KR20080064448A - 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투석액의 재생 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 투석액이 저장되어 있는 투석액 저장부(100); 상기 투석액 저장부(100)로부터 유입되는 기사용된 투석액을 냉각시키는 냉각기(300); 상기 냉각기(300)로부터 냉각된 기사용된 투석액 내에서 일정 크기의 분자량을 갖는 입자들을 제거하는 나노 파이버 컬럼(400), 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510); 및 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내로 탭 워터(tap water)를 유입시키는 탭 워터(tap water) 저장부(700);를 포함하여 이루어지는 활성탄과 나노 파이버 컬럼을 이용한 저온 투석액 재생 시스템으로서, 기사용된 투석액 내의 요소, 소분자 및 중분자의 독소를 제거하여 바람직하게 투석액을 재생시킬 수 있으며, 약 10L의 투석액만으로 실시간 재사용함으로써 환자의 홈(home) 투석시 탁월한 비용 절감의 효과가 있을 뿐만 아니라, 혈액 투석 및 혈액 투석 여과를 선택적으로 할 수 있도록 한 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템에 관한 것이다.

혈액 투석, 혈액 투석 여과, 투석액 재생 시스템, 활성탄, 활성탄 컬럼, 나 노 파이버, 나노 파이버 컬럼

Description

활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템{Cold Dialysate Regeneration System with Carbon and Nanofiber Column}

도 1은 종래 기술에 따른 투석액 재생 시스템을 개략적으로 나타내는 평면도 및 사시도,

도 2는 진료실인원 및 건강보험급여비에 대해 나타내는 그래프,

도 3은 혈액투석센터 및 혈액투석기기의 수를 나타내는 그래프,

도 4는 국내 투석환자 및 투석기기당 투석환자 현황을 나타내는 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 투석액 재생 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도,

도 6은 전기방사(electrospinning)를 개략적으로 나타내는 개략도,

도 7은 나노 파이버의 공극 사이즈에 따른 분자들의 흡착율을 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템

100: 투석액 저장부 300: 냉각기

400: 나노 파이버 컬럼 500: 활성탄 컬럼A

510: 활성탄 컬럼B 700: 탭 워터(tap water) 저장부

본 발명은 투석액의 재생 시스템에 관한 것으로서, 말기 신부전 등의 환자가 주기적으로 혈액 투석시, 투석기로부터 투석에 기사용된 투석액 내에서 활성탄 컬럼A,활성탄 컬럼B를 이용하여 요소 및 소분자 물질의 독소를 제거하고, 나노 파이버 컬럼를 이용하여 중분자 물질의 독소를 제거하여 기사용된 투석액을 효과적으로 재생시킴으로써, 약 10L의 투석액만으로 실시간 재사용함으로써 환자의 홈투석시 탁월한 비용 절감의 효과가 있을 뿐만 아니라, 선택적으로 혈액 투석 및 혈액 투석 여과를 할 수 있는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 인체의 신장은 체내의 대사산물을 여과하여 소변으로 배설하는 기능과 산·염기 평형 기능, 기타 여러 기능이 있으며, 조혈 호르몬도 생산 분비한다. 따라서 신장의 기능에 장애가 오면 마치 하수도가 막힌 것과 같이 혈액 내에 노폐물이 쌓여 요독증을 일으키며 사망에 이른다.

그러므로 말기신부전증 환자는 타인의 신장을 이식받거나 복막투석을 하거나 또는 신장의 기능을 대신할 수 있는 외부의 장치인 인공신장기에서 혈액을 투석하여야 생명을 유지할 수 있으며, 이러한 수단으로 불충분한 부분, 예컨대 인/칼륨의 과다 축적이나 빈혈 증세 등은 약물로 보조치료를 병행한다.

현재 신장 제공을 받을 기회가 극히 적은 우리나라 실정에서 대부분의 신부전증 환자는 혈액투석으로 연명하고 있으며, 당뇨병 환자에 있어서도 신장의 기능이 악화되면 신부전증 환자와 같은 방법으로 치료받아야 한다.

인공신장기에서 중요한 기능을 하는 곳은 미세한 중공사 다발이 있는 투석기이며, 이곳에서 혈액과 투석액이 막을 사이에 두고 접촉하여 혈액 내의 노폐물을 여과시키며 전해질 등을 보충한다.

한편, 급성 신부전(acute renal failure)/만성 신부전(chronic renal failure)을 겪는 환자의 수가 매년 꾸준히 증가함에 따라 의료기기 및 의료시설, 인력의 수요 증가에 대응할 필요성이 요구되고 있다.(도 3 참조)

미국의 USRDS의 통계에 의하면, 중환자실 입원환자의 20%가 급성 신부전으로 고통을 겪고 있으며, 다른 장기관련 합병증을 앓고 있는 경우, 사망률이 50% 내지 80%까지 대단히 높은 실정이다.

현재, 간호 인력이 환자 수에 비하여 절대적으로 부족한 상태이며, 이는 현실적으로 환자의 생존율에 막대한 영향을 미치고 있다.

상술한 USRDS의 통계에 의하면, 전 세계적으로 알려진 만성 신부전증 환자의 수는 현재 1백만 명을 넘어, 매년 6%의 증가율을 보이고 있다.

현재 기존의 신대체 요법만으로 환자의 생존율이 향상되지 않고 있으며, 지난 30년 간 이와 관련된 의료소송이 증가하고 있다.

대한신장학회의 우리나라 신대체 용법 현황에 관한 보고서에 따르면, 우리나 라의 경우 35,000명의 만성 신부전증 환자가 투석을 받고 있으며 투석환자의 증가율이 매년 10%가 넘는 것으로 증명되고 있다.

이러한 신부전증 환자들은 일반적으로 일주일에 3~4회의 혈액투석 혹은 혈액투석여과를 받고 있으며, 1회의 혈액투석 혹은 혈액투석여과시 약 최소 200리터 이상의 투석액을 사용하고 있있다.

혈액투석 혹은 혈액투석여과 환자들은, 일주일에 3~4회, 1회당 최소 5시간 이상의 시간을 치료의 목적으로 병원에 소비하고 있으며, 이로 인해 일상적인 생활과 함께 사회생활에 큰 어려움을 겪고 있으며, 그에 따른 경제 활동 또한 제약을 받고 있다.

또한, 혈액투석(血液透析, hemodialysis)은 환자의 혈액에서 너무 많은 물과 단백질 대사의 결과 발생한 질소함유성 노폐물을 제거하고, 혈장(血漿)의 산(酸) ·염기(鹽基)의 평형과 전해질 농도가 개선되도록 구성된 용액에, 투석막(透析膜)으로 만든 관(管)을 넣고, 이 관 속에 환자의 혈액 일부를 순환시킴으로써 주요한 신기능(腎機能)을 대행시키는 것으로, 이 혈액투석을 행하는 장치를 인공신장(dialyzer)라고도 한다.

혈액투석을 하려면, 환자로부터 동맥혈을 끌어내어, 인공신장의 회로에 연결하고 투석된 혈액을 재차 환자에게 되돌려줄 수 있는 장소를 정맥쪽에 설치해야 한다.

이 혈액의 출입구(blood access)를 션트(shunt)라 하며, 혈액의 출입방법에는 플라스틱으로 만든 투관(套管:cannula)을 동 ·정맥에 삽입한 스크리브너션트를 사용하는 외(外)션트법, 동 ·정맥을 문합(吻合)하여 확대시킨 정맥에 투석할 때마다 천자(穿刺)하는 내(內)션트법, 이식혈관을 사용하는 방법의 3가지가 있다.

또한 투석기에는 코일형·평판형(平板型)·중공사형(中空絲型)의 3종류가 있으며, 이중 중공사형이 가장 많이 사용된다.

그리고 투석기 안에서 혈액이 응고하는 것을 방지하기 위해 헤파린을 사용하고 있다. 혈액투석은 보통 주 3회 행하며, 1회의 투석시간은 3～5시간이다.

이러한 불편 때문에 미국과 같은 선진국에서는 홈투석이 전체 투석환자의 30%를 차지하고 있다.

이 밖에 혈액투석은 식사 내용과 물의 양이 제한될 뿐만 아니라 큰 비용이 드는 등 문제점이 많다.

그리고, 혈액투석여과(Haemodiafiltration)는 막의 반대쪽에 투석액을 통과시켜 확산현상을 이용해 용질의 제거율을 높임으로서 혈액여과의 효율을 증가시키는 것이다.

따라서, 이러한 혈액 투석 및 혈액투석 여과시 현재 신부전증 환자들은 투석액 공급의 문제와, 이로 인한 공간적 제한의 문제를 겪고 있으며, 혈액투석시스템의 공간적, 시간적 제한들은 신부전증 환자들에게 있어서, 그들의 삶의 질을 저하시키는 하나의 요인으로 작용하고 있다.

현재 미국에서만 환자 1인당 의료비용 부담은 연간 7만 달러에 육박하며, 미국 전체적으로 200억 달러를 초과하는데 이 금액 중 1/3정도가 투석을 위해 소요되며, 한국의 경우도 환자가 꾸준히 증가할 것으로 예상되고 있으며, 가정용 혈액투 석시스템의 국산화는 소모품의 비용절감 의료비에 대한 사회보장비용을 감소시킨다.(도 2 참조)

이와 같이 혈액투석시스템과 관련한 수요가 계속 증대되고 있으며, 앞으로는 혈액 투석 시스템의 간소화에 대한 연구 관련 산업의 육성이 필요한 실정이다.(도 4 참조)

따라서, 혈액투석시스템의 간소화를 위해서, 혈액 투석시 사용되는 최소 200리터 이상의 투석액 양을 줄일 수 있는 시스템이 필수적이며, 혈액투석에 소요되는 의료 인력과 시설을 효과적으로 줄여줄 수 있는 시스템의 개발이 요구된다.

이에 현재 상업화된 투석액 재생 시스템으로는 SORB™ Technology, Inc.의 REDY　 product line.이 있는데, REDY Sorbent System에서, 일회용 카트리지인 SORB Cartridge를 이용하여 투석액을 재생시키고 있다.(도 1 참조)

이처럼 현재 미국 국내시장에서만 유일한 상품이 존재하며, REDY Sorbent System은, 그 기술적인 문제점으로 인하여, 유럽에서는 그 사용이 제한되고 있는데, REDY Sorbent System은 요소와 같은 소분자 물질들의 제거에는 효율적이나, 혈액투석 혹은 혈액투석여과 중에 투석액 내로 유입된 물질 중에서 요소를 제외한 다른 소분자, 중분자 물질들은 제거가 어렵기 때문이다.

그리고, 혈액투석시 적용 가능하지만, 혈액투석여과 시에는 적용 가능한 투석액 재생 시스템이 없는 실정이어서, 기존의 시스템과는 다른 방식의, 상기 문제점들을 보완한 새로운 투석액 재생 시스템의 개발이 요구된다.

한편, 최근 신대체 요법에 대한 동향은 환자를 관리하기 위하여 환자 보호자 에 대한 교육을 강화시 킴으로써, 병원의 의사나 간호사와 같은 의료 인력에 대한 수요를 줄이고, 경제적 문제도 동시에 해결할 수 있는 방안을 모색하는 추세이다.

미국 USRDS의 통계에 의하면, 자신이 직접 관리할 수 있는 혈액투석(self-care hemodialysis)의 경우, 기존의 혈액투석보다 42%나 낮은 사망률이 보고되고 있으며, 자가 관리치료 혈액투석을 위해서는, 혈액투석시스템 내로의 투석액 재생 기술이 필연적으로 추가되어야함을 의미한다.

그리고, 최근 대학병원에서 투석을 받는 환자의 수가 지난 5년간 36.2%에서 26.2%로 감소한 데 비해 사설의원에서 투석을 받는 환자의 비율이 47.9%로 증가하고 있으므로 가정용 투석기에 대한 잠재적 수요가 높을 것으로 예상된다.

그리고, 최근 발표되고 있는 자신이 직접 관리하는(self-care) 혈액투석에 대한 연구 결과에서 향후 기존의 투석시장이 가정용 투석시장 위주로 전환할 것을 시사하고 있다.

매년 전 세계적으로 6%의 신부전 및 심부전 환자의 증가율을 고려할 때, 대형 기관에서의 환자 간호 인력의 절대적인 부족 문제를 해결하고, 환자가족의 경제적 부담을 경감시킬 수 있는 방안으로써, 잠재적 산업상 성장률이 매우 크다.

그러나, 가정용 혈액투석 시장의 확대로 인해, 가정으로의 투석액 공급 및 가정에서의 투석액 저장과 관련된 문제들이 발생하고 있으며, 혈액투석 혹은 혈액투석 여과시 시용되는 투석액의 양을 200L보다 작은 양으로 감소시켜야 함에 따라, 가정용 혈액 투석에서 투석액에 소모되는 비용을 감소시킬 필요성이 있다.

따라서, 투석액 공급 및 저장과 관련하여, 가정에서 적은 양의 투석액 만으 로 혈액투석 혹은 혈액 투석여과가 가능하도록 하는 투석액 재생 시스템의 잠재적 수요가 높을 것으로 되며, 투석액 재생 시스템은, 가정용 혈액 투석 시장의 발전 및 확대에 있어서, 필수적인 요소로 작용할 것으로 예상된다.

한편, 기존에 개발되었으나 사용이 제한되고 있는 투석액 재생 시스템과 비교하여, 경쟁력 있는 시스템으로 국산화함으로써, 국내 수요를 충족할 뿐 아니라, 국제 시장 진출을 꾀할 수 있으며, 투석액 재생 시스템의 개발과, 이에 따른 새로운 시장의 개척으로, 고용증대 및 의료산업 활성화를 기대할 수 있을 것이다.

따라서 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 말기 신부전 등의 환자가 주기적으로 가정에서 혈액 투석시, 나노 파이버 컬럼, 활성탄 컬럼A 및 활성탄 컬럼B를 이용하여 기사용된 투석액이 효과적으로 재생됨으로써, 약10L의 투석액만으로 실시간 재사용함으로써 탁월한 비용 절감의 효과가 있을 뿐만 아니라, 선택적으로 혈액 투석 및 혈액 투석 여과가 가능한 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 투석액의 재생 시스템에 관한 것으로서, 투석액이 저장되어 있는 투석액 저장부;

상기 투석액 저장부로부터 유입되는 기사용된 투석액을 냉각시키는 냉각기;

상기 냉각기로부터 냉각된 기사용된 투석액 내에서 일정 크기의 분자량을 갖는 입자들을 제거하는 나노 파이버 컬럼, 활성탄 컬럼A 및 활성탄 컬럼B; 및

상기 활성탄 컬럼A 및 활성탄 컬럼B 내로 탭 워터(tap water)를 유입시키는 탭 워터(tap water) 저장부;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 활성탄 컬럼A 및 활성탄 컬럼B 내로 유입되는 탭 워터(tap water)의 온도는 고온인 것을 특징으로 한다.

상기 냉각기를 통해 상기 나노 파이버 컬럼 내로 유입 및 냉각되는 투석액의 온도는 저온인 것을 특징으로 한다.

상기 나노 파이버 컬럼은 탈·부착 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각기는 펠티어 소자를 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기 활성탄 컬럼A 및 활성탄 컬럼B는 기사용된 투석액 내의 요소 및 소분자 물질을 제거하여 투석액을 재생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 활성탄 컬럼A 및 활성탄 컬럼B는 탈·부착 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 나노 파이버 컬럼은 투석액 내의 중분자 물질을 제거하여 투석액을 재생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 활성탄 컬럼A 및 활성탄 컬럼B는 동시에 기사용된 투석액을 재생하지 않고 상기 활성탄 컬럼A 또는 활성탄 컬럼B 중 어느 하나의 컬럼만이 기사용된 투석액을 재생하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 활성탄 컬럼A 또는 활성탄 컬럼B 중 어느 하나의 컬럼이 기사용된 투석액을 재생하는 동안, 이미 기사용된 투석액을 재생시킨 다른 하나의 컬럼은 유입된 상기 탭 워터가 흡착된 물질, 즉 독소를 제거함으로써 재사용 상태로 되는 것을 특징으로 한다.

상기 활성탄 컬럼A 및 활성탄 컬럼B는 각각 10회 이상 재사용 가능한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 투석액 재생 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 6은 전기방사(electrospinning)를 개략적으로 나타내는 개략도이고, 도 7은 나노 파이버의 공극 사이즈에 따른 분자들의 흡착율을 나타내는 그래프이다.

따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템(1)은,

투석액이 저장되어 있는 투석액 저장부(100);

상기 투석액 저장부(100)로부터 유입되는 기사용된 투석액을 냉각시키는 냉각기(300);

상기 냉각기(300)로부터 냉각된 기사용된 투석액 내에서 일정 크기의 분자량 을 갖는 입자들을 제거하는 나노 파이버 컬럼(400), 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510); 및

상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내로 탭 워터(tap water)를 유입시키는 탭 워터(tap water) 저장부(700);

를 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템(1)의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.

투석기(미도시)로부터 투석에 사용된, 즉 기사용된 투석액이 상기 투석액 저장부(100)로 유입된 후, 상기 투석액 저장부(100)로부터 상기 냉각기(300)를 거치면서 저온으로 냉각된 후, 상기 나노 파이버 컬럼(Nanofiber Column,400) 내로 유입된다.

이때, 상기 냉각기(300)는 펠티어(peltier) 소자를 이용하여 상기 투석액을 냉각시킬 수 있다.

상기 나노 파이버 컬럼(400) 내에서, 기사용된 투석액 내의 중분자 물질 즉, 중분자의 독소가 제거됨으로써 우선적으로 투석액 재생이 된다.

상기 나노 파이버 컬럼(400) 내에서의 투석액 재생에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.

기존의 국·내외에서 상용되는 미국의 SORB TECHNOLOGY,Inc사의 REDY Sorbent System은 혈액 투석 1회시 사용되는 투서액의 양을 6L로 감소시킬 수 있으 며, 혈액 투석 후의 투석액 내에 유입된 독소들을 HiSORB 카트리지(cartridge) 혹은 SORB 카트리지(cartridge)와 같은 일회용 여과 카트리지를 이용하여 제거할 수 있도록 하였으나, 상기 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템(1)과 비교를 해보면 다음의 표 1과 같다.

	REDY Sorbent System	본 발명
적용 분야	혈액투석	혈액투석 및 혈액투석여과
중분자 물질 제거	불가	가능(by 나노 파이버 컬럼)
투석액 재생 필터	일회용 카트리지 사용	10회 이상 재사용 가능한 활성탄 컬럼의 사용
추가적인 전해질 공급	공급 필요	공급 불필요

상기 나노 파이버 컬럼(400) 내에는 나노 파이버 멤브레인(membrane)이 구비되는데, 이러한 나노 파이버 멤브레인은 전기방사(electrospinning) 방법을 이용하여 제작된다.

상기 전기방사(electrospinning)법은 1882년 Raleigh가 액체의 낙하시 정전기력이 표면장력을 극복할수 있다는 계산이 과학적 토대가 되어, 1934년에 독일의 엔지니어인 Formhals에 의해 특허를 받은 방법이다.

전기방사는 정전기력(electrostatic force)에 의해 폭넓은 범위의 점도 상태의 폴리머(polymer)를 사용하여 순간적으로 파이버형태로 방사하여 제품(product)를 얻는 방법이다.

이러한 전기방사법을 이용하여 수십 내지 수백 나노미터(nanometer)의 직경을 갖는 파이버를 만들 수 있다.

따라서, 약 10여년 전부터, 이러한 기술은 직경 20nm-1μm의 나노 파이버를 만드는데 사용되며 각광을 받고 있는 신기술이다.

이러한 나노 파이버의 장점은 극세 크기의 직경을 가지며, 기존 파이버에 비해 큰 표면적을 갖기 때문에 나노 파이버를 필터용으로 사용할 수 있게 하는 재질로서 효과를 갖게 한다.

그리고, 전기방사법은 충전된 폴리머 제트 솔루션(polymer jet solution)이나 멜트(melt)를 얻기 위해 고전압을 사용한다. 이 충전된 폴리머 제트 솔루션(polymer jet solution) 또는 멜트(melt)는 고분자 파이버를 얻기 위해 건조되거나 고체화시킨 것이다.

한 전극은 다른 콜렉터(collector)의 표면에 접착시키기 위해 솔루션(solution)이나 멜트(melt)를 스핀코팅(spin-coating)시킨다. 전기영역의 주제가 되는 것은 모세관(capillary tube)의 끝부분에 고분자 용액이 자체의 장력에 의해 달라붙게 만드는 것이다.

따라서, 상기 전기방사(electrospinning) 방법을 이용하여, 수십~수백 나노 사이즈의 지름을 가지는 파이버를 생산할 수 있으며, 이러한 기술은 파이버산업, 조직공학, 공기정화필터, 인공피부 등의 여러 분야에서 활용되고 있다.

그리고, 전기방사는 1795년 Bose는 표면장력에 의해 모세관 끝에 매달려 있는 물방울에 고전압을 부여할 때 물방울 표면에서 미세 필라멘트가 방출되는 정전 스프레이 과정에서 변형된 것으로 충분한 점도를 가진 고분자용액이나 용융체가 정전기력을 부여받을 경우 파이버가 형성되는 현상이다.(도 6 참조)

이러한 나노 파이버(nano fiber)의 공극 사이즈(pore size)를 수십 나노미터에서 수백 마이크로 미터 단위까지 조절할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석 재생 시스템(1)에서는, 혈액 투석 및 혈액 투석 여과 후에 투석액 내로 유입된 독소들 중, 목표로 하는 독소를 선택적으로 제거할 수 있다.(도 7 참조).

상기 나노 파이버는 면적 대비 넓은 표면적과 높은 공극률을 가질 뿐 아니라, 유체에 대한 저항 정도가 작으며 공극 크기(pore size)의 조절이 자유롭기 때문에, 이러한 장점을 가지는 나노 파이버를 본 발명에 따른 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석 재생 시스템(1)의 상기 나노 파이버 컬럼(400)에 추가적으로 구비할 수 있다.

따라서, 상기 나노 파이버 컬럼(400)에 의해 우선적으로 중분자 물질의 독소가 제거되어 재생된 투석액은 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내로 유입되어 재생된다.

이때, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내에서 상기 투석액이 재생되는 과정의 상세한 설명은 다음과 같다.

상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)의 경우, 상기 컬A(500),B(510) 내에 활성탄(activated carbon)을 구비하여 이루어지는데, 이러한 활성탄은 흡착성이 강하고, 대부분의 구성물질이 탄소질로된 물질로서, 급성 신부전, 만성 신부전, 간기능 이상 및 약물 중독 등의 여러 분야에서 이용된다.

상기 활성탄은 대부분 코코넛을 짜내고 남은 찌꺼기를 사용하는데, 이는 코코넛에 섬유 조직이 활성탄으로 사용하기 좋은 망사 구조이기 때문이다.

한편, 활성탄의 제조 방법은 목재·갈탄·이탄(泥炭) 등을 활성화제인 염화아연이나 인산과 같은 약품으로 처리하여, 건조시키거나 목탄을 수증기로 활성화시켜 만든다. 일반적으로 활성탄은 가루상태나 입자상태로 제조되는데, 가루인 것은 입자상태로 만들어 사용하기도 한다.

그 용도는 주로 흡착제로서 기체나 습기를 흡수시키는 데 사용되며, 그 밖에 용제(溶劑)의 회수제와 가스의 정제용 또는 탈색제로 쓰이는 등 용도가 다양하다.

원래 활성화란 복사(輻射)의 흡수나 고속입자선의 충격 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되어 화학반응이나 결정격자(結晶格子)를 일으키기 쉬운 상태로 변하는 것을 말한다.

또한, 촉매작용으로 그 표면상태의 변화나 다른 물질의 첨가로 그 기능이 훨씬 높아지는 것을 뜻하는 것이므로, 활성탄도 이와 같은 활성화제를 첨가하여 탄소질의 기능이 향상된 것을 뜻한다.

이러한 활성탄의 모세기공에 불순물들이 부착되어 필터가 이루어지며, 이러한 기공들이 불순물로 충진되어 사용이 불가능할 경우, 다시 재생 처리하여 사용이 가능하다.

따라서, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)의 경우, 상기 탭 워터(tap water) 저장부(700)로부터 약 1L의 탭 워터(tap water)를 유입시켜서 사용할 경우, 약 10회 이상 재생하여 사용할 수 있다.

이때, 상기 탭 워터(tap water)의 온도는 고온으로, 상기 활성탄 컬럼A(500) 또는 활성탄 컬럼B(510) 내에 흡착된 물질 즉, 독소들을 효과적으로 세척하여 제거시킬 수 있는 이점이 있다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 투석액 재생 시스템(1)은 상기와 같은 활성탄의 성질을 이용하여, 상기 활성탄을 포함하여 이루어지는 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내에 바람직하게 구비함으로써, 기사용된 투석액 내의 요소를 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 소분자 물질 즉, 소분자의 독소를 제거할 수 있다.

이때, 상기 활성탄 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)의 경우 중분자 물질의 독소에 대한 흡착 능력이 뛰어나지만, 요소(urea)와 같은 소분자 물질과, 흡착 능력이 떨어지는 일부 중분자 물질들의 제거가 어려운데, 이는 요소(urea)와 같은 소분자 물질과, 흡착 능력이 떨어지는 일부 중분자 물질들의 제거를 위해 상기 나노 파이버 컬럼(400)에 상기 냉각기(300)를 통해 기사용된 투석액을 저온으로 냉각시켜 유입시킴으로써 해결된다.

이는 저온에서 활성탄의 물리적 흡착 능력이 향상됨을 이용하여 상기 기사용된 투석액을 상기 냉각기(300)에서 저온으로 냉각시켜 상기 나노 파이버 컬럼(400)을 거쳐 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내로 유입시킴으로써, 요소와 같은 소분자 물질들의 흡착 제거 능력 및 중분자 물질의 흡착 제거 능력을 향상시킬 수 있다.

이러한 활성탄의 물리적 흡착과 화학적 흡착에 대한 성능은 다음의 표 2와 같다.

구분	물리흡착	화학흡착
온도	저온에서 큼	고온에서 일어남
피흡착질	비선택성	선택성
흡착열	적다, 응축열과 같음(10kcal/Mole이하)	크다, 반응열과 같음(10kcal/Mole)
흡착속도	빠름(Activation이 존재치않음)	느림(활성화에너지필요)
흡·탈착	가역성(가능)	비가역(불가능)

그리고, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)의 경우, 활성탄의 물리적 흡착 능력은 저온에서는 증가하는 반면, 고온에서는 감소하는 특성이 있다.

이러한 활성탄의 특성을 이용하여 활성탄에 흡착되어 있는 물질들은 고온에서는 그 물리적 흡착 능력이 저하되면서, 활성탄 표면에 흡착되어 있던 물질들이 용출된다.

따라서, 혈액 투석 및 혈액투석여과 동안 기사용된 투석액 내의 독소들을 흡착한 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내에 상기 탭 워터 저장부(700)로부터 고온의 탭 워터(tap water)를 유입시킴으로써, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내의 활성탄 표면에 흡착된 물질들이 용출됨으로써, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)은 재사용 가능해진다.

더욱 상세히 설명하면, 상기 활성탄 컬럼A(500)가 기사용된 투석액 내의 독소들을 제거시켜 재생할 경우, 상기 활성탄 컬럼B(510)는 투석액을 재생하지 않고, 상기 활성탄 컬럼B(510)가 투석액을 재생할 경우, 상기 활성탄 컬럼A(500)는 투석액을 재생하지 않는다.

즉, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)는 동시에 기사용된 투석액을 재생하지 않고 상기 활성탄 컬럼A(500) 또는 활성탄 컬럼B(510) 중 어느 하나의 컬럼만이 기사용된 투석액 내의 요소 및 소분자 물질을 제거하여 재생하도록 이루어진다.

상기와 같은 구조로 이루어짐으로써, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)는 예를 들면, 상기 활성탄 컬럼A(500) 내에서 기사용된 투석액 내의 독소를 제거하여 재생하고 있는 동안, 이미 기사용된 투석액을 재생시킨 상기 활성탄 컬럼B(510)는 유입된 상기 탭 워터(tap water)가 상기 활성탄 컬럼B(510) 내의 활성탄 표면 외부로 흡착된 독소들을 용출시켜 세척하여 재사용 가능한 상태로 된다.

그리고, 상기 활성탄 컬럼A(500)가 더 이상의 투석액 재생이 불가해지면 그와 반대로 되어 상기 활성탄 컬럼A(500)은 재사용 가능한 상태가 된다.

본 발명에 구비되는 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)의 경우 약 10회 재사용 가능하며, 향후, 활성탄의 재사용 능력을 향상시켜 재사용 회수를 늘림으로써, 탁월한 비용 절감의 효과를 볼 수 있다.

한편, 상기 나노 파이버 컬럼(400), 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)는 그 사용의 한계가 있어 탈·부착 가능하도록 이루어진다.

그리고, 상기 냉각기(300)는 약 300ml/min으로 순환하는 투석액을 실시간 저온으로 냉각시키기 위해서 효율이 큰 냉각시스템으로, 크기 대비 높은 효율을 갖는 열전 소자로 정수기, 냉장고 등의 냉각 시스템에서 널리 사용되는 펠티어(peltier) 소자를 이용하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템(1)은 혈액 투석 및 혈액투석여과시 투석 후의 투석액 내의 독소들을 구비된 상기 나노 파이버 컬럼(400), 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)을 이용하여 제거할 수 있으며, 기존의 투석액 재생 시스템의 경우 최소 200L 이상의 투석액을 사용하는 것과는 달리, 약10L의 투석액만으로도 탁월한 혈액 투석 및 혈액투석여과가 가능한 이점이 있다.

그리고, 본 발명에 따른 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템(1)의 경우, 상기 나노 파이버 컬럼(400), 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)은 탈·부착이 가능하게 구비가능하며, 혈액 투석 여과시 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)을 이용하여 투석액 내의 독소를 제거할 수 있으며, 혈액 투석 여과시, 상기 나노 파이버 컬럼(400), 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)을 이용하여 투석액 내 독소를 제거할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템(1)은 혈액 투석 및 혈액 투석 여과를 선택적으로 할 수 있는 것이 가능하다.

그리고, 가정 내에서 이루어지는 홈투석이 증가하는 추세를 반영하여, 본 발명에 따른 활성탄과 나노 파이버를 이용한 상기 저온 투석액 재생 시스템(1)은 가정 내에서 용이하게 다룰 수 있도록 크기를 줄여 제작가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능 할 것이다.

따라서, 상기한 바와 같은 본 발명은 활성탄 컬럼A,활성탄 컬럼B에서 요소 및 소분자 독소를 제거하고, 나노 파이버 컬럼에서 중분자 독소를 제거하여 투석에 사용된 투석액을 효과적으로 재생시킬 수 있는 효과를 가지며, 활성탄의 흡착 기전을 다양한 의료기기 및 인공 장기 분야에 적용가능성을 향상시키며, 혈액 투석 및 인공장기 분야로의 나노 기술의 적용 가능성을 향상시킬 뿐만 아니라, 혈액투석시 사용되는 최소 200L 이상의 투석액을 10L로 감소시키고, 홈투석 치료기에 본 발명에 따른 저온 투석액 재생 시스템을 적용함으로써, 홈투석의 문제점으로 제기되어 왔던 투석액의 비용을 절감시키며, 저장 및 관리가 용이하고, 홈케어(home-care)의 활성화 및 홈투석 의료기기와의 접목이 가능하며, 의료기기 산업의 활성화로 인한 고용 증대의 효과를 가져올 수 있다.

Claims (11)

1. 투석액이 저장되어 있는 투석액 저장부(100);

   상기 투석액 저장부(100)로부터 유입되는 기사용된 투석액을 냉각시키는 냉각기(300);

   상기 냉각기(300)로부터 냉각된 기사용된 투석액 내에서 일정 크기의 분자량을 갖는 입자들을 제거하는 나노 파이버 컬럼(400), 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510); 및

   상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내로 탭 워터(tap water)를 유입시키는 탭 워터(tap water) 저장부(700);

   를 포함하여 이루어지는 활성탄과 나노 파이버 컬럼을 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 탭 워터(tap water) 저장부(700)로부터 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510) 내로 유입되는 탭 워터(tap water)의 온도는 고온인 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 냉각기(300)를 통해 상기 나노 파이버 컬럼(400) 내로 유입 및 냉각되는 투석액의 온도는 저온인 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 나노 파이버 컬럼(400)은 탈·부착 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
5. 제3항에 있어서, 상기 냉각기(300)는 펠티어 소자를 이용하는 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
6. 제2항에 있어서, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)는 기사용된 투석액 내의 요소 및 소분자 물질을 제거하여 투석액을 재생시키는 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)는 탈·부착 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
8. 제4항에 있어서, 상기 나노 파이버 컬럼(400)은 투석액 내의 중분자 물질을 제거하여 투석액을 재생시키는 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
9. 제7항에 있어서, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)는 동시에 기사용된 투석액을 재생하지 않고 상기 활성탄 컬럼A(500) 또는 활성탄 컬럼B(510) 중 어느 하나의 컬럼만이 기사용된 투석액을 재생하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 활성탄 컬럼A(500) 또는 활성탄 컬럼B(510) 중 어느 하나의 컬럼이 기사용된 투석액을 재생하는 동안, 이미 기사용된 투석액을 재생시킨 다른 하나의 컬럼은 유입된 상기 탭 워터(tap water)가 흡착된 물질 즉, 독소를 제거함으로써 재사용 상태로 되는 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 활성탄 컬럼A(500) 및 활성탄 컬럼B(510)는 각각 10회 이상 재사용 가능한 것을 특징으로 하는 활성탄과 나노 파이버를 이용한 저온 투석액 재생 시스템.

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