KR102247483B1

KR102247483B1 - 경구형 물질 전달 장치

Info

Publication number: KR102247483B1
Application number: KR1020200024466A
Authority: KR
Inventors: 조진택; 장다인
Original assignee: 주식회사 레인보우솔루션
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-05-04

Abstract

개시되는 발명은 삼킬 수 있는 경구형의 물질 전달 장치로서, 액추에이터 및 상기 액추에이터에 의해 선형 이동하는 실린더를 포함하는 구동부;와, 상기 실린더에 연동하여 선형 이동하는 피스톤 및 불활성화된 제1 물질을 수용하는 제1 챔버와, 상기 제1 물질을 활성화하는 제2 물질을 수용하는 제2 챔버와, 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 서로 격리하는 분리막과, 상기 제1 챔버와 제2 챔버 중의 어느 하나를 외부환경과 소통시키는 배출구를 폐쇄한 배출구 막을 포함하는 물질 수용부;와, 상기 물질 전달 장치의 이동이나 위치를 파악하도록 하는 센싱부; 및 상기 센싱부로부터 제공되는 신호를 수신하고, 이에 기반하여 상기 액추에이터의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

경구형 물질 전달 장치{PERORAL DRUG DELIVERY DEVICE}

본 발명은 인간이 삼킬 수 있는 경구형의 소형 물질 전달 장치로서, 임의의 물질을 수용한 전달 장치가 경구 섭취시 소화기관 중의 표적기관(위, 소장, 대장)까지 안정적으로 배달된 후에 물질을 방출할 수 있도록 구성된 경구형 물질 전달 장치에 관한 것이다.

동물(인간 포함)에 대해 생리적 또는 약학적인 효과를 기대할 수 있는 각종 물질이나 약물, 미생물 등(이하 "물질"로 통칭할 수 있음)을 동물 내부의 표적기관에 대해 효과적으로 도입하기 위한 기술은 물질 그 자체를 개발하는 것만큼이나 중요하다. 예를 들어, 경구 투입시에 소장에 도달해야 효과를 볼 수 있는 물질이 위장을 제대로 통과하지 못하면 본래 원했던 효과는 거의 발현되기가 어려울 것이며, 암 치료를 위한 항암제가 암 조직까지 충분히 도달하지 못하면 이 역시 치료 효과가 미미할 수밖에 없다.

생체 내부의 표적기관에 대한 효과적인 물질 전달을 위해 고안된 방안은 다양한데, 경구제제(經口製劑)의 경우에는 약제의 표면에 수 겹의 코팅물질을 덮어 표적기관에 도달하기까지 약제를 보호하기도 하고, 침습적으로 표적기관에 직접 물질을 투입하기도 한다. 근래에는 물질을 방출하는 작은 장치를 표적기관에 대해 직접 또는 간접적(예를 들어, 피부에 설치)으로 달아 장기간 주기적으로 물질을 전달하기도 한다. 예컨대, 당뇨병 환자에게 인슐린 제제를 정기적으로 투입하기 위해 혈류 속을 돌아다니는 초소형 로봇이 개발되고 있기도 하다.

단순 물질이나 약물을 생체 내에 효과적으로 전달하는 것도 많은 연구가 필요하지만, 살아있는 미생물(예를 들어 유산균)을 생체 내의 표적기관으로 도입하는 기술은 더더욱이나 어렵다. 살아있는 미생물을 다루는 것 자체가 오염에 민감하기 때문에 통제되지 않은 환경에서 생체에 투입하는 것이 곤란하다. 이러한 제한을 완화하기 위해 동결건조한 균주를 다양한 물질로 코팅하여 여러 겹으로 층층이 보호한 후 경구제제의 형태로 장 내에 전달하기도 하지만, 정확한 위치에 전달하기가 어렵고, 전달되더라도 동결건조 상태에서 활성화될 때까지 시간이 걸리며, 이미 살고 있는 장내 미생물들과 경쟁해야 하는데 활성화된 미생물의 개체수가 충분치 못한 경우가 대부분이어서 실질적인 효과를 기대할 수 없다는 문제가 있다.

한국공개특허 제10-2019-0123261호 (2019.10.31 공개)

본 발명은 생체에 생리적 또는 약학적으로 긍정적인 영향을 미치는 물질을 수용한 경구형의 물질 전달 장치가 경구 섭취시 표적기관, 예를 들어 소화기관의 위장이나 소장, 또는 대장까지 안정적으로 배달된 후에 활성화된 물질을 방출할 수 있도록 구성된 경구형 물질 전달 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 삼킬 수 있는 경구형의 물질 전달 장치로서, 액추에이터 및 상기 액추에이터에 의해 선형 이동하는 실린더를 포함하는 구동부;와, 상기 실린더에 연동하여 선형 이동하는 피스톤 및 불활성화된 제1 물질을 수용하는 제1 챔버와, 상기 제1 물질을 활성화하는 제2 물질을 수용하는 제2 챔버와, 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 서로 격리하는 분리막과, 상기 제1 챔버와 제2 챔버 중의 어느 하나를 외부환경과 소통시키는 배출구를 폐쇄한 배출구 막을 포함하는 물질 수용부;와, 상기 물질 전달 장치의 이동이나 위치를 파악하도록 하는 센싱부; 및 상기 센싱부로부터 제공되는 신호를 수신하고, 이에 기반하여 상기 액추에이터의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 실린더와 피스톤은 물리적으로 연결되되 상기 물질 수용부의 밀봉 상태는 항시 유지될 수 있으며, 다른 실시형태에서는 상기 실린더와 피스톤은 각각 자성체를 포함하면서 물리적으로 분리되어 있고, 상기 자성체들의 자극은 상기 실린더와 피스톤 사이에 척력이 작용하도록 배치될 수 있다.

그리고, 상기 제1 물질은 동결건조된 미생물 균주이고, 상기 제2 물질은 배양액일 수 있는데, 본 발명의 일 실시형태에서 상기 제1 물질은 헬리코박터균 억제 유산균, 락토바실러스 균 또는 비피도 균이고, 상기 물질 전달 장치의 표적기관은 각각 위장, 소장, 그리고 대장이 된다.

그리고, 상기 피스톤의 소정 거리 이동에 따라 상기 분리막이 파열하고, 이에 따라 상기 제1 물질과 제2 물질이 혼합하여 상기 제1 물질이 활성화되는데, 본 발명의 일 실시형태에서 상기 제1 물질은 동결건조된 미생물 균주이고, 상기 제2 물질은 배양액이며, 상기 분리막의 파열은 경구 섭취 이전에 이루어진다.

그리고, 상기 제1 물질이 활성화 내지 배양되고, 상기 물질 전달 장치가 표적기관에 도달한 이후에 상기 피스톤이 소정 거리를 이동하여 상기 배출구 막을 파열하고, 상기 배출구 막이 파열된 이후에, 상기 피스톤은 사전에 정의된 방출 프로파일에 따라 이동하게 된다.

한편, 상기 센싱부는 용존 산소 센서, pH 센서, 관성 센서, 타이머 중의 적어도 어느 하나 이상을 구비한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 물질은 동결건조된 미생물 균주이고, 상기 제2 물질은 배양액이며, 상기 물질 전달 장치의 표적기관은 소화기관일 수 있는데, 이때 상기 제어부는 상기 용존 산소 센서의 신호에 따른 산소 농도로부터 위장 및 소장에 대해 대장을 구별하고, 상기 pH 센서의 신호에 따른 산성도에 기반하여 위장과 소장을 구별하며, 상기 관성 센서 및 타이머의 신호에 따라 상기 물질 전달 장치의 속도와 가속도를 검출하여 위장 및 소장에 대해 대장을 구별하고, 또한 상기 타이머의 신호에 따라 경구 섭취 이후에 어떤 소화기관을 통과할 시간이 경과했는지를 판단할 수 있다.

그리고, 상기 센싱부가 용존 산소 센서, pH 센서, 관성 센서, 타이머 중에서 선택된 복수 개의 센서를 구비하면, 상기 제어부는 상기 물질 전달 장치가 표적기관에 도달했는지를 구비된 센서의 신호를 종합적으로 평가하여 판단할 수 있다.

예를 들어, 상기 제어부는 상기 복수 개의 센서 신호에 대해 AND 조건으로 평가하여 표적기관에 도달했는지를 판단할 수 있고, 또는 상기 복수 개의 센서 신호에 각각에 대해 가중치를 부여하고, 가중치가 부여된 각 센서 신호를 정량적으로 합산하여 소정의 기준을 초과하였을 때 표적기관에 도달한 것으로 판단할 수도 있다.

그리고, 상기 구동부와 물질 수용부는 서로 분리된 몸체 안에 각기 배치되되 결합한 하나의 몸체는 기밀을 유지할 수 있다.

그리고, 적어도 상기 물질 수용부는 산소가 제거된 환경, 예를 들어 질소 환경에 있는 것이 바람직할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 경구형 물질 전달 장치는 표적기관에 도달한 이후에 활성화된 물질을 적정시간 동안 방출하기 때문에 물질 전달의 효율이 매우 우수하다.

특히, 전달 물질로서 유산균을 배달할 경우에는, 동결건조된 형태로서 소량의 균주와 이를 기르기 위한 배양액을 분리하여 장치 안에 마련하고, 경구 섭취 직전에 배양을 개시하여 표적기관까지 이동하는 동안 충분한 개체수까지 배양을 완성한 후 살아있는 유산균을 직접 표적기관에 방출할 수 있기에, 종래의 경구제제 방식으로 유산균을 전달하는 용법에 비해 훨씬 우수한 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 물질 전달 장치 안에서 동결건조된 균주를 배양한 후 직접 표적기관에 전달하는 방식이기에, 필요한 균주의 양을 크게 줄일 수 있고 인체에 미치는 부작용도 최소화하며, 생산 원가도 크게 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 경구형 물질 전달 장치는 표적기관에 도달했는지를 자체적으로 구비한 센서를 통해 판단함에 따라 외부 기기를 이용하여 그 도입과정을 관찰 또는 제어할 필요가 전혀 없다. 즉, 본 발명의 경구형 물질 전달 장치는 완전한 독립형의 물질 전달 장치로서 경구 섭취 이후에는 자력으로 모든 작동을 진행하기 때문에 임상적으로 편리하고 사용자의 편의성 또한 일반 경구제제와 다를 바가 없어 그 효용성이 매우 우수하다.

도 1은 본 발명에 따른 경구형 물질 전달 장치의 외형을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 경구형 물질 전달 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 2의 경구형 물질 전달 장치에서 피스톤의 이동에 따라 분리막이 파열된 상태(배양 개시 상태)를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 경구형 물질 전달 장치에서 피스톤이 배출구 막을 파열하고 활성화된 물질을 방출하는 상태를 도시한 도면.
도 5는 센싱부의 일 실시형태를 도시한 도면.
도 6은 소화기관별 이동시간과, 대장의 상행결장에 경구형 물질 전달 장치가 도달한 이후에 물질을 방출하는 일례를 개략적으로 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명에 따른 경구형 물질 전달 장치(10)의 외형을 도시한 도면이다. 본 발명의 물질 전달 장치(10)는 입을 통해 소화기관으로 도입되는 경구형으로서, 통상적인 경구제제 정도의 크기를 가져 삼키기에 부담이 없는 사이즈로 제작된다. 경구형 물질 전달 장치(10)는 위산이나 이자액 등의 소화액에 의해 손상을 입지 않는 재질로 만들어지며, 또한 소화액이나 수분 등의 유체, 소화 과정 중의 음식물 등이 내부로 침투하지 못하는 기밀성을 가진다. 도 1의 경구형 물질 전달 장치(10)에는 센싱부(300)로서 포함되는 용존 산소 센서(310)나 pH 센서(320)의 전극이 표면에 노출되어 있음이 예시적으로 도시되어 있다.

도 2는 경구형 물질 전달 장치(10)의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면으로서, 경구 섭취 되기 전의 활성화되지 않은 초기 상태에 해당한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 경구형 물질 전달 장치(10)는 크게 나누어 구동부(100), 물질 수용부(200), 센싱부(300), 제어부(400)를 포함한다. 또한, 전기·전자 소자를 포함하는 구동부(100)와 센싱부(300), 제어부(400)에 전력을 공급하기 위한 전원부(500)도 포함하는데, 전원부(500)는 주지·관용의 구성요소이기 때문에 자세한 설명은 생략한다.

구동부(100)는 액추에이터(110)와, 액추에이터(110)에 의해 선형 이동하는 실린더(112)를 포함한다. 액추에이터(110)는 선형 모터인 것이 크기 면에서 바람직하겠지만, 이 외에도 회전운동을 선형운동으로 변환하는 기구를 포함하는 구조로 구현되는 것도 가능하다.

물질 수용부(200)는 제1 및 제2 챔버(210, 220)와, 필요할 때에 물질 이동이 가능하도록 파열되는 두 종류의 막을 포함한다. 제1 챔버(210)는 구동부(100)의 실린더(112)에 연동하여 선형 이동하는 피스톤(214)과, 불활성화된 제1 물질(212)을 수용하는 일종의 컨테이너이다. 그리고, 제2 챔버(220)는 불활성화되어 있는 제1 물질(212)과 반응하여 활성화하는 제2 물질(222)을 수용하는 컨테이너이다. 여기서, 초기 상태의 제1 챔버(210)와 제2 챔버(220)는 분리막(230)에 의해 서로 격리, 즉 물리적, 화학적으로 분리되어 있다. 다른 하나의 막은 배출구 막(242)으로서 제1 챔버(210)와 제2 챔버(220) 중의 어느 하나를 외부환경과 소통시키는 배출구(240)를 폐쇄하고 있다.

여기서, 제1 챔버(210)는 불활성화된 제1 물질(212)을 수용하고, 제2 챔버(220)는 활성화를 위한 제2 물질(222)을 수용하는 것으로 설명하고 있지만, 이와는 역으로 제1 챔버(210)에 제2 물질(222)을, 그리고 제2 챔버(220)에 제1 물질(212)을 수용하는 것으로 구성할 수도 있다. 다만, 이하에서 설명할 일 실시형태에서 제1 물질(212)은 동결건조된 균주(유익한 특정 약효가 있는 미생물의 균주)이고, 제2 물질(222)은 배양액인데, 이럴 경우 제1 챔버(210)에 여유 공간을 형성함으로써 피스톤(214)이 이동하여 분리막(230)을 파열시킬 때 제1 챔버(210)에 과도한 압력이 작용하는 것을 억제하는 것이 좀 더 쉽다는 이유에서 그렇게 설명하고 있을 뿐이다.

센싱부(300)는 물질 전달 장치(10)의 이동이나 위치를 파악할 수 있는 하나 이상의 센서를 포함하는 구성이다. 본 발명은 센싱부(300)를 구비함으로써 경구형 물질 전달 장치(10)가 표적기관에 도달했는지를 자체적으로 판단할 수 있는 완전한 독립형의 물질 전달 장치(10)로 기능할 수 있게 된다. 즉, 센싱부(300)를 구비함으로써 외부 장치를 이용하여 물질 전달 장치(10)의 체내 도입과정을 관찰 또는 제어할 필요가 전혀 없어지는데, 이에 대해서는 해당 부분에서 상세히 설명한다.

그리고, 제어부(400)는 센싱부(300)로부터 제공되는 신호를 수신하고, 이에 기반하여 액추에이터(110)의 작동을 제어하는 제어 일반을 담당한다. 제어부(400)의 구성 자체는 주지·관용의 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하며, 필요한 부분에서 제어 알고리즘을 중심으로 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 경구형 물질 전달 장치(10)는 물질을 수용하는 컨테이너를 제1 챔버(210)와 제2 챔버(220)로 분리하고, 제1 챔버(210)에는 불활성화된 제1 물질(212)을, 그리고 제2 챔버(220)에는 활성화를 위한 제2 물질(222)을 수용하는 것으로 구성한 것에 특징이 있다. 이러한 구성은 여러 면에서 큰 이점을 가져온다. 즉, 제1 물질(212)과 제2 물질(222)이 혼합되어 의미 있는 생리적·약리적 효과를 발휘할 때, 경구형 물질 전달 장치(10)를 경구 섭취한 후 최상의 효과를 발휘하는 시점에 맞춰 제1 물질(212)과 제2 물질(222)을 혼합할 수 있기에 미리 혼합하여 섭취하는 경우에 비해 탁월한 결과를 기대할 수 있다. 또한, 주된 기능을 발휘하거나 오염 또는 열화 되기 쉬운 물질이 제1 물질(212)인 경우, 제1 물질(212)을 장기간 보존할 수 있는 상태(비활성 상태)로 유지하면서 보관할 수 있기 때문에 경구형 물질 전달 장치(10)의 유효기간을 충분히 확보할 수 있다.

나아가 제1 물질(212)이 신체에 유익한 특정 약효가 있는 미생물인 경우에 있어서, 최소한의 균주만 제1 챔버(210)에 수용하고, 제2 물질(222)인 배양약으로 체내에서 증식할 수 있으므로 필요한 균주의 양을 크게 줄일 수 있고 인체에 미치는 부작용도 최소화하며, 생산 원가도 크게 줄일 수 있다. 예를 들어, 제1 물질(212)로 동결건조된 균주를 수용하고, 제2 물질(222)로서 배양액을 수용하는 것으로 경구형 물질 전달 장치(10)로 구성할 수 있다.

좀 더 구체적으로는, 제1 물질(212)은 동결건조된 미생물의 균주일 수 있으며, 이 경우 경구형 물질 전달 장치(10)의 표적기관은 소화기관(위장, 소장, 대장)이 된다. 소화기관에 유익한 약효를 발휘할 수 있는 미생물로서는 위장에서는 헬리코박터균 억제 유산균, 소장에서는 락토바실러스 균, 그리고 대장에서는 비피도박테리움 종(약칭하여, "비피도 균"이라고도 함)을 예로 들 수 있다.

다만, 위에서 언급한 유용한 미생물은 하나의 예일 뿐이며, 이외에도 다양한 미생물을 대상으로 삼을 수 있을 뿐만 아니라 미생물 연구가 진행되면서 더욱 많은 미생물이 본 발명의 관심 대상이 될 수 있다. 예컨대, 혐기성 미생물로서 대장에 유용한 것으로는, 차세대 프로바이오틱스인 아커만시아(Akkermansia) 균(당뇨, 비만, 면역에 효능), 단쇄지방산 생산 미생물인 페칼리박테리움(Faecalibacterium)과 클로스트리디움(Clostridium), 그리고 면역억제기능 미생물인 박테로이데스(Bacteroides) 등이 있다. 따라서, 본 발명에서 언급하는 유익한 약효를 발휘할 수 있는 미생물은 폭넓게 해석되어야 한다.

살아 있는 미생물이 소화기관에서 활성화되어 효과를 발휘하기 위해서는 일정 개체수 이상이 필요하다. 예를 들어, 대장에서 유효하게 작용하는 비피도 균은 일억 마리 이상이 필요하므로, 균주의 수는 최소 십만 마리 이상이 되어야 하며, 동결건조된 십만∼천만 마리의 바피도 균주는 배양되어 일억 마리 이상으로 증식된다. 균주의 형태는 동결건조 분말이고 배양액은 액상 상태로 수용되며, 균주와 배양액의 무게비는 1:10 정도의 비율이 적당하다. 그리고, 호기성 균주는 산소가 필요하지만, 혐기성 균주는 제1 챔버(210)와 제2 챔버(220)가 무산소 상태를 유지해야 배양되어 살아있을 수 있다. 바람직하게는, 무산소 환경을 조성하기 위해 제1 챔버(210)와 제2 챔버(220)는 질소가 충진될 수 있다. 예컨대, 제1 챔버(210)와 제2 챔버(220)는 질소가 충만한 혐기 조건에서 제1 물질(212)과 제2 물질(222)이 충진되며, 잡균을 배제하기 위해 제2 챔버(220)에 배양액을 충진한 후 다양한 방법(EOS 가스, 전자빔 등)으로 멸균한 후에 제1 챔버(210)에 동결건조된 균주를 충진한다.

이와 같이, 물질 수용부(200)의 제1 챔버(210)와 제2 챔버(220)에는 생체에 영향을 미치는 물질이 수용되어 있기 때문에, 구동부(100)를 포함하는 다른 구성요소로부터 밀봉되어 있을 필요가 있다. 특히, 균주와 배양액을 수용하는 경우에는 외부로부터의 오염에 더더욱 민감하기 때문에 기밀 상태의 유지가 중요하며, 특히 혐기성 균주라면 배양된 균주의 생존을 위해 무산소 상태를 유지할 필요가 있다.

특히, 물질 수용부(200)의 제1 챔버(210)에는 구동부(100)의 실린더(112)에 연동하는 피스톤(214)이 내장되어 있기 때문에, 구동부(100)와 물질 수용부(200) 사이의 기밀 유지가 중요하다. 예를 들어, 실린더(112)와 피스톤(214)은 물리적으로 연결(예를 들어, 로드로 연결)되어 있더라도 그 물리적 연결 부위에 실링 수단이 구비됨으로써 물질 수용부(200)의 밀봉 상태는 항시 유지되어야 한다.

더욱 바람직하게는, 도 2를 보면, 본 발명은 물질 수용부(200)의 밀봉 상태를 양호하게 유지하기 위해, 실린더(112)와 피스톤(214)은 각각 자성체를 포함하면서 물리적으로 분리되어 있도록 하고, 각 자성체의 자극은 실린더(112)와 피스톤(214) 사이에 척력이 작용하도록 배치되어 있다. 이와 같이, 자성체의 척력을 이용하게 되면 실린더(112)와 피스톤(214) 사이에 물리적 연결이 불필요해짐에 따라 용이하게 밀봉 상태를 유지할 수 있다.

또한, 이런 자성체 구동 구조에서는 구동부(100)와 물질 수용부(200)를 서로 분리된 몸체 안에 각기 배치하여 별도로 제작한 후 하나의 몸체로 결합하는 구조로 만들기가 용이하다. 구동부(100)와 물질 수용부(200)를 분리하여 따로 제작함으로써 물질 수용부(200)의 기밀 구조를 구현하기가 쉬워진다. 센싱부(300), 제어부(400), 전원부(500)는 구동부(100)와 함께 배치되는 것이 좋겠지만, 협소하기에 공간 배치에 제한이 따르면 적어도 일부는 물질 수용부(200)쪽에 배치할 수도 있을 것이다. 결합한 하나의 몸체 역시 외부 환경에 대해 기밀을 유지해야 하며, 경구형 물질 전달 장치(10)는 멸균 처리된 후 기밀 포장된다.

도 3은 도 2의 경구형 물질 전달 장치(10)에서 피스톤(214)의 이동에 따라 분리막(230)이 파열된 상태를 도시한 도면이다. 도 2와 비교하면, 도 3의 상태는 액추에이터(110)가 작동하여 실린더(112)가 물질 수용부(200) 쪽으로 이동함에 따라, 이에 연동하여 피스톤(214)이 소정 거리 이동함으로써 분리막(230)이 파열한 상태이다. 분리막(230)은 피스톤(214)의 압축작용에 따른 압력 상승으로 파열할 수도 있으나, 도시된 것처럼 피스톤(214)의 단부에 돌출되어 있는 일종의 침(215)이 분리막(230)을 찔러 파열시킬 수도 있다. 일단 일부분에 만들어진 분리막(230)의 파열은 전체로 전파될 수 있으며, 분리막(230)의 파열로 격리 상태가 해제됨에 따라 제1 물질(212)과 제2 물질(222)이 혼합하여 제1 물질(212)이 활성화된다.

분리막(230)을 파열할 적절한 시점은 경구형 물질 전달 장치(10) 안에 수용한 물질의 특성을 고려하여 결정된다. 만일, 제1 물질(212)과 제2 물질(222)이 혼합된 후 수 분 이내에 가장 좋은 효과가 나타나는 것이라면, 물질 배달(방출) 수 분 전에 분리막(230)을 파열하는 것이 적절할 것이다. 반대로, 제1 물질(212)이 동결건조된 미생물 균주이고 제2 물질(222)이 배양액이라면, 균주를 일억 마리 이상으로 10배 넘게 증식시킬 수 있는 시간이 필요하다. 예를 들어, 비피도 균의 표적기관은 대장인데, 위장을 통과하는데 보통 2시간, 소장을 통과하는 데는 4시간 정도가 소요되고, 6시간 정도의 배양 시간으로 비피도 균주를 일억 마리 이상으로 증식시킬 수 있다. 따라서, 이 경우라면 분리막(230)의 파열은 경구 섭취 이전(직전)에 이루어지는 것이 바람직할 것이다. 다시 말해, 미생물 균주의 배양시간은 표적기관에 도착할 때까지 걸리는 시간을 고려해야 하며, 따라서 표적기관에 도달하는 시간과 배양에 필요한 시간 양자를 비교하여 적절한 시점에 분리막(230)을 파열시켜야 한다.

분리막(230)을 파열한 후 경구형 물질 전달 장치(10)를 섭취하면, 소화기관의 운동(연동운동, 분절운동 등)에 의해 물질 전달 장치(10)는 회전하거나 요동하게 되고, 이러한 움직임에 의해 동결건조된 미생물 균주와 배양액은 골고루 섞여 적절한 배양 환경이 조성된다.

도 4는 도 3의 경구형 물질 전달 장치(10)에서 피스톤(214)이 배출구 막(242)을 파열하고 활성화된 물질을 방출하는 상태를 도시한 도면이다. 즉, 도 4는 제1 물질(212)과 제2 물질(222)의 혼합이 완성되고, 물질 전달 장치(10)가 표적기관에 도착한 이후에 그 외부로 물질을 전달하는 상태를 도시한 것이다. 도 3과 비교하면, 도 4에서는 피스톤(214)이 소정 거리를 더 이동해 있으며, 이에 따라 제2 챔버(220)에 마련된 배출구(240)를 가로막고 있는 배출구 막(242)을 파열하였다. 배출구 막(242)의 파열에 따라 제1 챔버(210)와 제2 챔버(220)는 외부환경과 소통하게 되었으며, 따라서, 배출구 막(242)이 파열된 이후의 피스톤(214)의 이동에 따라 활성화된 제1 물질(212)은 표적기관에 전달된다.

물질의 방출은 일시에 일어날 수도 있고, 적정시간 동안 지속적으로 천천히 진행될 수도 있다. 즉, 피스톤(214)은 사전에 정의된 방출 프로파일(시간 vs. 스트로크)에 따라 이동한다. 비피도 균의 경우라면, 보통 대장에서의 이동시간은 적게는 하루에서 이틀 이상을 넘길 정도로 천천히 일어난다. 그리고, 대장의 길이는 180㎝이고 이 중에서 상행결장은 25∼30㎝이므로, 물질 전달 장치(10)의 이동속도와 거리(시간)를 고려하여 적절한 방출 프로파일을 미리 설정해놓을 수 있다. 물질 방출 과정이 모두 끝난 경구형 물질 전달 장치(10)는 배변과 함께 신체 밖으로 배출된다(회수 또는 폐기 처리).

이상에서는, 본 발명의 경구형 물질 전달 장치(10)에서 제1 물질(212)과 제2 물질(222)을 보호·수용하고, 적정 시점에 분리막(230)을 파열하여 제1 물질(212)을 활성화하며, 표적기관에 도착한 이후에 활성화된 제1 물질(212)을 방출하는 구성에 대해 설명하였다. 그런데, 다른 또 하나의 중요한 점은 경구형 물질 전달 장치(10)가 표적기관에 도착했음을 인지하는 것이다. 종래에는 경구형 물질 전달 장치(10)와 양방향 통신을 하거나 외부 초음파 촬영이나 조영술 등을 이용하여 관찰함으로써 이를 결정하여 왔다. 그러나, 이런 방식은 경구형 물질 전달 장치(10)의 임상 운용에 상당한 불편함을 초래한다. 따라서, 본 발명은 경구형 물질 전달 장치(10)가 표적기관에 도달했는지를 자체적으로 판단할 수 있는 완전한 독립형의 물질 전달 장치(10)로 구성함으로써, 경구 섭취 이후에는 자력으로 모든 작동을 진행할 수 있도록 하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 경구형 물질 전달 장치(10)는 그 이동이나 위치를 파악할 수 있는 하나 이상의 센서를 포함하고 센싱부(300)를 구비하고 있다. 센싱부(300)에 마련되는 각종 센서는 생체 어디에 투입되는지에 따라 달라질 수 있으며, 인간의 소화기관을 예로 들자면 센싱부(300)에는 용존 산소 센서(310), pH 센서(320), 관성 센서(330), 타이머(340) 중의 적어도 어느 하나 이상이 포함될 수 있다.

관성 센서(330)와 타이머(340)는 스마트폰과 같은 일반 가전에도 널리 쓰이는 주지·관용의 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하겠지만, 전기화학센서인 용존 산소 센서(310)와 pH 센서(320)에 대해서는 도 5를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.

용존 산소 센서(310)는 유체 안에 녹아 있는 산소의 농도를 측정하는 센서다. 도 5에는 용존 산소 센서(310)로서 상대전극(Counter Electrode, CE), 작업전극(Working Electrode, WE), 기준전극(Reference Electrode, RE)과 같은 복수 개의 전극이 물질 전달 장치(10)의 표면에 노출되어 있다. 복수 개의 전극을 통해 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry)과 같은 전기 화학식 기법을 사용하여 용존 산소 농도를 측정할 수 있다.

pH 센서(320)는 산성도를 측정하는 센서로서, 액체 중의 수소이온농도를 측정하여 산성도를 결정할 수 있다. 이온 감지 전계효과 트랜지스터(ion sensitive field effect transistor)와 같은 센서를 이용하여 pH 값을 측정할 수 있으며, 이온 감지 전계효과 트랜지스터의 감지 표면(Ion Sensitive Surface)으로 작동하는 게이트 절연체를 물질 전달 장치(10)의 표면에 노출시키는 방식으로 구현할 수 있다.

각 센서의 측정정보를 이용하여 소화기관을 구별하는 원리에 대해 설명하면 다음과 같다. 각 센서에서 측정된 신호는 제어부(400)로 전달되어 평가된다.

먼저, 용존 산소 센서(310)는 대장을 식별하기 위한 가장 중요한 인자인 용존 산소 농도를 측정한다. 대장, 특히 상행결장부터는 산소 농도가 0 또는 0에 매우 근접한 극히 낮은 값을 가지며, 이를 통해 산소가 존재하는 위장 및 소장에 대해 대장을 명확히 구별할 수 있다.

그리고, pH 센서(320)는 위장과 소장을 식별하는 주요 인자인 산성도에 관한 정보를 취득한다. 위장에서의 pH는 2∼3의 강한 산성이고, 소장에서의 pH는 7∼8의 약한 알칼리성(위장에서 멀어질수록 알칼리성으로 바뀜)이므로, 산성도 정보를 통해 위장과 소장을 판별할 수 있다.

또한, 관성 센서(330) 및 타이머(340)로는 경구형 물질 전달 장치(10)의 속도와 가속도 등의 운동정보를 파악할 수 있다. 물질 전달 장치(10)가 식도를 통과하는데는 몇 초 정도의 짧은 시간, 위장을 통과하는데 보통 2시간, 소장을 통과하는 데는 4시간 정도가 소요되는 반면, 대장에서는 최소 하루 이상의 시간이 소요되므로, 경구형 물질 전달 장치(10)의 속도와 가속도로부터도 소화기관을 추정할 수 있는 정보를 얻을 수 있다. 예컨대, 대장에서는 이동속도가 급격히 낮아지므로, 이것은 물질 전달 장치(10)가 대장에 도착했음을 추정케 하는 중요한 정보가 된다. 또한, 물질 전달 장치(10)의 운동정보는 적정시간 동안 정해진 방출 프로파일에 따라 물질을 방출하도록 제어하는데 사용되기도 한다.

그리고, 타이머(340)가 측정하는 시간 그 자체는 경구 섭취 이후에 위장과 소장, 대장을 통과할만한 시간이 경과했는지를 판단하는 최소한의 정보를 제공하기도 한다. 즉, 식도를 통해 위장에 완전히 도달하는 데는 10분 이내, 위장을 통과하는데 2시간, 소장을 통과하는 데는 4시간 정도가 소요되므로, 경구 섭취 이후에 흘러간 시간 정보도 표적기관에 도착했는지를 판정하는 정보가 된다.

이러한 각종 센서는 복수 개를 구비하는 것이 더욱 바람직할 것이다. 즉, 다양한 측정정보에 기반하여 유용한 미생물 균주를 담은 경구형 물질 전달 장치(10)가 표적으로 삼은 소화기관에 이르렀는지를 종합적으로 판정하는 것이 이론적, 확률적, 경험적으로 훨씬 정확도가 올라간다.

예를 들어, 제어부(400)는 복수 개의 센서 신호에 대해 AND 조건으로 평가하여 대장에 도달했는지를 판단할 수 있다. 예컨대, 용존 산소 농도가 0이고, 경구 섭취 후에 6시간이 경과했다는 조건을 모두 만족할 경우 대장에 도달했다고 결론을 내릴 수 있다. 다만, AND 조건은 안정적인 판단이 가능하기는 하지만, 센서의 개수가 늘어날수록 모든 조건을 동시에 만족하는 것이 점점 엄격해지는 까다로운 조건이 될 수 있으며, 더욱이 어느 하나의 센서에라도 오류가 발생하면 영원히 조건을 만족시킬 수가 없기 때문에 적절한 보안책이 필요하다.

다른 방안으로는, 제어부(400)는 복수 개의 센서 신호에 각각에 대해 가중치를 부여하고, 가중치가 부여된 각 센서 신호를 정량적으로 합산하여 소정의 기준을 초과하였을 때 대장에 도달한 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 용존 산소 농도, pH 값, 이동속도 등의 각 측정값에 대응하는 평가지수를 산출하고(평가지수의 산출 기준은 사전에 정의됨), 각 센서의 중요도를 고려하여 부여된 가중치가 적용된 환산 평가지수를 모두 합산한 값이 어떤 기준치를 초과하면 표적기관에 도달한 것으로 판단하는 것이다. 이러한 방식은 중요 인자를 더 중요하게 평가할 수 있고, 어떤 한 기준에 절대적인 영향을 받지 않으며, 어느 하나의 센서에 오류가 발생하더라도 적절한 타협점을 찾기 쉽다는 이점이 있다.

도 6은 대장의 상행결장에 경구형 물질 전달 장치(10)가 도달한 이후에 물질을 방출하는 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. 경구형 물질 전달 장치(10)를 섭취하기 전에 도 3과 같이 분리막(230)을 파열하며, 제1 물질(212)(비피도 균주)과 제2 물질(222)(배양액)은 섞여서 배양이 가능한 상태에 있게 된다. 소화기관으로 도입된 경구형 물질 전달 장치(10)는 장관 내에서 소화기관의 운동에 의해 회전하는 등의 요동을 일으키게 되고, 이에 따라 균주와 배지가 활발히 섞이면서 균주는 배양되면서 활성화된다. 장관 내를 이동하면서 경구형 물질 전달 장치(10)의 제어부(400)는 센싱부(300)를 통해 파악되는 각종 정보를 분석하면서 표적기관(대장)에 도달했는지를 파악하고, 목표에 도달하면 도 4와 같이 배출구 막(242)을 파열하고 사전에 설정된 방출 프로파일에 따라 활성화된 비피도 균을 배출한다. 그리고, 최종적으로 경구형 물질 전달 장치(10)는 배변으로 신체 밖으로 배출되며, 배출된 경구형 물질 전달 장치(10)는 회수 또는 폐기된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

10: 경구형 물질 전달 장치
100: 구동부 110: 액추에이터
112: 실린더 200: 물질 수용부
210: 제1 챔버 212: 제1 물질
214: 피스톤 215: 침
220: 제2 챔버 222: 제2 물질
230: 분리막 240: 배출구
242: 배출구 막 300: 센싱부
310: 용존 산소 센서 320: pH 센서
330: 관성 센서 340: 타이머
400: 제어부 500: 전원부

Claims

삼킬 수 있는 경구형의 물질 전달 장치로서,
액추에이터와, 상기 액추에이터에 의해 선형 이동하는 실린더를 포함하는 구동부;
상기 실린더에 연동하여 선형 이동하는 피스톤 및 불활성화된 제1 물질을 수용하는 제1 챔버와, 상기 제1 물질을 활성화하는 제2 물질을 수용하는 제2 챔버와, 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 서로 격리하는 분리막과, 상기 제1 챔버와 제2 챔버 중의 어느 하나를 외부환경과 소통시키는 배출구를 폐쇄한 배출구 막을 포함하는 물질 수용부;
상기 물질 전달 장치의 이동이나 위치를 파악하도록 하는 센싱부; 및
상기 센싱부로부터 제공되는 신호를 수신하고, 이에 기반하여 상기 액추에이터의 작동을 제어하는 제어부;
를 포함하는 경구형 물질 전달 장치.
삼킬 수 있는 경구형의 물질 전달 장치로서,
액추에이터와, 상기 액추에이터에 의해 선형 이동하는 실린더를 포함하는 구동부;
상기 실린더에 연동하여 선형 이동하는 피스톤 및 제2 물질을 수용하는 제1 챔버와, 상기 제2 물질에 의해 활성화되는 불활성 상태의 제1 물질을 수용하는 제2 챔버와, 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 서로 격리하는 분리막과, 상기 제1 챔버와 제2 챔버 중의 어느 하나를 외부환경과 소통시키는 배출구를 폐쇄한 배출구 막을 포함하는 물질 수용부;
상기 물질 전달 장치의 이동이나 위치를 파악하도록 하는 센싱부; 및
상기 센싱부로부터 제공되는 신호를 수신하고, 이에 기반하여 상기 액추에이터의 작동을 제어하는 제어부;
를 포함하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 물질 수용부는 상기 구동부를 포함하는 다른 구성요소로부터 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 실린더와 피스톤은 물리적으로 연결되되 상기 물질 수용부의 밀봉 상태는 항시 유지되는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 실린더와 피스톤은 각각 자성체를 포함하면서 물리적으로 분리되어 있고, 상기 자성체들의 자극은 상기 실린더와 피스톤 사이에 척력이 작용하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1 물질은 동결건조된 미생물 균주이고, 상기 제2 물질은 배양액인 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 물질은 헬리코박터균 억제 유산균, 락토바실러스 균 또는 비피도 균이고, 상기 물질 전달 장치의 표적기관은 각각 위장, 소장, 그리고 대장인 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 피스톤의 소정 거리 이동에 따라 상기 분리막이 파열하고, 이에 따라 상기 제1 물질과 제2 물질이 혼합하여 상기 제1 물질이 활성화되는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 물질은 동결건조된 미생물 균주이고, 상기 제2 물질은 배양액이며, 상기 분리막의 파열은 경구 섭취 이전에 이루어지는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 물질이 활성화되고, 상기 물질 전달 장치가 표적기관에 도달한 이후에 상기 피스톤이 소정 거리를 이동하여 상기 배출구 막을 파열하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 물질이 배양되고, 상기 물질 전달 장치가 표적기관에 도달한 이후에 상기 피스톤이 소정 거리를 이동하여 상기 배출구 막을 파열하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 배출구 막이 파열된 이후에, 상기 피스톤은 사전에 정의된 방출 프로파일에 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 배출구 막이 파열된 이후에, 상기 피스톤은 사전에 정의된 방출 프로파일에 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 센싱부는 용존 산소 센서, pH 센서, 관성 센서, 타이머 중의 적어도 어느 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 물질은 동결건조된 미생물 균주이고, 상기 제2 물질은 배양액이며, 상기 물질 전달 장치의 표적기관은 소화기관인 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 제어부는, 상기 용존 산소 센서의 신호에 따른 산소 농도로부터 위장 및 소장에 대해 대장을 구별하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 제어부는, 상기 pH 센서의 신호에 따른 산성도에 기반하여 위장과 소장을 구별하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 제어부는, 상기 관성 센서 및 타이머의 신호에 따라 상기 물질 전달 장치의 속도와 가속도를 검출하고, 이에 기반하여 위장 및 소장에 대해 대장을 구별하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 제어부는, 상기 타이머의 신호에 따라 경구 섭취 이후에 어떤 소화기관을 통과할 시간이 경과했는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 14에 있어서,
상기 센싱부는 용존 산소 센서, pH 센서, 관성 센서, 타이머 중에서 선택된 복수 개의 센서를 구비하고, 상기 제어부는 상기 물질 전달 장치가 표적기관에 도달했는지를 구비된 센서의 신호를 종합적으로 평가하여 판단하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 20에 있어서,
상기 제어부는 상기 복수 개의 센서 신호에 대해 AND 조건으로 평가하여 표적기관에 도달했는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 20에 있어서,
상기 제어부는 상기 복수 개의 센서 신호에 각각에 대해 가중치를 부여하고, 가중치가 부여된 각 센서 신호를 정량적으로 합산하여 소정의 기준을 초과하였을 때 표적기관에 도달한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 구동부와 물질 수용부는 서로 분리된 몸체 안에 각기 배치되고, 결합한 하나의 몸체는 기밀을 유지하는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
적어도 상기 물질 수용부는 산소가 제거된 환경이 유지되는 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.
청구항 24에 있어서,
상기 물질 수용부는 질소 환경인 것을 특징으로 하는 경구형 물질 전달 장치.