KR101583041B1

KR101583041B1 - 항온 항습 챔버를 구비한 나노물질 독성 평가 장치

Info

Publication number: KR101583041B1
Application number: KR1020150002093A
Authority: KR
Inventors: 봉춘근; 김용구; 이상열; 노학재; 봉하경
Original assignee: 주식회사 그린솔루스
Priority date: 2015-01-07
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2016-01-06

Abstract

본 발명은 미세농도로 존재하는 나노물질의 독성을 정확하게 평가하기 위하여, 독성평가장치 내부에 존재하는 나노물질 농도의 균일성을 확보하는 것에 중점을 두고, 나노물질 발생장치, 나노물질 발생장치로부터 발생된 나노물질이 항온, 항습 조건이 되도록 조정하는 항온 항습 챔버, 상기 항온 항습 챔버를 거친 나노물질이 복수 개의 마우스 하우스로 연결될 수 있도록 구성된 이송관과 상기 복수 개의 마우스 하우스에는 나노물질 발생장치로부터 발생된 나노물질의 이송관이 개별적으로 각각 연결되어 있으며, 상기 마우스 하우스의 내부에는 이중벽으로 구성된 복수개의 마우스 챔버가 위치하여 구성되는 것을 포함하는 나노물질 독성 평가 장치를 요지로 하고 있다.

Description

항온 항습 챔버를 구비한 나노물질 독성 평가 장치 {TOXICITY EVALUATION DEVICE OF NANO MATERIAL HAVING THERMO-HYGROSTAT CHAMBER}

본 발명은 복수개의 확산 챔버 및 이를 구비한 나노입자 흡입 독성 평가 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노물질의 생체 내 독성기전을 파악하고, 환경 거동을 고찰하여 유해성 평가를 수행하는데 필요한 확산 챔버 및 이를 구비한 나노입자 흡입 독성 평가용 장치에 관한 것이다.

최근 우리 사회는 카본 나노튜브를 중심으로, 나노물질(nano-material)이 소재의 새로운 패러다임으로 등장하면서, 타이어, 코팅 등 일상생활에서도 나노물질은 일반화된 널리 알려진 물질로 자리잡고 있다. 나노물질을 이용하는 나노기술은 나노미터(nanometer) 수준의 물체들을 만들고 조작하는 기술을 통칭하는 것으로, 이때 상기 나노미터(nanometer)라 함은 10억 분의 1미터(m), 즉 머리카락 굵기의 약 8만 분의 1 정도 크기를 의미하며, 이는 수소 원자 10개를 나란히 늘어놓은 정도에 해당된다. 나노기술은 원자나 분자단위의 극미세 물질을 인위적으로 조작하여 새로운 성질과 기능을 갖는 물질이나 장치를 만드는 것으로, 오늘날 정보기술(Information Technology : IT) 및 기타 생명공학기술(biotechnology : BT)을 실현하기 위한 하나의 최첨단 기술로 인정받고 있다. 그러나, 이러한 신기술 또는 첨단기술이라고 인정받고 있는 나노기술은 산업분야 전반에 걸쳐 새로운 기술혁명이라 인식될 정도로 많은 이로움과 유익함을 제공하는 것이기는 하지만, 그 반면에 잠재적 위험성을 내포하고 있는바, 이러한 잠재적 위험성은 바로 나노기술의 특성에 기인한다. 즉, 작은 입자일수록 비표면적비는 넓어지고, 이와 같이 비표면적비가 넓어진 작은 입자는 생체조직과 반응시 독성을 증가하게 하는 것인 바, 예컨대, 이산화티타늄, 탄소분말, 디젤입자 등과 같은 몇 가지 나노입자는 크기가 줄어들수록 염증을 유발하는 등 독성이 강해진다는 것이 그동안의 학문적 실험을 통해 이미 밝혀진 사실이다. 또한, 초미세 나노입자는 기도나 점막에 걸러지지 않고 폐포 깊숙이 박히거나 뇌로 이동할 수도 있고, 최근 여러 연구에 의하면 나노입자가 체내에 축적될 경우 질병이나 중추신경 장애를 일으킨다는 사실들이 보고되고 있다.

나노입자의 가장 큰 폐단은 체내에 유입될 경우, 98%는 배출되고, 2%는 중금속처럼 축적된다는 점으로써, 이와 같이 몸 안에 유입된 나노물질은 48시간 안에 98% 정도가 체외로 배출되지만 나머지 2%에 해당하는 나노물질은 체내의 각 기관에 그대로 축적된다. 따라서, 체내에 축적된 나노입자가 독성이 있는 물질일 경우에는 인체에 매우 치명적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 이러한 나노물질의 독성을 평가할 수 있는 기술은 상당한 중요성을 가지며, 에어컴퓨레셔, 레귤레이터, 헤파필터, 입자발생기, 히팅드라이어, 이온화장치, 희석화챔버, 디퓨션드라이어, 노출챔버장치, 및 더스트 콜렉터 등으로 이루어지는 나노입자 흡입 독성평가용 장치 등이 개발되어 왔다. 이는 실험동물 중 가장 많이 쓰이고 있으며, 관련 데이터 축적이 많고, 취급이 용이한 설치류 중 생쥐(Mouse)를 선택하여 그 체적부피에 적합하게 설계한 것으로, 생체 내 나노입자의 흡입 독성 평가를 파악하기 위해 고안된 장치이다.

일례로, 도 1은 기존의 나노입자 흡입독성 평가용 시스템의 노출챔버장치를 나타내는 것으로, 노출챔버장치(10)는 상부에 실험물질유출구(11)가 형성되고 하부에 실험물질유입구(12)가 형성되며 측면에 다수의 마우스홀더결합공(13)이 형성된 중공의 수직형 노출챔버(14), 및 상기 마우스홀더결합공(13)에 결합하는 마우스홀더(20)로 구성된다. 상기 노출챔버장치(10)는 환경오염물질의 독성시험 및 기타 의약품이나 농약의 안전성 확인시험 등에 꼭 필요한 장치구성으로써, 이는 실험동물(쥐, 몰모트 등)이 투입되는 마우스홀더(20)를 기초구성으로 하여, 활성탄 및 필터 등으로 이루어진 급,배기처리장치(도시생략), 및 기타 전원공급수단(도시생략) 등을 구비시킨 장치이다.

그러나, 기존의 노출챔버장치는 나노물질이 발생된 이후, 발생조건에서 항온 및 항습 처리가 없이 바로 마우스로 투입되도록 구성되어, 발생된 나노물질의 이송과정에서 온도 및 습도가 변질되는 구조로 이루어져 있다. 상기에 기재된 바와 같이, 나노물질은 10억 분의 1미터(m), 즉 머리카락 굵기의 약 8만 분의 1 정도 크기로 상당한 반응성을 가지고 있고, 온도 및 습도의 변화에 분산성, 반응성 등이 영향을 받는다. 도면 1에 기재된 기존의 노출챔버에서도 항온 항습 장치가 결여되어 있으며, 이 경우, 마우스홀더측으로 유입되는 나노물질의 유속, 유량 등이 온도 및 습도의 변화된 영향을 받아 실험동물의 호흡활동에 영향을 끼치게 되고, 이는 흡입 독성 평가가 제대로 이루어지지 않게 되는 원인이 될 수 있다. 또한, 나노물질의 특성상 분산이 어렵고, 독성 평가 장치내에 나노물질이 균일한 농도로 분포하기가 어려워 독성 평가에 상당한 오차를 발생시키는 문제점이 발생될 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 파우더 형태의 나노물질과 수증기를 이용하여 나노물질을 발생시키는 나노물질 발생장치, 상기 나노물질 발생장치와 연결되어 나노물질 발생장치로부터 발생된 나노물질이 항온 항습 조건이 되도록 면상발열체에 의해 전체 챔버가 동시에 가열될 수 있는 항온 항습 챔버, 상기 항온 항습 챔버와 연결되고 항온 항습 챔버를 통과한 나노물질을 복수 개의 마우스 하우스로 이송시켜 주는 연결관 등으로 구성되어, 독성 평가 장치 내에 나노물질을 균일한 농도로 분포시켜 독성 평가의 오차를 최소화하는데 그 목적을 두고 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 나노물질 독성 평가 장치는 파우더 형태의 나노물질과 수증기를 이용하여 나노물질을 발생시키는 나노물질 발생장치, 상기 나노물질 발생장치와 연결되어 나노물질 발생장치로부터 발생된 나노물질이 항온 항습 조건이 되도록 면상발열체에 의해 전체 챔버가 동시에 가열될 수 있는 항온 항습 챔버, 상기 항온 항습 챔버와 연결되고 항온 항습 챔버를 통과한 나노물질을 복수 개의 마우스 하우스로 이송시켜 주는 연결관, 상기 복수 개의 마우스 하우스에는 나노물질 발생장치로부터 발생된 나노물질의 이송관이 개별적으로 각각 연결되어 있으며, 상기 마우스 하우스의 내부에는 유입된 나노물질이 마우스에게 흡입되기 전에 확산되는 확산구역이 있는 이중벽으로 구성된 복수 개의 마우스 챔버가 위치하도록 구성되어 있다. 상기 항온 항습 챔버의 표면은 하부가 면상발열체로 구성되고, 그 상부가 초소수성 물질로 이루어지는 이중 구성이며, 상기 면상발열체는 CNT를 포함하여 구성되고 200도 이하에서 발열한다. 또한, 상기 초소수성 물질은 PTFE이고, 상기 PTFE의 표면 접촉각은 150도 이상으로 구성된다.

상기와 같은 기술구성으로 인해, 본 발명은 나노물질 발생장치의 후단에 항온 항습 장치가 위치하고, 동 항온 항습 장치는 일부 발열이 이루어지는 기존의 발열 코일 형태와는 달리 챔버면 전체가 발열하는 형태로 만들어져 짧은 시간 내에 항온 항습이 가능하도록 구성되는 효과가 있다.

도 1은 기존 나노물질 독성 평가 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 나노물질 독성 평가장치의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 항온 항습 챔버의 구성을 나타낸다.

본 발명의 나노물질 독성 평가장치는 에어컴퓨레셔, 레귤레이터, 헤파필터, 입자발생기, 이온화장치, 딜루션챔버, 노출챔버장치, 디퓨션드라이어, 응축입자계수기, 정전분립기를 포함하는 주사이동입자 측정기, 질량유량계, 펌프, 더스트 콜렉터를 포함하며, 상기 장치들은 이미 널리 알려진 통상의 구성을 갖는 공지의 기술로서, 이의 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 구성된 나노입자 흡입 독성 평가용 장치의 사용관계 및 그에 따른 상호작용을 설명하면, 먼저, 에어컴퓨레셔의 압축공기를 레귤레이터에 의해 제어하여 그 압력과 배출량을 조절되게 한 후, 그 조절된 압축공기를 헤파필터에 의한 여과과정을 통해 입자발생기로 전달되게 한다. 상기 입자발생기를 통해 생성된 에어로졸은 전하를 띄게 되며, 후단의 이온화장치(미도시)로 이온성을 중화시키게 된다. 상기 중화된 에어로졸은 희석을 위해 딜루션챔버로 전달되고, 이와 같이 전달된 에어로졸은 딜루션챔버에서 외부의 깨끗한 공기와 혼합, 희석되어 디퓨션 드라이어(미도시)를 통과하게 되며, 상기 디퓨션 드라이어(미도시)에 의해 물 입자가 건조된 에어로졸은 노출챔버장치로 유입되어 동물실험에 노출되고, 상기 노출챔버장치로 유입된 에어로졸은 주사이동입자 측정기 즉, 응축입자계수기와 정전분립기에 의해 그 농도가 모니터링 된다.

한편, 상기 노출챔버장치의 유량은 질량유량계를 이용하여 일정하게 유지시킴과 동시에 펌프를 이용하여 공기를 공급해 주게 된다. 노출챔버장치를 통과한 에어로졸은 헤파필터(미도시)를 통과하여 더스트 콜렉터의 흡입구로 유입된 후, 필터에 의해 걸러져 최종 배출하게 된다.

< 실시예 >

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 노출챔버장치에 대해서 상세히 설명하고자 한다. 도면 2는 본 발명의 나노물질 독성 평가장치의 구성을 나타내고, 도면 3은 본 발명의 항온 항습 챔버의 구성을 나타낸다.

본 발명의 나노물질 독성 평가 장치의 전체적인 구성도를 나타내는 도면 2에서, 나노물질 발생장치(50)를 통해 파우더 형태의 나노물질과 수증기를 이용하여 나노물질이 발생되고, 상기 나노물질 발생장치(50)와 연결되어 나노물질 발생장치(50)로부터 발생된 나노물질이 항온 항습 조건이 되도록 항온 항습 챔버(200)로 이송된다. 상기 항온 항습 챔버(200)를 통과하여 항온 항습이 이루어진 나노물질은 이송관(60)을 통해 복수 개의 마우스 하우스(110)로 이송된다. 상기 마우스 하우스(110)는 좁은 공간 내에 최대한 많은 수의 마우스를 실험할 수 있도록 아파트와 같이 수직의 형태로 복수개가 위치할 수 있도록 구성된다. 본 발명의 실시예에서 마우스 하우스(110)는 기본적으로 원형으로 구성되나 그 형태에 제한받지는 않으며, 정사각형, 직사각형, 육각형, 팔각형 등으로도 구성될 수 있다. 마우스 하우스(110)의 상부에는 도면 2에서와 같이 나노물질 발생장치(50)로부터 발생된 나노물질이 각각의 마우스 하우스(110)로 이송될 수 있는 이송관(60)이 연결되어 있다. 기존 장치의 경우 나노물질 발생장치로부터 발생된 나노물질이 순차적으로 유입되도록 구성된 반면, 본 발명의 나노물질은 각각의 이송관을 통해 유입되어, 정확한 농도 산정에 영향을 주는 변수를 사전에 차단할 수 있도록 구성되었다. 이러한 농도 산정의 정확성을 높이기 위하여 도면 2에는 도시되지 않았으나, 질량 유량계가 각각의 이송관(60)에 부착될 수도 있다. 마우스 하우스(110)의 측면에는 복수개의 마우스 챔버(120)가 연결될 수 있도록 연결구(111)가 구성된다. 본 발명의 실시예에서 연결구(111)는 나사형의 결합 형태를 가지나, 이러한 구성은 일반적인 것으로 상용화 되어있는 구성을 이용한다. 나노물질 발생장치(50)로부터 발생된 나노물질은 각각의 마우스 하우스(110)와 연결된 이송관(60)을 통해 마우스 하우스(110)로 이송되며, 마우스 하우스(110) 내부를 통해 마우스 챔버(120)로 이동한다.

도면 3에서와 같이 항온 항습 챔버(200)는 면상발열체(210)에 의해 전체 챔버가 동시에 가열될 수 있도록 구성된다. 구체적으로 살펴보면, 상기 항온 항습 챔버(200)의 표면은 하부가 면상발열체(210)로 구성되고, 그 상부가 초소수성 물질(220)로 이루어지는 이중 구성이며, 상기 면상발열체(210)는 CNT를 포함하여 구성되고 200도 이하에서 발열한다. 본 발명의 실시예에서는 초소수성 물질로 PTFE가 이용되었고, 그 표면의 접촉각은 150도 이상으로 만들어졌다.

50: 나노물질 발생장치 60: 이송관
100: 나노물질 독성 평가 장치 110: 마우스 하우스
111: 연결구 120: 마우스 챔버
200: 항온 항습 챔버 210: 면상발열체
220: 초소수성 물질
10: 노출챔버장치 11: 실험물질유출구
12: 실험물질유입구 13: 마우스홀더 결합공
14: 수직형 노출챔버 20: 마우스홀더

Claims

파우더 형태의 나노물질과 수증기를 이용하여 나노물질을 발생시키는 나노물질 발생장치, 상기 나노물질 발생장치와 연결되어 나노물질 발생장치로부터 발생된 나노물질이 항온 항습 조건이 되도록 면상발열체에 의해 전체 챔버가 동시에 가열될 수 있는 항온 항습 챔버, 상기 항온 항습 챔버와 연결되고 항온 항습 챔버를 통과한 나노물질을 복수 개의 마우스 하우스로 이송시켜 주는 연결관, 상기 복수 개의 마우스 하우스에는 나노물질 발생장치로부터 발생된 나노물질의 이송관이 개별적으로 각각 연결되어 있으며, 상기 마우스 하우스의 내부에는 유입된 나노물질이 마우스에게 흡입되기 전에 확산되는 확산구역이 있는 이중벽으로 구성된 복수개의 마우스 챔버가 위치하여 구성되는 것을 포함하는 나노물질 독성 평가 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 항온 항습 챔버의 표면은 하부가 면상발열체로 구성되고, 그 상부가 초소수성 물질로 이루어지는 이중 구성이며, 상기 면상발열체는 CNT를 포함하여 구성되고 200도 이하에서 발열하는 것을 특징으로 하는 나노물질 독성 평가 장치.
청구항 2에 있어서, 초소수성 물질은 PTFE이고, 상기 PTFE의 표면 접촉각은 150도 이상인 것을 특징으로 하는 나노물질 독성 평가 장치.