KR100675105B1

KR100675105B1 - Tissue regeneration device

Info

Publication number: KR100675105B1
Application number: KR1020000048715A
Authority: KR
Inventors: 이태서
Original assignee: 주식회사 태산솔루젼스
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2007-01-29
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: KR20020015575A

Abstract

본 발명은 세포나 조직의 재생 장치에 관한 것으로서, 각각 독립적으로 임의의 크기를 갖는 다수의 챔버로 분할된 인큐베이터; 상기 인큐베이터 내에서 조직재생 기능을 수행하기 위해 세포나 조직의 배양 및 형성에 생화학적인 인자뿐만 아니라 기계적인 자극을 가하기 위한 액츄에이터; 발효공학기술, 유기합성 및 정밀화학 기술을 토대로 하는 세포융합, 세포배양 및 바이오리액터 기법을 적용하여, 상기 개별 챔버에 대하여 개별 환경을 조성할 수 있도록 액츄에이터의 동작을 제어하는 챔버 환경 유지 프로그램; 및 상기 챔버 환경 유지 프로그램이 탑재되고, 멀티플렉서를 통해 신호를 전달하여, 상기 다수의 액츄에이터를 개별 작동시키기 위한 제어기가 내장된 컴퓨터를 포함하여, 단순한 보존 및 자연배양을 목적으로 한 기존의 인큐베이터에서 벗어나, 조직 성장(배양)에 필요한 생화학적, 기계적 자극의 제공과 제어가 가능해 짐으로써, 효율적으로 세포나 조직의 배양 및 재생을 도모할 수 있도록 하였다.The present invention relates to an apparatus for regenerating cells or tissues, the incubator being divided into a plurality of chambers each independently having an arbitrary size; An actuator for applying not only biochemical factors but also mechanical stimulation to the culture and formation of cells or tissues to perform tissue regeneration in the incubator; A chamber environment maintenance program for controlling the operation of the actuator to create individual environments for the individual chambers by applying cell fusion, cell culture, and bioreactor techniques based on fermentation engineering technology, organic synthesis, and fine chemical technology; And a computer equipped with the chamber environmental maintenance program and transmitting a signal through a multiplexer and having a built-in controller for individually operating the plurality of actuators, thereby eliminating an existing incubator for simple preservation and natural culture. In addition, by providing and controlling biochemical and mechanical stimuli necessary for tissue growth (culture), the cells and tissues can be cultured and regenerated efficiently.

Description

Functional device with capability of tissue regeneration

도1은 본 발명에 따른 조직을 재생하기 위해 필요한 장치를 나타내는 구성도.1 is a block diagram showing a device required for regenerating tissue according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10 : 멀티플렉서 20 : 컴퓨터 10: multiplexer 20: computer

30 : 액츄에이터 40 : 가스 탱크 30: actuator 40: gas tank

100 : 인큐베이터 110 : 챔버 100: incubator 110: chamber

120 : 센서 130 : 센서용 멀티플렉서 120: sensor 130: multiplexer for the sensor

본 발명은 조직 재생 기능을 갖는 다목적 장비에 관한 것으로서, 단순한 보존 및 자연배양을 목적으로 한 기존의 인큐베이터에서 벗어나, 조직 성장(배양)에 필요한 생화학적, 기계적 자극의 제공과 제어가 가능한 조직 재생 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-purpose device having a tissue regeneration function, a tissue regeneration apparatus capable of providing and controlling biochemical and mechanical stimuli necessary for tissue growth (culture), away from the existing incubator for simple preservation and natural culture. It is about.

일반적으로, 인큐베이터는 단지 적정 농도의 이산화탄소(CO₂) 만을 공급하면 서 습도와 온도를 일정하게 유지하는 기능으로 한정되어 있었다. 그런데, 조직공학의 개념이 정립되고, 질병 치료의 수단으로 조직 재생에 대한 관심이 높아지면서 보다 빠른 체외 조직배양 기술의 필요성이 대두되었고, 현재 체외 장기 재생에 관한 연구와 실험이 지속적으로 이루어지고 있다.In general, incubators were limited to the ability to maintain a constant humidity and temperature while only supplying the appropriate concentration of carbon dioxide (CO ₂ ). However, as the concept of tissue engineering was established and interest in tissue regeneration as a means of treating diseases increased, the necessity of faster in vitro tissue culture technology emerged, and research and experiments on in vitro organ regeneration have been continuously conducted. .

이와 같이 체외에서의 조직과 장기의 재생 및 배양은 그 조건이 단순한 종래의 인큐베이터만으로는 부족한 것이 사실이다. 즉, 이러한 단일 인큐베이터는 단지 일정한 습도와 일정 농도의 이산화탄소(CO₂) 가스를 제공하고 유지하면서 일정 기간 원하는 세포나 조직을 보존하는 것이 그 주된 기능이다. 그런데 조직공학적인 목적을 달성하기 위해서는, 조직을 재생함에 있어 세포나 조직을 얼마나 신속하게 배양하는지의 여부가 가장 중요한 변수가 된다.As described above, it is true that the regeneration and culture of tissues and organs in vitro are not sufficient in the conventional incubator whose conditions are simple. In other words, such a single incubator is the main function of preserving the desired cells or tissues for a certain period of time while providing and maintaining a constant humidity and a certain concentration of carbon dioxide (CO ₂ ) gas. However, in order to achieve tissue engineering goals, how quickly the cells or tissues are cultured is the most important variable in tissue regeneration.

따라서, 이와 같은 단일 인큐베이터에서의 조직 재생 및 배양에서는, 임상 적용 시 시간적으로나 공간적으로 한계 상황에 대면하기 때문에, 인큐베이터 내의 환경을 인체 내의 환경과 동일하게 맞추어 주는 일 뿐만 아니라 조직이나 장기의 재생을 효과적으로 촉진하기 위한 조건을 조성해주는 기법이 필요하게 되는데 이를 위해서는 꾸준한 운동성을 부여하는 기계적인 자극을 제공하는 것이 매우 효과적이라고 알려져 있다.
다시 말해서, 최근에 이르러 세포로 인한 조직의 배양 및 형성에 생화학적인 인자뿐만 아니라 기계적인 자극이 조직의 배양과 형성에 많은 영향을 미치는 것으로 밝혀진 바, 이러한 원리는 단순한 것으로 인체의 어느 부분을 장기간 쓰지 않으면 퇴화하는 반면, 꾸준한 운동을 주게 되면 그 부분을 항상 건강한 상태로 유지할 수 있는 것과 같이, 이러한 꾸준한 운동이 기계적인 자극(mechanical stimuli)에 해당되는 것이다.Therefore, in tissue regeneration and culture in such a single incubator, since it faces the limit situation in time and space during clinical application, not only does the environment in the incubator equal to the environment in the human body, but also effectively regenerates tissues and organs. There is a need for a technique that creates a condition for facilitation, and it is known that it is very effective to provide a mechanical stimulus that gives a steady movement.
In other words, it has recently been found that mechanical stimuli as well as biochemical factors in the culture and formation of tissues caused by cells have a great influence on the culture and formation of tissues. If you do not degenerate, if you give a steady exercise, you can always keep the part healthy, this is a mechanical stimuli (mechanical stimuli).

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 세포나 조직의 배양 및 형성에 생화학적인 인자뿐만 아니라 기계적인 자극이 조직의 배양과 형성에 많은 영향을 미치기 때문에, 생화학적 및 기계적인 자극 을 체외에서 제공하되, 바이오 리액터(bio reactor)로서의 챔버를 다수개 가지는 인큐베이터에 가스와 배양액의 교환 기능과 교반 기능을 효과적으로 가미함과 더불어, 각각의 챔버를 개별 제어하여 최적의 조직 배양상의 조건을 자동 부여함으로써, 세포 또는 조직을 단기간에 체외 배양할 수 있는 조직 재생 장치를 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is not only biochemical factors, but also mechanical stimulation in the culture and formation of cells and tissues. Providing red and mechanical stimulation in vitro, the incubator with multiple chambers as a bioreactor effectively combines gas and culture exchange and agitation functions, and individually controls each chamber for optimal control. It is an object of the present invention to provide a tissue regeneration apparatus capable of culturing cells or tissues in vitro in a short time by automatically assigning conditions on tissue culture.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 조직 재생 장치는, 각각 독립된 임의의 크기로 분할된 다수의 공간(챔버)으로 이루어진 인큐베이터;In order to achieve the above object, the tissue regeneration apparatus according to the present invention comprises an incubator comprising a plurality of spaces (chambers) each divided into independent arbitrary sizes;

상기 인큐베이터 내에서 조직재생 기능을 수행하기 위해 세포나 조직의 배양 및 형성에 생화학적인 인자뿐만 아니라 기계적인 자극을 가하기 위한 액츄에이터;An actuator for applying not only biochemical factors but also mechanical stimulation to the culture and formation of cells or tissues to perform tissue regeneration in the incubator;

발효공학기술, 유기합성 및 정밀화학 기술을 토대로 하여 세포융합, 세포배양 및 바이오리액터 기법을 적용하여, 상기 개별 챔버에 대하여 개별 환경을 조성할 수 있도록 액츄에이터의 동작을 제어하는 챔버 환경 유지 프로그램; 및A chamber environment maintenance program for controlling the operation of the actuator to create individual environments for the individual chambers by applying cell fusion, cell culture, and bioreactor techniques based on fermentation engineering technology, organic synthesis, and fine chemical technology; And

상기 챔버 환경 유지 프로그램이 탑재되고, 멀티플렉서를 통해 신호를 전달하여, 상기 다수의 액츄에이터를 개별 작동시키기 위한 제어기가 내장된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.And a computer in which the chamber environmental maintenance program is mounted and which has a controller for transmitting a signal through a multiplexer to individually operate the plurality of actuators.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

부호 '10'은 멀티플렉서로서, 디지털신호 전송에서의 다중화장치인 복수회로의 입력신호 중에서 선택제어 신호에 의해 어느 하나의 입력신호를 선택하여 출력 회로에 실어주는 기능을 수행하는 데이터 선택 논리회로이다. Reference numeral '10' is a multiplexer, which is a data selection logic circuit which performs a function of selecting one input signal from a plurality of input signals of multiple circuits, which are multiplexing devices in digital signal transmission, by means of a selection control signal and loading the output signal to an output circuit.

통상 멀티플렉서는 STDM(통계적 시분할방식)기법이나 TDM(시분할방식)기법을 채택, 통신채널을 공유토록 하는데, 여기서는 후술하는 다수의 액츄에이터(30)와 제어기(50) 사이에 설치·운용된다.In general, the multiplexer adopts an STDM (statistical time division method) technique or a TDM (time division method) technique to share a communication channel, which is installed and operated between a plurality of actuators 30 and a controller 50 described later.

앞서 기술한 바와 같이, 이 멀티플렉서(10)에는 전기신호를 물리적인 운동으로 변환하는 다수의 액츄에이터(30)가 연결되어 있다.As described above, the multiplexer 10 is connected with a plurality of actuators 30 for converting electrical signals into physical motion.

또, 상기 액츄에이터(30)는 조직재생 기능을 효과적으로 하기 위해 세포나 조직의 배양 및 형성에 생화학적인 인자뿐만 아니라 기계적인 자극을 가할 수 있도록 인큐베이터(100)에 연결되어 있다.In addition, the actuator 30 is connected to the incubator 100 to apply a mechanical stimulus as well as biochemical factors to the culture and formation of cells or tissues in order to effectively function tissue regeneration.

이러한 액츄에이터(30)는 전자밸브와 단동 실린더를 구비하여 신호전달에 의거한 전원에 따라 작동되어 이산화탄소 저장탱크(40)로부터 일정 압력을 가진 일정량의 가스를 항시 실린더 내에 충전하도록 구성된다.The actuator 30 is provided with a solenoid valve and a single acting cylinder to operate in accordance with a power source based on signal transmission, and is configured to always fill a cylinder with a predetermined amount of gas having a predetermined pressure from the carbon dioxide storage tank 40.

또한, 상기 인큐베이터(100)는 멀티플렉서(10)와 액츄에이터(30)를 통해 기존의 발효공학기술, 유기합성 및 정밀화학 기술을 토대로 하는 세포융합, 세포배양 및 바이오리액터 기법을 적용하도록 각각에 대하여 개별 환경을 조성할 수 있는 다수의 챔버(110)들로 구획되어 있다.In addition, the incubator 100 through the multiplexer 10 and the actuator 30 to apply cell fusion, cell culture and bioreactor techniques based on existing fermentation technology, organic synthesis and fine chemical technology, respectively for each individual It is partitioned into a number of chambers 110 that can create an environment.

또한, 상기 인큐베이터는 각각의 챔버에 대해 챔버 내 환경을 감지할 수 있는 센서(120)가 연결되고 각각의 센서(120)는 센서용 멀티플렉서(130)와 연결되어 있으며 센서용 멀티플렉서(130)와 컴퓨터(20) 사이에는 상기 개별 공간의 환경을 독립적으로 제어하기 위해서 센서(120)를 통해 들어온 이들의 데이터를 분석하여 피드백하고 제어하는 제어기(50)가 연결된다.In addition, the incubator is connected to the sensor 120 that can sense the environment in the chamber for each chamber, each sensor 120 is connected to the sensor multiplexer 130, the sensor multiplexer 130 and the computer Between the 20 is connected to the controller 50 to analyze, feed back and control the data of the data entered through the sensor 120 to independently control the environment of the individual space.

여기에서, 상기 챔버(110)의 환경은, 센서(120)로부터의 신호가 센서용 멀티플렉서(130)와 제어기를 통해 컴퓨터(20)내에 탑재된 분석용 프로그램(140)으로 분석된 뒤 미리 설정된 챔버(110)내의 환경조건에 따라 제어기(50)와 액츄에이터(30)를 통해 챔버 내 환경이 제어되는 바, 최적의 조직배양 효율을 발휘할 수 있는 생물학적 인자 제공 공정 및 조직 배양에 적합한 압력유지 공정, 배양액의 적정 농도 유지 공정, 배양액의 교환 및 교반 공정, 및 가스 압력 등과 같은 기계적인 자극(mechanical stimuli)을 가하는 공정을 수행하기 위한 챔버 환경 유지 프로그램에 의해 조직배양에 적합하도록 제어된다.Here, the environment of the chamber 110 is a chamber set in advance after the signal from the sensor 120 is analyzed by the analysis program 140 mounted in the computer 20 through the sensor multiplexer 130 and the controller. The environment in the chamber is controlled through the controller 50 and the actuator 30 according to the environmental conditions in the 110, a process for providing a biological factor capable of exhibiting an optimal tissue culture efficiency, a pressure maintaining process suitable for tissue culture, and a culture medium It is controlled to be suitable for tissue culture by a chamber environmental maintenance program for performing a process for maintaining a proper concentration of the medium, a process for exchanging and stirring the culture medium, and applying a mechanical stimuli such as gas pressure.

물론, 상기 인큐베이터(100)에는 배양액의 교반 및 운동성을 부여하기 위한 진동자, 회전자 및 교반자 등을 포함한 기계적 자극 수단이 설치된다.Of course, the incubator 100 is provided with mechanical stimulation means including a vibrator, a rotor, a stirrer, and the like for imparting agitation and motility of the culture solution.

다음에, 이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.Next, the operation and effect of the present invention thus constructed will be described.

먼저, 사용자가 챔버 내 환경유지 프로그램(140)을 가동시켜, 챔버 번호와, 해당 세포나 조직의 배양 조건을 찾아 선택하면, 상기한 프로그램(140)이 작동하면서, 컴퓨터(20)의 회선접속장치를 통해 디지털 신호로 멀티플렉서(10)에 전송된다.First, when the user operates the environmental maintenance program 140 in the chamber and finds and selects the chamber number and the culture condition of the cell or tissue, the program 140 operates, and the line connection device of the computer 20 is operated. It is transmitted to the multiplexer 10 as a digital signal through.

또, 상기 멀티플렉서(10)에 신호 전송되면, 상기 멀티플렉서(10)에 연결된 해당 챔버 작동용 액츄에이터(30)가 선택적으로 작동하게 된다.In addition, when a signal is transmitted to the multiplexer 10, a corresponding chamber operation actuator 30 connected to the multiplexer 10 is selectively operated.

이때, 상기 챔버(110)에 설치된 습도센서, 온도센서, 가스 압력 측정센서 등이 작동하면, 컴퓨터(20)에서는 상기 센서(120)들의 감지신호를 전송 받아, 챔버(110)내의 최적의 조직배양 효율을 발휘할 수 있는 공정을 연속적으로 수행할 수 있도록 해당 액츄에이터(30)를 작동시킨다.At this time, when the humidity sensor, the temperature sensor, the gas pressure measurement sensor, etc. installed in the chamber 110 is operated, the computer 20 receives the detection signals of the sensors 120, the optimal tissue culture in the chamber 110 The actuator 30 is operated to continuously perform a process that can exhibit efficiency.

이와 같이, 세포나 조직의 배양 및 형성에 생화학적인 인자뿐만 아니라 기계적 자극을 제공하고 통제함으로써 보다 신속한 조직 배양이나 세포성장이 가능하다.Thus, by providing and controlling not only biochemical factors but also mechanical stimuli in the culture and formation of cells or tissues, faster tissue culture or cell growth is possible.

또한, 상기 인큐베이터는 각기 다른 세포나 조직을 각각 다른 챔버 내에 배양 및 재생시키거나, 혹은 동일한 세포나 조직을 각기 다른 환경에서 배양하는 일이 가능하기 때문에 보다 신속하고 효율적이며 효과적인 재생기능을 발휘하게 된다.In addition, the incubator is capable of culturing and regenerating different cells or tissues in different chambers, or culturing the same cells or tissues in different environments, thereby providing a faster, more efficient and effective regeneration function. .

물론, 상기 프로그램(140)은 개별 센서(120)들과 각 액츄에이터(30)들과의 연동 관계를 확립한 데이터를 챔버 조건별로 데이터베이스(150)화하여, 다음의 해당 조직을 배양 및 재생할 경우에 분석자료로 활용할 수 있도록 구성되어 있다.Of course, when the program 140 cultivates and reproduces the following tissues by making a database 150 for each chamber condition, the data establishing the linkage relationship between the individual sensors 120 and the respective actuators 30 is formed. It is configured to be used as analysis data.

실제로, 실험에 의하면, 어미 쥐의 뱃속에 있는 태아에서 퇴화되는 뼈를 추출하여 생화학적인 자극과 함께 지속적인 기계적 자극을 체외에서 제공할 경우, 퇴화하지 않고 꾸준히 성장할 수 있음이 밝혀졌다.Indeed, experiments have shown that extracting degenerated bones from the fetus in the mother's stomach provides a sustained mechanical stimulus in vitro with biochemical stimulation, allowing it to grow steadily without degeneration.

따라서, 세포나 조직 배양시 단일 인큐베이터가 가지는 기존 기능과 바이오 리액터 기법을 결합하고 또한 기계적 자극이 제공되는 기능을 추가하여 이러한 조건들이 주어진 조건에 따라 제어 가능하도록 함으로써 신속하고 효과적이며 효율적인 조직 배양 능력을 갖춘 다 기능성 인큐베이터를 제공할 수 있게 되는 것이다.Thus, by combining bioreactor techniques with existing functions of a single incubator in cell or tissue culture, and by adding mechanical stimulation, these conditions can be controlled according to given conditions, providing fast, effective and efficient tissue culture ability. It will be possible to provide a multifunctional incubator.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 조직 재생 장치에 의하면, 인큐베 이터의 내부 공간을 사용자의 의도에 따라 임의의 크기를 갖는 각기 독립된 공간으로 구성하여 이루어진 가변적 크기의 챔버와; 상기 분할된 각 챔버(공간)에 독립적으로 이산화탄소의 출입, 습도 조절, 생화학적 인자 및 가스 압력 등의 기계적 자극을 개별적으로 부여하기 위한 액츄에이터와; 상기 개별 공간의 환경을 독립적으로 제어하기 위한 감지장치 및 이들의 데이터를 분석하여 피드백하고 제어하는 제어기 및 컴퓨터 프로그램을 구축함으로써, 생화학적 인자와 기계적 자극을 선택적으로 제공함에 따른 신속하고도 효율적인 조직배양을 가능케 함과 함께, 사용자가 의도하는 바에 따라, 가장 적합한 조건을 객관적이고도 효율적인 방법으로 리포트화하여 이 리포트의 리스트별로 각 조건을 카테고리화하여 종합적인 분석을 수행할 수 있도록 한다는 매우 뛰어난 효과가 있다.As described above, the tissue regeneration apparatus according to the present invention includes a chamber having a variable size consisting of an independent space having an arbitrary size according to a user's intention; An actuator for individually imparting mechanical stimulation such as carbon dioxide entry, humidity control, biochemical factors and gas pressure to each of the divided chambers (space); By constructing a sensing device for independently controlling the environment of the individual space and a controller and a computer program that analyzes, feeds back and controls their data, it provides rapid and efficient tissue culture by selectively providing biochemical factors and mechanical stimuli. In addition to making it possible, the most effective effect is to report the most suitable conditions in an objective and efficient way according to the user's intention and to categorize each condition by the list of this report for comprehensive analysis. have.

Claims

In the tissue regeneration device to help the culture and formation of the tissue by maintaining the setting environment in the incubator,

An actuator inside the incubator, each of which is line-connected with a plurality of chambers in the incubator, each of which is divided into a plurality of chambers having various sizes independently;

A controller for controlling an operation of an actuator for opening and closing a plurality of lines connected to each chamber to maintain a setting environment of the chambers in line with the actuator;

A multiplexer arranged between the controller and the actuator to convert an electrical signal into physical motion;

Each sensor connected to each chamber of the incubator so as to sense an environment in each chamber;

A sensor multiplexer connected to the sensors;

The multiplexer for the sensor comprises a computer connected via the controller,

The controller analyzes, feeds back and controls their data coming through the sensor to independently control the environment of the individual space,

The incubator includes a mechanical stimulus means including a vibrator, a rotor, a stirrer, and the like for imparting agitation and mobility of the culture medium,

The actuator is provided with a solenoid valve and a single acting cylinder and is operated by a power source based on signal transmission to be controlled by the controller to always fill a cylinder with a set amount of gas having a set pressure from a carbon dioxide storage tank. Tissue regeneration device.

A tissue regeneration method using the tissue regeneration device according to claim 1.