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Kafe 바로가기주관연구기관 | 나노바이오시스(주) |
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연구책임자 | 김성우 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2015-11 |
과제시작연도 | 2014 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO201600017466 |
과제고유번호 | 1415136851 |
사업명 | 산업융합기술산업핵심기술개발사업 |
DB 구축일자 | 2017-09-20 |
키워드 | 나노구조구배.용액구배.복합구배.줄기세포.분화.형광검출.세포자동인식 시스템.스크리이닝 시스템. |
최종목표
ㅇ 복합구배 (나노구조 표면 구배 및 성징/분화인자 용액구배) 기술을 응용한 줄기세포 최적 배양조건 초고속 자동 스크리닝 시스템 개발
- 줄기세포 배양용 나노구조 구배표면 (column type, pore type; ordered, slightly ordered, random types) 기술 개발
- 용액구배 구현을 위한 미소유체 칩 (1D gradient chip, 2D gradient chip) 생산 기술 개발
- 조합희석-다중복합구배 (2D-complex gradient) 일체형 세포배양 칩 생
최종목표
ㅇ 복합구배 (나노구조 표면 구배 및 성징/분화인자 용액구배) 기술을 응용한 줄기세포 최적 배양조건 초고속 자동 스크리닝 시스템 개발
- 줄기세포 배양용 나노구조 구배표면 (column type, pore type; ordered, slightly ordered, random types) 기술 개발
- 용액구배 구현을 위한 미소유체 칩 (1D gradient chip, 2D gradient chip) 생산 기술 개발
- 조합희석-다중복합구배 (2D-complex gradient) 일체형 세포배양 칩 생산 기술 개발
- 복합구배를 이용한 줄기세포 최적배양조건 초고속 3종 스크리닝 시스템 제작
- 특정형광반응세포 자동인식기술 개발
- 줄기세포 반응 스크린용 생물학적 기법 연구
개발내용 및 결과
(1) 개발내용
ㅇ 조합희석-복합구배 일체형 세포배양 칩 개발
- 수용성 물질의 농도 구배 구현 시 다양한 화합물 즉 성장인자 및 저분자물질 등 3종 이상 화합물의 다양한 조합을 신속하고 정확하게 만들어 낼 수 있는 조합 희석칩 개발함.
- 세포배양 표면의 나노구조 구배 (nanostructure-gradient)와 세포배양 용액 내 수용성 물질의 농도 구배 (concentration-gradient)를 동시에 구현할 수 있는 2차원 복합구배 칩 (2D complex gradient chip)을 일체화한 세포배양 칩을 개발함.
ㅇ 줄기세포 배양조건 초고속 자동 스크리닝 시스템 개발
- 2세부과제 및 3세부과제에서 개발될 줄기세포 특정반응 reporter system1)에 의한 세포 형광반응을 인식하고 복합구배 세포배양 칩의 칩별, 영역별 형광발광 세포 수를
- 세포배양 영역 스캐닝을 위한 광학시스템-스테이지 연동모듈이 장착된 초고속 자동 스크리닝 시스템3)을 개발함.
ㅇ 나노구조 배양표면 세포배양 용기
- 본 1세부과제에서 개발될 나노구조표면 제조기술 및 나노구조 구배 기술과 2세부과제에서 개발된 나노구조표면 양산기술을 융합하여 줄기세포의 최적배양 시스템용 나노구조 배양표면 세포 배양용기를 개발함.
(2) 개발결과
ㅇ 조합희석-복합구배 일체형 세포배양 칩 개발
- 1차년도 결과
· 3세부 1차원 농도구배 칩 설계(안)을 참조하여 미소유체회로 1차원 농도구배 칩을 설계함. (PDMS 칩 3종 , PS 칩 2종)
· PDMS 칩 3종에 대한 시뮬레이션 결과 3종 모두 농도구배 확인함.
· PDMS 칩 성능 결과를 바탕으로 PS재질의 플라스틱 칩 2종을 제작함.
· 실린지 펌프를 사용하여 시료 2종 (Red & Blue dye_조합희석) 에 대한 성능평가 결과 시료의 희석 및 농도구배가 효율적으로 구현됨을 확인함.
· PS재질의 1차원 농도구배 칩의 접합력 실험결과 100개중 95개의 칩에서 누수현상 없음을 확인함. (정량적 목표달성)
- 2차년도 결과
· 3세부 1차원 농도구배 칩 설계 (안)을 참조하여 PS 재질의 칩 2종(A & B Type)을 제작함.
· 시료 2종에 대한 1차원 농도구배 성능평가결과 실린지 펌프 유속 0.5mL/min이하의 유속에서 A Type의 R-Square 값은 0.981 ~0.999 , B Type의 R-Square 값은 0.948 로 높은 신뢰성 결과를 확인함.
· 나노구조 구배표면 기술이 적용된 나노구조 물(칩) 과 접합 가능한 1차원 복합구배 칩을 제작함.
· 시료 2종에 대한 1차원 복합구배 칩의 농도구배 성능평가 결과 0.5mL이하의 유속에서 농도구배 구현을 확인하였으며, R-Square값은 0.982 이상의 높은 신뢰성 결과 얻음.
· 시료 4종에 대한 조합희석과 농도 및 나노구조 구배가 가능한 2차원 복합구배 칩을 설계 및 성능평가 결과 0.5mL 유속에서 이론적 농도구배 값 대비 40% 정확도를 나타냄.
· 1차원 농도구배 및 2차원 복합구배 칩의 접합력 실험결과 100개 중 98개의 칩에서 누수현상 없음을 확인함. (정량적 목표달성)
- 3차년도 결과
· 2차원 복합구배 칩 2종 (채널 & 챔버타입)을 설계 및 제작함.
· 채널타입의 2차원 복합구배 칩 성능평가 결과 농도구배 오차율은 60%로 나타남.
· 챔버타입의 2차원 복합구배 칩 성능평가 결과 농도구배 오차율은 5% 내외로 정확한 농도구배가 완성됨. (Pump 구동방식)
· PS 재질의 2차원 복합구배 칩을 플라즈마 처리한 결과 18시간 이후Contact Angel 60°로 표면 상태가 안정화되는 것을 확인함.
· (챔버타입) 2차원 복합구배 칩의 접합력 측정결과 100개중 100개의 칩에서 누수현상 없음을 확인함. (정량적 목표달성)
ㅇ 줄기세포 배양조건 초고속 자동 스크리닝 시스템 개발
- 1차년도 결과
· 세포자동인식 (비전시스템) 모듈과 연동된 CCD 카메라 픽셀 수는 1.3 Mega Pixel, 광학 측정 속도는 5 frame/sec의 결과를 나타냄. (자체평가진행)
· 전동 스테이지 규격은 243mm X 243mm X 74mm이며, X축과 Y축으로 구성하였으며, Z축은 포토센서를 사용하여 자동 초점 기능을 추가함.
· 3차원 속도 프로파일을 적용하여 전동 스테이지 정밀도 측정결과 50um 이내의 정확도를 달성함. (정량적 목표달성)
· 광학 모듈 구성하여 100X의 광학배율 구현 및 GFP (Green Fluorescent Protein_excitation : 482nm & emission : 502nm) 형광을 검출함. (정량적 목표달성)
- 2차년도 결과
· CCD 카메라 픽셀 수는 1.4 Mega pixel , 광학 현미경 측정 속도는 12.5 frame/sec으로 1차년도 결과보다 향상된 성능을 구현함. (자체평가진행)
· 전동 스테이지 (405mm X 155mmX50mm)를 설계 및 제작하여 연동 모듈에 탑재 후 X축 및 Y축 80mm 왕복 운동한 결과 25um이내의 정밀도를 달성함. (정량적 목표달성).
· 형광(GFP) 및 인광(Renilla Luciferase)을 위한 Cooled CCD Camera를 적용한 광학 시스템 모듈 개발 진행 및 측정에 성공함. (형광_정량적 목표달성 , 인광_자체평가진행)
· 실린지 펌프 모듈 (130mm X 363mm X 180mm) 제작 및 성능평가 결과 flow Rate : 0.0001uL ~ 220mL/min로 정상 동작됨을 확인함.
· 비전시스템을 통한 세포 자동인식을 확인함.
· 전동 스테이지, 실린지 펌프, 비전 시스템 및 카메라 모듈을 소프트웨어 및 UI와 연계 후 정상 동작됨을 확인함.
- 3차년도 결과
· CCD 카메라 픽셀 수는 2 Mega pixel , 광학 현미경 측정 속도는 35 frame/sec으로 향상된 성능을 구현함. (정량적 목표달성)
· 전동 스테이지 (900mm x 450 x 75mm)를 제작하여 X축:290mm , Y축 :40mm, Z축:25mm 구간에서 반복정밀도 결과 X축:2um , Y축 :12um, Z축:1um 로 <12um이내의 정밀도를 달성함. (정량적 목표달성).
· 광학 모듈 구성하여 50~200X의 광학배율 구현 및 형광 3종 GFP (excitation : 482nm & emission : 502nm) , RFP (excitation : 560nm & emission : 593nm) , DAPI (excitation 358nm & emission 461nm)의 형광을 검출함. (정량적 목표달성)
· 비전시스템을 통한 세포 자동인식을 확인함.
· 인큐베이터 제작 및 성능평가 결과 정상동작을 확인함 (O2 95%, CO2 5%, 온도 38도,습도 80% 유지)
· Pump 시스템 모듈의 정상동작을 확인 및 농도구배 구현 확인. (오차율 Piezo Pump : 0.62% & Suction pump : 19.72% )
· 비전 및 광학시스템 , 전동 스테이지 , 인큐베이터 , Pump 시스템을 통합한 초고속 스크리닝 시스템의 정상동작 및 줄기세포배양을 성공함.
· 소프트웨어를 통한 줄기세포 개수, 크기를 측정함.
ㅇ 나노구조 배양표면 세포배양 용기
- 1차년도 결과
· 연구 결과 여러 크기구배를 갖는 나노구조표면을 각기 다른 전해액을 이용해 제작해내는데 성공하였으며 타 세부 연구기관에 세포실험용으로 공급 성공.
· 또한 LIL 기술을 이용한 매우 정렬된 형태의 quartz 나노구조표면 제작 성공.
- 2차년도 결과
· 연구결과 100~400nm의 크기구배를 갖는 나노구조표면의 구간 세분화를 실시, 최적 스크리닝 구간 탐색용 나노구조표면 제작에 성공.
· 2세부부터 도입된 나노임프린트기기인 NX-2000 도입으로 원활하게 세포배양용 나노구조표면 제작 및 공급함.
· 1세부 주관기관인 (주)나노바이오시스 와의 협업으로 복합구배 칩용 나노구조표면 설계 및 1차원 농도구배칩용 나노구조표면 제작 및 공급에 성공함.
· 또한 LIL 기술을 이용, curved mirror를 이용한 중심간격구배를 지닌 나노구조표면 개발과 ND filter를 이용한 크기구배를 지닌 나노구조표면 개발을 성공함.
- 3차년도 결과
· 연구결과 복합구배 칩용 나노구조표면 제작을 위한 선택적 양극산화기술을 개발해 나노구조표면 제작 후 (주)나노바이오시스에 공급.
· 또한 전압 조절을 통한 AAO 구조의 중심간격조절기술을 개발하는데 성공함.
· AAO의 한계인 내구성 극북을 위해 전기도금을 통한 니켈 몰드제작에도 성공.
기술개발 배경
ㅇ 세계 줄기세포 치료제의 시장규모가 2015년 약 600억 달러로, 18년 1200억 달러로 점차 증가할 것으로 전망됨. 이 중 약 15% 정도가 대량 생산 공정을 위한 자동 배양 시스템 혹은 고속 스크리닝 시스템 등을 포함하는 연구 서비스 분야에 해당됨. 향 후 ‘치료제 중심’의 성장이 예상되며, 치료제의 산업화가 진행되면서 그것의 실용화를 위한 관련 기술들의 시장역시 커질 것으로 예상됨.
ㅇ 세계적으로 cell based high content screening market은 약 15%의 성장률을 보이며 2015년 현재 15억 달러 규모 정도의 시장 까지 성장함. GE Healthcare, ThermoFisher, PerkinElmer 등이 주요 업체로 매출 전체의 50% 이상을 차지하고 있음. 현재 이 기술은 drug discovery에 주로 사용됨.
ㅇ 줄기세포와 관련된 치료제 및 신약개발의 수요가 증가와 관련한 산업 발전에 따른 연구가 활발히 진행되고 있음. 따라서 해외제품 대체 및 시장 개척을 위한 기반기술 연구가 필요함.
ㅇ 나노/바이오 융합기술 개발을 통한 해당 분야 국내 연구 및 시장 경쟁력이 필요함.
핵심개발 기술의 의의
ㅇ 융합기술(나노/바이오) 통한 줄기세포 연구 한계 극복 가능함.
ㅇ 기존 줄기세포 배양 및 분석 방법 소요되는 시간 & 비용 절약
ㅇ 국내 기술을 집약하여 “줄기세포 초고속 자동 스크리닝 배양 시스템”시제품 제작, 국내외 기술 및 제품의 우수성을 바탕으로 국내외 시장에 진입할 예정임.
적용 분야
ㅇ 줄기세포 R&D 분야(원천기술)
ㅇ 세포배양용기 제작, 생산 분야
ㅇ 세포 자동 배양 분야
ㅇ 줄기세포 치료제 분야
ㅇ 신약개발 분야
(출처: 기술개발사업 최종보고서 초록)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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