상의 제2통로(311)는 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)에서 배양되는 인체장기 모사 세포에 대응하여 산소흡수용액 및 희석액을 각각 다르게 공급하기 위한 것이며, 하나 이상의 제2통로(311)는 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)의 위치에 대응하여 하나 이상 형성된 제2챔버(312)에 각각 연결되고, 하나 이상의 제2통로(311)가 상호 연결되면서 모든 제2통로(311)에 산소흡수용액 및 희석액이 혼합되어 흐르게 된다.The one or more second passages 311 pass the oxygen absorbing solution and dilution solution differently in response to human organ-like cells cultured in the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c. The one or more second passages 311 correspond to the positions of the first long-term chip 110a, the second long-term chip 110b, and the third long-term chip 110c. ), and while one or more second passages 311 are connected to each other, the oxygen absorbing solution and the diluent are mixed and flowed through all the second passages 311.

이때, 제2통로(311)에는 산소흡수용액이 유입되는 유입구 및 희석액이 유입되는 유입구가 각각 마련되어 이들 산소흡수용액 및 희석액을 하나 이상의 제2통로(311)에 전반적으로 공급되게 한다.At this time, the second passage 311 is provided with an inlet through which the oxygen absorbing solution flows and an inlet through which the diluted solution flows, respectively, so that the oxygen absorbing solution and the diluted solution are generally supplied to one or more second passages 311.

여기서 상기 산소조절 모듈(300)은 산소흡수용액에 희석액이 희석되는 비율에 대응하여 산소 농도가 조절될 수 있으며, 산소조절 모듈(300)은 도 5의 측정 그래프와 같이 산소흡수용액을 100μl/min의 유량으로 10분 이상 흘려준 뒤 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c) 배출구의 산소농도를 측정하였으며, 그 결과 모사되는 인체장기에 대응하여 산소흡수용액에 희석액이 희석되는 비율을 결정하였다.Here, the oxygen control module 300 may adjust the oxygen concentration corresponding to the dilution rate of the dilution solution in the oxygen absorption solution, and the oxygen control module 300 controls the oxygen absorption solution at 100 μl/min as shown in the measurement graph of FIG. After flowing for more than 10 minutes at a flow rate of , the oxygen concentration at the outlets of the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c were measured. The dilution ratio of the diluent to the absorption solution was determined.

한편, 상기와 같은 측정값에 의해 상기 희석액은 모사되는 인체장기에 대응하여 희석액의 희석 비율을 서로 다르게 희석할 수 있으며, 산소흡수용액의 희석 비율은 제1장기칩(110a)은 10%의 비율, 제2장기칩(110b)은 60%의 비율, 제3장기칩(110c)은 40%의 비율로 서로 다르게 산소흡수용액에 희석액이 희석되어 흐르도록 한다.Meanwhile, the dilution solution can be diluted differently according to the human organ to be simulated according to the measurement value as described above, and the dilution rate of the oxygen absorption solution is 10% for the first organ chip 110a. , The second organ chip 110b has a ratio of 60%, and the third organ chip 110c has a ratio of 40%.

여기서 산소흡수용액은 질산코발트 0.5g, 아황산나트륨 25μl, DW 50ml의 혼합액을 사용하고, 희석액은 DW를 사용할 수 있다.Here, the oxygen absorbing solution uses a mixture of 0.5 g of cobalt nitrate, 25 μl of sodium sulfite, and 50 ml of DW, and DW can be used as the diluted solution.

그리고, 상기 모듈 포트층(400)은;And, the module port layer 400;

상기 산소조절 모듈(300)의 상면에 적층되며, 상기 칩 모듈(100) 및 유량조절 모듈(200)을 각각 탈착 가능하게 조립되게 하는 것으로, 모듈 포트층(400)은 칩 모듈(100)의 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c) 및 유량조절 모듈(200)의 제1유량조절 모듈(210a), 제2유량조절 모듈(210b)이 각각 탈착 가능하게 조립되어 모듈화 구조의 미세유체칩(1)을 제공하게 한다.It is laminated on the upper surface of the oxygen control module 300 and allows the chip module 100 and the flow control module 200 to be detachably assembled, respectively, and the module port layer 400 is the first part of the chip module 100. The 1 long-term chip 110a, the 2nd long-term chip 110b, the 3rd long-term chip 110c, and the first flow control module 210a and the second flow control module 210b of the flow control module 200 are attached and detached, respectively. Possibly assembled to provide a microfluidic chip (1) of modular structure.

한편, 상기 모듈 포트층(400)은 산소조절 모듈(300)의 상면에 적층되는 하판(410); 및 상기 하판(410)의 상면에 적층되는 상판(420);을 더 포함한다.On the other hand, the module port layer 400 is a lower plate 410 laminated on the upper surface of the oxygen control module 300; and an upper plate 420 stacked on an upper surface of the lower plate 410.

하판(410)은, 산소조절 모듈(300)의 상면에 적층되어 산소조절 모듈(300)의 제2채널(310)을 덮으면서 유로를 형성되게 하며, 칩 모듈(100)이 조립되는 측으로 개구되는 통홀(411)이 형성되고, 통홀(411)은 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)이 조립되는 위치에 대응된다.The lower plate 410 is stacked on the upper surface of the oxygen control module 300 to form a flow path while covering the second channel 310 of the oxygen control module 300, and is opened to the side where the chip module 100 is assembled. A through hole 411 is formed, and the through hole 411 corresponds to a position where the first long-term chip 110a, the second long-term chip 110b, and the third long-term chip 110c are assembled.

상판(420)은, 하판(410)의 상면에 적층되는데, 상판(420)의 양측으로 유량조절 모듈(200)의 제1유량조절 모듈(210a) 및 제2유량조절 모듈(210b)이 각각 조립되는 제1포트홀(421)이 형성되고, 양측의 제1포트홀(421) 사이로 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)이 각각 조립되는 하나 이상의 제2포트홀(422)이 형성된다.The upper plate 420 is stacked on the upper surface of the lower plate 410, and the first flow control module 210a and the second flow control module 210b of the flow control module 200 are assembled on both sides of the upper plate 420, respectively. A first porthole 421 is formed, and the first long-term chip 110a, the second long-term chip 110b, and the third long-term chip 110c are assembled between the first portholes 421 on both sides, respectively. 2 portholes 422 are formed.

이 경우 상판(420)은 제1포트홀(421) 및 제2포트홀(422)을 통해 칩 모듈(100) 및 유량조절 모듈(200)이 각각 탈착 구조로 조립되게 하며, 이를 통해 모듈 구조를 제공한다.In this case, the top plate 420 allows the chip module 100 and the flow control module 200 to be assembled in a detachable structure through the first porthole 421 and the second porthole 422, thereby providing a module structure. .

이때, 제2포트홀(422)은 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)에 각각 마련된 제1경사부(113)에 대응하여 모듈 포트층(400)에 상향 확장되는 형태의 제2경사부(423)가 형성되며, 제2경사부(423)는 제1경사부(113)가 맞닿아 끼워지는 면이다.At this time, the second port hole 422 corresponds to the first inclined portion 113 provided on the first long-term chip 110a, the second long-term chip 110b, and the third long-term chip 110c, respectively, so that the module port layer 400 ) is formed with a second inclined portion 423 extending upwardly, and the second inclined portion 423 is a surface on which the first inclined portion 113 abuts and is fitted.

예컨대 전술한 구조에 따른 본 발명은 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)에 대응하여 산소흡수용액과 희석액의 비율이 결정되어 산소 농도를 조절할 수 있어 각 장기칩에 대응하여 산소 농도를 각각 조절하면서 산소 농도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.For example, in the present invention according to the above structure, the oxygen concentration can be adjusted by determining the ratio of the oxygen absorbing solution and the dilution solution corresponding to the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c. It is possible to keep the oxygen concentration constant while adjusting the oxygen concentration in response to each organ chip.

또한, 본 발명은 제1장기칩(110a), 제2장기칩(110b), 제3장기칩(110c)에 대응하여 세포배양액의 공급을 위한 하나 이상의 제2통로(311) 형태가 서로 다르게 형성됨에 따라 각 해당 장기칩에 따라 세포배양액의 유량 및 세포에 가해지는 전단응력을 서로 다르게 각각 조절할 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, the shape of one or more second passages 311 for supplying the cell culture medium is formed differently in correspondence to the first organ chip 110a, the second organ chip 110b, and the third organ chip 110c. Accordingly, the flow rate of the cell culture medium and the shear stress applied to the cells can be differently adjusted according to each corresponding organ chip.

또한, 본 발명은 유량조절 모듈(200) 및 칩 모듈(100)이 모듈 포트층(400)에 선택적 조합되어 결합되는 모듈 구조를 갖음으로 배양조건이 다른 인체장기들을 하나의 미세유체칩에서 간편하게 배양할 수 있게 된다.In addition, the present invention has a module structure in which the flow control module 200 and the chip module 100 are selectively combined and coupled to the module port layer 400, so that human organs under different culture conditions can be easily cultured on one microfluidic chip. You can do it.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 특정의 바람직한 실시 예를 예시한 설명과 도면으로 표현하였으나, 여기서 사용하는 용어들은 본 발명을 용이하게 설명하기 위함이며, 이 용어들에 대한 의미 한정이나, 특허청구범위에 기재된 범위를 제한하기 위함이 아니며,As described above, the present invention has been expressed in the description and drawings illustrating specific preferred embodiments, but the terms used herein are for easily describing the present invention, and the meaning of these terms is limited, but the claims It is not intended to limit the scope described in

본 발명은 상기한 실시 예에 따른 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경 및 개조, 수정 등이 가능할 수 있음을 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.The present invention can be variously changed, modified, modified, etc. by those skilled in the art to which the present invention pertains within the scope without departing from the spirit and scope of the invention indicated by the claims according to the above embodiments. Anyone can easily see that it is possible.

1; 미세유체칩 100; 칩 모듈
110a,110b,110b; 제1장기칩, 제2장기칩, 제3장기칩
111; 제1챔버 112; 기체 투과성 막
113; 제1경사부 200; 유량조절 모듈
210a,210b; 제1유량조절 모듈, 제2유량조절 모듈
211; 제1채널 211a; 제2통로
300; 산소조절 모듈 310; 제2채널
311; 제2통로 312; 제2챔버
400; 모듈 포트 410; 하판
420; 상판 411; 통홀
421; 제1포트홀 422; 제2포트홀
423; 제2경사부
One; microfluidic chip 100; chip module
110a, 110b, 110b; 1st long-term chip, 2nd long-term chip, 3rd long-term chip
111; first chamber 112; gas permeable membrane
113; a first inclined portion 200; Flow control module
210a, 210b; The first flow control module and the second flow control module
211; first channel 211a; 2nd aisle
300; oxygen control module 310; 2nd channel
311; second passage 312; 2nd chamber
400; module port 410; lower plate
420; top plate 411; through hole
421; a first port hole 422; 2nd porthole
423; 2nd slope

Claims (11)

세포배양액에 의해 세포가 배양되며, 바닥면에 기체 투과성 막이 형성된 칩 모듈과;
상기 칩 모듈에 세포배양액이 흐르도록 하는 유량조절 모듈과;
상기 기체 투과성 막 측으로 산소흡수용액 및 희석액을 흐르게 하면서 상기 칩 모듈에 저산소 조건을 제공하는 산소조절 모듈; 및
상기 산소조절 모듈의 상면에 적층되며, 상기 칩 모듈 및 유량조절 모듈을 각각 탈착 가능하게 조립되게 하는 모듈 포트층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
a chip module in which cells are cultured by a cell culture medium and a gas permeable membrane is formed on a bottom surface;
a flow control module for allowing the cell culture medium to flow through the chip module;
an oxygen control module providing a hypoxic condition to the chip module while flowing an oxygen absorbing solution and a diluting solution toward the gas permeable membrane; and
A modular microfluidic chip capable of adjusting the flow rate and oxygen concentration, characterized in that it is configured to include; a module port layer that is laminated on the upper surface of the oxygen control module and allows the chip module and the flow control module to be detachably assembled, respectively. .
제1항에 있어서,
상기 칩 모듈은 인체장기를 모사하는 제1장기칩, 제2장기칩, 제3장기칩으로 구성된 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 1,
The chip module further includes a first organ chip, a second organ chip, and a third organ chip simulating a human organ, and a modular microfluidic chip capable of controlling flow rate and oxygen concentration.
제2항에 있어서,
상기 제1장기칩, 제2장기칩, 제3장기칩은 세포가 배양되는 제1챔버가 각각 마련되고, 상기 제1장기칩, 제2장기칩, 제3장기칩의 제1챔버는 모사되는 인체장기에 대응하여 서로 다른 크기로 이루어진 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 2,
The first organ chip, the second organ chip, and the third organ chip are each provided with a first chamber in which cells are cultured, and the first chamber of the first organ chip, the second organ chip, and the third organ chip are copied. A modular microfluidic chip capable of controlling the flow rate and oxygen concentration, further including those of different sizes corresponding to human organs.
제2항에 있어서,
상기 제1장기칩, 제2장기칩, 제3장기칩은 둘레면이 하향 축소되는 형태의 제1경사부를 갖고, 상기 제1경사부에 대응하여 모듈 포트층에 상향 확장되는 형태의 제2경사부가 형성된 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 2,
The first long-term chip, the second long-term chip, and the third long-term chip have a first inclined portion having a downwardly contracted circumferential surface, and a second inclined portion extending upward to the module port layer corresponding to the first inclined portion. A modular microfluidic chip capable of controlling the flow rate and oxygen concentration, further including a portion formed thereon.
제1항에 있어서,
상기 유량조절 모듈은 세포배양액이 주입되는 제1유량조절 모듈; 및 칩 모듈을 통과한 세포배양액을 배출시키는 제2유량조절 모듈;을 갖는 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 1,
The flow control module includes a first flow control module into which the cell culture medium is injected; And a second flow rate control module for discharging the cell culture fluid that has passed through the chip module.
제5항에 있어서,
상기 제1유량조절 모듈 및 제2유량조절 모듈은 세포배양액이 흐르는 제1채널이 마련되고, 상기 제1채널은 칩 모듈을 구성하는 제1장기칩, 제2장기칩, 제3장기칩에 세포배양액을 각각 공급하는 하나 이상의 제1통로가 마련되며, 상기 하나 이상의 제1통로는 모사되는 인체장기에 대응하여 서로 다른 크기로 이루어진 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 5,
The first flow control module and the second flow control module are provided with a first channel through which the cell culture medium flows, and the first channel is provided with cells in the first organ chip, the second organ chip, and the third organ chip constituting the chip module. One or more first passages for supplying the culture medium are provided, and the one or more first passages have different sizes corresponding to the human organs to be simulated. A modular microfluidic chip capable of adjusting the flow rate and oxygen concentration.
제1항에 있어서,
상기 산소조절 모듈은 산소흡수용액에 희석액이 희석되는 비율에 대응하여 산소 농도가 조절되는 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 1,
The oxygen control module is a modular microfluidic chip capable of adjusting the flow rate and oxygen concentration, further including adjusting the oxygen concentration in response to the dilution rate of the diluent in the oxygen absorbing solution.
제1항에 있어서,
상기 희석액은 칩 모듈을 구성하는 제1장기칩, 제2장기칩, 제3장기칩에서 모사되는 인체장기에 대응하여 희석액의 희석 비율이 서로 다르게 희석되는 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 1,
The diluted solution is capable of adjusting the flow rate and oxygen concentration, further including dilution at different dilution ratios corresponding to the human organs simulated by the first organ chip, the second organ chip, and the third organ chip constituting the chip module. Modular microfluidic chip.
제1항에 있어서,
상기 산소흡수용액은 질산코발트 0.5g, 아황산나트륨 25μl, DW 50ml의 혼합액을 사용하는 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 1,
The oxygen absorbing solution is a modular microfluidic chip capable of adjusting the flow rate and oxygen concentration, further including using a mixed solution of 0.5 g of cobalt nitrate, 25 μl of sodium sulfite, and 50 ml of DW.
제1항에 있어서,
상기 산소조절 모듈은 산소흡수용액 및 희석액이 각각 주입되는 제2채널이 마련되고, 상기 제2채널은 산소흡수용액과 희석액을 혼합시켜 각각 공급하는 하나 이상의 제2통로가 마련된 것을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 1,
The oxygen control module is provided with a second channel through which an oxygen absorbing solution and a diluent are respectively injected, and the second channel is provided with one or more second passages for mixing and supplying the oxygen absorbing solution and the diluent, respectively. Modular microfluidic chip with controllable concentration.
제1항에 있어서,
상기 모듈 포트층은 유량조절 모듈이 조립되는 제1포트홀 및 칩 모듈이 조립되는 제2포트홀을 더 포함한 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩.
According to claim 1,
The module port layer further includes a first porthole into which the flow control module is assembled and a second porthole through which the chip module is assembled. Modular microfluidic chip capable of controlling the flow rate and oxygen concentration.
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