KR101207977B1 - 마이크로젯 약물 전달 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 저장된 약물 용액을 마이크로젯(microjet) 분사하여 피시술자의 신체조직 내에 침투시켜 전달하기 위한 약물전달 시스템에 관한 것이다. 본 발명에서 제공하는 마이크로젯 약물 전달 시스템은, 일정한 수용 공간을 가지며 밀폐된 내부에 압력발생용 액체를 저장하고 있는 압력 챔버와; 상기 압력 챔버에 인접하여 배치되며, 일정한 수용 공간 내에 약물 용액을 수용하도록 구비된 마이크로 약물 챔버와; 상기 압력 챔버 내에 저장된 압력발생용 액체에 에너지를 집중시켜 상기 압력발생용 액체의 기화에 의한 버블을 발생시키도록 구비된 에너지 포커싱 유닛과; 상기 압력 챔버와 상기 마이크로 약물 챔버의 사이에 배치된 탄성막 및; 상기 마이크로 약물 챔버의 일측에 연결되어 내부에 저장된 약물 용액이 외부로 마이크로젯 분사되는 통로로 형성되는 마이크로 노즐;을 포함하여 구성된다. 이러한 본 발명에 따르면, 레이저 빔과 같은 강한 에너지를 밀폐된 압력 챔버 내의 액체에 집중하여 버블을 발생시키고 이와 같이 발생된 버블로 인한 부피 팽창이 탄성막을 신장시켜 인접한 마이크로 약물 챔버의 약물 용액에 순간적인 압력을 가하여 액체 마이크로젯 형태로 분사되도록 함으로써 피시술자의 피부 내로 약물 용액을 신속하고 정확하게 침투시킬 수 있게 된다.

Description

마이크로젯 약물 전달 시스템 {Microjet Drug Delivery System}

본 발명은 환자의 신체조직 내에 약물을 투여하기 위한 약물전달 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 빔과 같은 강한 에너지를 밀폐된 압력 챔버 내의 액체에 집중시켜 버블을 발생시키고 이와 같이 발생된 버블로 인한 부피 팽창이 탄성막을 신장시켜 인접한 마이크로 약물 챔버의 약물 용액에 순간적인 압력을 가하여 액체 마이크로젯 형태로 분사되도록 함으로써 신체조직 내로 약물 용액을 신속하고 정확하게 침투시킬 수 있는 새로운 형태의 무주사바늘(needle-free) 약물전달 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 의료 분야에 있어 치료용 약물을 환자의 체내에 비경구 투여하기 위한 방법으로서 예로부터 다양한 약물 전달 시스템(Drug delivery system)들이 적용되고 있으며, 이들 중 가장 보편적으로 사용되는 방식은 전통적인 주사기를 사용하는 방식이라 할 수 있다. 그러나, 상기와 같이 주사기를 사용하는 방식의 경우 약물 투여 부위에 직접적인 주입을 통한 매우 효과적인 방식이라 할 수 있는 반면, 주사시의 통증으로 인한 환자들의 불편이 큰 단점으로 지적되고 있으며, 그 밖에도 주사 바늘 사용으로 인한 상처 및 이를 통한 감염의 우려 및 숙련된 시술자가 필요하다는 점, 주사기의 재사용이 어려우므로 자원의 낭비가 있다는 점 등 많은 단점들이 있었다.

상기와 같은 전통적인 주사기의 단점들로 인해 기존에도 이를 대체하기 위한 무 주사바늘(needle-less) 약물 전달 시스템을 개발하려는 많은 연구가 있었으며, 이러한 연구의 일환으로서 약물을 마이크로젯 방식으로 고속 분사하여 피부 표피를 통해 직접 체내의 타겟 부위(target region)로 침투시키는 방식의 약물 전달 시스템이 제시된 바 있다.

이러한 마이크로젯 방식의 약물 전달 시스템에 관한 연구는 1930년대에 최초로 시도된 바 있다. 상기 초기 마이크로젯 약물 전달 시스템은 단순한 마이크로젯 메커니즘을 이용한 매우 기초적인 방식으로서, 상기 방식에 따르면 상호 감염의 우려, 시술시의 스플래쉬-백(splash back) 현상, 정확한 침투 깊이의 조정이 어려워 신뢰성이 떨어지는 문제 등 많은 문제점이 있었으며, 특히 시술시에 상당한 통증이 수반되는 단점이 여전히 남아 있음으로써 기존의 주사기를 대체하는 방식으로 널리 채용되지는 못하였다.

또한, 상기와 같은 마이크로젯 방식의 약물전달 시스템에서 나타난 통증 문제를 저감시키고 약물 투여를 안정화시키기 위한 방법으로서, Stachowiak 등은 압전 세라믹 소자를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템을 개발하여 제안한 바 있다(J.C. Stachowiak et al, Journal of Controlled Release 135: 104 (2009)). 상기 Stachowiak에 의해 제안된 방식은 압전 세라믹 소자에 전기 신호를 가해 발생하는 진동을 이용하여 약물을 고속으로 마이크로젯 분사하는 방식으로서, 실시간 마이크로젯 분사 속도의 변화를 통해 신경 조직을 건드리지 않고 약물을 안정적으로 피부내로 주입시킬 수 있도록 함으로써 시술시의 통증을 효과적으로 저감시킬 수 있도록 하고 있다. 하지만, 이와 같이 약물 분사의 실시간 변동(time-varying) 모니터링을 구현하기 위해서는 매우 미량의 약물 수준에 대한 마이크로젯 조절이 가능하여야 하는데, 상기 압전 세라믹 소자를 이용한 방식의 경우 조절 정밀도에 한계가 있어 실제적인 약물 전달 시스템의 구현에 큰 어려움이 있었다.

한편, 상기와 같은 전기적 소자 및 장치를 이용한 방식 외에도 최근 연구 결과에 따르면 레이저를 이용한 약물전달 시스템이 보고된 바 있다 (V.Menezes, S. Kumar, ans Takayama, Journal of Appl . Phys. 106, 086102 (2009)). 상기 방식은 알루미늄 호일(foil)에 레이저 빔을 가함으로써 유발되는 충격파(shock wave)를 통해 약물액을 마이크로젯 분사하는 방식으로서, 레이저의 경우 매우 좁은 영역 내에 높은 에너지를 집중시킬 수 있는 장점이 있는바 정밀한 수준의 무(無)주사바늘(needle-free) 약물전달 시스템이 가능하게 된다. 하지만, 상기와 같은 레이저-충격파를 이용한 방식의 경우 연속적으로 제어된 마이크로 젯의 분사가 불가능하다는 단점이 있으며, 특히 상기 방식의 경우 한번 사용한 주사기의 재사용이 어렵다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 기존의 바늘형 주사기를 대체할 수 있는 무 주사바늘 약물전달 시스템에 있어서, 레이저 빔과 같은 강한 에너지를 적어도 일면이 탄성막으로 구획된 밀폐된 챔버 안의 액체에 집중시켜 버블을 발생시키고, 이러한 버블 발생시 액체의 급격한 부피 팽창을 상기 탄성막으로 전달하여 탄성막의 확장에 의해 약물 용액을 마이크로 노즐을 통해 고속으로 분출되게 함으로써, 피분사 약물 용액에 레이저를 직접 조사하지 않고 약물 용액을 마이크로젯 분사시키게 되어 약물 용액의 손상 및 변질의 우려가 없는 새로운 마이크로젯 약물전달 시스템을 제공하는 것을 그 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 피분사 약물 용액을 미량 단위로 조절이 가능하므로 분사 약물의 양 및 강도를 시간에 따라 자유롭게 조절(time-varying)함으로써 약물전달 시술시 실시간 모니터링이 용이하여 피부 내에 약물을 주입함에 있어 원하는 깊이 및 침투 분포의 조절이 가능한 마이크로젯 약물전달 시스템을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 마이크로젯 방식의 약물전달 시스템으로서 시술시 통증 및 스플래쉬 백을 크게 감소시킬 수 있으며, 계속적인 재사용이 가능하여 자원의 낭비를 절감할 수 있는 마이크로젯 약물전달 시스템을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은 내부에 저장된 약물 용액을 마이크로젯(microjet) 분사하여 피시술자의 신체조직 내에 침투시켜 전달하기 위한 약물전달 시스템으로서,

일정한 수용 공간을 가지며, 밀폐된 내부에 압력발생용 액체를 저장하고 있는 압력 챔버와; 상기 압력 챔버에 인접하여 배치되며, 일정한 수용 공간 내에 약물 용액을 수용하도록 구비된 마이크로 약물 챔버와; 상기 압력 챔버 내에 저장된 압력발생용 액체에 에너지를 집중시켜 상기 압력발생용 액체의 기화에 의한 버블을 발생시키도록 구비된 에너지 포커싱 유닛과; 상기 압력 챔버와 상기 마이크로 약물 챔버의 사이에 배치된 탄성막 및; 상기 마이크로 약물 챔버의 일측에 연결되어 내부에 저장된 약물 용액이 외부로 마이크로젯 분사되는 통로로 형성되는 마이크로 노즐;을 포함하여 구성되는 마이크로젯 약물 전달 시스템을 특징적인 구성으로서 제공한다.

이때, 상기와 같은 본 발명의 마이크로젯 약물전달 시스템에 있어서, 상기 에너지 포커싱 유닛으로서는 레이저 빔을 발생하여 상기 압력 챔버 내에 저장된 압력발생용 액체에 촛점이 맞추어지도록 조사하는 레이저 발생장치 또는 전기 에너지를 통과시키는 전극이 바람직하게 적용될 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 구성에 있어서 상기 압력 챔버에 저장된 압력발생용 액체는 물, 알코올, 또는 졸(sol)이나 젤(gel) 형태의 고분자 화합물(예컨대 폴리에틸렌글리콜)로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 마이크로젯 약물 전달 시스템에는 피분사 약물 용액을 저장하기 위한 약물 저장부가 더욱 포함되고, 상기 마이크로 약물 챔버에는 약물 저장부와 연결 통로가 구비되어 상기 약물 저장부에 저장된 약물 용액을 공급받을 수 있도록 구성되는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 상기 약물 저장부에는, 상기 마이크로 약물 챔버에 저장된 피분사액이 마이크로젯 분사된 후 피분사 약물 용액을 상기 마이크로 약물 챔버로 공급할 수 있는 마이크로 펌프와 같은 수단 및 이에 대한 제어 수단이 더욱 구비될 수 있다.

나아가, 상기 마이크로 노즐의 내측에는 코팅층이 더욱 형성될 수 있으며, 이때, 상기 마이크로 노즐 코팅층의 재질은 폴리테트라플루오르에틸렌(상표명: 테플론)이 특히 바람직하게 사용될 수 있다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 약물전달 시스템에 의하면, 압력 챔버 내의 압력발생용 액체에 강한 에너지(예컨대 레이저 또는 전기 스파크)를 순간적으로 집중시켜 액체에 급격한 버블의 생성을 유도하고, 이러한 버블 생성에 따른 부피 팽창이 탄성막을 통해 마이크로 약물 챔버로 전달되어 약물 용액이 노즐을 통해 인간의 피부 등 신체조직을 통과할 수 있는 속도로 마이크로젯 분사되도록 하는 것을 그 기본적인 개념으로 한다.

즉, 에너지 포커싱 유닛으로서 레이저 조사장치를 사용한 경우를 예로 들어 설명하면, 레이저 유닛으로부터 방출된 레이저 빔이 밀폐된 압력 챔버 내의 압력발생용 액체에 포커스되도록 조사되면, 촛점 부위에서 레이저 빔의 집중된 에너지를 받은 액체분자 구조에 붕괴(breakdown)가 일어나 기체 버블이 생성된다. 이로 인해 상기 압력 챔버 내의 내용물의 전체 부피에 대략 버블의 크기만큼 증가가 있게 되며, 이와 같은 급격한 부피의 증가에 따라 상기 압력 챔버 내의 압력발생용 액체가 탄성막을 외측으로 가압하여 탄성막이 마이크로 약물 챔버 방향으로 탄력적으로 신장하게 된다.

상기와 같은 탄성막의 신장으로 인해 마이크로 약물 챔버의 내측 방향으로 상당한 압력이 순간적으로 작용하게 되며, 이에 따라 마이크로 약물 챔버 내에 저장된 약물 용액이 가압되어 마이크로 노출의 미세한 출구를 통해 액체 마이크로젯의 형태로 분사되는 것이다.

따라서, 상기와 같은 본 발명에 있어 레이저 빔의 출력, 펄스 주기 및 파장을 적절하게 선택하여 적용하면 마이크로젯의 속도를 용이하게 조절할 수 있는바, 환자의 피부 조직을 관통하여 체내에 침투하기에 적당한 속도 및 강도를 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 약물의 마이크로젯 분사 이후에 레이저로 유발된 기체 버블은 레이저 조사의 종료와 함께 곧 소멸하게 되며, 이에 따라 상기 탄성막은 재료의 탄성에 의해 바로 원상태로 회복되어 다음 주사 시술을 대기할 수 있게 된다. 이때, 본 발명의 바람직한 구성에 따라 상기 마이크로 약물 챔버에 약물 저장부를 연결 구성하게 되면, 마이크로젯 분사 직후 탄성막이 원상 회복됨에 따라 상기 약물 저장부로부터 마이크로 약물 챔버로 새로운 약물 공급이 자동적으로 이루어지게 되어 연속적인 마이크로젯 약물 시술이 가능하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 레이저를 피분사 약물 용액에 직접 조사하는 대신, 별도의 중간 매개체인 압력발생용 액체에 조사하여 버블을 발생시켜 부피의 증가를 유발하고 이러한 버블 발생으로 인한 부피의 증가가 탄성막의 신장을 통해 약물의 마이크로젯 분사를 일으키는 압력원으로 작용하게 하는 새로운 마이크로젯 메커니즘을 제공하고 있으며, 따라서 이러한 본 발명에 따른 약물전달 시스템에 의하면 레이저 에너지가 직접 약물 용액에 전달되지 않고 탄성막의 신장을 통해 마이크로젯 분사 압력으로 전달되는바 약물 용액이 레이저 열로 인해 변질되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.

즉, 상기 탄성막은 고무 등 탄성 재질로 이루어져 마이크로젯 분사를 위한 압력 발생 수단으로서 기능할 뿐 아니라 상대적으로 낮은 열 전도도를 가짐으로써 약물 용액을 레이저 열(또는 전열)로부터 보호하는 기능을 하며, 아울러 주사 직후 탄성 회복에 의해 즉각적인 외부 약물 공급이 이루어지게 하여 원활한 연속 주사가 가능하게 함으로써 본 발명의 목적을 달성함에 매우 중요한 역할을 하는바 상기 탄성막은 본 발명의 기술적 개념을 구현함에 있어 가장 핵심적인 구성요소의 하나라 할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 약물전달 시스템에 따르면, 약물 용액을 분사함에 있어 피분사 약물 용액에 직접적인 외력을 가하거나 다른 작용을 하는 대신, 별도의 압력발생용 액체에 레이저 빔 등으로 에너지를 집중시켜 순간적인 기체 버블의 생성 및 부피 팽창을 유도하고 이러한 압력발생용 액체의 급속한 부피 팽창으로 인한 탄성막의 확장을 이용하여 간접적으로 약물 용액을 분사시킴으로써 약물 용액의 손상 및 변질의 우려가 없는 새로운 방식의 마이크로젯 약물전달 시스템의 구현이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 약물전달 시스템에 따르면, 레이저 강도/파장의 변동 또는 전압의 조절 등을 통해 피분사 약물 용액의 미량 단위로 조절이 가능하므로 분사 약물의 양 및 강도를 시간에 따라 자유롭게 조절할 수 있는(time-varying) 마이크로젯 약물전달 시스템의 구현이 가능하게 되며, 이에 따라 약물전달 시술시 실시간 모니터링 및 제어가 용이하여 피부 내에 약물을 주입함에 있어 원하는 깊이 및 침투 분포의 조절이 가능하게 되는 장점이 있다.

따라서, 이러한 본 발명의 장점에 따르면, 마이크로젯 방식의 약물전달 시스템으로서 시술시 통증 및 스플래쉬 백을 감소시킬 수 있는 것은 물론, 시술시의 안정성 및 조절 가능성이 매우 우수하고, 계속적인 약물 용액의 공급 및 재사용이 가능한바 기존의 주사기를 이용한 약물전달 시스템을 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

이상에서 설명한 본 발명의 장점 및 기타 다른 기술적 특징과 장점들은 아래에서 설명하는 본 발명의 더욱 상세한 설명을 통해 더욱 명확하게 밝혀질 것이다.

도1은 상기와 같은 본 발명의 기술적 개념을 바람직한 형태로서 구현한 일 실시예를 도시한 부분절개 사시도이다.
도2는 상기와 같은 본 발명의 각 구성요소들을 조립?결합하여 전체 약물전달 시스템을 구성한 상태 및 그 동작 메커니즘을 도식적으로 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 마이크로젯 분사되는 과정을 시간별로 나타낸 연속 사진이다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예를 통한 실험에서 시간에 따른 마이크로젯 거리와 속도 측정 결과를 그래프의 형태로 나타낸 것이다.
도5는 본 발명에 대한 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 상기와 같은 본 발명의 메커니즘 및 기술적 개념이 바람직하게 구현된 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도1은 전술한 본 발명의 기술적 개념을 바람직한 형태로서 구현한 일 실시예를 도시한 도면이다. 도1에 도시된 예에서 보는 것과 같이, 본 발명의 마이크로젯 약물전달 시스템은 기본적으로, 일정한 밀폐 수용 공간을 가지며 내부에 압력발생용 액체(100)를 저장하고 있는 압력 챔버(10)와; 상기 압력 챔버(10)에 인접하여 배치되며 일정한 수용 공간 내에 피분사 약물(200)을 수용하도록 구비된 마이크로 약물 챔버(20)와; 상기 압력 챔버(10)와 상기 마이크로 약물 챔버(20)의 사이에 배치된 탄성막(30)과; 에너지 포커싱 유닛으로서 레이저 빔을 발생하여 상기 압력 챔버 내에 저장된 압력발생용 액체(100)에 촛점이 맞추어지도록 조사하는 레이저 유닛(50); 및, 상기 마이크로 약물 챔버(20)에 연결되어 내부에 저장된 약물이 외부로 마이크로젯 분사되는 통로로 형성되는 마이크로 노즐(40);을 포함하여 구성되는 것임을 알 수 있다.

특히, 본 실시예에서는 본 발명의 기술적 개념을 구현하기 위한 주요 구성요소인 압력 챔버(10)와 마이크로 약물 챔버(20), 탄성막(30) 및 마이크로 노즐(40) 등을 실제적으로 구성함에 있어 도1에서 보는 것과 같이 크게 2개의 모듈로 제작하고 이들을 서로 조립하여 사용할 수 있도록 실시한 것임을 알 수 있다.

즉, 도1에 도시된 실시 형태에 따르면, 피분사 약물 용액이 저장되는 마이크로 약물 챔버(20) 및 이에 연결된 마이크로 노즐(40)이 하나의 단위로 제작된 마이크로 노즐 하우징 모듈(1)과, 압력 챔버(10)과 탄성막(30)을 포함하고 상기 마이크로 노즐 하우징 모듈(1)에 끼워져 전체 약물전달 시스템을 구성하도록 된 탄성 챔버 모듈(2)로 제작되어 있다. 이때, 도시된 실시 형태에 따르면 상기 압력 챔버(10)는 별도의 홀더(3)와 투명재질의 캡 플레이트(4)에 의해 밀폐된 공간부로 형성되도록 되어 있다. 한편, 도1에는 레이저 빔의 조사를 위한 레이저 유닛은 구체적으로 도시되어 있지 않지만 이러한 레이저 발생 장치는 당업계에 널리 알려진 엔디야그 레이저 장비 등을 사용할 수 있다.

도1에서 보는 바와 같이, 본 실시예에서 상기 마이크로 노즐 하우징 모듈(1)에는 피분사 약물 용액을 저장하기 위한 공간인 마이크로 약물 챔버(20)가 형성되어 있으며, 상기 마이크로 약물 챔버(20)의 선단측에는 상기 약물 용액이 외부로 마이크로젯 분사되기 위한 통로인 마이크로 노즐(40)이 연결 형성되어 있다.

본 실시예에서 상기 마이크로 노즐 하우징 모듈(1)은 텅스텐 카바이드 재질을 사용하였으며, 이외에도 다른 종류의 금속, 금속 합금 재질이나 합성 수지 재질 등 본 발명의 기능을 달성함에 지장이 없는 한에서 당업자는 다양한 재질을 선택하여 상기 마이크로 노즐 하우징 모듈을 제작할 수 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 약물 챔버(20)는 마이크로 노즐(40)과 연결되는 선단측으로 갈수록 직경이 좁아지는 테이퍼 형태로 형성되어 있으며, 이와 같은 형태는 후술하는 탄성막(30)에 의해 압력이 작용하였을 때 마이크로 노즐 출구(42)로 약물 용액이 원활하게 집중되어 외부로 토출될 수 있도록 고려한 것이다. 본 실시예에서 상기 마이크로 약물 챔버(20)의 가장 넓은 후단측 직경은 2.4mm로 제작하였고, 마이크로 노즐 출구(42)의 내부 직경은 125㎛ 로 되어 있다. 또한, 상기 마이크로 약물 챔버(20)의 내부 테이퍼 각은 32°로 이루어져 있으며, 이와 같이 제작된 마이크로 약물 챔버(20)에는 약 6㎕ 의 약물 용액이 수용될 수 있다.

한편, 상기 마이크로 노즐(40)의 출구(42) 내측에는 코팅층(도시되지 않음)이 더욱 형성될 수 있으며, 이때, 상기 마이크로 노즐 코팅층의 재질은 폴리테트라플루오르에틸렌(상표명: 테플론)이 특히 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 테플론 코팅층의 적용으로 인해 배출되는 약물 용액과 노즐 표면 사이의 마찰 계수가 상당히 낮아질 것이며, 특히 테플론은 강한 소수성(hydrophobic) 물질이므로 노즐 표면과 액체 사이의 표면장력 또한 아주 작아지게 되는바, 이와 같은 테플론 코팅의 부가는 본 발명 마이크로젯 인젝터의 효율 향상에 큰 도움을 줄 수 있다.

또한, 도1에서와 같이 상기 마이크로 약물 챔버(20)의 일측에는 외부의 약물 저장부(60; 도1에는 도시되지 않음)와 연결된 약물 공급로(62)가 더욱 형성됨으로써 연속적인 약물 공급을 받을 수 있도록 구성할 수 있다. 상기 외부 약물 저장부는 충분한 양의 피분사 약물 용액을 저장하고 있다가 상기 마이크로 약물 챔버(20) 내의 약물 용액이 마이크로젯 분사되어 비워지면 바로 약물을 약물 공급로(62)를 통해 공급하여 재장전할 수 있도록 한다. 상기 약물 저장부(60)는 바람직하게는 압력 탱크로 하여 마이크로젯 분사후 마이크로 약물 챔버(20)가 일부 비워졌을 때 후술하는 탄성막(30)의 회복과 함께 자동적으로 약물이 밀려 공급되게 할 수 있으며, 기타 마이크로 펌프와 같은 가압 수단을 별도로 구비하는 것도 가능하다.

상기와 같이 구성된 마이크로 노즐 하우징 모듈(1)의 후단측에는 본 발명의 약물전달 시스템을 구현하기 위한 또 다른 모듈로서 탄성 챔버 모듈(2)이 결합된다. 상기 탄성 챔버 모듈(2)에는 본 발명의 주요 구성요소인 압력 챔버(10)와 탄성막(30)이 포함되도록 제작되며, 그 구체적인 형태는 도1에 예시되어 있는 바와 같다.

도1에 도시된 실시예에서 보는 바와 같이, 상기 탄성 챔버 모듈(2)은 전체적으로 볼 때 전단측에 압력 챔버(10)를 형성할 수 있도록 내부가 빈 원통형의 피스톤 헤드(2-1)와 그 후단측에 일체로 연결된 플랜지(2-2)로 이루어져 대략 모자와 유사한 형태를 하고 있다.

또한, 전술한 마이크로 노즐 하우징 모듈(1)의 후단측에는 상기와 같은 탄성 챔버 모듈(2)의 피스톤 헤드(2-1)가 삽입되어 결합할 수 있도록 탄성 챔버 연결부(1-1)가 마련되어 있다. 상기 탄성챔버 연결부(1-1)의 내부 직경은 상기 피스톤 헤드(2-1)의 직경보다 약간 크도록 형성하여 피스톤 헤드(2-1)가 삽입되었을 때 측면으로 약간의 여유 공간이 생겨 약물 공급로(60)로부터 공급된 약물이 마이크로 약물 챔버(20)로 유입될 수 있도록 하며, 깊이는 상기 피스톤 헤드(2-1)가 삽입되었을 때 약 4.5 mm 정도 여유 깊이를 둠으로써 후술하는 탄성막(30)이 버블 발생시 팽창하여 마이크로 약물 챔버(20) 내의 약물 용액을 가압함에 지장이 없도록 구성하는 것이 좋다.

또한, 도1에 도시된 실시예에 따르면, 탄성 챔버 모듈(2)은 전체적으로 단일의 재질로 제작함으로써 상기 피스톤 헤드(2-1)의 원형 하부면이 탄성막(30)으로서 구성되도록 실시하고 있다. 이와 같은 실시예에 따르면 실제 제작에 있어 한 번의 성형 작업만으로 압력 챔버(10)와 탄성막(30)을 단일 부재로 제작할 수 있어 제작 편의 및 단가 면에서 매우 유리한 장점이 있으며, 이와 같은 실시 형태 외에도 탄성막(30)을 제외한 나머지 부분은 합성수지 등으로 성형하거나 기타 다른 형태로 실시하는 것도 물론 가능하다.

본 실시예에 따르면, 상기 탄성 챔버 모듈(2)은 전체적으로 얇은 박막 고무 재질로 제작되며, 구체적으로는 두께 200㎛, 경도 53, 극한강도 101.39㎏/㎠, 신장률 449.79%의 니트릴 부타디엔 고무(NBR) 재질을 기초로 제작되었다. 상기 NBR 재질은 신축성뿐 아니라 액체 분자들이 통과하지 못하는 점을 고려하여 선정하였으며, 또한 상기 재질은 낮은 열전도도를 가지는바 약물 용액으로의 열전달과 충격파 전달을 막아줌으로써 약물 손상을 최소화할 수 있게 된다.

도2는 상기와 같은 본 발명의 각 구성요소들을 조립?결합하여 전체 약물전달 시스템을 구성한 상태 및 그 동작 메커니즘을 도식적으로 도시한 도면이다.

도2에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 노즐 하우징 모듈(1)의 탄성챔버 연결부(1-1)에 탄성챔버 모듈(2)이 결합됨으로써 전체적으로 압력 챔버(10)와 마이크로 약물 챔버(20)의 사이에 탄성막(30)이 위치되어 이들을 서로 별도의 공간으로 구획할 수 있도록 구성되어 있음을 알 수 있다.

한편, 도2에 도시된 실시 형태에 따르면, 탄성챔버 모듈(2)의 플랜지(2-2) 후단측으로는 내부가 빈 홀더(3)가 연결되고, 그 후단에는 레이저 빔이 통과할 수 있도록 투명 재질의 캡 플레이트(4)가 연결됨으로써, 상기 탄성챔버 모듈(2)의 피스톤 헤드(2-1)와 홀더(3) 및 캡 플레이트(4)로 둘러싸인 공간에 의해 밀폐된 압력 챔버(10)가 형성될 수 있도록 실시하고 있다. 이때, 본 실시예에서 상기 홀더(3) 및 캡 플레이트(4)의 두께는 3mm 로 제작하였다. 또한, 상기 캡 플레이트(4)는 레이저 빔을 손실없이 통과시키기에 적합하고 압력 챔버(10) 내의 반복적인 액체의 부피 변동 및 열 등에도 영향이 없는 재질로서 BK7 글래스가 가장 바람직하게 사용될 수 있으며, 이외에도 다른 종류의 유리나 투명 아크릴 등 기타의 다른 재질로 실시하는 것도 충분히 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기와 같이 형성된 압력 챔버(10)의 내부에는 압력발생용 액체(100)가 완전 밀실하게 채워져 구성된다. 상기 압력발생용 액체(100)는 후술하는 레이저 유닛(50)으로부터 레이저 에너지를 받아 흡수하여 버블이 발생될 수 있는 액체, 졸 또는 젤 등 여러 액상 물질이 될 수 있으며, 이러한 액체들의 점성 및 레이저 에너지에 따라 다양한 크기의 버블이 생성될 수 있는바 당업자는 구체적인 제품 설계에 따라 상기 압력발생용 액체의 종류 및 레이저 출력을 적절하게 선택하여 적용할 수 있을 것이다.

본 실시예에서는 상기 압력 챔버(10)에 채워지는 압력발생용 액체(100)로서 레이저 조사 및 인젝션 전후로 잔여 버블을 최소화할 수 있도록 가스 제거된(degassed) 물을 사용하였으며, 기타 알코올이나 폴리에틸렌글리콜과 같은 고분자 졸(sol) 또는 젤(gel) 등 다양한 액상 물질을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 압력발생용 액체(100)로서 순수한 물에 수용성 전해질(예컨대 소금)을 첨가하게 되면 분자들이 이온화되는 효과로 액체의 breakdown에 필요한 에너지가 적어지므로 그만큼 더 강한 에너지가 부피 팽창에 쓰일 수 있어 효율이 더 좋아질 수 있다.

한편, 본 실시예에서 상기 레이저 유닛(50)으로는 현재 의료용 레이저 기기로서 널리 사용되고 있는 일반적인 큐스위치 엔디야그 레이저(Q-switched Nd:YAG laser)를 사용하였으며, 532nm의 파장대, 5 ~ 9ns 펄스 주기 및 10Hz 주파수의 레이저를 출력하여 적용하였다. 다만, 상기 532nm의 파장은 기존 레이저 기기의 출력 파장대의 하나를 선택하여 시험적으로 실시한 것으로서 동 기기의 다른 출력 파장인 1064nm 파장을 사용하거나 물에 있어 가장 에너지 흡수가 좋은 2900nm 파장 등을 적용하는 것도 물론 고려할 수 있다. 그리고, 레이저 빔의 집광 및 포커싱에 사용되는 대물렌즈(52)로는 10nm의 촛점거리를 갖는 BK 피아노 볼록렌즈(BK Piano Convex Lense)를 사용하였다.

이하, 도2에 도시된 도면을 참조하여 전술한 구성으로 이루어진 본 발명의 약물전달 시스템이 작동하는 기본 원리를 간략하게 설명한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 약물전달 시스템은 약물 용액을 분사함에 있어 직접 물리적인 압력을 가하는 대신 마이크로젯 분사의 기본 에너지원으로서 레이저(또는 전기 에너지)를 사용하되, 레이저 빔을 직접 피분사 약물 용액에 조사하지 않고, 별도의 밀폐된 압력 챔버 내의 액체에 조사하여 버블을 발생시키고 이와 같이 발생된 버블로 인한 부피 팽창이 탄성막을 신장시켜 인접한 마이크로 약물 챔버의 약물 용액에 순간적인 압력을 가함으로써 마이크로 노즐을 통해 액체 마이크로젯 형태로 분사되도록 구현한 것이다.

즉, 도2의 (a)에서와 같이 즉, 레이저 유닛(50)으로부터 방출된 레이저 빔이 대물렌즈(52)를 거쳐 밀폐된 압력 챔버(10) 내의 압력발생용 액체(100)에 포커스되도록 조사되면, 레이저 빔의 집중된 에너지를 받은 액체 분자 구조에 붕괴(breakdown)가 일어남으로써 급격한 기체 버블(120)이 생성된다.

상기와 같이 밀폐된 압력 챔버(10) 내에서 버블(120)이 발생됨으로써 도2의 (b)에서 보는 것과 같이 압력발생용 액체(100)가 부피 팽창으로 인해 탄성막(30)을 바깥쪽으로 가압하게 되며, 이에 따라 상기 탄성막(30)이 인접한 마이크로 약물 챔버(20) 내에 저장된 약물 용액(200)에 순간적으로 압력을 가하게 되고 이 압력에 의해 약물 용액(200)이 마이크로 노즐의 출구(32)를 통해 고속 마이크로젯의 형태의 분사가 이루어진다.

상기 기체 버블은 레이저 에너지 공급이 중단됨에 따라 바로 소멸하게 되며, 이에 따라 상기 탄성막은 재료 탄성에 의해 바로 원상태로 회복되고, 이와 함께 외부 약물 저장부(60)로부터 마이크로 약물 챔버(20)로의 약물 공급이 이루어짐으로써 연이어 2차 인젝션을 할 수 있게 된다.

특히, 상기와 같이 본 발명은 소량의 약물 용액에 대한 연속적인 마이크로젯 인젝션이 가능하고, 또한, 레이저 빔의 파장, 에너지 조절을 통해 마이크로젯 속도 및 강도에 대한 제어가 매우 용이한바, 이러한 본 발명의 특성을 이용하여 시간에 따른 변동(time-varying) 제어가 가능한 마이크로젯 인젝션의 구현이 가능하게 되는 장점이 있다.

상기와 같은 time-varying 마이크로젯 인젝션의 구현은 무통증 약물전달 시술에 있어 매우 유용하게 적용될 수 있는데, 즉, 처음 단계의 마이크로젯 인젝션 시에는 정확히 사람의 피부 표면 조직에 일부 손상을 줄 수 있을 정도의 마이크로젯 약물 분사를 실시하여 피부에 약물전달 통로를 형성하고, 그 다음 단계의 마이크로젯 인젝션 시에는 그 전 단계보다는 약한 정도로 분사하여 분사된 약물이 피부층 아래의 신경 조직에는 미치지 않고 피부 내에만 침투할 수 있을 정도의 적절한 속도 및 강도로 제어하여 실시하게 되면 피시술자의 통증 유발 없이 피부 내 약물 전달이 이루어질 수 있게 된다.

한편, 도1 및 도2에 예시된 실시예에서는 압력 발생용 액체에 에너지를 집중시켜 기체 버블의 발생을 유도시키기 위한 에너지 포커싱 유닛으로서 레이저 장치를 이용한 예를 개시하고 있으나, 상기 에너지 포커싱 유닛은 이외에도 전기 에너지를 가할 수 있도록 전기 전극으로 구현할 수도 있고 기타 다른 형태의 에너지원을 이용하여 구현할 수도 있다.

도3은 상기와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 마이크로젯 분사되는 과정을 시간별로 나타낸 연속 사진이다. 도3은 100mJ의 에너지를 갖는 레이저를 조사하여 실시한 결과를 나타내었으며, 도3의 연속 사진을 보게 되면, 시간에 따른 마이크로젯의 노즐로부터의 진행 거리 및 분사 속도를 알 수 있다. 또한, 도4에서는 상기와 같은 시간에 따른 마이크로젯 거리와 속도를 그래프의 형태로 나타내고 있다.

이상과 같은 본 발명의 약물전달 시스템에 따르면 레이저를 이용한 마이크로젯 방식의 약물전달 시스템으로서 시술시 통증 및 스플래쉬 백을 감소시킬 수 있는 것은 물론, 시술시의 안정성 및 조절 가능성이 매우 우수하고, 계속적인 약물 용액의 공급 및 재사용이 가능한바, 기존의 일반적인 바늘형 주사기를 이용한 약물전달 시스템을 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 본 발명의 시스템은 전술한 것과 같이 피부 표면으로부터 약물을 주입하는 일반적인 주사 기기의 형태로 활용될 수 있을 뿐 아니라, 내시경 장치 및 레이저 조사치료기 등과 결합하여 혈관이나 내부 장기에 정밀하게 약물을 투여하는 시술에 있어서도 매우 바람직하게 적용될 수 있다.

예컨대, 의료 분야에서 시행되는 시술법의 일종인 내시경적 주사 경화요법(EIS)은, 식도 또는 위의 내벽에 발생한 출혈을 막거나 하지 정맥류와 같은 질환을 치료하기 위해 정맥 혈관에 특수한 용액(경화제)을 주사하여 혈액을 굳힘으로써 혈관을 폐쇄하는 시술 요법으로서, 상기와 같은 시술에서 경화제를 주사함에 있어 전술한 본 발명의 약물전달 시스템이 바람직하게 활용될 수 있다.

특히, 일반적으로 의료 분야에서는 혈관이나 내부 장기 또는 척추 디스크 등에 발생한 종양 등을 제거하기 위한 의료 장비로서 유연성 있는(flexible) 광섬유로 레이저 빔의 경로를 유도하여 피시술자의 체내 환부에 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사 치료기기가 널리 이용되고 있는바, 본 발명은 상기와 같은 의료용 레이저 기기의 단부에 결합되는 형태로 사용될 수 있다.

따라서, 시술시에는 상기와 같은 본 발명의 개념이 적용된 레이저 조사치료기용 커플러를 레이저 광섬유 케이블 말단에 장착한 후 내시경 카메라 장치와 함께 카테터 등을 통해 환부에 투입하여 레이저 빔을 조사하면 약물 용액이 정확히 환부에 투여될 수 있다.

이와 같이 본 발명이 레이저 조사 치료기용 광섬유 커플러에 적용되기 위해서는 상당히 작은 사이즈로의 제작이 필요한바 이와 같이 소형화시킬 수 있는 실시예로서 도5에 도시된 형태로 제작이 가능하다.

즉, 도5에 도시된 실시예에 따르면, 의료용 레이저 조사 치료기에서 레이저 빔이 나오는 광섬유의 말단에 장착하여 사용할 수 있도록 전체적으로 실린더의 형태를 가지고 있으며, 그 내부에 압력 챔버(10)와 탄성막(30), 마이크로 약물 챔버(20) 및 마이크로 노즐(40)을 형성하여 하나의 커플러 제품으로서 구성하고 있다. 특히, 도5에 도시된 실시예에 따르면, 광섬유 케이블(55)에 인접하는 부분은 반원형의 렌즈 형태로 가공되어 광섬유로부터 조사되는 레이저 빔을 굴절시켜 압력발생용 액체에 촛점이 맞추어지도록 되어 있음으로써 별도의 렌즈 없이 기존의 의료용 레이저 치료기에 쉽게 장착하여 활용할 수 있도록 되어 있다.

한편, 본 발명은 일반적인 의료용 주사 장치 외에도 당업자의 선택에 따라 다양한 분야 및 제품의 형태로도 실시될 수 있는데, 특히, 최근 미용에 대한 관심이 높아짐에 따라 새로운 미용 시술법으로 각광받고 있는 메조 테라피(meso-theraphy) 분야 등에서도 본 발명이 바람직하게 적용될 수 있다. 예컨대 메조 테라피의 대표적인 분야로서 비만 치료의 경우 피부 진피층에 지방 세포가 뭉쳐 있는 부위에 지방 분해용 약물을 주사하여 지방을 분해하는 시술법으로서, 상기 시술법의 경우 보통 3개 이상의 약물을 소량씩 정량으로 주입하여야 하는바 전술한 본 발명의 시스템이 매우 적합하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

또 다른 바람직한 활용 분야로서, 피부 레이저 시술시 마취 약물의 투여를 들 수 있다. 보통 피부과에서 시행되는 레이저 제모나 점 제거 시술의 경우 레이저 열로 인한 통증의 완화를 위해 마취용 연고를 사용하고 있는데, 상기 마취용 연고의 경우 피부 침투율이 좋지 않아 피시술자의 통증 저감에 큰 효과가 없고 시술시 쉽게 씻겨 나오는 등의 단점이 있었다. 이러한 기존 방식의 문제점에 대하여 본 발명이 매우 유용한 해결책이 될 수 있는바, 전술한 본 발명에 대한 바람직한 실시 형태로서 하나의 제품 단위 안에 국부 마취용 약물(예컨대 리도카인)과 압력발생용 액체 및 탄성막을 내장하도록 패치 유닛의 형태로 구성하고, 레이저 유닛으로는 기존의 치료용 레이저 기기를 그대로 사용하여 본 발명을 실시할 수도 있다. 이러한 리도카인(lidocaine) 패치의 경우 전술한 실시예에서와 같이 텅스텐 카바이드와 같은 합금 재질보다는 1회 마취약물 사용분을 내장하여 일회용으로 사용할 수 있도록 합성수지와 같은 재질로 제작하여도 좋으며, 더욱 바람직하게는 의료용 레이저 기기의 엔드 팁에 장착하여 사용할 수 있도록 아답터가 구비된 제품 형태로 실시될 수도 있다.

나아가, 상기와 같은 본 발명은 단순히 약물 전달 분야에만 한정되지 않고, 더 다양한 분야에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 레이저를 이용하여 매우 미량의 액상 성분들을 액체 마이크로젯 형태로 분사함에 있어 레이저 열로 인한 피분사 액체의 변질을 효과적으로 방지할 수 있는바, 이러한 본 발명의 장점을 적극 활용하여 다른 분야에도 확장 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 예컨대, 화장품 또는 약물의 앰플 제작 등과 같이 조성 성분의 안정성이 매우 중요하고 각 성분별 조성비가 정확하게 유지되게 제조될 것이 요구되는 공정에 있어 본 발명이 매우 바람직하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

1 : 마이크로 노즐 하우징 모듈 1-1 : 탄성챔버 연결부
2 : 탄성챔버 모듈 2-1 : 피스톤 헤드
2-2 : 플랜지 3 : 홀더
4 : 캡 플레이트 10 : 압력 챔버
20 : 마이크로 약물 챔버 30 : 탄성막
40 : 마이크로 노즐 42 : 마이크로 노즐 출구
50 : 레이저 유닛 52 : 대물 렌즈
60 : 약물 저장부 62 : 약물 공급로
100 : 압력발생용 액체 200 : 약물 용액

Claims (11)

1. 일정한 수용 공간을 가지며, 밀폐된 내부에 압력발생용 액체를 빈 공간 없이 밀실하게 채워진 상태로 저장하고 있는 압력 챔버;
   상기 압력 챔버에 인접하여 배치되며, 일정한 수용 공간 내에 약물 용액을 수용하도록 구비된 마이크로 약물 챔버;
   상기 압력 챔버와 상기 마이크로 약물 챔버의 사이에 배치되어 상기 압력 챔버와 상기 마이크로 약물 챔버를 구획하는 탄성막;
   상기 마이크로 약물 챔버의 일측에 연결되어 내부에 저장된 약물 용액이 외부로 마이크로젯 분사되는 통로로 형성되는 마이크로 노즐; 및,
   상기 압력 챔버 내에 저장된 압력발생용 액체에 에너지를 집중시켜 가할 수 있도록 구비된 에너지 포커싱 유닛; 을 포함하여 구성되며,
   상기 압력발생용 액체는 상기 에너지 포커싱 유닛으로부터 에너지가 가해짐에 의해 일시적으로 기화에 의한 버블이 발생하고 상기 버블의 소멸에 의해 원상태로 회복되도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 에너지 포커싱 유닛은 레이저 빔을 발생하여 상기 압력 챔버 내에 저장된 압력발생용 액체에 촛점이 맞추어지도록 조사하는 레이저 발생장치인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 에너지 포커싱 유닛은 전기 에너지를 통과시키는 전극인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 챔버에 저장된 압력발생용 액체는 물, 알코올 및 젤 또는 졸 상태의 고분자 화합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 압력발생용 액체에는 전해질이 더욱 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 챔버에는 약물 용액이 저장된 약물 저장부가 더욱 연결되어 있음으로써 상기 마이크로 약물 챔버에 저장된 약물 용액이 마이크로젯 분사된 후 상기 약물 저장부로부터 약물 용액을 공급받을 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성막의 재질은 니트릴 부타디엔 고무(NBR)인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 노즐의 출구 내주면에는 코팅층이 더욱 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
9. 제2항에 있어서, 상기 압력 챔버의 벽면 중 일부는 상기 에너지 포커싱 유닛으로부터 발생한 레이저 빔이 통과할 수 있도록 투명 재질의 벽으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 압력 챔버의 투명 재질로 된 측면은 렌즈의 형태로 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
11. 일정한 수용 공간을 가지며, 밀폐된 내부에 압력발생용 액체를 빈 공간 없이 밀실하게 채워진 상태로 저장하고 있는 압력 챔버;
    상기 압력 챔버에 인접하여 배치되며, 일정한 수용 공간 내에 약물 용액을 수용하도록 구비된 마이크로 약물 챔버;
    상기 압력 챔버와 상기 마이크로 약물 챔버의 사이에 배치되어 상기 압력 챔버와 상기 마이크로 약물 챔버를 구획하는 탄성막;
    상기 마이크로 약물 챔버의 일측에 연결되어 내부에 저장된 약물 용액이 외부로 마이크로젯 분사되는 통로로 형성되는 마이크로 노즐; 및,
    상기 압력 챔버 내에 저장된 압력발생용 액체에 에너지를 집중시켜 가할 수 있도록 구비된 에너지 포커싱 유닛; 을 포함하여 구성되며,
    상기 압력발생용 액체는 상기 에너지 포커싱 유닛으로부터 에너지가 가해짐에 의해 일시적으로 기화에 의한 버블이 발생하고 상기 버블의 소멸에 의해 원상태로 회복되도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로젯 액체 분사 장치.

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