KR101343011B1 - 전기 자극에 반응하는 기공막 및 기공막 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 자극에 반응하여 유량을 조절할 수 있는 기공막에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 기공막은 복수의 기공이 형성된 지지층 및 기공의 입구 주위에 결합되며, 전기 자극에 의해 산화 또는 환원되면서 부피가 변화되어 상기 기공의 크기를 변화시키는 전기 반응층을 포함한다.
Description
본 발명은 전기 자극에 반응하여 유량을 조절할 수 있는 기공막 및 기공막의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 약물투약 방법은 경구적, 비경구적, 국소도포 등의 방법이 있다. 경구 및 비경구적(예: 주사) 투여 시 체내의 약물농도 분포가 초기에는 고농도로 나타나지만 후기에는 저농도가 나타난다. 따라서, 고농도의 경우 과다투약으로 인한 부작용이 문제될 수 있고, 저농도의 경우 최소 유효 용량 이하의 농도가 되어 약물의 낭비가 문제 될 수 있다.
또한, 약물투약 방법은 요구되는 투여 방식에 따라 지속 지향적 약물전달과 맥동성 약물전달이 있다. 지속 지향적 약물투약은 치료 범위 이내의 농도로 오랜 기간 동안 일정한 농도의 약물 방출을 목표로 하고, 맥동성 약물투약은 약물투약시점에 따라 주기적 또는 비연속적인 약물 방출을 목표로 한다.
맥동성 약물투약 방법 중 비연속적 약물투약을 위해서는 자극에 반응하여 상태가 변할 수 있는 물질이 요구된다. 여기서, 가할 수 있는 자극으로는 온도, 산성도, 분해속도, 바이오 물질, 빛, 소리, 자기, 전기 자극 등이 있다. 다만, 소리, 빛, 자기, 전기 자극을 제외한 다른 자극들은 체내에서 인위로 자극을 제어할 수 없다는 문제점이 있다. 결국, 체내에서의 자극의 자유로운 제어를 위해서는 소리, 빛, 자기, 전기 자극이 사용되는 것이 바람직하다. 그 중 전기 자극은 소리나 빛 및 자기 자극에 비해 자극이 가해질 때 고가의 특수 장치가 필요 없으므로 휴대가 간편하게 자극을 줄 수 있다는 장점이 있다.
지금까지 연구되어 온 전기 자극 반응성 약물 방출 장치들로는 Layer by Layer 방법으로 약물 층을 담지하고 전기 자극을 가함으로써 방출하는 방법, 분해 가능한 고분자에 약물을 담지 하여 전기 방사 후 전도성 고분자로 둘러 싼 후 전기 자극을 가하여 방출하는 방법, 전기 자극에 분해가 가능한 겔에 약물을 담지 후 분해속도 제어를 통한 약물 방출 방법 및 복잡한 리소그래피 공정을 이용하여 마이크로 크기의 약물 저장고를 형성 후 원하는 시점에 전기 자극을 가하여 저장고를 덮고 있던 금속막을 제거하여 약물이 방출되도록 하는 방법 등이 있다.
다만, 종래의 전기 자극 반응성 약물 방출 장치들은 제조 방법이 복잡하고, 담지 할 수 있는 약물의 용량에 한계가 있으며, 정밀한 투여량 제어가 불가능하고, 개폐 가능한 횟수에 제한이 있는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기 자극에 의해 기공의 크기를 자유롭게 조절하고, 유체 흐름을 제어하여 안정적인 비연속적 약물방출이 가능한 기공을 포함하는 기공막 및 기공막의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기공막은 복수의 기공이 형성된 지지층, 기공의 입구 주위에 결합되며 전기 자극에 의해 산화 또는 환원되면서 그 부피가 변화되어 기공의 크기를 변화시키는 전기 반응층을 포함한다.
또한, 지지층은, 양극 산화 알루미늄으로 이루어지고, 전기 반응층은, 기공의 입구 주위에 결합되는 전극층과, 전극층에 결합되어 전극층에 가해지는 전기에 의해 산화 또는 환원되어 그 부피가 변화되는 전도성 고분자층을 포함할 수 있다.
또한, 전극층은 금을 포함하고, 금은 기공의 입구 주위에 열 증착법또는 스퍼터링법 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 전도성 고분자층은, 전도성 고분자와 도판트(dopant)를 포함할 수 있다.
또한, 전도성 고분자는 폴리피롤(PolyPyrrole)을 포함하고, 도판트(dopant)는 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)을 포함할 수 있다.
또한, 지지층에 결합되는 충격 흡수층을 더 포함할 수 있다.
또한, 충격 흡수층은 폴리머(Polymer)를 포함할 수 있다.
또한, 전기 반응층은 전기 자극에 의하여 산화되면 부피가 줄어들 수 있다.
또한, 전기 반응층은 전기 자극에 의하여 환원되면 부피가 커질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예인 기공막 형성방법은 복수의 기공이 형성된 지지층을 형성하는 단계, 기공의 입구 주위에 결합되어 전기 자극에 의해 산화 또는 환원되는 전기 반응층을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 지지층 형성 단계는, 양극 산화 알루미늄 막을 이용하여 기공을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 전기 반응층을 형성하는 단계는, 기공의 입구 주위에 결합되는 전극층이 형성되는 단계와, 전극층에 결합되는 전도성 고분자층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 전극층은 금을 포함하고, 금은 기공의 입구 주위에 열증착법 또는 스퍼터링법 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 전도성 고분자층 형성 단계는, 산화상태의 전도성 고분자와 도판트(dopant)가 전기 중합되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 전도성 고분자는 폴리피롤(PolyPyrrole)을 포함하고, 도판트(dopant)는 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)을 포함할 수 있다.
또한, 지지층에 충격 흡수층을 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기공막은 전기 자극에 의하여 가역적으로 발생하는 산화 및 환원에 의하여 기공의 크기가 자유롭게 조절되기 때문에 약물 방출량을 정밀하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기공막 제조 방법은 비교적 자유롭게 기공의 크기 및 기공막의 두께를 조절할 수 있어, 기공막의 제조가 단순화될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 지지층을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 지지층에 전극층이 결합된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1c는 본 1b의 전극층에 전도성 고분자층이 결합된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2a는 도 1a의 지지층의 평면 및 단면의 전자 현미경 이미지이다.
도 2b는 도 1b의 지지층에 전극층이 결합된 상태의 평면 및 단면의 전자 현미경 이미지이다.
도 3a는 전극층의 도 1b의 지지층에서의 중합시간에 따른 평면의 전자 현미경 이미지이다.
도 3b는 도 3a에서의 중합 시간에 따른 기공의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 본 실시예에 따른 기공막이 산화 될 때의 기공막의 크기 변화를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4b는 본 실시예에 따른 기공막이 환원 될 때의 기공막의 크기 변화를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 1a의 지지층에 충격 흡수층이 결합된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 기공막을 이용한 유체의 흐름 측정 시스템의 개략도이다.
도 7a는 본 도6의 기공막이 설치된 플럭스 셀(Flux Cell)을 나타내는 개략도이다.
도 7b는 도 7a의 플럭스 셀(Flux Cell)의 사시도이다.
도 8a는 기공막의 기공의 크기가 200nm 일 때 전기 자극에 따른 도 6의 유체 흐름 측정 시스템에 의해 측정된 유체의 흐름을 측정한 그래프 및 전기 자극에 따른 기공의 크기 변화를 나타내는 원자 힘 현미경 이미지이다.
도 8b는 기공막의 기공의 크기가 100nm 일 때 전기 자극에 따른 도 6의 유체 흐름 측정 시스템에 의해 측정된 유체의 흐름을 측정한 그래프 및 전기 자극에 따른 기공의 크기 변화를 나타내는 원자 힘 현미경 이미지이다.
도 9는 본 발명에 따른 기공막이 포함된 약물 방출 장치의 개략도이다.
도 10은 도 9의 약물 방출 장치에서 측정된 기공의 개폐 여부에 따른 약물 방출 농도를 측정한 누적 농도 그래프이다.
도 11a는 본 발명의 기공막의 산화 및 환원을 반복하는 과정을 나타내는 cyclovoltammetry 그래프이다.
도 11b는 도 11a의 기공막의 산화 및 환원 과정이 반복된 후의 기공막의 전자 현미경 이미지이다.
도 12는 도 11a의 산화 및 환원 과정을 반복한 후의 기공막의 사진 이미지이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기공막 형성 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 1b는 도 1a의 지지층에 전극층이 결합된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1c는 본 1b의 전극층에 전도성 고분자층이 결합된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2a는 도 1a의 지지층의 평면 및 단면의 전자 현미경 이미지이다.
도 2b는 도 1b의 지지층에 전극층이 결합된 상태의 평면 및 단면의 전자 현미경 이미지이다.
도 3a는 전극층의 도 1b의 지지층에서의 중합시간에 따른 평면의 전자 현미경 이미지이다.
도 3b는 도 3a에서의 중합 시간에 따른 기공의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 본 실시예에 따른 기공막이 산화 될 때의 기공막의 크기 변화를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4b는 본 실시예에 따른 기공막이 환원 될 때의 기공막의 크기 변화를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 1a의 지지층에 충격 흡수층이 결합된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 기공막을 이용한 유체의 흐름 측정 시스템의 개략도이다.
도 7a는 본 도6의 기공막이 설치된 플럭스 셀(Flux Cell)을 나타내는 개략도이다.
도 7b는 도 7a의 플럭스 셀(Flux Cell)의 사시도이다.
도 8a는 기공막의 기공의 크기가 200nm 일 때 전기 자극에 따른 도 6의 유체 흐름 측정 시스템에 의해 측정된 유체의 흐름을 측정한 그래프 및 전기 자극에 따른 기공의 크기 변화를 나타내는 원자 힘 현미경 이미지이다.
도 8b는 기공막의 기공의 크기가 100nm 일 때 전기 자극에 따른 도 6의 유체 흐름 측정 시스템에 의해 측정된 유체의 흐름을 측정한 그래프 및 전기 자극에 따른 기공의 크기 변화를 나타내는 원자 힘 현미경 이미지이다.
도 9는 본 발명에 따른 기공막이 포함된 약물 방출 장치의 개략도이다.
도 10은 도 9의 약물 방출 장치에서 측정된 기공의 개폐 여부에 따른 약물 방출 농도를 측정한 누적 농도 그래프이다.
도 11a는 본 발명의 기공막의 산화 및 환원을 반복하는 과정을 나타내는 cyclovoltammetry 그래프이다.
도 11b는 도 11a의 기공막의 산화 및 환원 과정이 반복된 후의 기공막의 전자 현미경 이미지이다.
도 12는 도 11a의 산화 및 환원 과정을 반복한 후의 기공막의 사진 이미지이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기공막 형성 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도면에서 표시된 레이어 등의 크기는 명확성을 위하여 과장될 수 있다. 또한, 레이어 또는 구성이 다른 구성 위에 있다는 것은 다른 구성 또는 간섭하는 구성이 나타날 수 있는 것으로 해석이 가능하다.
또한, 어떤 구성이 두 개의 구성 사이에 위치 한다는 것은 바로 그 구성이 두 개의 구성 사이에 위치 하거나 다른 간섭하는 구성이 위치할 수 있다는 것으로 해석이 가능하다. 또한, 도면 번호들은 구성과 같이 참조될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 지지층을 개략적으로 나타내는 개략 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 지지층에 전극층이 결합된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 1c는 본 1b의 전극층에 전도성 고분자층이 결합된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 2a는 도 1a의 지지층의 평면 및 단면의 전자 현미경 이미지이고, 도 2b는 도 1b의 지지층에 전극층이 결합된 상태의 평면 및 단면의 전자 현미경 이미지이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하여 본 실시예에 따른 기공막(100)을 상세하게 설명하면, 본 실시예에 따른 기공막(100)은 복수의 기공(11)이 형성된 일정한 두께의 지지층(10) 및 지지층(10)에 형성된 기공(11)의 입구 주위에 결합되는 전기 반응층(20)을 포함한다.
보다 상세하게는, 본 실시예에 따른 지지층(10)은 양극 산화 알루미늄으로 이루어 질 수 있다. 다만, 본 발명의 지지층(10)은 양극 산화 알루미늄으로 이루어지는 것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 대략적으로 균일한 크기의 기공이 형성될 수 있는 것이라면 무기물(금속 및 비금속 포함) 또는 유기물도 지지층(10)의 구성으로 사용될 수 있다.
또한, 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전기 반응층(20)은 전극층(21)과 전극층(21)에 결합되는 전도성 고분자층(22)을 포함할 수 있다.
여기서, 전극층(21)은 기공의 입구 주위에 결합될 수 있다. 여기서, 전극층(21)은 도전성 물질로 이루어 질 수 있다. 이때, 도전성 물질은 금을 포함할 수 있으나, 다만 도전성 물질은 금에 한정되는 것은 아니며 전류가 통할 수 있는 물질이라면 상관없다.
또한, 본 실시예에 따른 전도성 고분자층(22)은 전도성 고분자와 도판트(dopant)를 포함할 수 있다.
도 3a는 전극층의 도 1c의 지지층에서의 중합시간에 따른 평면의 전자 현미경 이미지이고, 도 3b는 도 3a에서의 중합 시간에 따른 기공의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 기공(11)의 크기는 전도성 고분자층(22)의 전기 중합 시간이 길어질 수 록 작아질 수 있다.
또한, 3a를 참고하여 설명하면, 전도성 고분자층(22)의 전기 중합 시간이 60초일 때 전도성 고분자층(22)의 두께는 대략 1.5um임을 알 수 있다.
보다 상세하게는, 본 실시예에 따른 전도성 고분자층(22)은 전도성 고분자로 폴리피롤(PolyPyrrole)과 도판트(dopant)로 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)(PPy/DBS: PolyPyrrole / Dodecylbenzenesulfonate anion)이 전기 중합되어 형성될 수 있다.
따라서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기공(11)은 세로 방향으로 길게 형성되어 있고, 전도성 고분자층(22)(도 3a를 참조하면 PPy/DBS: PolyPyrrole / Dodecylbenzenesulfonate anion 은 전도성 고분자층을 가리킴)은 기공(11) 입구 주위에서 1.5um정도 입구 내부로 연장되어 형성된다. 따라서 유체의 흐름이 제어 받는 길이가 짧아 전반적 유량이 높고, 기공(11)의 크기 변화에 따라 기공(11)을 통과하는 유체(예: 약물)의 양을 변화 시킬 수 있다. 또한, 기공(11)은 고밀도의 대략 균일한 크기로 형성되어 있으며, 전도성 고분자층(22)은 전기 자극에 의하여 수초 이내로 빠르게 반응 할 수 있다.
결국, 본 실시예에 따른 기공막(100)에 의하면 약물과 같은 액체의 방출 양을 정밀하게 제어 하는 것이 가능하다.
도 4a는 본 실시예에 따른 기공막이 산화 될 때의 기공막의 크기 변화를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4b는 본 실시예에 따른 기공막이 환원 될 때의 기공막의 크기 변화를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4a 및 도 4b를 참고하여 설명하면, 전기 반응층(20)은 외부에서의 전기 자극에 의하여 산화 또는 환원될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 전기 자극에 의하여 전기 반응층(20)이 산화 상태가 되면, 전도성 고분자층(22)이 수축하게 된다. 따라서, 기공(11)의 크기가 커지게 되어보다 더 많은 액체(예: 약물)가 방출될 수 있다.
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 전기 자극에 의하여 전기 반응층(20)이 환원 상태가 되면, 전도성 고분자층(22)이 팽창하게 된다. 따라서, 기공(11)의 크기가 작아 지거나 기공(11)이 닫힐 수 있어, 액체(예: 약물)의 방출량이 작아지거나 중단 될 수 있다.
이하에서는, 전기 반응층(20)의 산화 및 환원 상태에 따라 전도성 고분자층(22)이 수축 또는 팽창되는 과정을 보다 상세히 설명한다.
본 실시예에 따르면, 폴리피롤(PolyPyrrole)과 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)(PPy/DBS: PolyPyrrole / Dodecylbenzenesulfonate anion)이 산화 상태로 중합될 수 있다. 여기서, 폴리피롤(PolyPyrrole)은 가교(cross-linking)된 체인을 가지며 형성되는데, 가교된 체인 사이의 틈보다 도판트(dopant)인 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)의 크기가 더 클 수 있다. 따라서, 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)은 폴리피롤(PolyPyrrole)의 체인 내에 고정 될 수 있다. 여기서 폴리피롤(PolyPyrrole)을 환원시키면, 수용액 내에 존재하는 수화된 나트륨 이론(Na+)이 폴리피롤(PolyPyrrole)의 체인 사이에 침투하여 전도성 고분자층(22)이 팽창하게 된다.
결국, 전도성 고분자층(22)이 환원 상태로 되면 기공(11)의 크기가 줄어 들거나 닫히게 되는 것이 가능하게 된다. 다만, 전도성 고분자층(22)이 산화 상태로 되면 그 부피가 줄어 들게 되어 기공(11)의 크기가 원상태로 회복되어, 전도성 고분자층(22)이 수축하게 된다.
여기서, 수화된 나트륨 이온(Na+)이 폴리피롤(PolyPyrrole)의 가교된 체인 내로 이동하는 이유는 폴리피롤(PolyPyrrole) 체인의 산화 및 환원 상태에 따라 전기적 중성을 유지시키기 위한 것이다.
다만, 중합되는 도판트(dopant)의 크기가 폴리피롤(PolyPyrrole)의 체인의 가교된 틈 보다 작은 경우에는 폴리피롤(PolyPyrrole)이 환원 상태가 될 때, 체인의 틈으로 도판트(dopant)가 빠져 나갈 수 있으므로 전도성 고분자층(22)의 부피는 줄어들게 된다. 이때, 가교된 폴리피롤(PolyPyrrole)의 체인의 틈 보다 작은 크기의 도판트(dopant)는 퍼클로라이드 이온(ClO4 -)이 사용될 수 있다.
결국, 전기 중합되는 도판트(dopant)의 종류에 따라, 산화 또는 환원상태에 따른 전도성 고분자층(22)의 부피 거동이 달라지게 되는 것이 가능하다. 또한, 전기 자극 시 사용되는 용액 및 이온의 종류, pH에 따라서도 전도성 고분자층(22)의 부피 거동이 달라지는 것이 가능하다.
여기서, 전기 반응층(20)에서의 산화 및 환원 반응은 가해지는 전기를 변화 시킴으로써 가역적으로 발생시킬 수 있다. 따라서, 액체(예: 약물)의 방출 양을 비교적 자유롭게 조절하는 것이 가능하다.
도 5는 도 1a의 지지층에 충격 흡수층이 결합 된 것을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 기공막(100)은 지지층(10)에 결합되는 충격 흡수층(30)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 깨지기 쉬운 지지층(10)의 주위에 결합된 충격 흡수층(30)에 외부 충격이 흡수되는 것이 가능하다. 여기서, 충격 흡수층(30)은 폴리머(Polymer)를 포함할 수 있다. 결국, 충격 흡수층(30)이 결합된 지지층(10)은 장치에 안정적으로 설치되어 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 기공막을 이용한 유체 흐름 측정 시스템의 개략도이고, 도 7a는 본 도 6의 기공막이 설치된 플럭스 셀(Flux Cell)을 나타내는 개략도이며, 도 7b는 도 7a의 플럭스 셀(Flux Cell)의 사시도이다.
도 6을 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 유체 흐름 측정 시스템(200)은 플럭스 셀(Flux Cell)(40), 질소(N2) 저장장치(50), 바로미터(barometer)(60), 유체 저장장치(reservoir)(70), 포텐시오스탯(potentiostat)(80), 밸런스 장치(90) 및 제어 장치(91)를 포함할 수 있다.
도 6을 참고하여 본 실시예에 따른 유체 흐름 측정 시스템을 설명하면, 플럭스 셀(40)의 내부 압력은 질소(N2) 저장장치(50)에서의 질소(N2)에 의하여 조절된다. 이때, 질소(N2) 저장장치(50)의 압력은 바로미터(barometer)(60)에 의하여 조절될 수 있다. 질소(N2) 저장장치(50)에서 배출된 질소(N2)는 유체 저장장치(70)를 통하여 플럭스 셀(40)의 압력을 조절하는데 사용될 수 있다. 따라서, 플럭스 셀(40)과 유체 저장장치(70)의 압력은 동일하다.
여기서, 플럭스 셀(40) 내부의 압력은 대기압 보다 0.1 bar정도 높게 유지될 수 있다. 결국, 플럭스 셀(40) 내부의 압력과 대기압과의 차이로 인하여 플럭스 셀(40) 내부의 유체는 외부로 배출되는 것이 가능하다. 또한, 유체 저장장치(70)는 플럭스 셀(40)에 유체를 공급해주는 역할을 할 수 있다.
또한, 포텐시오스탯(80)은 플럭스 셀(40)에 전기 자극(예: -0.1V 또는 1.1V)을 주어 기공막을 산화 또는 환원 상태로 변화 시킬 수 있다.
또한, 기공막의 산화 또는 환원 상태에서 밸런스 장치(90)는 플럭스 셀(40)을 통하여 흘러나온 유체의 질량을 측정할 수 있다. 여기서, 측정된 유체의 질량은 밀도를 사용하여 부피로 환산될 수 있다.
또한, 제어 장치(91)에서는 플럭스 셀(40)에서 배출된 유체의 질량을 산화 또는 환원 상태의 변화에 따라 기록할 수 있다.
또한, 도 7a 및 7b를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플럭스 셀(Flux Cell)(40)은 유체 유입구(411)와 유체 배출구(412)를 포함하는 케이스(41), 기준 전극(42), 대전극(43) 및 오링(O-ring) (44)을 포함할 수 있다. 여기서, 본 실시예에 따른 기공막(100)은 케이스(41)의 유체 배출구(412) 부근에 오링(44)과 함께 설치 되어 일전극으로 사용될 수 있다.
보다 상세하게는, 일전극으로는 기공막(100)이, 대전극(43)으로는 백금(Pt)이, 기준 전극(42)으로는 Ag/AgCl 및 Ag 와이어가 사용될 수 있다. 또한, 케이스(41)의 내부는 나트륨 이온이 포함된 수용액으로 채워질 수 있다.
본 실시예에 따른 플럭스 셀의 유체 유입구(411)로 나트륨 이온이 포함된 수용액의 유체를 일정한 속도로 공급해 주면 기공막(100)을 통과한 유체는 유체 배출구(412)로 배출될 수 있다. 여기서, 기공막(100)은 산화상태 (예: -0.1V)일 때는 수축하고, 환원상태(예: 1.1V)일 때는 팽창하게 된다.
다만, 본 실시예에 따르면, 산화는 항상 마이너스 전압에서 일어나거나 환원이 항상 플러스 전압에서 일어나는 것으로 한정하지 않는다.
따라서, 기공막(100)이 산화로 수축할 때는 기공(11)의 크기가 커져 유체의 배출량이 증가하고, 기공막이 환원으로 팽창할 때는 기공(11)의 크기가 작아져 유체의 배출량이 감소할 수 있다.
도 8a는 기공막의 기공의 크기가 전기 자극에 반응하여 200nm 와 100nm 로 스위치 가능할 때, 전기 자극에 따른 도 6의 유체 흐름 측정 시스템에 의해 측정된 유체의 흐름을 측정한 그래프 및 각 상태의 기공 크기 변화를 나타내는 원자 힘 현미경 이미지이다.
도 8a를 참고하여 보다 상세히 설명하면, 도 8a의 b 부분은 전도성 고분자층(22)이 산화되어 수축할 때의 기공(11)의 크기가 200nm일 때를 측정한 것이다. 도 8a의 a 부분을 참고하여 보면, b부분의 기공(11)을 통하여 배출되는 유량은 대략 730(L/m2h) 정도임을 알 수 있다.
또한, 도 8a의 c 부분은 전도성 고분자층(22)이 환원되어 팽창할 때의 기공(11)의 크기가 작아 질 때를 측정한 것으로, 도 8a의 a 부분의 하단 부분을 참고하면, 유량은 대략 250(L/m2h)임을 알 수 있다.
결국, 기공(11)의 크기가 산화 및 환원에 의하여 변화하게 되면 유량 또한 기공의 크기의 변화에 따라 큰 폭으로 변화됨을 알 수 있다.
도 8b를 참고하면, 기공(11)의 크기가 100nm(도 8b의 b 부분 참조) 에서 대략 0nm로 변화됨에 따라, 유량은 대략 60(L/m2h)에서 0(L/m2h)로 변화(도 8b의 a부분 참조)되는 것을 알 수 있다.
결국, 본 실시예에 따른 기공막(100)에 의하면 기공(11)의 크기 조절을 통해 유량 조절이 가능하다.
도 9는 본 발명에 따른 기공막이 포함된 약물 방출 장치의 개략도이고, 도 10은 도 9의 약물 방출 장치에서 측정된 기공의 개폐 여부에 따른 약물 방출 농도를 측정한 누적 농도 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 기공막이 포함된 플럭스 셀((Flux Cell)(이하 '약물 방출 장치' 라 한다)의 개략도이고, 도 10은 도 9의 약물 방출 장치에서 측정된 기공의 개폐 여부에 따른 약물 방출 농도를 측정한 누적 농도 그래프이다.
도 9를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 약물 방출 장치(40)는 나트륨 이온이 채원진 바스켓(46)에 수용된다. 이때, 약물 방출 장치(40)가 산화 또는 환원을 반복하게 되면, 약물 방출 장치(40) 내부에 있던 약물(예: FITC-BSA (Fluorescein IsoThioCyanate-labeled Bovine Serum Albumin))이 기공(11)을 통과하여 바스켓 쪽으로 유출될 수 있다. 따라서, 기공(11)의 개폐 정도에 따라 바스켓 쪽으로 배출되는 약물의 양은 변화할 수 있다. 여기서, 약물 방출 장치(40) 내부의 약물은 약물 방출 장치(40)와 바스켓(46)의 약물의 농도 차이로 인한 약물의 확산으로 약물 방출 장치(40) 내부에서 바스켓(46)으로 배출될 수 있다.
도 10을 참고하여 설명하면, 대략 5분에서 10분 사이는 기공이 개방되었을 때의 약물의 농도 변화를 나타내고, 대략 15분에서 20분 사이는 기공이 닫혔을 때의 약물의 농도 변화를 나타내고 있다. 여기서, 기공이 개방되었을 때는 약물의 농도가 점진적으로 증가하지만, 기공이 닫혔을 때는 약물의 농도 변화가 없음을 알 수 있다.
도 11a는 본 발명의 기공막의 산화 및 환원을 반복하는 과정을 나타내는 그래프이고, 도 11b는 도 11a의 기공막이 산화 및 환원 과정이 반복된 후 기공막의 전자 현미경 이미지이며, 도 12는 도 11a의 산화 및 환원 과정을 반복한 후의 기공막의 사진 이미지이다.
도 11a를 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 기공막(100)은 대략 1000회 이상의 산화 또는 환원 과정을 거쳐도 화학적으로 안정한 상태를 유지함을 알 수 있다.
또한, 도 11b를 참고하면, 약물 방출 장치가 산화 또는 환원 과정을 대략 1000회 정도 반복하여도 본 실시예에 따른 기공막(100)의 물리적 상태는 초기와 큰 변화가 없이 일정함을 알 수 있다.
또한, 도 12를 참고하면, 3M 스카치테이프를 이용한 peel-off 테스트를 통하여 기공막(100)이 안정적으로 형성되고 유지되어 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기공막 형성 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 13을 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 기공막(100) 형성방법은, 복수의 기공(11)이 형성된 지지층(10)을 형성하는 단계(S100), 충격 흡수층(30)을 형성하는 단계(S200) 및 전기 반응층(20)을 형성하는 단계(S300)를 포함한다.
보다 상세하게는, 본 실시예에 따른 지지층(10)을 형성하는 단계(S100)는 양극 산화 알루미늄 막을 이용하여 기공을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
양극 산화 알루미늄은 산화 시 사용되는 전해액의 종류와 가해지는 전압의 크기에 따라 형성되는 기공간 거리와 기공의 크기를 조절할 수 있고, 산화 시간에 따라 그 길이도 다양하게 조절할 수 있다.
또한, 알루미늄 판의 직접적인 양극 산화 직후에는 배열된 부분이 알루미늄으로 막혀 있으므로 염화구리용액을 이용한 알루미늄 제거 과정과 인산을 이용해 막힌 부분(barrier layer) 제거 및 기공 크기 확대과정을 거치면 균일한 기공을 가진 지지층을 얻을 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 기공막(100)은 0도씨 인산용액 하에서 195V를 가하여 알루미늄을 양극 산화하여, 기공간 거리 500nm, 기공크기 410nm, 기공 길이 60um 의 지지층(10)을 포함하는 것이 가능하다.
따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 대략 육각형 모양의 배열로 복수의 기공이 양극 산화 알루미늄 막에 형성될 수 있다.
여기서, 양극 산화 알루미늄은 자기조립을 통하여 양극 산화 알루미늄막으로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 기공막 제조방법은, 지지층(10)에 충격 흡수층을 형성하는 단계(S200)를 더 포함할 수 있다.
따라서, 충격 흡수층(30)이 결합된 지지층(10)은 장치에 안정적으로 설치되어 사용될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전기 반응층(20)을 형성하는 단계(S300)는 기공(11) 입구 주위에 결합되는 전극층(21)이 형성되는 단계(S310)와 전극층(21)에 결합되는 전도성 고분자층(22)을 형성하는 단계(S320)를 포함할 수 있다.
이때, 전극층(21)은 도전성 물질로 이루어 질 수 있다. 이때, 도전성 물질은 금을 포함할 수 있다.
금은 열증착법 또는 스퍼터링법 중 어느 하나로 기공(11)의 입구 주위에 증착될 수 있다. 이때, 본 실시예에 따른 전극층(21)의 증착 속도는 3~5 A/sec 이고 증착 두께는 40nm일 수 있다.
따라서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 전극층(21)이 지지층(10)의 기공 주위에 증착 된 후의 기공의 크기는 대략 30nm 정도 작아질 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전도성 고분자층(22)은 전도성 고분자와 도판트(dopant)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게는, 전도성 고분자는 폴리피롤(PolyPyrrole)를 포함할 수 있고, 도판트(dopant)는 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)를 포함할 수 있다. 즉, 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion) 이 포함된 폴리피롤(PolyPyrrole)(PPy/DBS: PolyPyrrole / Dodecylbenzenesulfonate anion)이 전기 중합되어 전도성 고분자층(22)이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 전도성 고분자층(22)을 형성하기 위한 전기 중합법은 3전극 시스템이 사용될 수 있다. 즉, 0.25M의 피롤모노머와 0.1M의 NaDBS가 녹아있는 수용액에 기준 전극(Ag/AgCl), 대전극(Pt), 일 전극(전극층(21))이 결합된 지지층(10)을 담그고 0.6V의 전압을 가하면, 전도성 고분자층(22)은 전극층(21)의 형태를 따라 전극층(21)의 전 영역에서 대략 균일하게 형성될 수 있다.
이때, 전도성 고분자층(22)의 두께는 전압을 가해주는 시간에 따라 선형적으로 비례하여 증가할 수 있다. 따라서, 전기 중합 시간을 조절하여 기공막(100)에 형성되는 기공의 크기를 조절하는 것도 가능하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
기공막: 100 지지층: 10
기공: 11 전기 반응층: 20
전극층:21 전도성 고분자층: 22
충격 흡수층: 30 약물 방출 장치: 40
질소 저장장치:50 바로미터: 60
유체 저장장치: 70 포텐시오스탯: 80
밸런스 장치: 90 제어장치: 91
기공: 11 전기 반응층: 20
전극층:21 전도성 고분자층: 22
충격 흡수층: 30 약물 방출 장치: 40
질소 저장장치:50 바로미터: 60
유체 저장장치: 70 포텐시오스탯: 80
밸런스 장치: 90 제어장치: 91
Claims (16)
- 복수의 기공이 관통 형성되고 무기물 또는 유기물 중 하나로 이루어진 지지층;
상기 기공의 입구 주위에 결합되며, 전기 자극에 의해 산화 또는 환원되면서 부피가 변화되어 상기 기공 입구의 크기를 변화시키는 전기 반응층; 을 포함하고
상기 전기 반응층은, 상기 기공의 입구 주위에 결합되는 전극층과, 상기 전극층에 결합되어 상기 전극층에 가해지는 전기에 의해 산화 또는 환원되어 그 부피가 변화되는 전도성 고분자층을 포함하는 기공막. - 제1 항에 있어서,
상기 지지층을 이루는 무기물은 양극 산화 알루미늄을 포함하는 기공막. - 제2 항에 있어서,
상기 전극층은 금을 포함하고, 상기 금은 상기 기공의 입구 주위에 열 증착법 또는 스퍼터링법 중 어느 하나로 형성되는 기공막. - 제2 항에 있어서,
상기 전도성 고분자층은, 전도성 고분자와 도판트(dopant)를 포함하는 기공막. - 제4 항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리피롤(PolyPyrrole)를 포함하고, 상기 도판트(dopant)는 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)을 포함하는 기공막. - 제1 항에 있어서,
상기 지지층에 결합되는 충격 흡수층을 더 포함하는 기공막. - 제6 항에 있어서,
상기 충격 흡수층은 폴리머(Polymer)를 포함하는 기공막. - 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 반응층이 상기 전기 자극에 의하여 산화 상태가 되면 부피가 줄어드는 기공막. - 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 반응층이 상기 전기 자극에 의하여 환원 상태가 되면 부피가 커지는 기공막. - 복수의 기공이 관통 형성되고 무기물 또는 유기물 중 하나로 이루어지는 지지층을 형성하는 단계;
상기 기공의 입구 주위에 결합되어 전기 자극에 의해 산화 또는 환원되고 전기적으로 중성인 전기 반응층을 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 전기 반응층을 형성하는 단계는,
상기 기공의 입구 주위에 증착되는 전극층이 형성되는 단계와,
상기 전극층에 결합되는 전도성 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 기공막 제조방법. - 제10 항에 있어서,
상기 지지층 형성 단계는,
상기 무기물 중 하나인 양극 산화 알루미늄 막을 이용하여 기공을 형성하는 단계를 포함하는 기공막 제조방법. - 삭제
- 제10 항에 있어서,
상기 전극층은 금을 포함하고, 상기 금은 상기 기공의 입구 주위에 열증착법 또는 스퍼터링법 중 어느 하나로 증착되는 기공막 제조방법. - 제10 항에 있어서,
상기 전도성 고분자층 형성 단계는, 산화상태의 전도성 고분자와 도판트(dopant)가 전기 중합되는 단계를 포함하는 기공막 제조방법. - 제14 항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리피롤(PolyPyrrole)를 포함하고, 상기 도판트(dopant)는 도데실벤젠술포네이트 음이온(Dodecylbenzenesulfonate anion)을 포함하는 기공막 제조방법. - 제10 항에 있어서,
상기 지지층에 충격 흡수층을 결합하는 단계를 더 포함하는 기공막 제조방법.
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| KR1020110063990A KR101343011B1 (ko) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | 전기 자극에 반응하는 기공막 및 기공막 형성방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020110063990A KR101343011B1 (ko) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | 전기 자극에 반응하는 기공막 및 기공막 형성방법 |
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| KR20130002804A KR20130002804A (ko) | 2013-01-08 |
| KR101343011B1 true KR101343011B1 (ko) | 2013-12-18 |
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Family Applications (1)
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| KR1020110063990A KR101343011B1 (ko) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | 전기 자극에 반응하는 기공막 및 기공막 형성방법 |
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| CN103041406B (zh) * | 2013-01-16 | 2014-05-07 | 中国科学院理化技术研究所 | 模板法制备诊疗协同纳米颗粒释放体系的方法 |
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| 논문2: JOURNAL OF THE KOREAN SENSORS SOCIETY |
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