KR101614151B1 - 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치에 관한 것으로, 사람의 폐와 유사한 구조를 갖도록 폐 세포가 부착된 다수개의 메쉬 조직 패널을 케이스 내부에 배치하고, 별도의 호흡 작동 유닛을 통해 케이스 내부에 공기 및 나노 입자를 공급함으로써, 실제 실험 동물을 이용하지 않고도 폐 세포의 상태 변화를 파악하는 간접적인 방식으로 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 간단하고 편리하게 수행할 수 있고, 이에 따라 일반적인 나노 입자 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있으며, 다수개의 메쉬 조직 패널을 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 순차적으로 격자 간격이 작은 크기의 메쉬 조직 패널이 위치하도록 배치함으로써, 실제 폐 구조와 유사한 구조를 이룰 수 있고, 이에 따라 실험 동물을 이용하지 않고도 흡입 독성 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치를 제공한다.

Description

흡입 독성 시험용 폐 모델 장치{Lung Model Apparatus for Testing Inhalation Toxicity of Nano Paticles}

본 발명은 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 사람의 폐와 유사한 구조를 갖도록 폐 세포가 부착된 다수개의 메쉬 조직 패널을 케이스 내부에 배치하고, 별도의 호흡 작동 유닛을 통해 케이스 내부에 공기 및 나노 입자를 공급함으로써, 실제 실험 동물을 이용하지 않고도 폐 세포의 상태 변화를 파악하는 간접적인 방식으로 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 간단하고 편리하게 수행할 수 있고, 이에 따라 일반적인 나노 입자 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있으며, 다수개의 메쉬 조직 패널을 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 순차적으로 격자 간격이 작은 크기의 메쉬 조직 패널이 위치하도록 배치함으로써, 실제 폐 구조와 유사한 구조를 이룰 수 있고, 이에 따라 실험 동물을 이용하지 않고도 흡입 독성 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치에 관한 것이다.

20세기가 마이크로로 대별되는 시대였다면 21세기는 나노 시대라 할 수 있는데, 나노기술은 그 응용분야에 따라 나노소재와 나노소자, 그리고 환경 및 생명공학 기반기술 등으로 크게 분류할 수 있다.

이러한 나노기술은 원자나 분자단위의 극미세 물질을 인위적으로 조작하여 새로운 성질과 기능을 갖는 물질이나 장치를 만드는 것으로, 이는 오늘날 정보기술(Information Technology : IT) 및 기타 생명공학기술(bio technology : BT)을 실현시키기 위한 하나의 최첨단 기술로 추앙받고 있는 실정이다.

하지만, 나노기술은 산업분야 전반에 걸쳐 새로운 기술혁명이라 인식될 정도로 많은 이로움과 유익함을 제공하는 것이기는 하나, 그 반면에 잠재적 위험성을 지니고 있는 것 또한 주지의 사실인 바, 이러한 잠재적 위험성은 바로 나노기술의 특성에 기인한다고 볼 수 있다.

즉, 작은 입자일수록 비표면적비는 넓어지고, 이와 같이 비표면적비가 넓어진 작은 입자는 생체조직과 반응시 독성이 증가하게 되는데, 그 일 예로서 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, 더욱이 최근 여러 연구에 의하면 나노입자가 체내에 축적될 경우 질병이나 중추신경 장애를 일으킨다는 이론들이 보고되고 있다.

따라서, 최근에는 나노 기술의 발전과 함께 나노 기술에 대한 안정성 평가 또한 활발히 진행되고 있는데, 대표적으로 나노 입자가 인체에 흡입 축적되는 경우에 발생하는 독성에 대해 평가하는 나노 입자 흡입 독성 시험이 다양한 실험 동물들을 상대로 연구되고 있다. 이러한 나노 입자 흡입 독성 시험을 통해 얻어진 인체 유해성 자료들은 나노 섬유, 화장품, 반도체, 약물 전달체 등 산업 전반에 걸쳐 나노 입자에 대한 다양한 기초 자료로 활용되고 있다.

최근에는 이러한 나노 기술에 대한 중요성이 부각됨에 따라 나노 입자의 흡입 독성에 대한 시험 뿐만 아니라 나노 입자의 인체에 대한 효능, 안전성, 환경 영향 평가 등 다양한 형태의 시험이 수행되고 있는데, 이러한 다양한 형태의 시험들은 모두 나노 입자의 인체에 대한 영향을 평가한다는 점에서 흡입 독성 시험과 대부분 동일한 방식으로 진행되므로, 이하에서는 이와 같은 나노 입자에 대한 다양한 시험을 흡입 독성 시험이라고 통칭하여 기술한다.

또한, 나노 입자는 에어로졸 상태로 존재하며, 나노 입자에 대한 시험은 에어로졸 상태로 존재하는 서브마이크론 대의 입경을 갖는 입자에 대해서도 동일하게 적용될 수 있으므로, 이하에서 나노 입자는 특별한 설명이 없는 한 서브마이크론 입자를 포함하는 개념으로 사용한다.

이러한 나노 입자는 매우 미세한 크기를 가지므로, 사람의 호흡 과정에서 폐의 깊숙한 곳까지 직접 이동하여 폐 조직에 부착될 수 있다. 따라서, 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험은 일반적으로 나노 입자를 에어로졸 상태로 발생시켜 일정 크기의 노출 챔버에 공급하고, 이러한 노출 챔버에 실험 동물을 투입시켜 나노 입자에 노출시킨 후 실험 동물의 다양한 변화 상태를 측정하는 방식으로 진행되고 있다.

즉, 나노 입자를 실험 동물에 노출시켜 실험 동물의 폐 깊숙한 곳까지 흡입되도록 하고, 나노 입자가 폐 깊숙한 곳까지 흡입되어 부착됨에 따라 실험 동물의 건강 변화 상태를 측정하는 방식으로 진행된다.

이와 같은 흡입 독성 시험은 실험 동물을 이용하여 수행해야 하는데, 최근에는 동물 실험에 대한 윤리적인 문제 등이 대두되어 실험 동물을 이용한 시험 방식에 대해서는 그 규제가 계속해서 확대되고 있는 추세이다. 또한, 실험 동물을 이용한 흡입 독성 시험 장치는 그 규모가 크고 설치 및 운영 비용이 고가이며 복잡한 구조를 가지므로 이러한 시험 장치를 구비하는 것 또한 용이하지 않다는 등의 문제가 있었다.

국내등록특허 제10-1221106호

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 사람의 폐와 유사한 구조를 갖도록 폐 세포가 부착된 다수개의 메쉬 조직 패널을 케이스 내부에 배치하고, 별도의 호흡 작동 유닛을 통해 케이스 내부에 공기 및 나노 입자를 공급함으로써, 실제 실험 동물을 이용하지 않고도 폐 세포의 상태 변화를 파악하는 간접적인 방식으로 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 간단하고 편리하게 수행할 수 있고, 이에 따라 일반적인 나노 입자 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다수개의 메쉬 조직 패널을 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 순차적으로 격자 간격이 작은 크기의 메쉬 조직 패널이 위치하도록 배치함으로써, 실제 폐 구조와 유사한 구조를 이룰 수 있고, 이에 따라 실험 동물을 이용하지 않고도 흡입 독성 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은, 내부에 수용 공간이 형성되는 케이스; 상기 케이스 내부 공간에 대한 공기의 유입 및 배출 동작을 교대로 반복 수행하는 방식으로 상기 케이스 내부 공간에 공기와 함께 나노 입자를 유입시키는 호흡 작동 유닛; 및 상기 케이스 내부 공간에 다수개 장착되고, 각각 서로 다른 크기의 격자 간격을 가지며 각각의 격자 라인에는 사람 또는 동물의 폐 세포가 부착되는 메쉬 조직 패널을 포함하고, 다수개의 상기 메쉬 조직 패널은 상기 케이스 내부 공간에서 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 격자 간격이 더 작은 크기의 메쉬 조직 패널이 순차적으로 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치를 제공한다.

이때, 상기 호흡 작동 유닛은 나노 입자를 발생시켜 공기와 함께 상기 케이스의 내부 공간으로 유입시키는 입자 공급 모듈; 및 상기 케이스의 내부 공간으로부터 공기를 배출시키는 공기 배출 모듈을 포함하고, 상기 입자 공급 모듈과 공기 배출 모듈은 교대로 반복하여 작동할 수 있다.

또한, 상기 입자 공급 모듈은 나노 입자를 발생시키는 입자 발생기; 및 상기 입자 발생기로부터 발생된 나노 입자가 공기와 함께 상기 케이스의 내부 공간에 유입되도록 상기 케이스의 내부 공간에 공기를 유입시키는 공기 유입 펌프를 포함할 수 있다.

또한, 상기 공기 배출 모듈은 상기 입자 공급 모듈을 통해 상기 케이스 내부 공간으로 유입되는 공기가 다수개의 상기 메쉬 조직 패널을 통과한 후 유입될 수 있도록 상기 케이스 내부 공간에 연통되게 장착되는 완충백을 포함하고, 상기 완충백은 형상 복원 가능하도록 탄성 재질로 형성되며, 상기 케이스 내부 공간에 유입된 공기는 상기 완충백의 탄성 복원력에 의해 상기 케이스의 내부 공간으로부터 배출될 수 있다.

또한, 상기 공기 배출 모듈은 상기 입자 공급 모듈을 통해 상기 케이스 내부 공간으로 유입되는 공기가 다수개의 상기 메쉬 조직 패널을 통과한 후 유입될 수 있도록 상기 케이스 내부 공간에 연통되게 장착되는 완충백; 및 상기 케이스 내부 공간으로부터 공기를 배출하는 공기 배출 펌프를 포함할 수 있다.

또한, 상기 케이스에는 내부 공간에 대한 공기의 유출입이 가능하도록 메인 배관이 내부 공간과 연통되게 장착되고, 상기 메인 배관은 유입 배관 및 배출 배관으로 분기되며, 상기 유입 배관은 상기 케이스 내부 공간으로 공기 및 나노 입자가 유입될 수 있도록 상기 입자 공급 모듈과 연결되고, 상기 배출 배관은 상기 케이스 내부 공간으로부터 공기가 배출될 수 있도록 끝단이 개방된 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 메인 배관의 분기된 부위에는 상기 유입 배관 및 배출 배관을 선택적으로 개방할 수 있는 유로 전환 밸브가 장착되고, 상기 유로 전환 밸브는 상기 입자 공급 모듈 및 공기 배출 모듈의 작동 상태와 연동하여 작동할 수 있다.

또한, 상기 메쉬 조직 패널은 각각의 격자 라인에 사람 또는 동물의 폐 세포를 균일하게 배양시키는 방식으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 메쉬 조직 패널은 각각 서로 다른 크기의 격자 간격을 갖는 형태로 적어도 4개 이상 배치되며, 각각의 메쉬 조직 패널에는 사람 또는 동물의 폐 세포 중 기관, 기관지, 세기관지 및 폐포 세포가 각각 배양될 수 있다.

본 발명에 의하면, 사람의 폐와 유사한 구조를 갖도록 폐 세포가 부착된 다수개의 메쉬 조직 패널을 케이스 내부에 배치하고, 별도의 호흡 작동 유닛을 통해 케이스 내부에 공기 및 나노 입자를 공급함으로써, 실제 실험 동물을 이용하지 않고도 폐 세포의 상태 변화를 파악하는 간접적인 방식으로 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 간단하고 편리하게 수행할 수 있고, 이에 따라 일반적인 나노 입자 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다수개의 메쉬 조직 패널을 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 순차적으로 격자 간격이 작은 크기의 메쉬 조직 패널이 위치하도록 배치함으로써, 실제 폐 구조와 유사한 구조를 이룰 수 있고, 이에 따라 실험 동물을 이용하지 않고도 흡입 독성 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치의 외형을 개략적으로 도시한 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매쉬 조직 패널의 배치 상태를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치의 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치의 작동 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치의 외형을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매쉬 조직 패널의 배치 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치의 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치의 작동 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치는 실험 동물을 이용한 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있는 것으로, 실제 실험 동물을 이용하지 않고 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 수행할 수 있도록 하기 위한 폐 모델 장치이다.

먼저, 사람의 폐의 구조 및 기능에 대해 살펴보면, 폐는 전체적으로 볼 때 반원추형으로, 좌우 1쌍이 있는데 종격(縱隔)을 사이에 두고 마주 대하여 흉강의 대부분을 차지한다. 우폐는 상중하 3엽으로 나누어지고 좌폐는 상하 2엽으로 나누어진다.

이러한 폐는 호흡 기능을 담당하는 것으로, 좌폐와 우폐는 각각 기관(氣管)과 연결된다. 기관(氣管)은 제5흉추 높이에서 좌우의 기관지로 나누어지고 각각의 폐문에서 폐로 들어가는데, 기관지는 폐문부에서 폐엽기관지로 갈라져 폐 속에서는 다시 기관지지(氣管支枝)로부터 세기관지(細氣管支)로 분지하여 가늘어지고, 최후에는 주머니 모양의 폐포(肺胞)에 이른다. 즉 폐의 실질은 폐포라고 하는 소포가 무수히 모인 것으로 이 무수하게 있는 폐포를 모세혈관망이 빽빽하게 둘러싸고 있으며, 폐포를 통해 적혈구와의 가스 교환이 이루어진다.

사람의 호흡 중 흡기 과정에서 공기는 기도로부터 기관을 거쳐 폐로 들어가 기관지, 세기관지, 폐포에 이르게 되는데, 이러한 흡기 과정에서 공기 중의 나노 입자가 사람의 폐 깊숙한 곳까지 흡입될 수 있다. 기관, 기관지, 세기관지, 폐포는 순차적으로 더 미세한 조직을 이루게 되는데, 일반적으로 직경이 큰 입자들은 기관이나 기관지 등에 부착되어 폐의 깊숙한 곳까지 흡입되지 않지만, 나노 입자와 같이 매우 미세한 크기의 입자들은 세기관지 및 폐포에까지 흡입될 수 있다.

나노 입자에 대한 흡입 독성 시험은 호흡을 통해 실험 동물의 폐 깊숙한 곳까지 나노 입자를 흡입시키고, 이로 인한 건강 상태 변화를 체크하는 방식으로 진행된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치는 사람의 폐와 유사한 형태의 구조를 통해 호흡 방식으로 나노 입자를 흡입할 수 있도록 하여 실험 동물 없이도 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 수행할 수 있는 장치로서, 케이스(100), 호흡 작동 유닛(200) 및 메쉬 조직 패널(300)을 포함하여 구성된다.

케이스(100)는 내부에 수용 공간이 형성되는 형태로 일반적인 박스 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 케이스(100) 내부에는 후술하는 호흡 작동 유닛(200)에 의한 공기 흐름이 발생하므로, 공기 흐름이 원활하게 이루어지도록 내부 공간이 원통 형상을 이루도록 형성되거나 또는 도 1에 도시된 바와 같이 사각 기둥과 같은 다각형 기둥 형태로 형성될 수 있는 등 다양하게 변경 가능하다.

호흡 작동 유닛(200)은 케이스(100) 내부 공간에 대한 공기의 유입 및 배출 동작을 교대로 반복 수행하는 방식으로 호흡 동작을 수행하도록 구성되며, 이러한 호흡 동작을 통해 케이스(100) 내부 공간에 공기와 함께 나노 입자가 유입되도록 구성된다. 이러한 호흡 작동 유닛(200)은 나노 입자를 발생시켜 공기와 함께 케이스(100)의 내부 공간으로 유입시키는 입자 공급 모듈(210)과, 케이스(100)의 내부 공간으로부터 공기를 배출시키는 공기 배출 모듈(220)을 포함하여 구성될 수 있다. 입자 공급 모듈(210)에 의해 호흡 동작의 흡기 기능이 수행되고, 공기 배출 모듈(220)에 의해 호흡 동작의 호기 기능이 수행된다.

메쉬 조직 패널(300)은 메쉬 격자 형태로 형성되어 케이스(100) 내부 공간에 장착되는데, 각각의 격자 라인(301)에는 사람 또는 동물의 폐 세포(C)가 부착된다. 이러한 메쉬 조직 패널(300)은 케이스(100) 내부 공간에 하나 장착될 수도 있으나, 실제 사람 또는 동물의 폐 구조와 유사한 구조를 가질 수 있도록 다수개 장착되는 것이 바람직하다.

다수개의 메쉬 조직 패널(300:310,320,330,340)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 각각 서로 다른 크기의 격자 간격(d1,d2,d3,d4)을 갖도록 형성되며, 케이스(100) 내부 공간에서 호흡 작동 유닛(200)에 의한 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 격자 간격이 더 작은 크기의 메쉬 조직 패널(300)이 순차적으로 위치하도록 배치된다.

좀더 자세히 살펴보면, 메쉬 조직 패널(300)은 메쉬 격자 형태로 형성되고 각 격자 라인(301)에는 폐 세포(C)가 부착되는데, 이는 각각의 격자 라인(301)에 사람 또는 동물의 폐 세포(C)를 균일하게 배양시키는 방식으로 형성될 수 있다. 이와 같이 세포를 배양하여 부착하는 방식은 공지된 다양한 세포 배양 방식을 통해 달성할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이러한 메쉬 조직 패널(300)은 다수개 장착되며, 각각 서로 다른 크기의 격자 간격(d1,d2,d3,d4)을 갖도록 형성되는데, 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 격자 간격이 더 작은 크기의 메쉬 조직 패널(300)이 순차적으로 위치하도록 배치된다.

즉, 케이스(100) 내부 공간에는 전술한 바와 같이 호흡 작동 유닛(200)의 입자 공급 모듈(210)에 의해 외부로부터 공기 및 나노 입자가 유입되는데, 이때 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 격자 간격이 더 작은 크기의 메쉬 조직 패널(300)이 순차적으로 배치된다. 예를 들면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 4개의 메쉬 조직 패널(310,320,330,340)이 일렬 배치될 수 있는데, 이때, 나노 입자의 유입 흐름 방향을 기준으로 최상류에 위치한 메쉬 조직 패널(310)은 격자 간격인 d1으로 상대적으로 크고, 이후 하류로 갈수록 격자 간격이 d2, d3, d4로 순차적으로 작아지는 메쉬 조직 패널(320,330,340)이 일렬 배치될 수 있다.

이와 같은 구조에 따라 호흡 작동 유닛(200)에 의해 케이스(100) 내부 공간으로 공기 및 나노 입자가 유입되면, 공기 및 나노 입자는 다수개의 메쉬 조직 패널(300:310,320,330,340)을 격자 크기가 큰 순서대로 순차적으로 통과하는 흐름을 나타내게 된다. 이때, 최상류에 위치한 메쉬 조직 패널(310)은 상대적으로 격자 간격(d1)이 크기 때문에, 상대적으로 많은 양의 나노 입자가 통과하게 되지만, 하류에 위치한 메쉬 조직 패널(320,330,340)은 순차적으로 격자 간격(d2,d3,d4)이 작아지기 때문에, 해당 메쉬 조직 패널(320,330,340)을 통과하는 나노 입자의 양이 순차적으로 감소하게 된다.

즉, 호흡 작동 유닛(200)에 의해 케이스(100) 내부 공간으로 유입된 나노 입자는 다수개의 메쉬 조직 패널(300:310,320,330,340)을 통과하는 과정에서 각각의 메쉬 조직 패널(300:310,320,330,340)에 각각 일부 나노 입자가 부착되는 방식으로 다수개의 메쉬 조직 패널(300:310,320,330,340)을 통과하게 된다. 특히, 다수개의 메쉬 조직 패널(300:310,320,330,340)은 그 격자 간격이 순차적으로 작아지기 때문에, 각각의 메쉬 조직 패널(300:310,320,330,340)을 통과하는 과정에서 나노 입자의 통과량은 더욱 감소하게 된다.

또한, 상대적으로 크기가 큰 나노 입자는 메쉬 조직 패널(300)을 통과하기가 어려워 상류측에 위치한 메쉬 조직 패널(300)에 부착되기 쉽지만, 상대적으로 크기가 작은 나노 입자는 메쉬 조직 패널(300)을 통과하기가 상대적으로 용이하여 하류측에 위치한 메쉬 조직 패널(300)에 도달하여 부착될 수 있다.

이와 같은 메쉬 조직 패널(300)의 배치 구조는 폐 구조와 유사하다. 전술한 바와 같이 호흡 동작 중 흡기 과정에서 공기는 기관, 기관지, 세기관지 및 폐포로 흡입되는데, 기관, 기관지, 세기관지 및 폐포는 순차적으로 더 미세한 조직 구조를 이루고 있다. 이와 마찬가지로 본 발명의 일 실시예에 따른 메쉬 조직 패널(300)은 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 격자 간격이 더 작은 크기의 메쉬 조직 패널(300)이 배치된다.

이러한 구조에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 모델 장치는 실제 폐 구조와 유사한 구조를 가질 수 있으며, 이러한 구조에서 호흡 작동 유닛(200)을 통해 호흡 동작을 수행할 수 있으므로, 실제 폐의 구조 및 기능과 매우 유사한 형태로 형성된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 모델 장치는 다수개의 메쉬 조직 패널(300)을 통해 폐와 유사한 구조를 이루게 되며, 호흡 작동 유닛(200)을 통해 폐의 호흡 기능을 수행하도록 함으로써, 실제 폐의 구조 및 기능과 매우 유사한 형태로 형성되며, 이를 이용하여 다양한 방식의 테스트를 수행할 수 있다.

특히, 메쉬 조직 패널(300)에는 폐 세포(C)가 부착되어 있으므로, 나노 입자의 흡입에 따른 폐 세포(C)의 상태 변화를 파악하는 방식으로 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 실험 동물 없이 수행할 수 있다.

예를 들면, 메쉬 조직 패널(300)은 전술한 바와 같이 4개 구비될 수 있는데, 각각의 메쉬 조직 패널(300)의 격자 라인(301)에는 기관, 기관지, 세기관지 및 폐포 세포가 각각 순차적으로 배양되어 부착될 수 있으며, 이러한 메쉬 조직 패널(300)은 각각 기관, 기관지, 세기관지 및 폐포 조직을 대표할 수 있다. 이와 같은 메쉬 조직 패널(300)을 케이스(100) 내부 공간에 장착하고, 호흡 작동 유닛(200)을 통해 케이스(100) 내부 공간에 공기 및 나노 입자를 유입시키게 되면, 흡입 부착된 나노 입자에 의해 메쉬 조직 패널(300)의 폐 조직이 손상될 수 있는데, 이러한 폐 조직의 손상 여부, 활성 상태 등을 검사하는 방식으로 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 수행할 수 있다.

한편, 폐 조직은 이상에서 설명한 4가지 조직 이외에도 폐포관, 폐포낭 등 매우 다양한 조직들이 있는데, 예를 들면 23가지의 세부 조직으로 분류될 수 있으며, 이러한 다양한 폐 조직들의 세포를 메쉬 조직 패널(300)의 격자 라인(301)에 각각 배양시켜 부착할 수도 있는 등 사용자의 필요에 따라 메쉬 조직 패널(300)의 개수 및 세포 조직의 종류는 다양하게 변경할 수 있다.

다음으로, 폐의 호흡 기능을 수행하는 호흡 작동 유닛(200)의 구성에 대해 좀더 자세히 살펴본다.

호흡 작동 유닛(200)은 케이스(100) 내부 공간에 대한 공기의 유입 및 배출 동작을 교대로 반복 수행하는데, 나노 입자를 발생시켜 공기와 함께 케이스(100) 내부 공간으로 유입시키는 입자 공급 모듈(210)과, 케이스(100)의 내부 공간으로부터 공기를 배출시키는 공기 배출 모듈(220)을 포함하여 구성된다. 이때, 입자 공급 모듈(210)과 공기 배출 모듈(220)은 교대로 반복하여 작동한다.

이러한 구조에 따라 입자 공급 모듈(210)을 통해 나노 입자가 공기와 함께 케이스(100) 내부 공간으로 유입되고, 유입된 이후에는 공기 배출 모듈(220)을 통해 공기가 배출된다. 공기 배출 모듈(220)을 통해 공기가 배출되는 과정에서 나노 입자가 함께 배출될 수 있다.

즉, 나노 입자는 입자 공급 모듈(210)을 통해 공기와 함께 케이스(100) 내부 공간으로 유입되는데, 유입되는 동안 다수개의 메쉬 조직 패널(300)을 통과하게 되고, 이 과정에서 일부 나노 입자가 전술한 바와 같이 다수개의 메쉬 조직 패널(300)에 부착된 각각의 폐 세포(C)에 부착될 수 있다. 이와 같이 나노 입자의 유입 과정에서 일부 나노 입자가 메쉬 조직 패널(300)의 폐 세포(C)에 부착되기 때문에, 이후 공기 배출 모듈(220)을 통해 공기가 배출되는 과정에서 폐 세포(C)에 부착된 나노 입자는 배출되지 않고 그대로 폐 세포(C)에 부착된 상태로 남아있게 된다. 물론, 폐 세포(C)에 부착되지 않은 일부 나노 입자들은 공기 배출 과정에서 공기와 함께 외부로 배출될 수도 있을 것이다.

따라서, 호흡 작동 유닛(200)이 작동하게 되면, 나노 입자가 반복적으로 케이스(100) 내부 공간으로 유입되어 메쉬 조직 패널(300)의 폐 세포(C)에 부착되기 때문에, 장시간 경과하게 되면, 폐 세포(C)에 부착되는 나노 입자의 양이 많아지게 되고, 이에 따라 폐 세포(C)가 손상되거나 죽게 되는 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 폐 세포(C)의 특성 변화를 파악하여 나노 입자에 대한 독성 평가를 수행할 수 있다.

입자 공급 모듈(210)은 나노 입자를 발생시키는 입자 발생기(211)와, 입자 발생기(211)로부터 발생된 나노 입자가 공기와 함께 케이스(100)의 내부 공간에 유입되도록 케이스(100)의 내부 공간에 공기를 유입시키는 공기 유입 펌프(212)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이 입자 발생기(211)로부터 발생된 나노 입자는 별도의 믹싱 챔버(213)로 유입되고, 믹싱 챔버(213)에서 공기 유입 펌프(212)에 의한 공기와 혼합되어 케이스(100) 내부 공간으로 유입될 수 있다.

공기 배출 모듈(220)은 케이스(100)의 내부 공간과 연통되게 장착되는 완충백(221)을 포함하여 구성되는데, 이러한 완충백(221)은 입자 공급 모듈(210)을 통해 케이스(100) 내부 공간으로 유입되는 공기가 다수개의 메쉬 조직 패널(300)을 통과한 후 유입될 수 있도록 배치된다.

즉, 도 4에 도시된 방향을 기준으로 케이스(100) 내부 공간에는 상층부로부터 공기가 유입되고, 유입된 공기가 다수개의 메쉬 조직 패널(300)를 통과한 후 완충백(221)에 유입되도록 완충백(221)은 케이스(100)의 하단부에 연통되게 장착된다.

따라서, 입자 공급 모듈(210)에 의해 케이스(100) 내부 공간으로 유입되는 공기 및 나노 입자는 반드시 메쉬 조직 패널(300)을 통과한 이후 완충백(221)으로 유입되므로, 공기 및 나노 입자의 유입 흐름은 다수개의 메쉬 조직 패널(300)을 모두 통과하는 형태로 안정적으로 유지된다.

한편, 완충백(221)은 형상 복원 가능하도록 탄성 재질로 형성되는데, 일종의 고무 풍선 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 입자 공급 모듈(210)의 동작이 완료되고 공기의 유입이 중단되면, 도 5에 도시된 바와 같이 완충백(221)의 탄성 복원력에 의해 완충백(221) 및 케이스(100) 내부 공간으로부터 공기가 외부로 배출된다.

공기 배출 모듈(220)은 이러한 탄성 재질의 완충백(221)을 구비하는 형태로도 충분히 구성할 수 있으나, 이와는 별도로 케이스(100) 내부 공간으로부터 공기를 배출시키는 공기 배출 펌프(미도시)를 더 포함하여 구성될 수도 있다. 이 경우, 완충백(221)은 탄성 재질로 형성될 필요가 없으며, 단순히 부피 변화가 가능한 연성 재질로 형성되면 충분할 것이다.

또한, 완충백(221)은 케이스(100) 내부 공간과 연통되어 부피 변화가 가능하도록 형성되기 때문에, 입자 공급 모듈(210)에 의해 케이스(100) 내부 공간으로 공기 및 나노 입자를 유입시키는 과정에서 케이스(100) 내부 공간의 압력 상승을 방지할 수 있고, 이에 따라 입자 공급 모듈(210)에 의한 공기 및 나노 입자의 유입을 원활하게 유지시키는 기능을 수행한다.

한편, 케이스(100)에는 내부 공간에 대한 공기의 유출입이 가능하도록 메인 배관(410)이 내부 공간과 연통되게 장착되고, 메인 배관(410)은 유입 배관(411) 및 배출 배관(412)으로 분기되며, 유입 배관(411)은 케이스(100) 내부 공간으로 공기 및 나노 입자가 유입될 수 있도록 입자 공급 모듈(210)과 연결되고, 배출 배관(412)은 케이스(100) 내부 공간으로부터 공기가 배출될 수 있도록 끝단이 개방된 형태로 형성된다.

이때, 메인 배관(410)의 분기된 부위에는 도 3에 도시된 바와 같이 유입 배관(411) 및 배출 배관(412)을 선택적으로 개방할 수 있는 유로 전환 밸브(420)가 장착되고, 유로 전환 밸브(420)는 입자 공급 모듈(210) 및 공기 배출 모듈(220)의 작동 상태와 연동하여 작동하도록 구성된다. 즉, 유로 전환 밸브(420)는 입자 공급 모듈(210)이 작동하는 동안에는 유입 배관(411)을 개방하도록 작동하고, 공기 배출 모듈(220)이 작동하는 동안에는 배출 배관(412)을 개방하도록 작동한다.

이와 같은 구조에 따라 입자 공급 모듈(210)로부터 공급된 공기 및 나노 입자는 도 4에 도시된 바와 같이 유입 배관(411) 및 메인 배관(410)을 통해 케이스(100) 내부 공간으로 유입되고, 케이스(100) 내부 공간에서 다수개의 메쉬 조직 패널(300)을 순차적으로 통과한 후 완충백(221)으로 유입된다. 이와 같은 공기 및 나노 입자의 유입 과정에서 나노 입자가 메쉬 조직 패널(300)의 폐 세포(C)에 부착된다. 이후, 입자 공급 모듈(210)의 동작이 완료되면, 도 5에 도시된 바와 같이 완충백(221)의 탄성 복원력에 의해 케이스(100) 내부 공간으로부터 공기가 배출된다. 공기가 배출되는 경로는 케이스(100) 내부 공간으로부터 메인 배관(410) 및 배출 배관(412)을 통해 배출된다.

이러한 과정을 반복적으로 수행함으로써, 나노 입자를 케이스(100) 내부 공간으로 계속적으로 유입시키고, 이후 메쉬 조직 패널(300)에 부착된 폐 세포(C)의 특성 변화를 검사하여 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 수행할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 케이스 200: 호흡 작동 유닛
210: 입자 공급 모듈 220: 공기 배출 모듈
221: 완충백 300: 메쉬 조직 패널
301: 격자 라인 410: 메인 배관
411: 유입 배관 412: 배출 배관
420: 유로 전환 밸브 C: 폐 세포

Claims (9)

1. 삭제
2. 내부에 수용 공간이 형성되는 케이스;
   상기 케이스 내부 공간에 대한 공기의 유입 및 배출 동작을 교대로 반복 수행하는 방식으로 상기 케이스 내부 공간에 공기와 함께 나노 입자를 유입시키는 호흡 작동 유닛; 및
   상기 케이스 내부 공간에 다수개 장착되고, 각각 서로 다른 크기의 격자 간격을 가지며 각각의 격자 라인에는 사람 또는 동물의 폐 세포가 부착되는 메쉬 조직 패널
   을 포함하고, 다수개의 상기 메쉬 조직 패널은 상기 케이스 내부 공간에서 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 격자 간격이 더 작은 크기의 메쉬 조직 패널이 순차적으로 위치하도록 배치되며,
   상기 호흡 작동 유닛은
   나노 입자를 발생시켜 공기와 함께 상기 케이스의 내부 공간으로 유입시키는 입자 공급 모듈; 및
   상기 케이스의 내부 공간으로부터 공기를 배출시키는 공기 배출 모듈
   을 포함하고, 상기 입자 공급 모듈과 공기 배출 모듈은 교대로 반복하여 작동하는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 입자 공급 모듈은
   나노 입자를 발생시키는 입자 발생기; 및
   상기 입자 발생기로부터 발생된 나노 입자가 공기와 함께 상기 케이스의 내부 공간에 유입되도록 상기 케이스의 내부 공간에 공기를 유입시키는 공기 유입 펌프
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 공기 배출 모듈은
   상기 입자 공급 모듈을 통해 상기 케이스 내부 공간으로 유입되는 공기가 다수개의 상기 메쉬 조직 패널을 통과한 후 유입될 수 있도록 상기 케이스 내부 공간에 연통되게 장착되는 완충백
   을 포함하고, 상기 완충백은 형상 복원 가능하도록 탄성 재질로 형성되며, 상기 케이스 내부 공간에 유입된 공기는 상기 완충백의 탄성 복원력에 의해 상기 케이스의 내부 공간으로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 공기 배출 모듈은
   상기 입자 공급 모듈을 통해 상기 케이스 내부 공간으로 유입되는 공기가 다수개의 상기 메쉬 조직 패널을 통과한 후 유입될 수 있도록 상기 케이스 내부 공간에 연통되게 장착되는 완충백; 및
   상기 케이스 내부 공간으로부터 공기를 배출하는 공기 배출 펌프
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 케이스에는 내부 공간에 대한 공기의 유출입이 가능하도록 메인 배관이 내부 공간과 연통되게 장착되고,
   상기 메인 배관은 유입 배관 및 배출 배관으로 분기되며, 상기 유입 배관은 상기 케이스 내부 공간으로 공기 및 나노 입자가 유입될 수 있도록 상기 입자 공급 모듈과 연결되고, 상기 배출 배관은 상기 케이스 내부 공간으로부터 공기가 배출될 수 있도록 끝단이 개방된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 메인 배관의 분기된 부위에는 상기 유입 배관 및 배출 배관을 선택적으로 개방할 수 있는 유로 전환 밸브가 장착되고, 상기 유로 전환 밸브는 상기 입자 공급 모듈 및 공기 배출 모듈의 작동 상태와 연동하여 작동하는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치.
   
8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 메쉬 조직 패널은
   각각의 격자 라인에 사람 또는 동물의 폐 세포를 균일하게 배양시키는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 메쉬 조직 패널은 각각 서로 다른 크기의 격자 간격을 갖는 형태로 적어도 4개 이상 배치되며,
   각각의 메쉬 조직 패널에는 사람 또는 동물의 폐 세포 중 기관, 기관지, 세기관지 및 폐포 세포가 각각 배양되는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치.
   
   

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