WO2024085682A1 - 바이오리액터 시스템 - Google Patents

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WO2024085682A1
WO2024085682A1 PCT/KR2023/016259 KR2023016259W WO2024085682A1 WO 2024085682 A1 WO2024085682 A1 WO 2024085682A1 KR 2023016259 W KR2023016259 W KR 2023016259W WO 2024085682 A1 WO2024085682 A1 WO 2024085682A1
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gas
space
supply unit
main body
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PCT/KR2023/016259
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English (en)
French (fr)
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구송희
이수연
박희성
노형탁
김지영
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Amogreentech Co Ltd
Original Assignee
Amogreentech Co Ltd
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M3/00—Tissue, human, animal or plant cell, or virus culture apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M37/00—Means for sterilizing, maintaining sterile conditions or avoiding chemical or biological contamination
    • C12M37/02—Filters

Definitions

  • the present invention relates to bioreactor systems.
  • Bioprocess refers to the process of producing a desired treatment using living cells in the bio field.
  • Antibodies, stem cells, and immune cells are produced through cell culture, and these are used to produce biopharmaceuticals, vaccines, and cell therapies.
  • exosomes are substances that exchange signals between cells and are naturally secreted from cells during the process of cell proliferation/culture. Since these exosomes contain various information such as proteins and DNA of parent cells, they are being developed as biomarkers or therapeutic agents by utilizing them.
  • cells are classified according to their adhesion ability into adherent cells, which must adhere to the surface substrate, and floating cells, which proliferate without attachment to the surface of the substrate.
  • adherent cells are cultured while attached to the support that serves as the surface substrate, but floating cells are not cultured while attached to the support, but rather attach to the surface of the support, fall off, and attach to the surface of the support again and then fall off. It grows by receiving signals by repeating the process of -contact-floating.
  • a bioreactor is used to culture these cells or obtain exosomes naturally secreted from the cells.
  • the internal environment in which the cells are placed in the bioreactor must be maintained in an appropriate environment so that the cells can be cultured/proliferated smoothly. exosomes can be secreted.
  • the medium that supplies nutrients when cultivating cells in a bioreactor must maintain a certain PH state suitable for cell growth, and exosomes are also released from cells in greater amounts when conditions are similar to those in which cells are cultured/proliferated. may be secreted.
  • a method is used to grow cells smoothly and promote secretion of exosomes by continuously supplying appropriate gases to the medium or buffer solution during cell culture/proliferation.
  • the present invention was developed in consideration of the above points, and its purpose is to provide a bioreactor system that can smoothly supply gas to the solution while suppressing the generation of bubbles during gas supply.
  • Another object of the present invention is to provide a bioreactor system that can easily change the oxygen concentration of the supply gas.
  • the present invention includes a reactor unit for culturing/proliferating cells or secreting exosomes from the cells; a solution supply unit that stores a certain amount of solution supplied to the reactor unit; A circulation pump that is interconnected with the reactor unit and the solution supply unit through a tube and circulates the solution stored in the solution supply unit; and a main body having a gas storage space filled with gas supplied from the outside, and a gas supply unit installed in the solution supply unit to supply gas from the gas storage space to the solution stored in the solution supply unit.
  • the main body provides a bioreactor system arranged to be submerged in the solution filled in the solution supply unit so that the gas stored in the gas storage space can move to the solution and dissolve.
  • the gas supply unit includes a main body having a gas storage space filled with gas supplied from the outside, an opening formed in the main body to communicate with the gas storage space, and a plate shape surrounding the main body to cover the opening. It may include a porous member, a gas inlet provided in the main body to allow gas to flow into the gas storage space, and a gas outlet provided in the main body to allow gas in the gas storage space to be discharged to the outside.
  • the porous member may be provided with a hydrophobic membrane to block the solution stored in the solution supply unit from moving into the gas storage space while allowing the gas to move from the gas storage space to the solution side through the opening. there is.
  • the bioreactor system may further include a sterilization filter connected to the gas inlet.
  • the gas supply unit may include a plurality of openings spaced apart along the circumferential direction of the main body, and the openings may be formed in the main body to have a predetermined area.
  • the bioreactor system includes a first holder for supporting the solution supply unit, a second holder disposed at a predetermined distance from the first holder and for supporting the reactor unit, and the first holder and the second holder. It may further include a frame portion that interconnects and includes a support plate on which the circulation pump is mounted.
  • the reactor unit includes a box-shaped reactor housing having an accommodating space, a plurality of supports arranged in parallel at a distance from each other in the accommodating space with one side facing each other, and provided in a plate shape with a predetermined area, and the circulation pump. It may include an inlet provided in the reactor housing to allow the solution circulating through to flow into the receiving space, and an outlet provided in the reactor housing to discharge the medium in the receiving space to the solution supply unit.
  • the reactor unit may include a plurality of supports arranged in parallel with one side facing each other at intervals, and each of the plurality of supports includes a plate-shaped nanofiber membrane coated with a protein motif, and the nanofiber membrane It may include a support member attached to one surface of the nanofiber membrane via an adhesive layer to support the.
  • the solution supply unit includes a supply housing in the shape of a box having an internal space in which a certain amount of the solution is stored, a discharge port provided in the supply housing to supply the solution stored in the internal space to the reactor unit, and a discharge port provided in the supply housing to supply the solution stored in the internal space to the reactor unit. It may include a recovery port provided in the supply housing to recover the solution into the internal space, and the main body may be arranged to be submerged in the solution filled in the internal space.
  • the internal space may include a first space and a second space that are divided and communicate with each other through a partition member extending at a certain height from the bottom surface of the supply housing, and the recovery port is in communication with the first space. It may be provided in the supply housing, and the discharge port may be provided in the supply housing to communicate with the second space.
  • the main body may be arranged to be submerged in the solution filled in the first space.
  • the gas may be a mixed gas with an oxygen concentration of 2 to 14%.
  • the solution may be a medium or buffer solution.
  • gas with bubbles removed can be supplied to the medium or buffer solution through the gas supply unit.
  • the oxygen concentration of the gas supplied through the gas supply unit can be easily adjusted, making it possible to culture cells or produce exosomes in an environment similar to the human body.
  • the entire system can be implemented in a portable form, it is possible to culture/proliferate cells or obtain exosomes secreted from cells in various places without location restrictions.
  • FIG. 1 is a diagram showing a bioreactor system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a diagram showing a reactor unit that can be applied to a bioreactor system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an exploded view of Figure 2;
  • Figure 4 is a cross-sectional view taken along line A-A of Figure 2;
  • Figure 5 is an exploded view of the support assembly of Figure 3;
  • Figure 6 is a cross-sectional view showing the detailed configuration of a support that can be applied to a bioreactor system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a diagram showing a solution supply unit that can be applied to a bioreactor system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is an exploded view of Figure 7;
  • Figure 9 is a cross-sectional view taken along line B-B of Figure 7;
  • Figure 10 is a diagram showing a gas supply unit that can be applied to a bioreactor system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 11 is a view showing the state in which the porous member in Figure 10 is separated;
  • Figure 12 is a cross-sectional view in the direction C-C of Figure 10.
  • Figure 13 is a diagram showing another type of gas supply unit that can be applied to a bioreactor system according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of supports 116 and 116' are disposed together with a certain amount of solution in the receiving space S1 of the reactor unit 110, and the solution and the plurality of supports are disposed. (116,116') can be used to culture/proliferate cells or obtain exosomes naturally secreted from cells.
  • the exosome (e) is a substance that exchanges signals between cells and may be an endoplasmic reticulum with a size of 30 nm to 200 nm or less.
  • the solution filled in the receiving space (S1) may be a medium containing nutrients necessary for cell culture/proliferation, or it may be a buffer solution that does not react with cells or exosomes.
  • the buffer solution may be mixed with exosomes and may be a solution that protects the cells or exosomes.
  • the buffer solution may be known PBS (Phosphate-Buffered Saline).
  • the medium may further include magnetic particles coated with a peptide motif.
  • the bioreactor system 100 when the receiving space S1 is filled with a certain amount of medium, the bioreactor system 100 according to an embodiment of the present invention can culture/proliferate cells using nutrients supplied from the medium.
  • the bioreactor system 100 acquires exosomes secreted from cells attached to the supports (116, 116'). You can.
  • the cells may be adherent cells attached to the supports 116 and 116' constituting the support assembly P.
  • the bioreactor system 100 is implemented as a solution circulation system that circulates the solution filled in the receiving space (S1), and can supply gas to the circulated solution.
  • the bioreactor system 100 allows the cells to be smoothly cultured/proliferated or secrete exosomes in the reactor unit 110 while reusing the circulating solution.
  • the gas supplied to the solution may be supplied to the solution (L) with bubbles removed.
  • the gas may be carbon dioxide, but is not limited to this and may be appropriately changed depending on the type of cell.
  • the gas may be a mixed gas containing carbon dioxide, oxygen, etc.
  • the gas when the gas contains oxygen, the gas may be a mixed gas with an oxygen concentration of 2 to 14%.
  • the solution can be maintained in a state suitable for culturing or survival of cells through the supply of the gas even if it is reused through circulation.
  • the solution can be maintained at an appropriate pH required for cell culture through the dissolution of gas.
  • the bioreactor system 100 when the gas supplied to the solution is a mixed gas with an oxygen concentration of 2 to 14%, the bioreactor system 100 according to an embodiment of the present invention creates a hypoxic environment similar to the human body inside the reactor unit 110. Therefore, cells or exosomes obtained through the bioreactor system 100 according to an embodiment of the present invention may be in a state similar to human cells or exosomes.
  • the bioreactor system 100 includes a reactor unit 110, a solution supply unit 120, a circulation pump 130, and a gas supply unit 140 and 140' as shown in FIG. 1. Includes.
  • the reactor unit 110 can culture/proliferate cells or allow exosomes to be secreted from the cells while a certain amount of solution (L) is filled therein.
  • the reactor unit 110 may include a plurality of supports 116 and 116' disposed therein, and the plurality of supports 116 and 116' may enable cell culture or proliferation and secretion of exosomes. there is.
  • the reactor unit 110 may include a receiving space (S1) that accommodates the solution (L) and a plurality of supports (116, 116') to which adherent cells are attached, supplied from the solution supply unit (120). It may include an inlet 114 for introducing the solution into the receiving space (S1) and an outlet 115 for discharging the solution in the receiving space (S1) to the outside.
  • the inlet 114 in the reactor unit 110 may be connected to a circulation pump 130 connected to the solution supply unit 120 via a connection line 151, and the outlet 115 may be connected to the circulation pump 130. It may be connected to the solution supply unit 120 via a line 152.
  • the solution moving from the solution supply unit 120 to the receiving space (S1) through the inlet 114 passes through the space formed between the supports (116, 116') disposed in the receiving space (S1). Afterwards, it can be returned to the solution supply unit 120 through the outlet 115.
  • cells to be cultured or cells for secreting exosomes may be attached to the sides of the plurality of supports (116, 116'), and the cells attached to the supports (116, 116') may contain a medium containing the solution filled in the receiving space (S1). In this case, nutrients can be supplied from the medium.
  • the cells attached to the plurality of supports 116 and 116' can be smoothly cultured/proliferated through nutrients supplied from the solution or secrete exosomes toward the solution filled in the receiving space (S1).
  • the plurality of supports (116, 116') may be provided in a plate shape with a predetermined area, and the plurality of support bodies (116, 116') formed in a plate shape are spaced apart from each other with one side facing each other in the receiving space (S1). Can be arranged in parallel.
  • the bioreactor system 100 can increase the degree of integration of the supports 116 and 116' disposed in the receiving space S1, thereby producing a large amount of cells through a single culture process. Since it can be cultured/proliferated and the total number of cells attached to the plurality of supports 116, 116' can be increased, the amount of exosomes secreted from the cells can be increased.
  • a plurality of supports 116 and 116' can be arranged in parallel to each other in one reactor section 110, so that the The overall size can be reduced.
  • the supports 116 and 116' can be made of a variety of known materials without limitation as long as they can be implemented in a plate-like shape and to which cells can easily attach.
  • the supports 116 and 116' may include a nanofiber membrane 116a in which nanofibers are formed into a three-dimensional network structure through electrospinning.
  • the support 116 is a support attached to one surface of the nanofiber membrane 116a through an adhesive layer 116b along with the nanofiber membrane 116a, as shown in (a) of FIG. 6. It may be a three-layer structure including a member 116c.
  • the support member 116c may be a plate-shaped film member and may support one side of the nanofiber membrane 116a. Through this, even if the nanofiber membrane 116a is formed in a flexible plate shape, it can be supported through the support member 116c, thereby preventing bending or sagging. Accordingly, the support 116 disposed in the receiving space S1 of the reactor unit 110 can be maintained in an unfolded state.
  • the structure of the support 116 is not limited to this, and the support 116' is formed by attaching the nanofiber membrane 116a to the adhesive layer 116b as shown in (b) of FIG. 5. It may be a five-layer structure each attached to both sides of the support member 116c.
  • the supports 116 and 116' may have surfaces modified so that cells can smoothly attach to them. That is, the nanofiber membrane 116a may be a membrane whose surface is coated with a motif. Accordingly, cells can be smoothly attached to the surfaces of the supports 116 and 116'.
  • Such a reactor unit 110 may include a reactor housing 111 and the above-described supports 116 and 116' as shown in FIGS. 2 to 4, and the reactor housing 111 has an inlet (as described above). 114) and an outlet 115.
  • the reactor housing 111 can accommodate a certain amount of solution and a plurality of supports 116 and 116' therein as described above.
  • the reactor housing 111 may be formed in a box shape with an accommodation space (S1).
  • the reactor housing 111 may include a housing body 112 in the shape of a box having a receiving space (S1) with an open top, and the inlet 114 and the outlet. (115) may be formed on one side of the housing body 112, and the receiving space (S1) with an open top may be sealed through a cover member 113 coupled to the housing body 112.
  • the solution supplied from the solution supply unit 120 to the reactor unit 110 can fill the receiving space (S1) through the inlet 114, and the solution filled in the receiving space (S1) is It can be discharged to the outside through the outlet 115.
  • the plurality of supports 116 and 116' disposed in the receiving space S1 may be configured in an assembly form to increase the degree of integration and improve assembly.
  • the reactor unit 110 may include a support assembly (P) inserted into the receiving space (S1) as shown in FIGS. 3 and 4, and the support assembly (P) includes a plurality of The supports 116 and 116' may be integrated and spaced apart from each other at a certain distance.
  • the support assembly (P) may be configured as a stacked structure in which a plurality of supports (116, 116') are arranged in parallel and spaced apart along the height direction of the housing body (112).
  • the support assembly (P) may include a plurality of fastening bars 117 having a predetermined length and a plurality of spaced members 118 formed in a ring shape, as shown in FIG. 5, and the plurality of The supports 116 and 116' may be respectively inserted into the fastening bar 117.
  • the plurality of fastening bars 117 may be spaced apart from each other at a predetermined distance, and the plurality of fastening bars 117 may be formed into a plate-shaped upper plate 119a and a lower plate (119a) at both ends having a predetermined area. 119b) can be respectively fixed.
  • the plurality of fastening bars 117 both ends of which are respectively fixed to the upper plate 119a and the lower plate 119b, can be maintained at a distance from each other, and the plurality of supports 116 and 116' are connected to the upper plate 119a and the lower plate 119b. They may be arranged parallel to each other between the (119a) and the lower plate (119b), and the plurality of supports (116, 116') have a plurality of through holes (116d) formed through them at positions corresponding to the plurality of fastening bars (117). ) can be fastened to the fastening bar 117.
  • the plurality of spacing members 118 can be respectively inserted into the plurality of fastening bars 117 like the supports 116 and 116', and the plurality of spacing members 118 and the plurality of supports 116 and 116' ) can be alternately fastened to each fastening bar 117.
  • the spacing member 118 can be respectively disposed between two supports 116 and 116' arranged in parallel to each other, and the two supports 116 and 116' disposed at the upper and lower portions are positioned between the spacing members 118. Through this, the distance between each other can be maintained.
  • the support assembly P is not limited to this, and various known methods can be applied as long as the plurality of supports 116 and 116' can be arranged parallel to each other in one direction and maintained at a certain distance from each other.
  • the solution supply unit 120 may serve to supply a solution to the reactor unit 110, and as described above, the solution stored inside the solution supply unit 120 is supplied to the reactor unit through the circulation pump 130. After being supplied to 110, it can be recovered from the reactor unit 110 to the solution supply unit 120.
  • the solution supply unit 120 may include a supply housing 121 in the shape of a box having an internal space (S2) for storing a certain amount of the solution, as shown in FIGS. 7 to 9, and the supply
  • the housing 121 may include an outlet 125 and a recovery port 124 so that the solution stored therein can be circulated through the operation of the circulation pump 130, supplied to the reactor unit 110, and then recovered. You can.
  • the discharge port 125 may serve as a supply port for supplying the solution stored in the internal space (S2) to the reactor unit 110
  • the recovery port 124 may serve as a supply port for supplying the solution stored in the internal space (S2) to the reactor unit 110. It may serve as an inlet port to recover the solution from the internal space (S2).
  • the internal space S2 may be formed to have an open top.
  • the supply housing 121 may further include a housing body 122 in the shape of a box having the inner space S2 and a lid member 123 covering the open upper part of the inner space S2. there is.
  • the discharge port 125 may be connected to the inlet 114 of the reactor unit 110 via the connection line 151, and the recovery port 124 may be connected to the connection line 152. It may be connected to the outlet 115 of the reactor unit 110 through a.
  • the solution stored in the internal space (S2) circulates through the receiving space (S1) of the reactor unit (110) and the internal space (S2) of the solution supply unit (120) through the operation of the circulation pump (130). can do.
  • the solution stored in the internal space (S2) can be moved from the internal space (S2) to the receiving space (S1) through the operation of the circulation pump (130) and then returned to the internal space (S2). there is.
  • the internal space (S2) may be divided into at least two spaces.
  • the supply housing 121 includes a plate-shaped partition member 126 extending at a certain height from the bottom surface of the housing main body 122 defining the internal space S2. It may include, and the partition member 126 may divide the internal space (S2) into a first space (S21) and a second space (S22).
  • the partition member 126 is connected to the bottom surface of the housing body 122 such that one end is connected to the inner surface of the housing main body 122 and the other end is spaced a predetermined distance from the other inner surface of the housing main body 122. It can be extended to a certain height from.
  • first space (S21) and the second space (S22) may be connected to each other through a communication passage (S23) formed at one end of the partition member 126.
  • the recovery port 124 may be provided in the housing body 122 to communicate with the first space (S21), and the discharge port 125 may be provided to communicate with the second space (S22). It may be provided in the housing body 122, and the recovery port 124 and the discharge port 125 may be provided in the housing body 122 so as to be located on the same surface of the housing body 122.
  • the solution moved from the receiving space (S1) of the reactor unit 110 and recovered into the internal space (S2) through the recovery port 124 is connected to the first space (S21) and the communication path (S23). And after passing through the second space (S22), it can move toward the receiving space (S1) through the discharge port (125).
  • the total movement distance of the solution moving from the recovery port 124 to the discharge port 125 in the internal space (S2) may be increased.
  • the bubbles contained in the solution move from the recovery port 124 to the discharge port 125. In the process, it may float due to buoyancy and be completely separated from the solution.
  • the solution supplied to the receiving space (S1) of the reactor unit 110 through the discharge port 125 can be maintained in the best condition with impurities such as bubbles removed.
  • the recovery port 124 may be provided in the housing body 122 to be located at a relatively higher position than the discharge port 125. That is, the discharge port 125 may be located relatively closer to the bottom surface of the housing body 122, which defines the bottom surface of the internal space S2, than the recovery port 124.
  • the medium flowing into the first space (S21) from the reactor unit 110 through the recovery port 124 passes through the discharge port 125 formed at a relatively lower position than the recovery port 124. It may be supplied back to the reactor unit 110.
  • the bubbles contained in the solution are the solution recovered to the internal space (S2) through the recovery port ( In the process of moving from 124) to the discharge port 125 formed at a relatively lower position than the recovery port 124, it moves upward due to buoyancy and can be completely separated from the solution.
  • the solution supplied to the receiving space (S1) of the reactor unit 110 through the discharge port 125 can be maintained in the best condition with impurities such as bubbles removed.
  • the bioreactor system 100 connects the reactor unit 110, the circulation pump 130, and the solution supply unit 120 to each other so that the solution stored in the solution supply unit 120 is By driving the circulation pump 130 to circulate the reactor unit 110 and the solution supply unit 120, a closed circulation system can be easily implemented.
  • the solution supply unit 120 may further include a vent port 127 provided in the supply housing 121.
  • a vent hole 127 may be formed in the supply housing 121 to communicate with the internal space S2.
  • This vent 127 may serve to discharge air existing in the internal space S2 to the outside.
  • the vent 127 may discharge bubbles separated from the solution in the internal space S2 to the outside as described above.
  • the gas supply units 140 and 140' may be installed on the solution supply unit 120, and supply gas for cell culture/proliferation or exosome secretion to the solution circulating through the reactor unit 110 and the solution supply unit 120. It can be placed in the internal space (S2) to supply.
  • the internal space (S2) even if the solution filled in the internal space (S2) is reused while circulating through the reactor unit 110 and the solution supply unit 120, the internal space (S2) )
  • the solution recovered can be maintained in a state suitable for cell culture or survival through the dissolution of the gas supplied from the gas supply units 140 and 140'.
  • the solution recovered from the receiving space (S1) of the reactor unit (110) to the internal space (S2) of the solution supply unit (120) through the operation of the circulation pump (130) is supplied from the gas supply units (140, 140').
  • the supplied gas may be changed to a state suitable for cell culture or survival through the dissolution and then re-supplied to the reactor unit 110.
  • the cells attached to the supports 116 and 116' are in a solution suitable for culture or survival. Because they can be continuously supplied, the cells attached to the supports 116 and 116' can be cultured and proliferated smoothly, and exosomes can be secreted smoothly.
  • the gas supplied from the internal space S2 to the solution through the gas supply units 140 and 140' may have bubbles removed, and even if the gas is supplied to the solution through the gas supply units 140 and 140', The generation of bubbles during the gas supply process can be prevented.
  • the gas supply units 140 and 140' may be disposed in the internal space S2 so that the gas can be more smoothly dissolved in the solution.
  • the main body 141 which will be described later, may be arranged to be submerged in the solution filled in the internal space S2.
  • the gas supply units 140 and 140' include a main body 141 having a gas storage space S3 filled with gas supplied from the outside, as shown in FIGS. 10 to 12, and the gas storage space S3. It may include an opening 142 formed in the main body 141 to communicate with, and a plate-shaped porous member 145 surrounding the main body 141 to cover the opening 142.
  • the gas supply units 140 and 140' have a gas inlet 143 provided in the main body 141 to allow gas to flow into the gas storage space S3, and the gas in the gas storage space S3 is discharged to the outside. It may further include a gas outlet 144 provided in the main body 141 so that it can be discharged.
  • the gas inlet 143 in the gas supply units 140 and 140' may be connected to an external gas supply source (not shown), and the gas supply source may be of a suitable type for cell culture or survival as described above. Gas can be supplied to the gas supply units 140 and 140'.
  • the gas supplied from the gas supply source may be carbon dioxide, but is not limited to this and may be appropriately changed depending on the type of cell.
  • the gas supplied from the gas supply source may be a mixed gas of carbon dioxide, oxygen, etc. It may be possible.
  • the gas from the gas supply source includes oxygen, the gas may be a mixed gas with an oxygen concentration of 2 to 14%.
  • the gas supplied from the gas supply source may flow into the gas storage space (S3) of the main body 141, and the gas flowing into the gas storage space (S3) may flow into the main body through the opening 142. After passing through the porous member 145 surrounding (141), it can move toward the solution filled in the internal space (S2).
  • the bioreactor system 100 allows the type and concentration of gas supplied from the gas supply source to the gas supply units 140 and 140' even if the internal space S2 is implemented as a closed space. By being able to easily change, the culture environment or survival environment of cells can be easily adjusted.
  • the opening 142 formed in the main body 141 may be provided to have a predetermined area, and the porous member 145 may be attached to the main body 141 to completely cover the opening 142. there is.
  • main body 141 may be arranged to be submerged in the solution filled in the internal space S2, as described above.
  • the gas stored in the gas storage space (S3) may have air bubbles removed while passing through the porous member 145 covering the opening 142, and be dispersed while passing through the porous member 145 having a predetermined area. It can move toward the solution over a large area.
  • the gas stored in the gas storage space (S3) has a large area corresponding to the area of the opening 142 in the internal space (S2) and the surface area of the porous member 145 in direct contact with the solution. It can move to the solution side through.
  • the bioreactor system 100 allows the gas supplied from the gas supply units 140 and 140' to be more smoothly dissolved in the solution filled in the internal space S2, and the gas is supplied from the gas supply units 140 and 140'. Even if gas is supplied to the solution from the supply units 140 and 140', the generation of bubbles during the gas supply process can be prevented.
  • the gas inlet 143 in the gas supply units 140 and 140' may serve as an inlet through which gas supplied from the gas supply source flows into the gas storage space S3, and the gas outlet 144 It may serve to regulate the internal pressure of the gas storage space (S3) by allowing the gas existing in the gas storage space (S3) to be discharged to the outside during the process of supplying gas to the gas storage space (S3). there is.
  • the internal pressure of the gas storage space (S3) can be adjusted through the gas outlet 144. It is possible to prevent bubbles from being generated due to excessive pressure while the gas stored in the gas storage space (S3) passes through the porous member 145.
  • the main body 141 may be formed as an octahedral hollow shape with an approximately hexagonal cross-section, as shown in FIGS. 10 and 11, and the gas storage space S3 is an area of the main body 141. It could be an internal space.
  • the opening 142 may be formed to penetrate each of the four sides forming the side out of the eight sides of the main body 141 to have a predetermined area, and the gas inlet 143 and the gas outlet 144 are One side of the main body 141, which forms the upper surface among the eight sides of the main body 141, may be provided to communicate with the gas storage space (S3).
  • the gas inlet 143 and the gas outlet 144 may be directly coupled to the supply housing 121 so that a portion of the length protrudes to the outside of the supply housing 121, but the gas inlet 143 And the gas outlet 144 may be connected to the supply housing 121 through separate connection pipes 153a and 153b.
  • the supply housing 121 may include two fittings 128a and 128b provided on the lid member 123, and the gas inlet 143 and the gas outlet 144 may be respectively connected to the fittings 128a and 128b through separate connectors 153a and 153b.
  • the gas supply units 140 and 140' can be disposed in the internal space S2 at a predetermined distance from the lid member 123 through the connection pipes 153a and 153b, and the main body 141 ) can be arranged to be submerged in the solution filled in the internal space (S2).
  • the main body 141 also has a gas storage space (S3) inside and includes an opening 142 formed with a predetermined area to communicate with the gas storage space (S3) formed inside, it can be used in various known shapes. can be changed.
  • the main body 141 in the gas supply unit 140' may be formed in a substantially hollow cylindrical shape, and the gas storage space S3 is an internal space of the main body 141. It can be.
  • the main body 141 may include two openings 142 formed to penetrate a portion of the entire circumferential surface, and two porous members 145 cover each of the two openings 142. It can be attached to the main body 141.
  • the openings 142 and the porous member 145 are shown as having a one-to-one correspondence, but the present invention is not limited thereto. If a plurality of openings 142 are provided, the plurality of openings are one porosity. All may be covered by a member, and the total number of openings 142 and the total number of porous members 145 may be changed as appropriate.
  • the porous member 145 covering the opening 142 in the gas supply unit 140, 140' allows the gas to move from the gas storage space S3 to the solution side through the opening 142. It may be provided to block the solution in the internal space (S2) from moving into the gas storage space (S3).
  • the porous member 145 can block foreign substances and liquids from passing through, while allowing gases such as carbon dioxide to pass through.
  • the porous member 145 may be a water-repellent nanofiber membrane.
  • the material of the porous member 145 is not limited to this, and any material that blocks solid and liquid fluids from passing through but allows gaseous fluids to pass through can be used without limitation.
  • the solution filled in the internal space S2 may not be contaminated by other foreign substances.
  • the solution filled in the internal space (S2) may be blocked from moving toward the gas storage space (S3) of the gas supply units (140, 140') through the porous member 145, the gas is separated from the gas supply source.
  • the direction of movement of the gas supplied to the storage space (S3) may always be limited to the solution side surrounding the outside of the main body 141 in the gas storage space (S3).
  • the flow direction of gas can be maintained constant between the gas storage space (S3) and the solution, from the gas storage space (S3). Even if the gas passes through the porous member 145, the possibility of bubbles occurring during movement through the porous member 145 can be fundamentally prevented.
  • the main body 141 is divided into the first space (S21) ) and may be arranged to be submerged in the solution filled in the first space (S21).
  • the main body 141 may be arranged in the solution supply unit 120 to be located close to the recovery port 124 that recovers the solution from the reactor unit 110.
  • the solution recovered from the receiving space (S1) of the reactor unit (110) to the first space (S21) through the recovery port (124) is stored in the main body (141) disposed in the first space (S21). ) and then re-supplied to the receiving space (S1) of the reactor unit 110 through the discharge port 125.
  • the gas supplied from the gas supply units 140 and 140' can be sufficiently dissolved in the solution.
  • the solution supplied to the receiving space (S1) of the reactor unit 110 through the discharge port 125 is changed to a state in which the gas supplied from the gas supply units 140 and 140' is sufficiently dissolved, and then the receiving space ( You can move to S1).
  • the bioreactor system 100 may further include a sterilization filter 160 connected to the gas inlet 143 in the gas supply units 140 and 140'.
  • the sterilizing filter 160 may be connected to fittings 128a and 128b provided in the supply housing 121.
  • the gas supplied from the gas supply source may be supplied to the gas supply units 140 and 140' after passing through the sterilizing filter 160.
  • sterilized gas can always flow into the gas storage space (S3), thereby preventing contamination of the solution filled in the internal space (S2) by bacteria or microorganisms.
  • the sterilizing filter 160 may be a known sterilizing syringe filter, but is not limited thereto. If the gas supplied from the gas supply source can be supplied to the gas supply units 140 and 140' in a sterilized state, various known sterilizing filters may be used. can be hired.
  • the bioreactor system 100 may further include a frame unit 150 for fixing or mounting the reactor unit 110, the solution supply unit 120, and the circulation pump 130. You can.
  • the bioreactor system 100 is one in which the reactor unit 110, the solution supply unit 120, and the circulation pump 130 are fixed or mounted on one side of the frame unit 150. It can be configured in the form of a module.
  • the bioreactor system 100 since the bioreactor system 100 according to an embodiment of the present invention can be implemented in a portable form, it can culture/proliferate cells or obtain exosomes secreted from cells in various places without location restrictions. can do.
  • the frame unit 150 may include a first holder 171, a second holder 172, and a support plate 173, as shown in FIG. 1.
  • first holder 171, the second holder 172, and the support plate 173 may each be a plate-shaped member with a predetermined area, and the second holder 172 may be the first holder 171. ), and the support plate 173 can connect the first holder 171 and the second holder 172.
  • first holder 171 and the second holder 172 can be maintained spaced apart from each other through the support plate 173.
  • the solution supply part 120 may be placed on one side of the first holder 171
  • the reactor part 110 may be placed on one side of the second holder 172
  • the circulation The pump 130 may be mounted on the support plate 173.
  • the reactor unit 110, the solution supply unit 120, and the circulation pump 130 may be mounted on the frame unit 150, respectively.
  • bioreactor system 100 can be implemented in a portable form as described above.
  • the bioreactor system 100 can be transported to various places regardless of location.
  • the various places may be places where cells attached to the supports 116 and 116' can be stably cultured or proliferated, or where exosomes can be smoothly secreted from the cells.
  • the various locations may be small-scale incubators provided in a laboratory or laboratory, and the small-scale incubator may be a space where the temperature is maintained constant.
  • the reactor unit 110, the circulation pump 130, and the solution supply unit 120 are connected to each other via connection lines 151 and 152, and the solution A closed circulation system can be implemented by allowing the medium stored in the supply unit 120 to circulate through the solution supply unit 120 and the reactor unit 110 through the circulation pump 130.
  • bioreactor system 100 cultivates cells or By being maintained in a state suitable for survival, the amount of solution used can be minimized and the production cost can be reduced.
  • the bioreactor system 100 includes the supply amount, supply cycle, and Supply time, etc. can be adjusted, and the control unit can control the overall operation in addition to driving the circulation pump 130.
  • the bioreactor system 100 enables stable cell culture by supplying gas with bubbles removed to the solution through the gas supply units 140 and 140', as well as exosomes.
  • the amount of secretion can be increased.
  • the bioreactor system 100 can easily control the oxygen concentration of the gas supplied through the gas supply units 140 and 140', thereby cultivating cells or exosomes in an environment similar to the human body. can be produced
  • bioreactor system 100 since the bioreactor system 100 according to an embodiment of the present invention can be implemented in a portable form so that the entire system can be carried, cells can be cultured/proliferated in various places without location restrictions, or exosomes secreted from cells can be used. can be obtained.
  • the cells for culturing/proliferating or secreting exosomes in the reactor unit 110 are adherent cells, but the present invention is not limited thereto, and the cells cultured in the reactor unit 110 are not limited thereto.
  • /Cells for proliferation or secretion of exosomes may be floating cells. In this case, the floating cells are not attached to the support but are suspended in a solution, attaching to the surface of the support, falling off, attaching to the surface of the support again, and then falling, repeating the process of contact-floating-contact-floating, thereby transmitting signals. It can be cultured/proliferated or secreted as exosomes.

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Abstract

바이오리액터 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템은 세포를 배양/증식하거나 상기 세포로부터 엑소좀을 분비하기 위한 리액터부; 상기 리액터부로 공급되는 용액이 일정량 저장되는 용액공급부; 상기 리액터부 및 용액공급부와 튜브를 매개로 상호 연결되어 상기 용액공급부에 저장된 용액을 순환시키는 순환펌프; 및 외부로부터 공급되는 기체가 채워지는 기체저장공간을 갖는 본체를 포함하고, 상기 기체저장공간으로부터 상기 용액공급부에 저장된 용액 측으로 기체를 공급할 수 있도록 상기 용액공급부에 설치되는 기체공급부;를 포함하고, 상기 본체는, 상기 기체저장공간에 저장된 기체가 상기 용액 측으로 이동하여 용존할 수 있도록 상기 용액공급부에 채워진 용액에 잠기도록 배치될 수 있다.

Description

바이오리액터 시스템
본 발명은 바이오리액터 시스템에 관한 것이다.
바이오프로세스(Bioprocess)는 바이오 분야에서 살아있는 세포를 이용하여 원하는 치료제를 생산해내는 과정을 일컫는다. 세포 배양을 통해 항체, 줄기세포, 면역 세포 등을 생산하고 이를 이용해 바이오 의약품, 백신, 세포 치료제를 생산한다.
또한, 엑소좀은 세포간 신호전달을 주고받는 물질로서, 세포를 증식/배양하는 과정에서 세포로부터 자연적으로 분비된다. 이러한 엑소좀은 모세포의 단백질, DNA 등의 다양한 정보를 지니고 있기 때문에 이를 활용하여 바이오 마커나 치료제 등으로 개발되고 있다.
한편, 세포는 부착능력에 따라 표면기질에 부착되어야 하는 부착성 세포와 기질 표면의 부착 없이 증식하는 부유성 세포로 분류된다.
즉, 부착성 세포는 표면 기질이 되어주는 지지체에 부착된 상태로 배양되지만 부유성 세포는 지지체에 부착된 상태에서 배양되지 않고 지지체의 표면에 붙었다가 떨어지고 다시 지지체의 표면에 붙었다가 떨어지는 접촉-부유-접촉-부유의 과정을 반복하면서 신호전달을 받아 성장한다.
이러한 세포를 배양하거나 세포로부터 자연적으로 분비되는 엑소좀을 얻기 위해서 바이오리액터가 사용되는데, 바이오리액터에서 세포가 배치된 내부환경은 적절한 환경으로 유지되어야 세포를 원활하게 배양/증식할 수 있으며 세포는 원활하게 엑소좀을 분비할 수 있다.
즉, 바이오리액터에서 세포 배양시 영양분을 공급하는 배지는 세포 성장에 적합한 일정 PH 상태를 유지해야 하며, 엑소좀 역시 세포가 배양/증식하는 조건과 유사한 상태일 때 보다 많은 양의 엑소좀이 세포로부터 분비될 수 있다.
이를 위해, 세포의 배양/증식시 배지 또는 버퍼용액에 적정기체를 지속적으로 공급함으로써 세포를 원활히 성장시키고 엑소좀의 분비를 촉진하는 방식이 이용되고 있다.
그러나, 배지 또는 버퍼용액으로 기체를 공급하는 과정에서 기포가 포함되면 세포는 기포에 의해 배지에 포함된 영양분을 원활하게 공급받지 못하거나 기포로 인한 스트레스로 성장이 저하되거나 엑소좀의 분비가 원활하지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 기체공급시 기포의 발생을 억제하면서 원활하게 용액 측으로 기체를 공급할 수 있는 바이오리액터 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 공급 기체의 산소농도를 간편하게 변경할 수 있는 바이오리액터 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 세포를 배양/증식하거나 상기 세포로부터 엑소좀을 분비하기 위한 리액터부; 상기 리액터부로 공급되는 용액이 일정량 저장되는 용액공급부; 상기 리액터부 및 용액공급부와 튜브를 매개로 상호 연결되어 상기 용액공급부에 저장된 용액을 순환시키는 순환펌프; 및 외부로부터 공급되는 기체가 채워지는 기체저장공간을 갖는 본체를 포함하고, 상기 기체저장공간으로부터 상기 용액공급부에 저장된 용액 측으로 기체를 공급할 수 있도록 상기 용액공급부에 설치되는 기체공급부;를 포함하고, 상기 본체는, 상기 기체저장공간에 저장된 기체가 상기 용액 측으로 이동하여 용존할 수 있도록 상기 용액공급부에 채워진 용액에 잠기도록 배치되는 바이오리액터 시스템을 제공한다.
또한, 상기 기체공급부는, 외부로부터 공급되는 기체가 채워지는 기체저장공간을 갖는 본체와, 상기 기체저장공간과 연통되도록 상기 본체에 형성되는 개구부와, 상기 개구부를 덮도록 상기 본체를 둘러싸는 판상의 다공성부재와, 상기 기체저장공간 측으로 기체가 유입될 수 있도록 상기 본체에 구비되는 기체유입구 및 상기 기체저장공간의 기체가 외부로 배출될 수 있도록 상기 본체에 구비되는 기체배출구를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기체가 상기 기체저장공간으로부터 상기 개구부를 통하여 상기 용액 측으로 이동하는 것을 허용하면서 상기 용액공급부에 저장된 용액이 상기 기체저장공간으로 이동하는 것을 차단할 수 있도록 상기 다공성부재는 소수성 멤브레인으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 바이오리액터 시스템은, 상기 기체유입구와 연결되는 멸균필터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기체공급부는 상기 본체의 둘레방향을 따라 이격배치되는 복수 개의 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 소정면적을 갖도록 상기 본체에 형성될 수 있다.
또한, 상기 바이오리액터 시스템은, 상기 용액공급부를 지지하기 위한 제1거치대와, 상기 제1거치대와 일정간격 이격되도록 배치되고 상기 리액터부를 지지하기 위한 제2거치대와, 상기 제1거치대 및 제2거치대를 상호 연결하고 상기 순환펌프가 장착되는 지지판을 포함하는 프레임부를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 상기 바이오리액터 시스템은 포터블 형태로 구현될 수 있다.
또한, 상기 리액터부는, 수용공간을 갖는 함체형상의 리액터 하우징과, 상기 수용공간에서 일면이 서로 대면하면서 서로 간격을 두고 평행하게 배치되며 소정의 면적을 갖는 판상으로 구비되는 복수 개의 지지체 및 상기 순환펌프를 통해 순환되는 용액을 상기 수용공간으로 유입할 수 있도록 상기 리액터 하우징에 구비되는 유입구 및 상기 수용공간의 배지를 상기 용액공급부로 배출할 수 있도록 상기 리액터 하우징에 구비되는 유출구를 포함할 수 있다.
또한, 상기 리액터부는, 일면이 서로 대면하면서 서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 복수 개의 지지체를 포함할 수 있고, 상기 복수 개의 지지체 각각은, 단백질 모티프 코팅된 판상의 나노섬유 멤브레인과, 상기 나노섬유 멤브레인을 지지할 수 있도록 상기 나노섬유 멤브레인의 일면에 접착층을 매개로 부착된 지지부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용액공급부는, 상기 용액이 일정량 저장되는 내부공간을 갖는 함체형상의 공급하우징과, 상기 내부공간에 저장된 용액을 상기 리액터부로 공급할 수 있도록 상기 공급하우징에 구비되는 토출구와, 상기 리액터부로부터 상기 내부공간으로 용액을 회수할 수 있도록 상기 공급하우징에 구비되는 회수구를 포함할 수 있고, 상기 본체는, 상기 내부공간에 채워진 용액에 잠기도록 배치될 수 있다.
이때, 상기 내부공간은 상기 공급하우징의 바닥면으로부터 일정높이 연장되는 격벽부재를 매개로 구획되면서 서로 연통되는 제1공간 및 제2공간을 포함할 수 있고, 상기 회수구는 상기 제1공간과 연통되도록 상기 공급하우징에 구비될 수 있으며, 상기 토출구는 상기 제2공간과 연통되도록 상기 공급하우징에 구비될 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 본체는 상기 제1공간에 채워진 용액에 잠기도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 기체는 산소의 농도가 2 내지 14%인 혼합가스일 수 있다.
또한, 상기 용액은 배지 또는 버퍼용액일 수 있다.
본 발명에 의하면, 기체공급부을 통해 기포가 제거된 상태의 기체가 배지 또는 버퍼용액 측으로 공급될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 바이오리액터를 이용하면 안정적인 세포 배양이 가능할 뿐만 아니라 엑소좀의 분비량을 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 기체공급부을 통해 공급되는 기체의 산소농도를 간편하게 조절할 수 있음으로써 인체와 유사한 환경에서 세포를 배양하거나 엑소좀을 생산할 수 있다.
더불어, 본 발명에 의하면, 전체 시스템이 휴대가 가능한 포터블 형태로 구현될 수 있기 때문에 장소의 제약 없이 다양한 장소에서 세포를 배양/증식하거나 세포로부터 분비되는 엑소좀을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템에 적용될 수 있는 리액터부를 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 분리도,
도 4는 도 2의 A-A 방향 단면도,
도 5는 도 3의 지지체 어셈블리를 분리한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템에 적용될 수 있는 지지체의 세부구성을 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템에 적용될 수 있는 용액공급부를 나타낸 도면,
도 8은 도 7의 분리도,
도 9는 도 7의 B-B 방향 단면도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템에 적용될 수 있는 기체공급부을 나타낸 도면,
도 11은 도 10에서 다공성부재가 분리된 상태를 나타낸 도면,
도 12는 도 10의 C-C 방향 단면도, 그리고,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템에 적용될 수 있는 다른 형태의 기체공급부을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 리액터부(110)의 수용공간(S1)에 일정량의 용액과 함께 복수 개의 지지체(116,116')가 배치된 상태에서 상기 용액 및 복수 개의 지지체(116,116')를 이용하여 세포를 배양/증식하거나 세포로부터 자연분비되는 엑소좀(exosome)을 획득할 수 있다.
본 발명에서, 상기 엑소좀(e)은 세포간 신호전달을 주고받는 물질로서 30nm 내지 200㎚ 이하의 크기를 가지는 소포체일 수 있다.
또한, 상기 수용공간(S1)에 채워지는 용액은 세포 배양/증식시 필요한 영양분을 포함하는 배지일 수도 있고, 세포 또는 엑소좀과 반응하지 않는 버퍼용액일 수도 있다.
이와 같은 경우, 상기 버퍼용액은 엑소좀과 혼합될 수 있으며, 상기 세포 또는 엑소좀을 보호하는 역할의 용액일 수 있다. 일례로써, 상기 버퍼용액은 공지의 PBS(Phosphate-Buffered Saline)일 수 있다.
또한, 상기 배지는 펩타이드 모티프(peptide motif)가 코팅된 자성입자를 더 포함할 수도 있다.
이에 따라, 상기 수용공간(S1)에 일정량의 배지가 채워지면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 배지로부터 공급되는 영양분을 이용하여 세포를 배양/증식할 수 있다.
또한, 상기 수용공간(S1)에 일정량의 버퍼용액이 채워지면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 지지체(116,116')에 부착된 세포로부터 분비되는 엑소좀을 획득할 수 있다.
여기서, 상기 세포는 상기 지지체 어셈블리(P)를 구성하는 지지체(116,116')에 부착되는 부착성 세포일 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 수용공간(S1)에 채워진 용액을 순환시키는 용액 순환형 시스템으로 구현되면서도 순환되는 용액에 기체를 공급할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 순환되는 용액을 재사용하면서도 상기 세포가 상기 리액터부(110)에서 원활하게 배양/증식되거나 엑소좀을 분비할 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 용액으로 공급되는 기체는 기포가 제거된 상태에서 상기 용액(L)으로 공급될 수 있다
일례로, 상기 기체는 이산화탄소일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 세포의 종류에 따라 적절하게 변경될 수 있으며, 상기 기체는 이산화탄소, 산소 등이 혼합된 혼합가스일 수도 있다.
더불어, 상기 기체가 산소를 포함하는 경우, 상기 기체는 산소의 농도가 2 내지 14%인 혼합가스일 수 있다.
이로 인해, 상기 용액은 순환을 통해 재사용되더라도 상기 기체의 공급을 통해 세포의 배양 또는 생존을 위한 적합한 상태로 유지될 수 있다. 일례로, 상기 용액은 기체의 용존을 통해 세포 배양시 필요한 적정 PH로 유지될 수 있다.
또한, 상기 용액으로 공급되는 기체가 산소농도가 2 내지 14%인 혼합기체인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 리액터부(110)의 내부가 인체와 유사한 저산소 환경으로 유지될 수 있기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)을 통해 획득된 세포 또는 엑소좀은 인체의 세포 또는 엑소좀과 유사한 상태일 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 리액터부(110), 용액공급부(120), 순환펌프(130) 및 기체공급부(140,140')를 포함한다.
상기 리액터부(110)는 내부에 일정량의 용액(L)이 채워진 상태에서 세포를 배양/증식하거나 세포로부터 엑소좀이 분비되도록 할 수 있다.
이를 위해, 상기 리액터부(110)는 내부에 배치되는 복수 개의 지지체(116,116')를 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 지지체(116,116')는 세포의 배양이나 증식, 엑소좀 분비를 가능하게 할 수 있다.
즉, 상기 리액터부(110)는 상기 용액(L)과 부착성 세포가 부착된 복수 개의 지지체(116,116')를 수용하는 수용공간(S1)을 포함할 수 있으며, 상기 용액공급부(120)로부터 공급되는 용액을 상기 수용공간(S1)으로 유입하기 위한 유입구(114) 및 상기 수용공간(S1)의 용액을 외부로 배출하기 위한 유출구(115)를 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 리액터부(110)에서 상기 유입구(114)는 연결라인(151)을 매개로 상기 용액공급부(120)와 연결된 순환펌프(130)와 연결될 수 있으며, 상기 유출구(115)는 연결라인(152)을 매개로 상기 용액공급부(120)와 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 용액공급부(120)로부터 상기 유입구(114)를 통해 상기 수용공간(S1)으로 이동한 용액은 상기 수용공간(S1)에 배치된 지지체(116,116')들 사이에 형성된 공간을 통과한 후 상기 유출구(115)를 통해 상기 용액공급부(120)로 회수될 수 있다.
여기서, 상기 복수 개의 지지체(116,116') 측에는 배양될 세포 또는 엑소좀을 분비하기 위한 세포들이 부착될 수 있으며, 상기 지지체(116,116')에 부착된 세포들은 상기 수용공간(S1)에 채워진 용액이 배지인 경우, 배지로부터 영양분을 공급받을 수 있다.
이를 통해, 상기 복수 개의 지지체(116,116')들에 부착된 세포들은 용액으로부터 공급되는 영양분을 통해 원활하게 배양/증식되거나 상기 수용공간(S1)에 채워진 용액측으로 엑소좀을 분비할 수 있다.
이때, 상기 복수 개의 지지체(116,116')들은 소정의 면적을 갖는 판상으로 구비될 수 있으며, 판상으로 형성된 복수 개의 지지체(116,116')들은 상기 수용공간(S1)에서 일면이 서로 대면하면서 서로 간격을 두고 평행하게 배열될 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 수용공간(S1)에 배치된 지지체(116,116')들의 집적도를 높여줄 수 있음으로써 한 번의 배양공정을 통해 대량의 세포를 배양/증식할 수 있으며, 상기 복수 개의 지지체(116,116')들에 부착된 세포의 전체개수를 증가시킬 수 있기 때문에 상기 세포로부터 분비되는 엑소좀의 분비량을 늘릴 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 하나의 리액터부(110)에 복수 개의 지지체(116,116')들이 서로 평행한 상태로 배열될 수 있기 때문에 상기 리액터부(110)의 전체크기를 줄일 수 있다.
이를 위해, 상기 지지체(116,116')는 판상의 형태로 구현이 가능하면서도 세포가 용이하게 부착될 수 있는 것이라면 공지의 다양한 재질이 제한없이 사용될 수 있다.
비제한적인 일례로써, 상기 지지체(116,116')는 나노섬유가 전기방사를 통하여 3차원 네트워크 구조로 형성된 나노섬유 멤브레인(116a)을 포함할 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 지지체(116)는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 나노섬유 멤브레인(116a)과 더불어 접착층(116b)을 매개로 상기 나노섬유 멤브레인(116a)의 일면에 부착되는 지지부재(116c)를 포함하는 3층구조일 수 있다.
여기서, 상기 지지부재(116c)는 판상의 필름부재일 수 있으며, 상기 나노섬유 멤브레인(116a)의 일면을 지지할 수 있다. 이를 통해, 상기 나노섬유 멤브레인(116a)이 유연성을 갖는 판상으로 형성되더라도 상기 지지부재(116c)를 통해 지지될 수 있음으로써 휘어짐이나 처짐이 방지될 수 있다. 이에 따라, 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1)에 배치된 지지체(116)는 펼쳐진 상태를 유지할 수 있다.
그러나, 상기 지지체(116)의 구조를 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 지지체(116')는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 나노섬유 멤브레인(116a)이 접착층(116b)을 매개로 상기 지지부재(116c)의 양면에 각각 부착된 5층구조일 수도 있다.
더불어, 상기 지지체(116,116')는 세포가 원활하게 부착될 수 있도록 표면이 개질된 것일 수 있다. 즉, 상기 나노섬유 멤브레인(116a)은 나노 섬유의 표면이 motif 코팅된 멤브레인일 수 있다. 이에 따라, 상기 지지체(116,116')의 표면에는 세포가 원활하게 부착될 수 있다.
이와 같은 리액터부(110)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 리액터 하우징(111) 및 상술한 지지체(116,116')들을 포함할 수 있으며, 상기 리액터 하우징(111)은 상술한 바와 같이 유입구(114) 및 유출구(115)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 리액터 하우징(111)은 상술한 바와 같이 내부에 일정량의 용액 및 복수 개의 지지체(116,116')들을 수용할 수 있다.
이를 위해, 상기 리액터 하우징(111)은 수용공간(S1)을 갖는 함체형상으로 형성될 수 있다.
일례로, 상기 리액터 하우징(111)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상부가 개방된 수용공간(S1)을 갖는 함체형상의 하우징몸체(112)를 포함할 수 있고, 상기 유입구(114) 및 유출구(115)는 상기 하우징몸체(112)의 일측에 각각 형성될 수 있으며, 상부가 개방된 수용공간(S1)은 상기 하우징몸체(112)에 결합되는 덮개부재(113)를 통해 밀폐될 수 있다.
이를 통해, 상기 용액공급부(120)로부터 상기 리액터부(110)로 공급되는 용액은 상기 유입구(114)를 통해 상기 수용공간(S1)을 채울 수 있으며, 상기 수용공간(S1)에 채워진 용액은 상기 유출구(115)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때, 상기 수용공간(S1)에 배치되는 복수 개의 지지체(116,116')들은 집적도를 높이면서도 조립성을 향상시킬 수 있도록 어셈블리 형태로 구성될 수 있다.
일례로, 상기 리액터부(110)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 수용공간(S1)에 삽입배치되는 지지체 어셈블리(P)를 포함할 수 있으며, 상기 지지체 어셈블리(P)는 복수 개의 지지체(116,116')들이 서로 일정간격 이격된 상태로 일체화된 형태일 수 있다.
구체적으로, 상기 지지체 어셈블리(P)는 상기 하우징몸체(112)의 높이방향을 따라 복수 개의 지지체(116,116')들이 평행하게 이격배치되는 적층형으로 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 지지체 어셈블리(P)는 도 5에 도시된 바와 같이 소정의 길이를 갖는 복수 개의 체결바(117)와 링형상으로 형성되는 복수 개의 이격부재(118)를 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 지지체(116,116')들은 상기 체결바(117)에 각각 끼워질 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 복수 개의 체결바(117)들은 소정의 간격을 두고 서로 이격배치될 수 있으며, 상기 복수 개의 체결바(117)들은 양단부가 소정의 면적을 갖는 판상의 상판(119a) 및 하판(119b)에 각각 고정될 수 있다.
이에 따라, 상기 상판(119a) 및 하판(119b)에 양단이 각각 고정된 복수 개의 체결바(117)들은 서로 간격을 두고 이격된 상태를 유지할 수 있고, 상기 복수 개의 지지체(116,116')들은 상기 상판(119a) 및 하판(119b) 사이에서 서로 평행하게 배치될 수 있으며, 상기 복수 개의 지지체(116,116')들은 상기 복수 개의 체결바(117)들과 각각 대응되는 위치에 관통형성된 복수 개의 통과공(116d)을 통하여 상기 체결바(117)에 체결될 수 있다.
더불어, 상기 복수 개의 이격부재(118)는 상기 지지체(116,116')와 마찬가지로 상기 복수 개의 체결바(117)들에 각각 끼워질 수 있으며, 상기 복수 개의 이격부재(118)와 복수 개의 지지체(116,116')들은 각각의 체결바(117)에 교번적으로 체결될 수 있다.
이에 따라, 상기 이격부재(118)는 서로 평행하게 배열되는 두 개의 지지체(116,116') 사이에 각각 배치될 수 있으며, 상,하부에 배치된 두 개의 지지체(116,116')들은 상기 이격부재(118)를 통해 서로 이격된 간격을 유지할 수 있다.
그러나 상기 지지체 어셈블리(P)를 이에 한정하는 것은 아니며, 복수 개의 지지체(116,116')들이 일방향을 따라 서로 평행하게 배열되면서 서로 일정간격 이격된 상태를 유지할 수 있다면 공지의 다양한 방식이 모두 적용될 수 있다.
상기 용액공급부(120)는 상기 리액터부(110)로 용액을 공급하는 역할일 수 있으며, 상술한 바와 같이 상기 용액공급부(120)의 내부에 저장된 용액은 상기 순환펌프(130)를 통해 상기 리액터부(110)로 공급된 후 상기 리액터부(110)로부터 상기 용액공급부(120)로 회수될 수 있다.
이를 위해, 상기 용액공급부(120)는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 상기 용액을 일정량 저장하기 위한 내부공간(S2)을 갖는 함체형상의 공급하우징(121)을 포함할 수 있으며, 상기 공급하우징(121)은 내부에 저장된 용액을 상기 순환펌프(130)의 작동을 통해 순환시켜 상기 리액터부(110) 측으로 공급한 후 다시 회수할 수 있도록 토출구(125) 및 회수구(124)를 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 토출구(125)는 상기 내부공간(S2)에 저장된 용액을 상기 리액터부(110)로 공급하는 공급포트의 역할일 수 있으며, 상기 회수구(124)는 상기 리액터부(110)로부터 상기 내부공간(S2)으로 용액을 회수하는 유입포트의 역할일 수 있다.
여기서, 상기 내부공간(S2)은 상부가 개방되도록 형성될 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 공급하우징(121)은 상기 내부공간(S2)을 갖는 함체형상의 하우징본체(122)와 상기 내부공간(S2)의 개방된 상부를 덮는 뚜껑부재(123)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 토출구(125)는 상술한 바와 같이 상기 연결라인(151)을 매개로 상기 리액터부(110)의 유입구(114)와 연결될 수 있으며, 상기 회수구(124)는 상기 연결라인(152)을 매개로 상기 리액터부(110)의 유출구(115)와 연결될 수 있다.
이를 통해, 상기 내부공간(S2)에 저장된 용액은 상기 순환펌프(130)의 작동을 통해 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1)과 상기 용액공급부(120)의 내부공간(S2)을 순환할 수 있다.
즉, 상기 내부공간(S2)에 저장된 용액은 상기 순환펌프(130)의 작동을 통해 상기 내부공간(S2)에서 상기 수용공간(S1)으로 이동한 후 다시 상기 내부공간(S2)으로 회수될 수 있다.
이때, 상기 내부공간(S2)은 적어도 두 개의 공간으로 구획될 수 있다.
일례로, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 상기 공급하우징(121)은 상기 내부공간(S2)을 규정하는 상기 하우징본체(122)의 바닥면으로부터 일정높이 연장되는 판상의 격벽부재(126)를 포함할 수 있으며, 상기 격벽부재(126)는 상기 내부공간(S2)을 제1공간(S21) 및 제2공간(S22)으로 구분할 수 있다.
이때, 상기 격벽부재(126)는 일단부가 상기 하우징본체(122)의 내측면과 연결되고 타단부가 상기 하우징본체(122)의 다른 내측면과 소정 간격 이격되도록 상기 하우징본체(122)의 바닥면으로부터 일정높이 연장될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1공간(S21) 및 제2공간(S22)은 상기 격벽부재(126)의 일단부 측에 형성된 연통로(S23)를 통해 서로 연결될 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 회수구(124)는 상기 제1공간(S21)과 연통되도록 상기 하우징본체(122)에 구비될 수 있고, 상기 토출구(125)는 상기 제2공간(S22)과 연통되도록 상기 하우징본체(122)에 구비될 수 있으며, 상기 회수구(124) 및 토출구(125)는 상기 하우징본체(122)의 동일면에 위치하도록 상기 하우징본체(122)에 구비될 수 있다.
이를 통해, 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1)으로부터 이동하여 상기 회수구(124)를 통해 상기 내부공간(S2)으로 회수된 용액은 상기 제1공간(S21), 연통로(S23) 및 제2공간(S22)을 경유한 후 상기 토출구(125)를 통해 상기 수용공간(S1) 측으로 이동할 수 있다.
이에 따라, 상기 회수구(124)에서 토출구(125)로 이동하는 용액은 상기 내부공간(S2)에서의 전체이동거리가 증가될 수 있다.
이로 인해, 상기 내부공간(S2)으로 회수된 용액이 기포를 포함하더라도, 상기 용액에 포함된 기포는 상기 내부공간(S2)으로 회수된 용액이 상기 회수구(124)에서 토출구(125)로 이동하는 과정에서 부력에 의해 부상하여 용액으로부터 완전히 분리될 수 있다.
이에 따라, 상기 토출구(125)를 통해 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1)으로 공급되는 용액은 기포와 같은 불순물이 제거된 최상의 상태를 유지할 수 있다.
또한, 상기 회수구(124)는 상기 토출구(125)보다 상대적으로 높은 위치에 위치하도록 상기 하우징본체(122)에 구비될 수 있다. 즉, 상기 토출구(125)는 상기 회수구(124)보다 상기 내부공간(S2)의 바닥면을 규정하는 상기 하우징본체(122)의 바닥면과 상대적으로 가까운 위치에 위치하도록 구비될 수 있다.
이를 통해, 상기 리액터부(110)로부터 상기 회수구(124)를 통하여 상기 제1공간(S21)으로 유입된 배지는 상기 회수구(124)보다 상대적으로 낮은 위치에 형성된 토출구(125)를 통해 상기 리액터부(110)로 다시 공급될 수 있다.
이로 인해, 상기 회수구(124)를 통해 상기 제1공간(S21)으로 회수되는 용액이 기포를 포함하더라도, 상기 용액에 포함된 기포는 상기 내부공간(S2)으로 회수된 용액이 상기 회수구(124)에서 상기 회수구(124)보다 상대적으로 낮은 위치에 형성된 토출구(125) 측으로 이동하는 과정에서 부력에 의해 상부로 이동하여 용액으로부터 완전히 분리될 수 있다.
이에 따라, 상기 토출구(125)를 통해 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1)으로 공급되는 용액은 기포와 같은 불순물이 제거된 최상의 상태를 유지할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 리액터부(110), 순환펌프(130) 및 용액공급부(120)를 상호 연결하여 상기 용액공급부(120)에 저장된 용액이 상기 순환펌프(130)의 구동을 통해 상기 리액터부(110) 및 용액공급부(120)를 순환하도록 구성함으로써 밀폐된 순환 시스템(closed circulation system)을 간단히 구현할 수 있다.
이때, 상기 용액공급부(120)는 상기 공급하우징(121)에 구비되는 벤트구(127)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 벤트구(127)는 상기 내부공간(S2)과 연통되도록 상기 공급하우징(121)에 형성될 수 있다.
이러한 벤트구(127)는 상기 내부공간(S2)에 존재하는 공기를 외부로 배출하는 역할일 수 있다. 일례로, 상기 벤트구(127)는 상술한 바와 같이 상기 내부공간(S2)의 용액으로부터 분리된 기포를 외부로 방출할 수 있다.
상기 기체공급부(140,140')는 상기 용액공급부(120) 측에 설치될 수 있으며, 상기 리액터부(110) 및 용액공급부(120)를 순환하는 용액 측으로 세포의 배양/증식 또는 엑소좀 분비를 위한 기체를 공급할 수 있도록 상기 내부공간(S2)에 배치될 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)에서 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액이 상기 리액터부(110) 및 용액공급부(120)를 순환하면서 재사용되더라도 상기 내부공간(S2)으로 회수된 용액은 상기 기체공급부(140,140')로부터 공급되는 기체의 용존을 통해 세포의 배양 또는 생존을 위한 적합한 상태를 유지할 수 있다.
즉, 상기 순환펌프(130)의 작동을 통해 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1)으로부터 상기 용액공급부(120)의 내부공간(S2)으로 회수된 용액은 상기 기체공급부(140,140')로부터 공급되는 기체의 용존을 통해 세포의 배양 또는 생존에 적합한 상태로 변경된 후 상기 리액터부(110) 측으로 재공급될 수 있다.
이로 인해, 상기 용액이 상기 순환펌프(130)를 통해 상기 리액터부(110) 및 용액공급부(120)를 반복적으로 순환되더라도 상기 지지체(116,116')에 부착된 세포는 배양 또는 생존에 적합한 상태의 용액을 지속적으로 공급받을 수 있기 때문에, 상기 지지체(116,116')에 부착된 세포는 배양이나 증식이 원활하게 이루어질 수 있으며, 엑소좀을 원활하게 분비할 수 있다.
이때, 상기 내부공간(S2)에서 상기 기체공급부(140,140')를 통해 상기 용액 측으로 공급되는 기체는 기포가 제거된 상태일 수 있으며, 상기 기체공급부(140,140')를 통해 상기 용액 측으로 기체가 공급되더라도 기체의 공급과정에서 기포가 발생하는 것이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)에서 상기 기체공급부(140,140')는 기체가 상기 용액에 더욱 원활하게 용존될 수 있도록 상기 내부공간(S2)에 배치될 수 있다.
즉, 상기 기체공급부(140,140') 중 후술할 본체(141)는 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액에 잠기도록 배치될 수 있다.
이를 위해, 상기 기체공급부(140,140')는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 외부로부터 공급되는 기체가 채워지는 기체저장공간(S3)을 갖는 본체(141)와, 상기 기체저장공간(S3)과 연통되도록 상기 본체(141)에 형성되는 개구부(142)와, 상기 개구부(142)를 덮도록 상기 본체(141)를 둘러싸는 판상의 다공성부재(145)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기체공급부(140,140')는 상기 기체저장공간(S3) 측으로 기체가 유입될 수 있도록 상기 본체(141)에 구비되는 기체유입구(143) 및 상기 기체저장공간(S3)의 기체가 외부로 배출될 수 있도록 상기 본체(141)에 구비되는 기체배출구(144)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 기체공급부(140,140')에서 상기 기체유입구(143)는 외부의 기체공급원(미도시)과 연결될 수 있으며, 상기 기체공급원은 상술한 바와 같이 세포의 배양 또는 생존을 위한 적합한 종류의 기체를 상기 기체공급부(140,140') 측으로 공급할 수 있다.
여기서, 상기 기체공급원으로부터 공급되는 기체는 이산화탄소일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 세포의 종류에 따라 적절하게 변경될 수 있으며, 상기 기체공급원으로부터 공급되는 기체는 이산화탄소, 산소 등이 혼합된 혼합가스일 수도 있다. 더불어, 상기 기체공급원으로부터 기체가 산소를 포함하는 경우, 상기 기체는 산소의 농도가 2 내지 14%인 혼합가스일 수 있다.
이에 따라, 상기 기체공급원으로부터 공급되는 기체는 상기 본체(141)의 기체저장공간(S3)으로 유입될 수 있으며, 상기 기체저장공간(S3)으로 유입된 기체는 상기 개구부(142)를 통해 상기 본체(141)를 둘러싸는 다공성부재(145)를 통과한 후 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액 측으로 이동할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 내부공간(S2)이 밀폐된 공간으로 구현되더라도 상기 기체공급원으로부터 상기 기체공급부(140,140')로 공급되는 기체의 종류 및 농도를 간편하게 변경할 수 있음으로써 세포의 배양환경 또는 생존환경을 간편하게 조절할 수 있다.
이때, 상기 본체(141)에 형성되는 개구부(142)는 소정의 면적을 갖도록 구비될 수 있으며, 상기 다공성부재(145)는 상기 개구부(142)를 완전히 덮도록 상기 본체(141)에 부착될 수 있다.
또한, 상기 본체(141)는 상술한 바와 같이 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액에 잠기도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 기체저장공간(S3)에 저장된 기체는 상기 개구부(142)를 덮는 상기 다공성부재(145)를 통과하면서 기포가 제거될 수 있으며, 소정면적을 갖는 다공성부재(145)를 통과하면서 분산되어 넓은 면적으로 상기 용액 측으로 이동할 수 있다.
즉, 상기 기체저장공간(S3)에 저장된 기체는 상기 내부공간(S2)에서 상기 개구부(142)의 면적과 대응되면서 상기 용액과 직접 접촉하는 상기 다공성부재(145)의 표면적에 해당하는 넓은 면적을 통해 상기 용액 측으로 이동할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 기체공급부(140,140')로부터 공급되는 기체가 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액에 더욱 원활하게 용존될 수 있으며, 상기 기체공급부(140,140')로부터 상기 용액 측으로 기체가 공급되더라도 기체의 공급과정에서 기포의 발생이 방지될 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 기체공급부(140,140')에서 상기 기체유입구(143)는 상기 기체공급원으로부터 공급되는 기체를 상기 기체저장공간(S3)으로 유입하는 유입구의 역할일 수 있으며, 상기 기체배출구(144)는 상기 기체저장공간(S3)으로 기체가 공급되는 과정에서 상기 기체저장공간(S3)에 존재하는 기체가 외부로 배출될 수 있도록 함으로써 상기 기체저장공간(S3)의 내부압력을 조절하는 역할일 수 있다.
이에 따라, 상기 기체유입구(143)를 통해 기체공급원으로부터 상기 기체저장공간(S3)으로 기체가 공급되더라도 상기 기체저장공간(S3)은 상기 기체배출구(144)를 통해 내부압력이 조절될 수 있음으로써 상기 기체저장공간(S3)에 저장된 기체가 상기 다공성부재(145)를 통과하는 과정에서 과다한 압력으로 인해 버블이 발생될 수 있는 것을 방지할 수 있다.
구체적인 일례로써, 상기 본체(141)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 대략 육각단면을 갖는 8면체의 중공형으로 형성될 수 있고, 상기 기체저장공간(S3)은 상기 본체(141)의 내부공간일 수 있다.
또한, 상기 개구부(142)는 상기 본체(141)의 8면 중 측면을 형성하는 4개의 면에 소정의 면적을 갖도록 각각 관통형성될 수 있으며, 상기 기체유입구(143) 및 기체배출구(144)는 상기 본체(141)의 8면 중 상면을 형성하는 상기 본체(141)의 일면에서 상기 기체저장공간(S3)과 연통되도록 구비될 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 기체유입구(143) 및 기체배출구(144)는 상기 공급하우징(121)의 외측으로 일부길이가 돌출되도록 상기 공급하우징(121)과 직접 체결될 수도 있지만, 상기 기체유입구(143) 및 기체배출구(144)는 별도의 연결관(153a,153b)을 통해 상기 공급하우징(121)에 체결될 수도 있다.
비제한적인 일례로써, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 공급하우징(121)은 상기 뚜껑부재(123)에 구비되는 두 개의 피팅(128a,128b)을 포함할 수 있으며, 상기 기체유입구(143) 및 기체배출구(144)는 별도의 연결관(153a,153b)을 통해 상기 피팅(128a,128b)에 각각 체결될 수 있다.
이를 통해, 상기 기체공급부(140,140')는 상기 연결관(153a,153b)을 통해 상기 뚜껑부재(123)와 일정간격 이격된 상태로 상기 내부공간(S2)에 배치될 수 있으며, 상기 본체(141)는 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액에 잠기도록 배치될 수 있다.
도면에서는, 상기 개구부(142) 및 다공성부재(145)가 각각 4개로 구비되는 것으로 도시하였지만, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 개구부(142) 및 다공성부재(145)의 전체 개수는 설계조건에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
더불어, 상기 본체(141) 역시 내부에 기체저장공간(S3)을 가지면서 내부에 형성된 기체저장공간(S3)과 연통되도록 소정 면적으로 형성되는 개구부(142)를 포함하는 형상이라면 공지의 다양한 형상으로 변경될 수 있다.
일례로, 도 13에 도시된 바와 같이 기체공급부(140')에서 본체(141)는 대략 중공형의 원기둥형상으로 형성될 수 있고, 상기 기체저장공간(S3)은 상기 본체(141)의 내부공간일 수 있다. 또한, 상기 본체(141)는 전체둘레면 중 일부 둘레면을 관통하도록 형성되는 두 개의 개구부(142)를 포함할 수 있으며, 두 개의 다공성부재(145)는 상기 두 개의 개구부(142)를 각각 덮도록 상기 본체(141)에 부착될 수 있다.
또한, 도면에서는 상기 개구부(142) 및 다공성부재(145)가 일대일로 대응되는 것으로 도시하였지만, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니며, 개구부(142)가 복수 개로 구비되는 경우 복수 개의 개구부는 하나의 다공성부재를 통해 모두 덮일 수도 있으며, 상기 개구부(142)의 전체개수 및 상기 다공성부재(145)의 전체개수는 적절하게 변경될 수 있다.
이때, 상기 기체공급부(140,140')에서 상기 개구부(142)를 덮는 다공성부재(145)는 상기 기체가 상기 기체저장공간(S3)으로부터 상기 개구부(142)를 통하여 상기 용액 측으로 이동하는 것을 허용하면서 상기 내부공간(S2)의 용액이 상기 기체저장공간(S3)으로 이동하는 것을 차단할 수 있도록 구비될 수 있다.
즉, 상기 다공성부재(145)는 이물질 및 액체가 통과하는 것을 차단하는 한편, 이산화탄소 등과 같은 기체의 통과를 허용할 수 있다.
일례로, 상기 다공성부재(145)는 발수처리된 나노섬유 멤브레인일 수 있다. 그러나 상기 다공성부재(145)의 재질을 이에 한정하는 것은 아니며, 고상 및 액상의 유체가 통과하는 것은 차단하면서도 기상의 유체가 통과하는 것은 허용하는 재질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
이에 따라, 상기 기체공급부(140,140')를 통해 외부로부터 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액 측으로 기체가 공급되더라도, 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액은 다른 이물질에 의해 오염되지 않을 수 있다.
또한, 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액은 상기 다공성부재(145)를 통해 상기 기체공급부(140,140')의 기체저장공간(S3) 측으로 이동하는 것이 차단될 수 있기 때문에, 상기 기체공급원으로부터 상기 기체저장공간(S3)으로 공급된 기체의 이동방향은 항상 상기 기체저장공간(S3)에서 상기 본체(141)의 외부를 둘러싸는 용액 측으로 제한될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 기체저장공간(S3)과 용액 사이에서 기체의 흐름방향이 일정하게 유지될 수 있기 때문에, 상기 기체저장공간(S3)으로부터 기체가 상기 다공성부재(145)를 통과하더라도 상기 다공성부재(145)를 통과하는 이동과정에서 버블이 발생할 가능성을 원천적으로 방지할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 상기 내부공간(S2)이 격벽부재(126)를 통해 제1공간(S21) 및 제2공간(S22)으로 구획되는 경우, 상기 본체(141)는 상기 제1공간(S21)에 위치하도록 배치될 수 있으며, 상기 제1공간(S21)에 채워진 용액에 잠기도록 배치될 수 있다.
즉, 상기 본체(141)는 상기 용액공급부(120)에서 상기 리액터부(110)로부터 용액을 회수하는 상기 회수구(124)와 가까운 위치에 위치하도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 회수구(124)를 통해 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1)으로부터 상기 제1공간(S21)으로 회수된 용액은 상기 제1공간(S21)에 배치된 상기 본체(141)로부터 기체를 공급받은 후 상기 토출구(125)를 통해 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1) 측으로 재공급될 수 있다.
이를 통해, 상기 기체공급부(140,140')로부터 공급되는 기체는 용액에 용존되는 시간을 충분히 확보할 수 있다.
이에 따라, 상기 토출구(125)를 통해 상기 리액터부(110)의 수용공간(S1)으로 공급되는 용액은 상기 기체공급부(140,140')로부터 공급된 기체가 충분히 용존된 상태로 변경된 후 상기 수용공간(S1)으로 이동할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 기체공급부(140,140')에서 상기 기체유입구(143)와 연결되는 멸균필터(160)를 더 포함할 수 있다.
일례로, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 멸균필터(160)는 상기 공급하우징(121)에 구비되는 피팅(128a,128b)과 연결되도록 구비될 수 있다.
이에 따라, 상기 기체공급원으로부터 공급되는 기체는 상기 멸균필터(160)를 통과한 후 상기 기체공급부(140,140')로 공급될 수 있다.
이로 인해, 상기 기체저장공간(S3) 측에는 항상 멸균 상태의 기체가 유입될 수 있음으로써 세균이나 미생물에 의해 상기 내부공간(S2)에 채워진 용액이 오염되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
일례로, 상기 멸균필터(160)는 공지의 멸균 시린지필터일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니며, 기체공급원으로부터 공급되는 기체를 멸균상태로 상기 기체공급부(140,140')로 공급할 수 있다면 공지의 다양한 멸균 필터들이 채용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 리액터부(110), 용액공급부(120) 및 순환펌프(130)를 고정하거나 장착하기 위한 프레임부(150)를 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 리액터부(110), 용액공급부(120) 및 순환펌프(130)가 상기 프레임부(150)의 일측에 고정되거나 장착됨으로써 하나의 모듈 형태로 구성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 휴대가 가능한 포터블 형태로 구현될 수 있기 때문에 장소의 제약 없이 다양한 장소에서 세포를 배양/증식하거나 세포로부터 분비되는 엑소좀을 획득할 수 있다.
이를 위해, 상기 프레임부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1거치대(171), 제2거치대(172) 및 지지판(173)을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 제1거치대(171), 제2거치대(172) 및 지지판(173) 각각은 소정의 면적을 가지는 판상의 부재일 수 있고, 상기 제2거치대(172)는 상기 제1거치대(171)의 상부에 위치하도록 배치될 수 있으며, 상기 지지판(173)은 상기 제1거치대(171) 및 제2거치대(172)를 연결할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1거치대(171) 및 제2거치대(172)는 상기 지지판(173)을 통해 서로 이격된 상태를 유지할 수 있다.
이와 같은 경우, 상기 용액공급부(120)는 상기 제1거치대(171)의 일면에 배치될 수 있고, 상기 리액터부(110)는 상기 제2거치대(172)의 일면에 배치될 수 있으며, 상기 순환펌프(130)는 상기 지지판(173)에 장착될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 리액터부(110), 용액공급부(120) 및 순환펌프(130)가 상기 프레임부(150)에 각각 장착될 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상술한 바와 같이 휴대가 가능한 형태로 구현될 수 있다.
이를 통해, 사용자는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)을 간편하게 휴대하거나 운반할 수 있기 때문에 장소의 구애를 받지 않고 다양한 장소로 상기 바이오리액터 시스템(100)을 운반할 수 있다.
여기서, 상기 다양한 장소는 상기 지지체(116,116')에 부착된 세포를 안정적으로 배양하거나 증식할 수 있거나 상기 세포로부터 엑소좀이 원활하게 분비될 수 있는 환경을 제공하는 장소일 수 있다. 일례로, 상기 다양한 장소는 실험실이나 연구실에 구비된 소규모의 인큐베이터일 수 있으며, 상기 소규모의 인큐베이터는 온도가 일정하게 유지되는 공간일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 리액터부(110), 순환펌프(130) 및 용액공급부(120)가 연결라인(151,152)을 매개로 서로 연결되고, 상기 용액공급부(120)에 저장된 배지가 순환펌프(130)를 통해 용액공급부(120) 및 리액터부(110)를 순환하도록 구성함으로써 밀폐된 순환 시스템(closed circulation system)으로 구현될 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 순환펌프(130)를 통해 순환되는 용액이 재사용되더라도 상기 기체공급부(140,140')로부터 공급되는 기체의 용존을 통해 세포의 배양 또는 생존을 위한 적합한 상태로 유지될 수 있음으로써 용액의 사용량을 최소화하여 생산단가를 줄일 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 별도의 제어부(미도시)를 통해 상기 기체공급부(140,140')로부터 상기 용액공급부(120)로 공급되는 가스의 공급량, 공급주기, 공급시간 등이 조절될 수 있으며, 상기 제어부는 상기 순환펌프(130)의 구동과 더불어 전반적인 동작을 제어할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 기체공급부(140,140')를 통해 기포가 제거된 상태의 기체가 용액 측으로 공급될 수 있음으로써 안정적인 세포 배양이 가능할 뿐만 아니라 엑소좀의 분비량을 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 상기 기체공급부(140,140')를 통해 공급되는 기체의 산소농도를 간편하게 조절할 수 있음으로써 인체와 유사한 환경에서 세포를 배양하거나 엑소좀을 생산할 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오리액터 시스템(100)은 전체 시스템이 휴대가 가능한 포터블 형태로 구현될 수 있기 때문에 장소의 제약 없이 다양한 장소에서 세포를 배양/증식하거나 세포로부터 분비되는 엑소좀을 획득할 수 있다.
한편, 상술한 설명에서는 상기 리액터부(110)에서 배양/증식 또는 엑소좀을 분비하기 위한 세포가 부착성 세포인 것으로 설명하였지만, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 리액터부(110)에서 배양/증식 또는 엑소좀을 분비하기 위한 세포는 부유성 세포일 수도 있다. 이와 같은 경우, 상기 부유성 세포는 지지체에 부착되지 않고 용액 내에 부유된 상태에서 지지체의 표면에 붙었다가 떨어지고 다시 지지체의 표면에 붙었다가 떨어지는 접촉-부유-접촉-부유의 과정을 반복하면서 신호전달을 받아 배양/증식 또는 엑소좀을 분비할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 세포를 배양/증식하거나 상기 세포로부터 엑소좀을 분비하기 위한 리액터부;
    상기 리액터부로 공급되는 용액이 일정량 저장되는 용액공급부;
    상기 리액터부 및 용액공급부와 튜브를 매개로 상호 연결되어 상기 용액공급부에 저장된 용액을 순환시키는 순환펌프; 및
    외부로부터 공급되는 기체가 채워지는 기체저장공간을 갖는 본체를 포함하고, 상기 기체저장공간으로부터 상기 용액공급부에 저장된 용액 측으로 기체를 공급할 수 있도록 상기 용액공급부에 설치되는 기체공급부;를 포함하고,
    상기 본체는, 상기 기체저장공간에 저장된 기체가 상기 용액 측으로 이동하여 용존할 수 있도록 상기 용액공급부에 채워진 용액에 잠기도록 배치되는 바이오리액터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기체공급부는,
    외부로부터 공급되는 기체가 채워지는 기체저장공간을 갖는 본체와, 상기 기체저장공간과 연통되도록 상기 본체에 형성되는 개구부와, 상기 개구부를 덮도록 상기 본체를 둘러싸는 판상의 다공성부재와, 상기 기체저장공간 측으로 기체가 유입될 수 있도록 상기 본체에 구비되는 기체유입구 및 상기 기체저장공간의 기체가 외부로 배출될 수 있도록 상기 본체에 구비되는 기체배출구를 포함하는 바이오리액터 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기체가 상기 기체저장공간으로부터 상기 개구부를 통하여 상기 용액 측으로 이동하는 것을 허용하면서 상기 용액공급부에 저장된 용액이 상기 기체저장공간으로 이동하는 것을 차단할 수 있도록 상기 다공성부재는 소수성 멤브레인으로 구비되는 바이오리액터 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 바이오리액터 시스템은, 상기 기체유입구와 연결되는 멸균필터를 더 포함하는 바이오리액터 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 기체공급부는 상기 본체의 둘레방향을 따라 이격배치되는 복수 개의 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 소정면적을 갖도록 상기 본체에 형성되는 바이오리액터 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이오리액터 시스템은,
    상기 용액공급부를 지지하기 위한 제1거치대와, 상기 제1거치대와 일정간격 이격되도록 배치되고 상기 리액터부를 지지하기 위한 제2거치대와, 상기 제1거치대 및 제2거치대를 상호 연결하고 상기 순환펌프가 장착되는 지지판을 포함하는 프레임부를 더 포함하는 바이오리액터 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리액터부는,
    수용공간을 갖는 함체형상의 리액터 하우징과, 상기 수용공간에서 일면이 서로 대면하면서 서로 간격을 두고 평행하게 배치되며 소정의 면적을 갖는 판상으로 구비되는 복수 개의 지지체 및 상기 순환펌프를 통해 순환되는 용액을 상기 수용공간으로 유입할 수 있도록 상기 리액터 하우징에 구비되는 유입구 및 상기 수용공간의 용액을 상기 용액공급부로 배출할 수 있도록 상기 리액터 하우징에 구비되는 유출구를 포함하는 바이오리액터 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 리액터부는,
    일면이 서로 대면하면서 서로 간격을 두고 평행하게 배치되는 복수 개의 지지체를 포함하고,
    상기 복수 개의 지지체 각각은,
    단백질 모티프 코팅된 판상의 나노섬유 멤브레인과, 상기 나노섬유 멤브레인을 지지할 수 있도록 상기 나노섬유 멤브레인의 일면에 접착층을 매개로 부착된 지지부재를 포함하는 바이오리액터 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용액공급부는,
    상기 용액이 일정량 저장되는 내부공간을 갖는 함체형상의 공급하우징과, 상기 내부공간에 저장된 용액을 상기 리액터부로 공급할 수 있도록 상기 공급하우징에 구비되는 토출구와, 상기 리액터부로부터 상기 내부공간으로 용액을 회수할 수 있도록 상기 공급하우징에 구비되는 회수구를 포함하고,
    상기 본체는, 상기 내부공간에 채워진 용액에 잠기도록 배치되는 바이오리액터 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 내부공간은 상기 공급하우징의 바닥면으로부터 일정높이 연장되는 격벽부재를 매개로 구획되면서 서로 연통되는 제1공간 및 제2공간을 포함하고,
    상기 회수구는 상기 제1공간과 연통되도록 상기 공급하우징에 구비되고, 상기 토출구는 상기 제2공간과 연통되도록 상기 공급하우징에 구비되며,
    상기 본체는 상기 제1공간에 채워진 용액에 잠기도록 배치되는 바이오리액터 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기체는 산소의 농도가 2 내지 14%인 혼합가스인 바이오리액터 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용액은 배지 또는 버퍼용액인 바이오리액터 시스템.
PCT/KR2023/016259 2022-10-21 2023-10-19 바이오리액터 시스템 Ceased WO2024085682A1 (ko)

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