KR101301007B1

KR101301007B1 - 혈관 내 피에이치 측정을 위한 플렉시블 피에이치 센서

Info

Publication number: KR101301007B1
Application number: KR1020110128921A
Authority: KR
Inventors: 김진석; 서준교; 박형달; 강성철
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-08-29
Also published as: KR20130062574A

Abstract

본 발명은 플렉시블 pH 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는, 생체적합성을 갖는 유연한 재료를 이용하며 혈관 삽입이 용이한 크기를 갖는 플렉시블 pH 센서에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 pH 센서는, 유연한 재료로 이루어지는 기판; 상기 기판 상에 포토리소그래피와 리프트-오프 공정을 통해 형성되어 pH 농도 측정을 수행하는 기준 전극과 작용 전극; 및 상기 기준 전극과 작용 전극 사이에 형성되는 ISFET를 포함하며, 상기 기판은 의학용 주사바늘에 삽입가능하도록 가로와 세로 크기가 각각 300㎛ 내지 500㎛ 로 이루어진다.

Description

혈관 내 피에이치 측정을 위한 플렉시블 피에이치 센서 {FLEXIBLE PH SENSOR FOR MEASURING A PH IN A BLOOD VESSEL}

본 발명은 플렉시블 pH 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는, 생체적합성을 갖는 유연한 재료를 이용하며 의학용 주사바늘을 이용하여 혈관 삽입이 용이한 크기를 갖는 플렉시블 pH 센서에 관한 것이다.

pH 센서는 용액의 pH를 측정하기 위한 센서이며, 근래에는 pH 센서를 소형화하여 임상의학의 분야에서 모니터용으로서 사용하고 있다. 특히, 뇌 수술 시에 있어서, 뇌는 산소 공급이 중단되면 기능이 정지하고, 이 상태가 지속되면 4~5분 내에 재생불능의 뇌세포 파괴가 일어나므로, 뇌에 공급되는 산소를 실시간으로 모니터링 할 필요성이 크다.

신체는 정상일 때, 혈액 내의 이산화탄소와 산소의 분압이 일정하게 유지되지만, 산소 공급이 충분하지 못한 경우, 혈액의 이산화탄소 분압이 상승하게 된다. 이 상태에서, 혈중 이산화탄소가 뇌 장벽을 통과하여 뇌척수액에 유입되며, 뇌척수액의 물(H₂O)과 결합하여 H⁺ 이온을 발생시켜 뇌척수액의 pH 농도가 낮아지게 된다. 상기와 같은 뇌척수액의 pH 의 측정을 위해, 종래에는 뇌하수체에 pH 센서를 삽입하여 측정하였으나, 이 경우, 뇌수술시 위험성이 크고, 수술부위에서 이뤄지는 워싱(washing)이나 흡입(suction)과 같은 행위로 인해서 정확한 pH 농도 측정이 어렵다는 문제점이 있다.

도 1은 종래의 pH 모니터링 장치를 도시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 뇌의 pH 모니터링을 위해, 종래의 논문, 뇌의 pH 체내 모니터링을 위한 새로운 ISFET 카테테르 피막형성 기술(NEW ISFET CATHETERS ENCAPSULATION TECHNIQUES FOR BRAIN PH IN-VIVO MONITORING)은, 기존의 pH 센서에 사용되는 Ag/AgCl/KCL 용액이 아닌 은(silver) 전극, 즉, 고체 박막형 전극을 이용한 pH 센서가 집적된 카테테르를 이용하여, 임상학적으로 혈관을 통한 pH 모니터링 가능성을 제시한다.

그러나, 상기 논문에서 제안된 카테테르의 경우, 특정 혈관에만 삽입이 가능한 크기를 가지고 있으므로, 사용에 있어서 제약이 따른다. 또한, 카테테르가 혈관에 삽입 시, 카테테르의 강성(rigidity)으로 인해 혈관 손상이 야기될 수 있으며, 크기로 인해서 혈관 내 혈액이 흐를 수 있는 공간을 협소하게 만들어, 혈액의 흐름을 방해하여 뇌압이 상승하는 역효과를 일으키기도 한다.

따라서, 혈관 손상을 최소화하면서, 혈액의 pH 농도 측정을 용이하게 수행할 수 있는 기술이 요구된다.

비특허문헌 1: NEW ISFET CATHETERS ENCAPSULATION TECHNIQUES FOR BRAIN PH IN-VIVO MONITORING : Liby Sudakov-Boreysha et al., IEEE 2004, 424-426면

본 발명의 목적은 의학용 주사바늘을 통해 혈관 내에 삽입가능한 크기를 갖는 생체적합성을 지닌 플렉시블 pH 센서를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 pH 센서는, 유연한 재료로 이루어지는 기판; 상기 기판 상에 포토리소그래피와 리프트-오프 공정을 통해 형성되어 pH 농도 측정을 수행하는 기준 전극과 작용 전극; 및 상기 기준 전극과 작용 전극 사이에 형성되는 ISFET를 포함하며, 상기 기판은 의학용 주사바늘에 삽입가능하도록 가로와 세로 크기가 각각 300㎛ 내지 500㎛ 로 이루어진다.

상기 기판은 후막 포토레지스트 또는 고분자 물질로 이루어질 수 있다.

상기 기준 전극은 Au 전극이 될 수 있다.

상기 작용 전극은 나노다공성 금속으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 플렉시블 pH 센서는 생체적합성을 갖는 유연한 재료로 구성되므로, 혈관 내에 삽입이 용이하며 혈관 손상도 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 플렉시블 pH 센서는 의학용 주사바늘을 통해 혈관 내에 삽입가능한 크기를 가지므로, 사용이 편리하다는 효과가 있다.

도 1은 종래의 pH 모니터링 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 pH 센서를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 플렉시블 pH 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 플렉시블 pH 센서가 의학용 주사바늘을 이용하여 혈관 내에 삽입된 상태를 도시하는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플렉시블 pH 센서에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 pH 센서를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 플렉시블 pH 센서의 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 플렉시블 pH 센서(100)는, 기판(110), 기준 전극(reference electrode)(120), 작용 전극(working electrode)(130) 및 ISFET(Ion-Selective Field Effect Transistor)(140)을 포함한다.

기판(110)은 생체적합성을 가지며, 유연한 재료로 이루어진다. 또한, 기판(110)은 의학용 주사바늘의 내경에 삽입가능한 크기로 제조되며, 예를 들어, 가로와 세로 크기는 각각 300㎛ 내지 500㎛로 구성된다.

본 발명의 플렉시블 pH 센서(100)는 기판(110)이 유연한 물질로 구성되므로, 혈관에 삽입 시 혈관 손상을 최소화할 수 있고, 의학용 주사바늘에 끼워서, 혈관 내로 삽입하므로 그 사용이 편리하다. 기판(110)은, 예를 들어, SU-8과 같은 후막 포토레지스트(thick photoresist) 또는 폴리이미드(polyimide)와 같은 고분자 물질로 이루어질 수 있다.

기준 전극(120)과 작용 전극(130)은 혈관 내 pH 농도 측정을 수행한다. 기준 전극(120)과 작용 전극(130) 사이에는 ISFET(Ion-Selective Field Effect Transistor)(140)가 형성되어, 2개의 전극(120, 130)이 반도체 전극의 형태가 된다. 따라서, 기준 전극(120)과 작용 전극(130)은 ISFET(140)의 소스/드레인 구조를 갖게 되며, 혈관 내 pH 변화에 따라 2개의 전극(120, 130) 사이에 드레인 전류의 변화가 발생하여, 이를 통해 혈관 내 pH 값을 구분한다.

pH 농도 측정은 기준 전극(120)과 작용 전극(130)에서 드레인 전류가 형성되는 전극의 전류를 측정하여, 전류 차이에 따라 pH 농도 측정 결과를 산출한다. 이를 위해, 제조된 플렉시블 pH 센서(100)의 감도(sensitivity)에 따른 농도별 데이터 피드백이 필요하다.

기준 전극(120)은 Au 전극으로 구성될 수 있으며, 작용 전극(130)은 나노다공성 금속(nanoporous metal)으로 구성될 수 있다. 상기 Au 전극과 나노다공성 금속은 기판(110) 상에 포토리소그래피(photolithography)와 리프트-오프(lift-off) 공정 방식을 적용하여 형성할 수 있다.

구체적으로, Au 전극은 이-빔 증착(E-beam evaporation)이나 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 기판(110) 상에 증착할 수 있으며, 나노다공성 금속은, 스퍼터링에서 기체(O₂) 삽입량을 조절하거나, 나노-파티클을 이용하거나, 전기 도금(electrodeposition) 방식을 이용하거나, 졸-겔(sol-gel) 방식을 통해 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 이 중, 스퍼터링에서 기체(O2) 삽입량을 조절하는 방식을 채택하는 경우, 기존의 보유 장비를 이용하여 조건 확립을 통해 나노다공성 금속을 형성할 수 있다.

본 발명의 플렉시블 pH 센서(100)는 액체 전극을 배제하고, 기준 전극(120)과 작용 전극(130)을 각각 Au 전극과 나노다공성 금속으로 구성함으로써, 생체적합성을 갖게 된다.

본 발명의 플렉시블 pH 센서(100)는, 예를 들어, 내경정맥 내에 삽입될 수 있으며, 뇌하수체의 pH 농도는 뇌에 공급되는 산소량에 대한 정보를 나타낸다. 본 발명의 플렉시블 pH 센서(100)를 뇌하수체에 삽입하는 경우, 뇌하수체에 pH 센서를 직접 삽입하는 종래의 방식보다 뇌수술시 위험성이 적고, 수술부위에서 이뤄지는 워싱(washing)이나 흡입(suction)과 같은 행위로 인해서 정확한 pH 농도 측정이 방해되는 것도 방지할 수 있다. 따라서, 뇌 수술 시에, 내경정맥의 pH 농도를 측정함으로써 보다 정확하게 환자의 뇌에 공급되는 산소량을 추정할 수 있으므로, 본 발명의 플렉시블 pH 센서(100)는 뇌의 산소결핍 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명의 플렉시블 pH 센서가 혈관 내에 삽입된 상태를 도시하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 전술한 바와 같이 본 발명의 플렉시블 pH 센서(100)는 의학용 주사바늘(200)에 끼워진 상태에서 혈관(300) 내로 삽입가능하므로, pH 센서(100)의 배치 및 사용이 용이하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 플렉시블 pH 센서
110: 기판
120: 기준 전극
130: 작용 전극
140: ISFET
200: 의학용 주사바늘
300: 혈관

Claims

혈관 내 pH 측정을 위한 플렉시블 pH 센서로서,
유연한 재료로 이루어지는 기판;
상기 기판 상에 포토리소그래피와 리프트-오프 공정을 통해 형성되어 pH 농도 측정을 수행하는 기준 전극과 작용 전극; 및
상기 기준 전극과 작용 전극 사이에 형성되는 ISFET를 포함하며,
상기 기판은 의학용 주사바늘에 삽입가능하도록 가로와 세로 크기가 각각 300㎛ 내지 500㎛ 이고,
상기 기준 전극과 작용 전극은 ISFET의 소스/드레인 구조를 가지며, pH 농도 측정은 상기 기준 전극과 작용 전극에서 드레인 전류가 형성되는 전극의 전류를 측정하여, 전류 차이에 따라 pH 농도 측정 결과를 산출하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 pH 센서.
제1항에 있어서, 상기 기판은 후막 포토레지스트 또는 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉시블 pH 센서.
제1항에 있어서, 상기 기준 전극은 Au 전극인 것을 특징으로 하는 플렉시블 pH 센서.
제1항에 있어서, 상기 작용 전극은 나노다공성 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉시블 pH 센서.