KR101500568B1 - 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템 - Google Patents

마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 버블 형성 후에 발생되는 역압으로 인한 마이크로 노즐로의 공기 유입을 방지하는 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 약물 공급 제어 방법은, 압력 발생용 액체로 채워져 밀폐되는 제1 공간과, 약물로 채워지며 마이크로 노즐 및 약물 공급구에 의해 외부와 연통되는 제2 공간과, 상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치와, 상기 제2 공간에 상기 약물 공급구를 통해 약물을 공급하는 약물 공급 장치를 포함하고, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 탄성막에 의해 분리됨과 함께, 상기 제1 공간의 적어도 일부 및 상기 제2 공간의 적어도 일부는 상기 탄성막에 접하는 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법에 있어서, 상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체 내에 버블을 발생시키기 위해 상기 에너지 집중 장치를 구동하는 단계; 및 상기 에너지 집중 장치를 구동하기 시작하는 시점으로부터 일정 시간 후에 상기 제2 공간으로 약물을 주입하도록 상기 약물 공급 장치를 구동하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템 {DRUG SUPPLY CONTROL METHOD FOR MICROJET DRUG DELIVERY DEVICE AND MICROJET DRUG DELIVERY SYSTEM}
본 발명은 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 버블 형성 후에 발생되는 역압으로 인한 마이크로 노즐로의 공기 유입을 방지하는 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템에 관한 것이다.
체내에 약물을 주입하는 약물 전달 시스템 (Drug Delivery System) 으로는, 전통적으로 바늘을 가진 주사기를 사용하여 왔다. 그러나, 이러한 전통적인 주사기는 주사 시의 통증으로 인해 환자들에게 공포의 대상이 되어 왔으며, 상처로 인한 감염의 우려 등의 피할 수 없는 문제점을 안고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 바늘없는 주사기 (Needle-free injector) 와 같은 약물 전달 시스템의 개발이 진행되고 있으며, 이러한 연구의 일환으로 약물을 마이크로젯 방식으로 고속 분사하여 피부의 표피를 통해 직접 체내에 침투시키는 방식의 약물 전달 시스템이 제시되고 있다.
이와 같은 마이크로젯 방식의 고속 분사를 일으키기 위해서는 약물을 정밀하고 강력하게 외부 (즉, 피부) 로 분사할 필요가 있다. 이러한 분사 방식으로는, 1930년대 이래로 다양하게 개발되어 왔는데, 최근 들어 압전 세라믹 소자를 이용한 분사 방식, 알루미늄 포일에 레이저 빔을 가함으로써 유발되는 충격파를 통한 분사 방식, 로렌츠 힘 (Lorentz force) 을 이용한 분사 방식 등의 다양한 분사 방식이 개발되었다. 또한, 최근에는 기존의 마이크로젯 방식의 분사와는 달리, 분사되는 약물의 양, 약물의 분사 속도 (즉, 약물의 침투 깊이) 를 미세하게 조절할 수 있으면서도, 연속적인 주사가 가능하며, 재사용이 가능한 레이저-버블 (laser-bubble) 방식의 마이크로젯 분사 방식이 개발되었다 (특허문헌 1 참조).
도 6은 기존의 레이저-버블 방식의 마이크로젯 약물 전달 장치의 원리를 설명한 측단면도이며, 도 7은 구형의 버블과 탄성막의 거동을 시간에 따라 나타낸 도면이다. 더 자세하게, 도 6(a) 는 약물의 분사 전 상태를 나타내고, 도 6(b) 는 약물이 분사되는 상태를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 기존의 레이저-버블 방식의 마이크로젯 약물 전달 장치 (1) 는, 압력 발생용 액체 (2) 를 수용하는 압력 챔버 (3) 와, 약물 (4) 을 수용하는 약물 챔버 (5) 와, 압력 발생용 액체 (2) 와 약물 (4) 사이에 배치되어 이 둘 사이를 분리하는 탄성막 (6) 과, 레이저 유닛 (7) 을 포함한다.
레이저 유닛 (7) 은 레이저 발생장치와 집광장치를 포함하여, 도 6(a) 와 같이 레이저 광의 초점이 압력 발생용 액체 (2) 내에서 맺히도록 설정된다. 초점에 집중된 에너지는, 도 6(b) 와 같이 액체 분자 구조를 붕괴 (breakdown) 시켜 급격한 기체 버블 (SB) 을 생성시키게 된다. 밀폐된 압력 챔버 (3) 내에서 버블 (SB) 이 발생함에 따라 압력 챔버 (3) 내의 압력이 증가하게 되며, 이로 인하여 탄성막 (6) 은 압력을 받게 된다. 이에 따라 도 6(b) 와 같이 탄성막 (6) 은 버블 (SB) 에 의해 약물 챔버 (5) 방향으로 변형되게 되며, 이에 따라 약물 챔버 (5) 내에 있던 약물 (4) 이 마이크로 노즐 (9) 을 통해 외부로 분사되게 된다.
한편, 배출된 약물 (4) 은 외부의 약물 공급 장치 (10) 에 의해 공급되어, 재분사가 가능한 상태로 설정된다.
상술한 바와 같은 기존의 레이저-버블 방식의 마이크로젯 약물 전달 장치 (1) 에서 버블 (SB) 이 생성되어 소멸되기까지 도 7과 같이 탄성막 (6) 이 변형된다 (비특허문헌 1 참조).
도 7을 참조하면, t1 부터 t3까지는 탄성막 (6) 이 아래쪽으로 변형되어 약물 챔버 (3) 내부의 압력이 증가하나, t4 이후에서는 버블 (SB) 이 소멸됨으로 인해 탄성막 (6) 이 다시 위쪽으로 탄성적으로 회복되면서 탄성막 (6) 과 인접한 약물 챔버 (5) 내부의 압력이 국소적으로 감소하게 된다.
탄성막 (6) 과 인접한 약물 챔버 (5) 내부의 압력이 국소적으로 감소되면, 마이크로 노즐 (9) 과 인접한 부분에 위치하는 약물에 인가되는 압력보다 낮아지게 되어, 결국 역압이 형성된다. 역압이 형성되면, 약물 (4) 이 위쪽으로 역류하게 되고, 결국에는 마이크로 노즐 (9) 을 통해 외부의 공기가 약물 챔버 (5) 내부로 유입되게 된다. 약물 챔버 (5) 내부로 유입된 공기는 약물 (4) 과의 비중 차이로 인해 탄성막 (6) 쪽으로 떠올라 자리잡게 되며, 재차 분사 시 탄성막 (6) 의 압력을 약물 (4) 로 직접 전달하는 것을 방해하여 분사 특성을 저하시키는 문제점을 야기하게 된다.
또한, 약물 챔버 (5) 에 약물 공급 장치 (10) 로 약물 (4) 을 공급하더라도 공기의 비중이 약물 (4) 보다 작기 때문에 공기가 외부로 배출되지 않고, 약물 (4) 만 배출되기 쉬워, 공기가 일단 탄성막 (6) 쪽으로 부유하게 되면 제거가 어려워진다.
(특허문헌 1)
한국특허공개 KR10-2011-0104409
(비특허문헌 1)
Experimental and numerical study of transient bubble-elastic membrane interaction, Turangan et al, J. Appl. Phys. 100, 054910 (2006)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 버블 형성 후에 발생되는 역압으로 인한 마이크로 노즐로의 공기 유입을 방지하는 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 공급 제어 방법은, 압력 발생용 액체로 채워져 밀폐되는 제1 공간과, 약물로 채워지며 마이크로 노즐 및 약물 공급구에 의해 외부와 연통되는 제2 공간과, 상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치와, 상기 제2 공간에 상기 약물 공급구를 통해 약물을 공급하는 약물 공급 장치를 포함하고, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 탄성막에 의해 분리됨과 함께, 상기 제1 공간의 적어도 일부 및 상기 제2 공간의 적어도 일부는 상기 탄성막에 접하는 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법에 있어서, 상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체 내에 버블을 발생시키기 위해 상기 에너지 집중 장치를 구동하는 단계; 및 상기 에너지 집중 장치를 구동하기 시작하는 시점으로부터 일정 시간 후에 상기 제2 공간으로 약물을 주입하도록 상기 약물 공급 장치를 구동하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 1회의 버블의 생성-소멸이 발생한 후 분사되는 약물의 양만큼 상기 약물 공급 장치가 약물을 상기 제2 공간에 공급한 후, 약물 공급을 중단하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 약물 공급 장치를 구동하는 단계는, 상기 탄성막의 변형에 의해 상기 제1 공간의 크기가 중가되다가 감소되기 시작하는 때부터 또는 그 이전에 실행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 약물 공급 장치를 구동하는 단계는, 상기 제2 공간 내부의 압력이 대기압보다 낮게 될 때 또는 그 이전에 실행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 에너지 집중 장치는 Er:YAG 레이저 장치인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 에너지 집중 장치는 전기 에너지를 집중시킬 수 있는 전기 전극인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 버블의 형상은 구형인 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템은, 압력 발생용 액체로 채워져 밀폐되는 제1 공간; 약물로 채워지며 마이크로 노즐 및 약물 공급구에 의해 외부와 연통되는 제2 공간; 상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치; 상기 제2 공간에 상기 약물 공급구를 통해 약물을 공급하는 약물 공급 장치; 및 상기 에너지 집중 장치와 상기 약물 공급 장치와 연결되어, 상기 에너지 집중 장치와 상기 약물 공급 장치의 구동신호를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 탄성막에 의해 분리됨과 함께, 상기 제1 공간의 적어도 일부 및 상기 제2 공간의 적어도 일부는 상기 탄성막에 접하며, 상기 제어부는, 상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체 내에 버블을 발생시키기 위해 상기 에너지 집중 장치를 구동시키고, 상기 에너지 집중 장치를 구동하기 시작하는 시점으로부터 일정 시간 후에 상기 제2 공간으로 약물을 주입하도록 상기 약물 공급 장치를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제어부는, 1회의 버블의 생성-소멸이 발생한 후 분사되는 약물의 양만큼 상기 약물 공급 장치가 약물을 상기 제2 공간에 공급한 후, 약물 공급을 중단하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제어부는, 상기 탄성막의 변형에 의해 상기 제1 공간의 크기가 증가되다가 감소되기 시작하는 때부터 또는 그 이전에 상기 제2 공간에 약물이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제어부는. 상기 제2 공간 내부의 압력이 대기압보다 낮게 될 때 또는 그 이전에 상기 제2 공간에 약물이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 에너지 집중 장치는 Er:YAG 레이저 장치인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 에너지 집중 장치는 전기 에너지를 집중시킬 수 있는 전기 전극인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 버블의 형상은 구형인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템에 따르면, 에너지 집중 장치와 약물 공급 장치가 연동되어 제어됨으로써, 마이크로 노즐로의 공기의 유입을 방지하면서, 약물의 공급 과정에서 불필요하게 누출될 수 있는 약물의 양을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 연속적인 분사 과정에서도 균일한 약물의 분사가 가능해짐으로써, 넓은 피부 범위에 행하는 피부과 시술과 같은 경우에 피부 전체에 균일하게 약물의 주입이 가능하여 높은 치료 효과를 기대할 수 있다.
도 1는 본 발명에 따른 약물 공급 제어 방법이 적용되는 약물 전달 장치를 포함하는 약물 전달 시스템의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b 는 광 파이버 팁의 형상에 따라 형성되는 버블의 형상을 측면에서 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 공급 제어 방법의 순서도이다.
도 4는 탄성막 하부 지점의 시간에 따른 압력 변화 그래프이다.
도 5는 약물 주입 장치에 인가되는 구동 신호를 나타낸 그래프이다.
도 6은 기존의 레이저-버블 방식의 마이크로젯 약물 전달 장치의 원리를 설명한 측단면도이다.
도 7은 구형의 버블과 탄성막의 거동을 시간에 따라 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 실시예인 마이크로젯 약물 전달 장치 (1100) 의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템 (1000) 에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 약물 공급 제어 방법이 적용되는 약물 전달 장치 (1100) 를 포함하는 약물 전달 시스템 (1000) 의 개략도이며, 도 2a 및 도 2b 는 파이버 팁 (1143) 의 형상에 따라 형성되는 버블 (SB) 의 형상을 측면에서 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하여, 먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 전달 시스템 (1000) 의 구성에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 약물 전달 시스템 (1000) 은 마이크로젯 방식의 약물 전달 장치 (1100) 와 이를 제어하는 제어부 (1200) 를 포함하여 구성된다.
도 1을 참조하면, 약물 전달 장치 (1100) 는 압력 챔버 (1110) 와, 약물 챔버 (1120) 와, 탄성막 (1130) 과, 레이저 장치 (1140) 와, 약물 주입 장치 (1150) 를 포함한다.
압력 챔버 (1110) 는 밀폐된 수용 공간 (제1 공간) 을 가지며, 내부에 압력 발생용 액체 (1111) 를 저장하고 있다. 압력 챔버 (1110) 는 대략 원통형으로 구성될 수 있으며, 제1 공간의 상부로는 레이저 광을 전달하는 광 파이버 (1142) 가 관통된 채로 막혀 있고, 제1 공간의 하부는 탄성막 (1130) 과 접하면서 막혀 있다.
이러한 압력 챔버 (1110) 내부를 채우는 압력 발생용 액체 (1111) 로는 일반적인 물이 사용될 수 있으며, 알코올이나 폴리에틸렌글리콜과 같은 고분자 졸 (sol) 및 젤 (gel) 등 다양한 액상 물질이 사용될 수 있다. 또한, 압력 발생용 액체 (1111) 로는 버블의 생성 시 잔여 버블의 최소화를 위해 가스 제거된 (degassed) 액체를 사용함이 바람직하다. 또한, 압력 발생용 액체 (1111) 로 순수 (純水) 에 전해질 (소금 등) 을 첨가하게 되면 분자들이 이온화되어 액체의 분자 구조 붕괴에 필요한 에너지가 작아지므로 더 좋은 효율로 버블을 형성할 수 있어서, 더욱 바람직하다.
약물 챔버 (1120) 는 압력 챔버 (1110) 의 하부에 위치하며, 밀폐되지 않은 수용 공간 (제2 공간) 을 가지고, 내부에 약물 (1121) 을 저장하게 된다. 약물 챔버 (1120) 의 하부에 탄성막 (1130) 과 대향되도록 마이크로 노즐 (1122) 이 형성되며, 탄성막 (1130) 과 인접한 측부에는 약물 공급구 (1123) 가 형성된다.
제2 공간은 마이크로 노즐 (1122) 과 약물 공급구 (1123) 에 의해 밀폐되지 않은 상태로 형성되며, 약물 공급구 (1123) 에 의해 약물 (1121) 이 제2 공간으로 유입되고, 마이크로 노즐 (1122) 을 통해 약물 (1121) 이 제2 공간으로부터 유출된다.
또한, 제2 공간은 탄성막 (1130) 측으로부터 마이크로 노즐 (1122) 측으로 가면서 단면적이 작아지게, 즉 테이퍼 형상으로 형성된다. 이를 통해 탄성막 (1130) 의 압력이 마이크로 노즐 (1122) 로 집중되어 더 분사속도가 높은 마이크로젯을 형성할 수 있다.
마이크로 노즐 (1122) 의 직경은 다양하게 설정될 수 있으며, 예를 들어 150 ㎛ 이하로 형성될 수 있다. 마이크로 노즐 (1122) 의 직경은 원하는 분사속도, 분사량 등에 의해 다양하게 결정될 수 있다.
한편, 마이크로 노즐 (1122) 의 내측에는 코팅층 (미도시) 이 도포될 수 있으며, 코팅층으로서는 예를 들어 폴리테트라플루오르에틸렌 (상표명 : 테플론) 이 사용될 수 있다. 이러한 코팅층의 적용으로 약물 (1121) 과 마이크로 노즐 (1122) 표면 사이의 마찰 계수를 줄일 수 있고, 특히 폴리테트라플루오르에틸렌은 강한 소수성 (hydrophobic) 물질이므로 마이크로 노즐 (1122) 표면과 약물 (1121) 사이의 표면 장력 또한 아주 작아지게 할 수 있어, 분사 효율 향상에 도움이 될 수 있다.
탄성막 (1130) 은 탄성 복원력을 가진 얇은 막으로서, 압력 챔버 (1110) 와 약물 챔버 (1120) 사이에 개재 (介在) 되어, 제1 공간과 제2 공간을 분리시킨다. 즉, 제1 공간과 제2 공간은 탄성막 (1130) 에 의해 분리됨과 함께, 제1 공간의 적어도 일부 및 제2 공간의 적어도 일부는 탄성막 (1130) 에 접하게 되어, 제1 공간의 팽창은 탄성막 (1130) 의 변형을 통해 제2 공간의 압력 증가를 야기할 수 있게 된다.
이러한 탄성막 (1130) 은 박막의 고무 재질로 제작될 수 있으며, 구체적으로 두께 200 ㎛, 경도 53, 극한강도 101.39 kg/㎠, 신장률 449.79%의 니트릴 부타디엔 고무 (NBR) 재질로 제작될 수 있다. 그러나, 이외에도 탄성력을 가지고, 액체 비투과성을 가진 어떠한 재료라도 사용될 수 있다.
이러한 탄성막 (1130) 은 압력 발생용 액체 (1111) 의 압력만을 약물 챔버 (1120) 의 약물 (1121) 로 전달하는 것이 바람직하고, 제1 공간과 제2 공간 사이의 분자의 전달, 열의 전달은 차단하는 것이 바람직하다. 분자의 전달 및 열의 전달이 발생되면, 약물 (1121) 이 변형되거나 손상될 수 있기 때문이다.
레이저 장치 (1140) 는 제1 공간에 레이저 광 (에너지) 를 집중시켜 버블을 발생시키는 장치로서, 에너지 집중 장치에 해당된다. 본 실시예에서는 에너지 집중 장치로서, 레이저 장치 (1140) 를 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 전기 에너지를 가할 수 있도록 구성된 전기 전극을 사용할 수도 있다. 레이저 장치 (1140) 는 발광원 (1141) 과, 광 파이버 (1142) 와, 광 파이버 (1142) 의 선단부 (先端部) 의 파이버 팁 (fiber tip, 1143) 을 포함하여 구성된다.
레이저 장치 (1140) 의 발광원 (1141) 으로는, 어떠한 종류의 레이저라도 사용될 수 있으며, 예를 들어 Er:YAG 레이저 (파장 2.94 ㎛), Nd:YAG 레이저 (파장 1.06 ㎛) , 루비레이저, 알렉산드라이트 레이저, Nd:Glass 레이저, Er:Glass fiber 레이저, Ho:YAG 레이저 등이 사용될 수 있다. 특히, Er:YAG 레이저의 경우 물에서 가장 흡수되기 쉬워 버블의 형성에 적합하다.
레이저를 주사하는 방식으로는 도 1과 같이 파이버 팁 (1143) 을 제1 공간 내부에 위치시키는 방식이 채택될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 6과 같이 외부에서 초점을 맞추어 제1 공간 내부로 레이저 광을 주사하는 방식이 사용될 수도 있다. 이 경우, 레이저 광이 투과될 수 있도록 압력 챔버 (1110) 의 일부 외측면 (예를 들어, 상부면) 은 투명 부재로 제공되어야 하며, 예를 들어 레이저 장치 (140) 의 발광원으로서 Nd:YAG 레이저를 사용할 경우에는, 반복적인 액체의 부피 변동 및 열 변화 등에 영향이 없는 BK7 글라스가 사용될 수 있으며, 또한 레이저 장치 (140) 의 발광원으로서 Er:YAG 레이저 등을 사용할 경우에는 사파이어 윈도우가 사용될 수 있다. 이외에도 다른 종류의 유리나 투명 아크릴 등의 재질도 사용될 수 있다.
도 1과 같이 파이버 팁 (1143) 을 이용하여 레이저 광을 압력 발생용 액체 (1111) 에 주사하는 경우, 파이버 팁 (1143) 의 형상에 따라 버블의 형상이 결정된다. 도 2a 를 참조하면, 편평한 형상의 파이버 팁 (1143a) 의 경우에는 원통 형상 (channel-like shape) 의 버블 (CB) 이 형성되며, 또한 도 2b 를 참조하면, 원뿔 형상의 파이버 팁 (1143b) 의 경우에는 구 형상 (spherical shape) 의 버블 (SB) 이 형성된다. 동일한 에너지로 레이저 장치를 가동한다고 가정한다면, 에너지의 집중도가 도 2b와 같은 원뿔 형상의 파이버 팁 (1143b) 을 사용하였을 때 더 높으므로, 더 큰 부피의 버블 (SB) 이 형성됨에 따라, 더 높은 크기의 압력을 약물 (1121) 에 가할 수 있다. 따라서, 원뿔 형상의 파이버 팁 (1143b) 을 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 사파이어 팁 (Sapphire Tip) 을 사용할 수 있다.
약물 공급 장치 (1150) 는 약물 챔버 (1120) 내로 약물 (1121) 을 주입하는 장치로서, 마이크로 펌프 (micropump) 등이 사용될 수 있다. 마이크로 펌프의 구동 방식으로는, 압전 구동 방식, 공압 구동 방식, 열 또는 전기화학적 방식 등의 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 공지의 마이크로 펌프가 사용될 수 있다.
약물 공급 장치 (1150) 와 연통되는 약물 공급구 (1123) 는 제2 공간의 측부에 위치하며, 바람직하게는 탄성막 (1130) 과 인접하여 위치하는 것이 바람직하다. 그 이유는 탄성막 (1130) 의 후퇴에 따른 역압의 발생 지점에 직접 약물 (1121) 을 공급하기 위함이다. 또한, 약물 공급구 (1123) 는 도 1과 같이 한 개가 형성되는 것에 한정되는 것은 아니며, 2개 이상이 형성될 수도 있다. 특히, 약물 공급 장치 (1150) 로 발생시킬 수 있는 유압이 작다면 약물 공급구 (1123) 의 수를 늘리는 것이 바람직하다. 또한, 약물 공급구 (1123) 가 복수일 경우에는 서로 등간격을 가지도록 배치하는 것이 압력 분포를 균일하게 할 수 있어 바람직하다.
상술한 바와 같이, 약물 전달 장치 (1100) 는 제1 공간의 압력 발생용 액체에 에너지를 집중시키는 방식으로 버블 (SB) 을 발생시켜 탄성막 (1130) 을 변형시키고, 이에 따라 제2 공간의 약물 (1121) 을 마이크로 노즐 (1122) 을 통해 외부 (피부) 로 분사시키며, 약물 공급 장치 (1150) 로 제2 공간에 약물 (1121) 을 공급하는 것을 행한다.
제어부 (1200) 는, 이러한 약물 주입 장치 (1000) 의 레이저 장치 (1140) 와 약물 공급 장치 (1150) 와 연결되어, 이 두 장치를 제어한다. 더욱 자세하게는, 약물 공급 장치 (1150) 와 레이저 장치 (1140) 의 구동 시점을 서로 연관시켜 제어한다. 제어부 (1200) 의 동작은 이하에서 설명할 제어 방법에 의해 특정될 것이다.
이하, 이와 같은 제어부 (1200) 를 이용하여 상술한 약물 전달 장치 (1100) 를 제어하는 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 공급 제어 방법의 순서도이며, 도 4는 탄성막 (1130) 하부 지점의 시간에 따른 압력 변화 그래프이고, 도 5는 약물 주입 장치 (1150) 에 인가되는 구동 신호를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 약물 공급 제어 방법은, 레이저 장치 (1140) 를 구동하는 단계 (S10), 일정 시간 후에 약물 공급 장치 (1150) 를 구동하는 단계 (S20) 및 약물 공급 장치 (1150) 의 구동을 중지하는 단계 (S30) 를 포함하여 이루어진다.
먼저, 압력 챔버 (1110) 의 제1 공간 내의 압력 발생용 액체 (1111) 내에 버블 (SB) 을 발생시키기 위해 레이저 장치 (1140) 를 구동한다 (S10). 이러한 구동은, 약물 전달 시스템 (1000) 에 있어서는 제어부 (1200) 가 수행하게 되는데 발광원 (1141) 에 전압을 인가하는 방식으로 행할 수 있다.
제어부 (1200) 는 예를 들어, 전압을 인가하여, 레이저 장치 (1140) 를 구동하게 되며, 이에 따라 레이저 광이 주사된다. 이에 따라, 파이버 팁 (1143) 에는 구형의 버블 (SB) 이 형성된다.
한편, 발광원 (1141) 에 전압이 인가되는 시점과 버블 (SB) 이 형성되기 시작하는 시점은 엄밀히 말하면 동일한 시점이 아니라고 할 수 있으나, 동일한 시점이라고 가정하여, 발광원 (1141) 을 구동함과 동시에 버블 (SB) 이 형성되기 시작한다고 가정한다.
도 7을 참조하면, 버블 (B) 은 t1 부터 t6까지의 일련의 생성과 소멸을 거친다. t1 부터 t3까지는 버블 (B) 이 팽창을 계속하지만, t3 이후 버블 (B) 이 감소하기 시작하여 결국에는 소멸된다. 도 4를 참조하면, 도 7에 대응되는 시간대에 따른 탄성막 (1130) 하부 지점의 압력 변화를 알 수 있는데, t3까지는 압력이 증가하다가 t3 이후에는 감소하여, t6에서 압력이 최소가 되는 것을 알 수 있다. 이후, 탄성막 (1130) 의 탄성력으로 인한 진동 (oscillation) 에 따라 압력 변화가 지속되긴 하나, 유체 [압력 발생용 액체 (1111) 및 약물 (1121)] 가 충격을 흡수함에 따라 결국 탄성막 (1130) 의 진동은 멈추게 되어, 최초의 압력인 P0으로 수렴된다.
약물 (1121) 의 역류는 압력이 감소하게 되는 시점 즉, t3 이후에 발생하게 되는데, 이는 제2 공간의 상부의 압력이 하부의 압력보다 낮은 상태, 즉 역압에 의한 것으로 생각된다. 이러한 역압에 따른 역류에 의해 결국 마이크로 노즐 (1122) 을 통해 약물 챔버 (1120) 내로 외부의 공기가 유입되게 되는데, 일단 공기가 유입된 후에는 공기의 배출이 어려우므로, 역압의 발생 시점부터 이를 방지하여 애초부터 공기가 유입이 될 수 없도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라, t3의 시점 즉, 버블 (SB) 이 발생하는 시점인 t0로부터 일정 시간 후에 약물 공급 장치 (1150) 로 약물 (1121) 을 제2 공간에 공급한다 (S20). 이에 의하면, 역압의 발생을 즉각 방지할 수 있으므로, 역류가 방지되어, 제2 공간으로 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
t3는 여러가지 방법으로 정해질 수 있다. 버블 (SB) 과 탄성막 (1130) 의 거동은 버블 (SB) 의 크기, 압력 발생용 액체 (1111) 내부의 압력의 크기, 온도 등에 따라 변화되므로, t3는 환경적 요소에 따라 달라지게 된다. 따라서, t3는 이러한 환경적 요인들을 모두 반영한 실험에 의해 결정될 수 있다. 이러한 실험은 실제로 본 실시예의 약물 주입 시스템 (1000) 이 사용될 환경 조건과 동일하거나 유사한 조건 하에서, ㎲ 단위까지 측정할 수 있는 비젼 측정 장치 (예를 들어 CCD 카메라 장치) 등을 이용하여 측정함으로써 행하여 질 수 있으며, 자세한 사항은 비특허문헌 1을 참조하면 된다.
또한, t3는 압력을 직접 측정하는 방식으로 정해질 수도 있다. 예를 들어, 탄성막 (1130) 하부에 마이크로 압력 측정기를 설치하여, 실제로 역압이 인가되는 시점을 결정할 수도 있다. 또한, 공기의 유입은 제2 공간 내부의 압력이 대기압보다 작아져서 발생하는 것이므로, 제2 공간 내부의 압력이 대기압보다 낮아지는 시점을 t3로 결정할 수도 있다. 이러한, 방식들은 상술한 방법에 의해 제한되지는 않으며, 다양하게 결정할 수 있음은 물론이다.
이와 같이 t3가 결정되면, 도 5와 같이 t3의 시점에 약물 (1121) 이 공급될 수 있도록, t3 시점에 약물 공급 장치 (1150) 의 구동을 시작한다 (S20). 약물 공급 장치 (1150) 의 구동은 다시 압력이 증가되기 시작하는 t6의 시점까지 계속된다.
이후, 약물 공급 장치 (1150) 의 구동을 중단한다 (S30). 1회의 버블 형성 시에 분사되는 약물 (1121) 의 양은 실험에 따라 사전에 결정될 수 있으므로, 불필요한 약물 (1121) 의 누출을 막기 위해, 이 양만큼 약물 (1121) 을 공급하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 대응되는 구동 신호의 크기는 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 레이저 장치 (1140) 와 약물 공급 장치 (1150) 는 제어부 (1200) 에 의해 연동되어 제어됨으로써, 마이크로 노즐 (1122) 로의 공기의 유입을 방지하면서, 약물 (1121) 의 공급 과정에서 불필요하게 누출될 수 있는 약물 (1121) 의 양을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 연속적인 분사 과정에서도 균일한 약물 (1121) 의 분사가 가능해짐으로써, 넓은 피부 범위에 행하는 피부과 시술과 같은 경우에 피부 전체에 균일하게 약물 (1121) 의 주입이 가능하여 높은 치료 효과를 기대할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 t3의 시점 t6의 시점은 약물 (1121) 이 실제로 공급되거나 공급을 중단되는 시점을 의미하는 것으로서, 약물 공급 장치 (1150) 에 구동 신호가 가해지는 시점과 약간의 차이가 있을 수 있다. 이러한 차이를 고려하여 구동 시점을 t3나 t6의 시점보다 빠르도록 정할 수 있으며, 이러한 것은 구체적인 설계 시 반영될 것인바, 본 명세서의 권리 범위에 영향을 미치지는 않는다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
B, SB, CB…버블 1100…약물 전달 장치
1110…압력 챔버 1111…압력 발생용 액체
1120…약물 챔버 1121…약물
1122…마이크로 노즐 1123…약물 공급구
1130…탄성막 1140…에너지 집중 장치(레이저 장치)
1141…발광원 1142…광 파이버
1143…파이버 팁 1150…약물 공급 장치
1200…제어부
1000…본 발명의 일 실시예에 따른 약물 전달 시스템

Claims (14)

  1. 압력 발생용 액체로 채워져 밀폐되는 제1 공간과, 약물로 채워지며 마이크로 노즐 및 약물 공급구에 의해 외부와 연통되는 제2 공간과, 상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치와, 상기 제2 공간에 상기 약물 공급구를 통해 약물을 공급하는 약물 공급 장치를 포함하고, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 탄성막에 의해 분리됨과 함께, 상기 제1 공간의 적어도 일부 및 상기 제2 공간의 적어도 일부는 상기 탄성막에 접하는 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법에 있어서,
    상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체 내에 버블을 발생시키기 위해 상기 에너지 집중 장치를 구동하는 단계; 및
    상기 버블의 생성-소멸에 의해 적어도, 상기 제2 공간의 상부의 압력이 하부의 압력보다 낮은 상태인, 역압이 발생하여 외부 공기가 상기 마이크로 노즐을 통해 유입되기 전에 상기 제2 공간으로 약물을 주입하도록 상기 약물 공급 장치를 구동하는 단계;
    1회의 버블 생성-소멸이 발생한 후 분사되는 약물의 양만큼 상기 약물 공급장치가 약물을 상기 제2 공간에 공급한 후, 약물 공급을 중단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 약물 공급 장치를 구동하는 단계는, 상기 탄성막의 변형에 의해 상기 제1 공간의 크기가 증가되다가 감소되기 시작하는 때부터 또는 그 이전에 실행되는 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 약물 공급 장치를 구동하는 단계는, 상기 제2 공간 내부의 압력이 대기압보다 낮게 될 때 또는 그 이전에 실행되는 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 에너지 집중 장치는 Er:YAG 레이저 장치인 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 에너지 집중 장치는 전기 에너지를 집중시킬 수 있는 전기 전극인 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 버블의 형상은 구형인 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법.
  8. 압력 발생용 액체로 채워져 밀폐되는 제1 공간;
    약물로 채워지며 마이크로 노즐 및 약물 공급구에 의해 외부와 연통되는 제2 공간;
    상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치;
    상기 제2 공간에 상기 약물 공급구를 통해 약물을 공급하는 약물 공급 장치; 및
    상기 에너지 집중 장치와 상기 약물 공급 장치와 연결되어, 상기 에너지 집중 장치와 상기 약물 공급 장치의 구동신호를 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 탄성막에 의해 분리됨과 함께, 상기 제1 공간의 적어도 일부 및 상기 제2 공간의 적어도 일부는 상기 탄성막에 접하며,
    상기 제어부는, 상기 제1 공간 내의 상기 압력 발생용 액체 내에 버블을 발생시키기 위해 상기 에너지 집중 장치를 구동시키고, 적어도, 상기 제2 공간의 상부의 압력이 하부의 압력보다 낮은 상태인, 역압이 발생하여 외부 공기가 상기 마이크로 노즐을 통해 유입되기 전에 상기 제2 공간으로 약물을 주입하도록 상기 약물 공급 장치를 구동시키며, 1회의 버블 생성-소멸이 발생한 후 분사되는 약물의 양만큼 상기 약물 공급장치가 약물을 상기 제2 공간에 공급한 후, 약물 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  9. 삭제
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 탄성막의 변형에 의해 상기 제1 공간의 크기가 증가되다가 감소되기 시작하는 때부터 또는 그 이전에 상기 제2 공간에 약물이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2 공간 내부의 압력이 대기압보다 낮게 될 때 또는 그 이전에 상기 제2 공간에 약물이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 에너지 집중 장치는 Er:YAG 레이저 장치인 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 에너지 집중 장치는 전기 에너지를 집중시킬 수 있는 전기 전극인 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 버블의 형상은 구형인 것을 특징으로 하는, 마이크로젯 약물 전달 시스템.
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