KR100750511B1 - 나노 웹과 ｐｄｍｓ 레이어를 이용한 인공 신장 칩 - Google Patents

나노 웹과 ｐｄｍｓ 레이어를 이용한 인공 신장 칩 Download PDF

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KR100750511B1
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Abstract

본 발명은 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩에 관한 것으로, 환자의 체내 혈액 정화에 나노 웹(Nano Web)과 PDMS 레이어(PolyDiMethySiloxane layer)를 이용함으로써 혈액 및 투석액의 물질 교환 및 통과가 가능하여 보다 효과적인 혈액 투석이 가능할 뿐만 아니라, 부피 대피 표면적 비율을 실현할 수 있으며, 혈액 및 투석액이 통과하는 나노 웹의 사구체 기능을 유도할 수 있고, 나노 기공의 크기를 제어할 수 있어 유용성을 향상시킬 수 있으며, 환자의 상태에 따라 산소의 투입을 통한 인공 심폐기의 역할을 보조할 수 있을 뿐만 아니라, 혈전 방지를 위한 헤파린 등의 약물을 주입할 수 있으며, 기계적 성질이 우수한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩을 제공하기 위한 것으로서, 그 기술적 구성은 혈액이 유입 및 유출되기 위한 혈액 유입 파이프 및 혈액 유출 파이프와 투석액이 유입 및 유출되기 위한 투석액 유입 파이프 및 투석액 유출 파이브가 구비되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 구비되어 상기 혈액 유입 파이프와 투석액 유입 파이프를 통하여 유입되는 혈액 및 투석액을 혈액 유출 파이프와 투석액 유출 파이프로 유출하되, 분리가능하게 연결되는 상, 하층 레이어로 구비되는 PDMS 레이어; 및 상기 PDMS 레이어의 상, 하층 레이어 사이에 개재되는 나노 웹; 을 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
나노 웹, PDMS 레이어, 인공 신장 칩, 혈액, 투석액, 나노 파이버

Description

나노 웹과 ＰＤＭＳ 레이어를 이용한 인공 신장 칩{Artificial renal Microchip using electrospun nano web and PolyDiMethySiloxane layer}
도 1은 본 발명에 의한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩을 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 의한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩을 개략적으로 나타내는 분해도,
도 3은 본 발명에 의한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩의 나노 웹을 확대하여 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 인공 신장 칩, 10 : 하우징,
11a : 혈액 유입 파이프, 11b : 혈액 유출 파이프,
13a : 투석액 유입 파이프, 13b : 투석액 유출 파이프,
30 : PDMS 레이어, 31a : 상층 레이어,
31b : 하층 레이어, 33a, 33b : 채널,
35a, 35b : 유동홈, 37a : 혈액 유입구,
37b : 혈액 유출구, 39a : 투석액 유입구,
39b : 투석액 유출구, 50 : 나노 웹,
51 : 나노 파이버.
본 발명은 인공 신장 칩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환자의 체내 혈액 정화에 나노 웹(Nano Web)과 PDMS 레이어(PolyDiMethySiloxane layer)를 이용함으로써 혈액 및 투석액의 물질 교환 및 통과가 가능하여 보다 효과적인 혈액 투석이 가능할 뿐만 아니라, 부피 대피 표면적 비율을 실현할 수 있으며, 혈액 및 투석액이 통과하는 나노 웹의 사구체 기능을 유도할 수 있고, 나노 기공의 크기를 제어할 수 있어 유용성을 향상시킬 수 있으며, 환자의 상태에 따라 산소의 투입을 통한 인공 심폐기의 역할을 보조할 수 있을 뿐만 아니라, 혈전 방지를 위한 헤파린 등의 약물을 주입할 수 있으며, 기계적 성질이 우수한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩에 관한 것이다.
일반적으로, 신부전(Renal Failure)이란 신장의 사구체 여과 기능의 손실로 인하여 신장 기능의 회복이 불가능하게 된 상태를 의미하며, 이러한 신부전 환자에게는 인공 신장기(Artificial Renal)를 통해 신장의 기능을 유지해주는 혈액 투석 법이 적용되고 있다.
여기서, 혈액 투석법을 이용한 인공 신장기의 원리는 체내 혈액이 반투과성의 중공사막(Hollow Fiber)을 통해 체외의 투석액(Dialysate)과 물질 교환이 이루어지도록 하여 혈액을 여과하는 것이다.
현재, 중공사막을 이용한 혈액 투석기(Hemodialyzer)에서는 이상적인 혈액과 투석액 흐름의 조건을 유도해야 하며, 일정시간 균일한 혈액 투석의 표율을 확보해야 하는 필요성이 요구된다.
그러나, 중공사막을 이용한 혈액 투석기는 그 표면적에 대한 혈액량의 비율이 높은 장점에도 불구하고, 혈액 및 투석액의 흐름을 각각 분리하여 효율적으로 제어하기가 불가능하며, 투석이 이루어지는 동안 중공사막간 농도의 분극화, 단백질의 흡착, 막 표면에 발생되는 겔(Gel)층의 형성과 그로 인한 중공사막의 막힘 현상들로 인해 혈액 투석 시에 혈액과 투석액간의 저항을 유발하며, 이로 인해 혈액 투석 시간에 따른 유속의 감소를 발생시켜 일정 효율 이상의 투석 효율을 기대하기 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 사용된 혈액 투석기는 재사용이 용이하지 않는 등 신부전 환자에게 경제적인 부담을 발생시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 환자의 체내 혈액 정화에 나노 웹(Nano Web)과 PDMS 레이어(PolyDiMethySiloxane layer)를 이용함 으로써 혈액 및 투석액의 물질 교환 및 통과가 가능하여 보다 효과적인 혈액 투석이 가능할 뿐만 아니라, 부피 대피 표면적 비율을 실현할 수 있으며, 혈액 및 투석액이 통과하는 나노 웹의 사구체 기능을 유도할 수 있고, 나노 기공의 크기를 제어할 수 있어 유용성을 향상시킬 수 있으며, 환자의 상태에 따라 산소의 투입을 통한 인공 심폐기의 역할을 보조할 수 있을 뿐만 아니라, 혈전 방지를 위한 헤파린 등의 약물을 주입할 수 있으며, 기계적 성질이 우수한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 혈액이 유입 및 유출되기 위한 혈액 유입 파이프 및 혈액 유출 파이프와 투석액이 유입 및 유출되기 위한 투석액 유입 파이프 및 투석액 유출 파이브가 구비되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 구비되어 상기 혈액 유입 파이프와 투석액 유입 파이프를 통하여 유입되는 혈액 및 투석액을 혈액 유출 파이프와 투석액 유출 파이프로 유출하되, 분리가능하게 연결되는 상, 하층 레이어로 구비되는 PDMS 레이어; 및 상기 PDMS 레이어의 상, 하층 레이어 사이에 개재되는 나노 웹; 을 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상, 하층 레이어의 하부면과 상부면에 육각형상으로 다수 연결되되, 혈액 및 투석액이 유동하기 위한 유동홈을 갖는 채널이 각각 형성된다.
여기서, 상기 상층 레이어의 채널 일측과 타측에 혈액이 유입되기 위한 혈액 유입구와 혈액이 유출되기 위한 혈액 유출구가 각각 형성되고, 상기 하층 레이어의 채널 일측과 타측에 투석액이 유입되기 위한 투석액 유입구와 투석액이 유출되기 위한 투석액 유출구가 각각 형성된다.
한편, 상기 각 채널에 형성되는 혈액 유입구 및 혈액 유출구와 투석액 유입구 및 투석액 유출구가 상호 대칭되게 형성되고, 각 채널에서 유동하는 혈액 및 투석액이 격자방향으로 유입 및 유출되도록 이루어진다.
대안적으로는, 상기 채널의 형상이 가변가능하게 이루어진다.
여기서, 상기 나노 웹은 다수개의 나노 파이버가 상호 연결되되, 연결된 형상이 격자형상을 이룬다.
대안적으로는, 상기 나노 파이버의 연결된 형상이 가변가능하게 이루어진다.
한편, 상기 나노 파이버의 직경이 0.5 ㎛ 로 이루어진다.
더불어, 상기 나노 파이버의 직경이 가변가능하게 이루어진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 의한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 의한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩을 개략적으로 나타내는 분해도이고, 도 3은 본 발명에 의한 나 노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩의 나노 웹을 확대하여 나타내는 도면이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 나노 웹과 PDMS 레이어(30)를 이용한 인공 신장 칩(1)은 혈액이 유입 및 유출되기 위한 혈액 유입 파이프(11a) 및 혈액 유출 파이프(11b)와 투석액이 유입 및 유출되기 위한 투석액 유입 파이프(13a) 및 투석액 유출 파이브가 구비되는 하우징(10)과 상기 하우징(10)의 내부에 구비되어 상기 혈액 유입 파이프(11a)와 투석액 유입 파이프(13a)를 통하여 유입되는 혈액 및 투석액을 혈액 유출 파이프(11b)와 투석액 유출 파이프(13b)로 유출하되, 분리가능하게 연결되는 상, 하층 레이어(31a, 31b)로 구비되는 PDMS 레이어(30) 및 상기 PDMS 레이어(30)의 상, 하층 레이어(31a, 31b)에 개재되는 나노 웹(50)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 하우징(10)에 연결되되, 외부에서 공급되는 혈액이 유입 및 유출되기 위한 혈액 유입 파이프(11a) 및 혈액 유출 파이프(11b)와 외부에서 공급되는 투석액이 유입 및 유출되기 위한 투석액 유입 파이프(13a) 및 투석액 유출 파이프(13b)는 상호 대칭되게 설치된다.
한편, 상기 PDMS 레이어(30)의 상기 상, 하층 레이어(31a, 31b) 하부면 및 상부면에는 육각형상으로 다수 연결되되, 혈액 및 투석액이 유동하기 위한 유동홈(35a, 35b)을 갖는 채널(33a, 33b)이 각각 형성된다.
여기서, 상기 채널(33a, 33b)의 유동홈(35a, 35b)의 크기 및 직경은 환자의 상태에 따라 가변가능하게 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 상층 레이어(31a)의 채널(33a) 일측과 타측에 혈액이 유입되기 위한 혈액 유입구(37a)와 혈액이 유출되기 위한 혈액 유출구(37b)가 각각 형성되고, 상기 하층 레이어(31b)의 채널(33b) 일측과 타측에 투석액이 유입되기 위한 투석액 유입구(39a)와 투석액이 유출되기 위한 투석액 유출구(39b)가 각각 형성된다.
여기서, 상기 각 채널(33a, 33b)에 형성되는 혈액 유입구(37a) 및 혈액 유출구(37b)와 투석액 유입구(39a) 및 투석액 유출구(39b)가 상호 대칭되게 형성되고, 각 채널(33a, 33b)에서 유동하는 혈액 및 투석액이 격자방향으로 유입 및 유출되도록 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 상, 하층 레이어(31a, 31b)의 하부면 및 상부면에 형성되는 각 채널(33a, 33b)이 육각형상을 다수개 갖되, 각각이 상호 연결되는 구조로 이루어져 있으나, 혈액 및 투석액의 유동이 용이하다면 상기 채널(33a, 33b)의 삼각, 사각, 오각, 팔각 등으로 형성되는 것도 가능하다.
또한, 혈액 및 투석액의 유동이 용이하다면 상기 채널(33a, 33b)이 원형 등 기타 다양한 형상으로 가변가능하게 이루어지는 것도 가능하다.
한편, 상기 나노 웹(Nano Web, 50)은 미세한 봉상체 형상으로 형성되는 다수개의 나노 파이버(Nano Fiber, 51)가 상호 연결되되, 다수개의 나노 파이버(51)가 연결된 형상이 격자 형상으로 형성된다.
여기서, 상기 나노 웹(50)은 혈액 적합성과 투과물성이 검증된 Polyethersulfone로 이루어지고, 형성되는 기공(Pore)의 크기는 전기방사(Electrospinning)을 이용하는 것이 바람직하며, 이로 인해 나노 웹(50)의 기반 이 되는 나노 파이버(51)의 특성이 기존 재료에 비해 매우 큰 부피 대비 표면적 비율을 실현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 나노 웹(50)을 이루는 나노 파이버(51)의 연결된 형상이 격자 형상으로 이루어져 있으나, 상기 상, 하층 레이어(31a, 31b)의 사이에 개재되어 상, 하층 레이어(31a, 31b)의 각 채널(33a, 33b)을 통하여 유동하는 혈액 및 투석액의 물질 교환 및 통과가 가능하다면 상기 나노 파이버(51)의 연결된 형상이 기타 다양한 형상으로 가변가능하게 이루어지는 것도 가능하다.
여기서, 상기 나노 웹(50)을 이루는 나노 파이버(51)의 직경은 0.5 ㎛로 이루어지는 것이 바람직하나, 혈액 및 투석액의 물질 교환 및 통과가 가능하다면 상기 나노 파이버(51)가 그 이상 또는 이하의 직경을 갖도록 이루어지는 등 상기 나노 파이버(51)의 직경이 가변가능하게 이루어지는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 상층 레이어(31a)와 하층 레이어(31b) 사이에 하나의 나노 웹(50)이 개재되어 있으나, 상층 레이어(31a) 및 하층 레이어(31b)를 유동하는 혈액 및 투석액의 물질 교환 및 통과가 용이하다면 상기 상층 레이어(31a)와 하층 레이어(31b) 사이에 적어도 하나 이상의 나노 웹(50)이 개재되는 것도 가능하다.
이하, 본 발명에 의한 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩(1)의 작동과정을 설명한다.
먼저, 상기 하우징(10)에 연결되는 혈액 유입 파이프(11a) 및 투석액 유입 파이프(13a)를 통하여 혈액 및 투석액이 유입된다.
그리고, 상기 하우징(10) 내로 유입되는 혈액은 상기 상층 레이어(31a)에 형성된 채널(33a)로 유입되어 상층 레이어(31a)와 나노 웹(50) 사이를 지나게 되고, 상기 하우징(10) 내로 유입되는 투석액은 상기 하층 레이어(31b)에 형성된 채널(33b)을 통해 하층 레이어(31b)와 나노 웹(50) 사이를 지나게 된다. 즉, 상기 혈액 유입 파이프(11a) 및 투석액 유입 파이프(13a)를 통하여 유입되는 혈액 및 투석액이 하우징(10) 내부에 구비되는 PDMS 레이어(30)로 유입되되, 상기 PDMS 레이어(30)의 상층 레이어(31a) 및 하층 레이어(31b)에 상호 대칭되게 형성되는 각 채널(33a, 33b)로 유입된다.
이때, 상기 혈액 유입 파이프(11a) 및 투석액 유입 파이프(13a)를 통하여 유입되는 혈액 및 투석액은 상기 상층 레이어(31a)에 형성되는 채널(33a)의 혈액 유입구(37a)와 하층 레이어(31b)에 형성되는 채널(33b)의 투석액 유입구(39a)를 통하여 각각 유입된다.
상기한 바와 같이, 상기 상층 레이어(31a) 및 하층 레이어(31b)의 각 채널(33a, 33b)에 형성되는 혈액 유입구(37a)와 투석액 유입구(39a)로 유입되는 혈액 및 투석액은 각 채널(33a, 33b)의 유동홈(35a, 35b)을 따라 유동한 후 각 채널(33a, 33b)에 형성되는 혈액 유출구(37b)와 투석액 유출구(39b)를 통하여 하우징(10)에 연결되는 혈액 유출 파이프(11b) 및 투석액 유출 파이프(13b)로 유출된다.
여기서, 상기 상층 레이어(31a) 및 하층 레이어(31b)의 각 채널(33a, 33b)에 형성되는 유동홈(35a, 35b)을 따라 유동하는 혈액 및 투석액은 상층 레이어(31a)와 하층 레이어(31b) 사이에 개재되는 나노 웹(50)을 통하여 물질의 교환 및 통과하면 서 혈액이 투석된다. 즉, 상층 레이어(31a)의 채널(33a)과 하층 레이어(31b)의 채널(33b) 사이에 개재되는 나노 웹(50)을 유동하는 혈액 및 투석액이 교환 및 통과하면서 혈액 내에 존재하는 독소를 제거함으로써 혈액을 정화한다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 상층 레이어(31a)에 형성되는 채널(33a)에 혈액이 유동하고, 하층 레이어(31b)에 형성되는 채널(33b)에 투석액이 유동하는 구조로 이루어져 있으나, 상기 상층 레이어(31a)에 형성되는 채널(33a)에 투석액이 유동하고, 하층 레이어(31b)에 형성되는 채널(33b)에 혈액이 유동하는 구조로 이루어지는 것도 가능하다.
또한, 상기 상층 레이어(31a) 또는 하층 레이어(31b)에 형성되는 채널(33a, 33b)에 환자의 상태에 따른 산소를 투입하여 인공 심폐기의 역할을 수행하도록 이루어지는 것도 가능하고, 혈전 방지를 위한 헤파린 등을 주입하거나, 기타 다양한 약물을 주입하도록 이루어지는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 상기 나노 웹(50)을 사이에 두고, 혈액과 투석액의 물질 교환 및 통과가 가능한 2중 구조의 PDMS 레이어(30)를 갖으며, 중공사막의 기능을 대체하도록 반투과막(Semi-permiable membrane)의 나노 웹(50)이 적용됨으로써 혈액의 여과 및 정화의 기능을 수행할 뿐만 아니라, 사구체의 기능을 유도할 수 있다.
본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양 한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 환자의 체내 혈액 정화에 나노 웹(Nano Web)과 PDMS 레이어(PolyDiMethySiloxane layer)를 이용함으로써 혈액 및 투석액의 물질 교환 및 통과가 가능하여 보다 효과적인 혈액 투석이 가능할 뿐만 아니라, 부피 대피 표면적 비율을 실현할 수 있으며, 혈액 및 투석액이 통과하는 나노 웹의 사구체 기능을 유도할 수 있고, 나노 기공의 크기를 제어할 수 있어 유용성을 향상시킬 수 있으며, 환자의 상태에 따라 산소의 투입을 통한 인공 심폐기의 역할을 보조할 수 있을 뿐만 아니라, 혈전 방지를 위한 헤파린 등의 약물을 주입할 수 있으며, 기계적 성질이 우수하다는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (9)

  1. 혈액이 유입 및 유출되기 위한 혈액 유입 파이프(11a) 및 혈액 유출 파이프(11b)와 투석액이 유입 및 유출되기 위한 투석액 유입 파이프(13a) 및 투석액 유출 파이프(13b)가 구비되는 하우징(10);
    분리가능하게 연결되는 상, 하층 레이어(31a, 31b)를 포함하도록 구성되어 상기 하우징(10)의 내부에 구비되는 PDMS 레이어(30); 및
    상기 PDMS 레이어(30)의 상, 하층 레이어(31a, 31b) 사이에 개재되는 나노 웹(50);
    을 포함하여,
    상기 혈액 유입 파이프(11a)를 통해 유입된 혈액은 상기 상층 레이어(31a)와 상기 나노 웹(50) 사이를 통과하여 상기 혈액 유출 파이프(11b)를 통해 유출되고, 상기 투석액 유입 파이프(13a)를 통해 유입된 투석액은 상기 하층 레이어(31b)와 상기 나노 웹(50) 사이를 통과하여 상기 투석액 유출 파이프(13b)를 통해 유출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상, 하층 레이어(31a, 31b)의 하부면과 상부면에 육각형상으로 다수 연결되되, 혈액 및 투석액이 유동하기 위한 유동홈(35a, 35b)을 갖는 채널(33a, 33b)이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상층 레이어(31a)의 채널(33a) 일측과 타측에 혈액이 유입되기 위한 혈액 유입구(37a)와 혈액이 유출되기 위한 혈액 유출구(37b)가 각각 형성되고, 상기 하층 레이어(31b)의 채널(33b) 일측과 타측에 투석액이 유입되기 위한 투석액 유입구(39a)와 투석액이 유출되기 위한 투석액 유출구(39b)가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 각 채널(33a, 33b)에 형성되는 혈액 유입구(37a) 및 혈액 유출구(37b)와 투석액 유입구(39a) 및 투석액 유출구(39b)가 상호 대칭되게 형성되고, 각 채널(33a, 33b)에서 유동하는 혈액 및 투석액이 격자방향으로 유입 및 유출되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노 웹(50)은 다수개의 나노 파이버(51)가 상호 연결되되, 연결된 형상이 격자형상을 이루는 것을 특징으로 하는 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 나노 파이버(51)의 직경이 0.5 ㎛ 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 웹과 PDMS 레이어를 이용한 인공 신장 칩.
  9. 삭제
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