KR101646222B1 - 고분자 기반 인공 안구 제작 방법 및 장치 - Google Patents
고분자 기반 인공 안구 제작 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고분자 기반 인공 안구 제작 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 라식 혹은 라섹과 같은 안구의 각막의 굴절률 제어에 의한 시력 증대 수술에서 사용되는 장비의 성능 및 안전성을 평가하기 위한 팬텀을 제작함에 있어서, 기존의 평면형 고분자 팬텀과는 달리 실제 안구를 모사하는 3차원적 구형 형태를 지닌 인공 안구를 제작할 수 있도록 하는, 고분자 기반 인공 안구 제작 방법 및 장치를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 안과 수술 장비 평가에 실제 안구와 유사한 형태의 인공 안구가 사용될 수 있게 함으로써, 안과 수술 장비의 평가 정확도를 향상시켜 궁극적으로는 안과 수술 장비의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있도록 하는, 고분자 기반 인공 안구 제작 방법 및 장치를 제공함에 있다.
Description
본 발명은 인공 안구의 제작 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안과 수술 장비 정밀도의 신뢰성 및 안전성 평가에 있어 반드시 필요한 인공 안구를 제작하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
안구를 통하여 행하여지는 시각은 인간이 갖고 있는 감각 중 가장 중요한 것들 중 하나로써 인간의 삶을 영위하는데 필수적이다. 이러한 시각 활동 능력은 안구 형태나 시신경 발달 정도 등 다양한 요인에 따라 각 개인에 따라 다르며, 일반적으로 이를 시력으로서 표기한다. 그 중 외부의 이미지가 빛을 통하여 시신경에 도달하는 도중 안구의 각막 및 수정체에 의하여 이미지가 망막에 정확하게 맺히게 된다. 이 중 각막에 의하여 굴절률이 보정되는 양은 약 70%에 해당한다.
한편 안구 굴절률이 정상적인 경우에서 벗어날 때 근시 또는 원시로 대별되는 시력 약화 현상이 야기된다. 굴절률이 정상보다 작을 때 외부 이미지는 망막의 후부에 맺히게 되며 이를 원시라 칭하고, 그 반대 즉 굴절률이 정상보다 클 때 이미지는 망막의 전반부에 맺히게 되며 이를 근시라 칭한다. 일반적으로 이를 보정하기 위하여 외부 이미지와 각막의 중간에 부가적인 광학계 즉 안경 혹은 다양한 형태의 부착형 혹은 삽입형 렌즈를 이용하여 굴절률 변화를 보정하여 시력을 향상하는 방법이 사용되어 왔다.
한편 1980년대 최초로 직접적으로 각막의 형상을 레이저 등을 이용하여 제어함으로써 이상의 굴절률 변이 현상을 보정하는 기술이 개발되었으며, 이는 라식(LASIK, Laser Assisted In-situ Keratomileusis)이라는 형태의 안구 시력 보정 수술로서 자리잡았다. 더욱 최근에는 라섹(LASEK, Laser Assisted Sub-Epithelial Keratomileusis)이라는 변형된 굴절률 보정 수술이 보급되고 있으며, 라식과는 각막 생체 조직 중 어느 부위의 형상을 보정하는가의 문제에서 약간 상이할 뿐 크게 다른 방법은 아니다. 보다 구체적으로는, 라식의 경우 재생성이 상대적으로 떨어지는 각막 내부 조직(Stroma)에서 형상 제어가 이루어지고, 라섹의 경우 상대적으로 재생성이 좋은 상피 조직(Epithelium)에서 형상 제어가 이루어진다는 점에서 일부 상이한 정도이다.
이러한 시력 교정 시술은 레이저를 이용하여 안구 각막을 정교하게 절삭함으로써 안구의 굴절률을 변화시키는 바, 라식 또는 라섹을 수행하는 안과 수술 장비는 높은 정밀도가 요구되며, 또한 이러한 장비를 생산한 후 신뢰성 및 안전성을 평가하는 것이 매우 중요하다.
라식 또는 라섹 모두의 경우, 수술 장비의 성능 즉 각막의 표면을 얼마나 부드럽게(smooth) 절삭할 수 있는가, 또한 얼마나 (진단을 통하여 결정된) 원하는 정도에 맞게 절삭할 수 있는가에 대한 평가를 위하여 현재까지는 평면형 고분자 팬텀(flat polymeric phantom)을 이용하여 왔다(잠깐 부연하자면, 의학계에서 사용되는 팬텀(phantom)이라는 용어는 인체 대신에 사용되는 물체 즉 인체 모형을 말하며, 인체 조직과 유사한 특성을 가지도록 만들어진다). 그런데 이러한 기존의 평면형 고분자 팬텀은 실제 안구가 갖고 있는 특성인 구형의 3차원적인 형상과는 매우 상이하여 장비의 신뢰성에 대한 평가를 함에 있어 그 한계가 있다는 점이 알려져 왔다. (J. Cataract Refract. Surg. Vol.32 (2006), K. G. Stonecipher et al, "Transient light sensitivity after femtosecond laser flap creation: Clinical findings and management")
인공 안구의 제작과 관련하여서 여러 연구가 이루어져 왔으나, 의안 관련 연구의 경우 실제 안구와 육안으로 볼 때 비슷한 형상을 가지도록 하기 위한 측면에 치중해 왔고, 의학 관련 연구의 경우 인체 조직과 유사한 특성을 가지게 하기 위한 물질 배합 측면에 치중해 왔다. 예를 들어 한국특허공개 제2001-0108814호 "안과용 인공 구조물의 제조방법"에는, 알루미나 슬러리를 소결하여 다공질 알루미나 세라믹스를 제조하고 여기에 하이드록시 아파타이트 슬러리를 코팅하여 다시 소결하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 기존의 연구들은 실제 안구의 형상을 정밀하게 모사하는 측면에 대하여서는 그리 깊이 고려하지 않고 있다.
시력 교정 시술을 위한 안과 수술 장비의 신뢰성 및 안전성을 올바르게 평가하기 위해서는 이 인공 안구 자체가 실제 안구를 올바르고 정확하게 모사하고 있는 것이 훨씬 유리하다는 것은 상식적으로 당연하다. 그러나 상술한 바와 같이 현재까지는 이러한 안과 수술 장비 평가에 평면형 팬텀이 사용되어 왔으며, 그 외의 인공 안구 제작 관련 연구에서는 안구 형상의 정밀한 모사에 관한 연구가 별로 이루어지지 않았기 때문에, 이러한 안과 수술 장비의 평가에 있어 신뢰성 및 안전성이 보장되지 못하고 있는 실정이다.
1. J. Cataract Refract. Surg. Vol.32 (2006), K. G. Stonecipher et al, "Transient light sensitivity after femtosecond laser flap creation: Clinical findings and management"
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 라식 혹은 라섹과 같은 안구의 각막의 굴절률 제어에 의한 시력 증대 수술에서 사용되는 장비의 성능 및 안전성을 평가하기 위한 팬텀을 제작함에 있어서, 기존의 평면형 고분자 팬텀과는 달리 실제 안구를 모사하는 3차원적 구형 형태를 지닌 인공 안구를 제작할 수 있도록 하는, 고분자 기반 인공 안구 제작 방법 및 장치를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 안과 수술 장비 평가에 실제 안구와 유사한 형태의 인공 안구가 사용될 수 있게 함으로써, 안과 수술 장비의 평가 정확도를 향상시켜 궁극적으로는 안과 수술 장비의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있도록 하는, 고분자 기반 인공 안구 제작 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 고분자 기반 인공 안구 제작 방법은, PDMS(polydimethylsiloxane) 프리폴리머(prepolymer)를 만들기 위한 원료 및 경화제가 혼합되어 원료-경화제 혼합액이 제조되는, 혼합액 제조 단계; 상기 원료-경화제 혼합액이 진공 환경에 배치되어 상기 원료-경화제 혼합액 내에 잔존하는 기포가 제거되는, 혼합액 탈기 단계; 구형 몰드에 상기 원료-경화제 혼합액이 채워지는, 혼합액 몰딩 단계; 상기 원료-경화제 혼합액이 가열되어 선행 고분자 중합 반응을 발생시킴으로써 PDMS 프리폴리머 혼합액이 제조되는, 선행 고분자 중합 반응 단계; 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액 내에 주입용 니들이 배치되어 글리세롤-워터(glycerol-water) 용액이 주입되는, 용액 주입 단계; 상기 글리세롤-워터 용액이 주입된 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되어 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액의 고분자 중합 반응을 발생시켜 인공 안구의 제작을 완료하는, 고분자 중합 반응 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 혼합액 제조 단계에서는, 상기 원료 : 상기 경화제 비율이 20 : 1 내지 5 : 1 범위 내로 형성되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 혼합액 탈기 단계에서는, 상기 원료-경화제 혼합액이 진공 환경에 배치되는 시간이 30 내지 60 분 범위 내로 형성되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 선행 고분자 중합 반응 단계에서는, 상기 원료-경화제 혼합액이 가열되는 시간이 5 내지 10 분 범위 내로 형성되며, 상기 원료-경화제 혼합액이 가열되는 온도가 80 내지 150 ℃ 범위 내로 형성되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 고분자 중합 반응 단계에서는, 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되는 시간이 24 시간 내지 36 시간 범위 내로 형성되며, 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되는 온도가 80 내지 150 ℃ 범위 내로 형성되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 고분자 기반 인공 안구 제작 방법은, 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액 내에서의 상기 글리세롤-워터 용액의 위치가 조절됨으로써 상기 인공 안구의 하면 두께가 조절되도록, 상기 용액 주입 단계에서 주입되는 상기 글리세롤-워터 용액의 글리세롤 : 물의 혼합 비율이 조절되도록 이루어질 수 있다.
또는 상기 고분자 기반 인공 안구 제작 방법은, 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액 내에서의 상기 글리세롤-워터 용액의 위치가 조절됨으로써 상기 인공 안구의 하면 두께가 조절되도록, 상기 용액 주입 단계에서 주입되는 상기 글리세롤-워터 용액의 주입량이 조절되도록 이루어질 수 있다.
또한 본 발명에 의한 고분자 기반 인공 안구 제작 장치는, 상술한 바와 같은 고분자 기반 인공 안구 제작 방법을 사용하여 인공 안구를 제작하는 인공 안구 제작 장치에 있어서, 내부에 구형의 공동(11)이 형성되며, 상기 공동(11)과 연통되며 상하 방향으로 연장되는 주입용 통로(12)가 상부에 형성되는 구형 몰드(10); 상기 주입용 통로(12)에 삽입 배치되며, 상기 주입용 통로(12)를 따라 상하 이동 가능하도록 구비되는 주입용 니들(20); 수용부(31) 및 피스톤(32)을 포함하여 이루어지며, 상기 주입용 니들(20)의 일단에 연결되어 상기 공동(11)으로 유체를 주입하는 시린지(30); 상기 수용부(31) 내의 유체를 상기 주입용 니들(20)로 배출하도록, 상기 시린지(30)의 피스톤(32)에 연결되어 상기 피스톤(32)을 직선 운동시키는 스텝 모터(40); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 구형 몰드(10)는, 상기 공동(11)과 연통되며 상기 주입용 통로(12)와 독립적으로 형성되는 별도 통로(13)가 더 형성되도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 실제 안구를 매우 효과적으로 모사하는 인공 안구를 제작할 수 있는 효과가 있으며, 이는 라식 또는 라섹에 사용되는 안과 수술 장비의 신뢰성 및 안전성 평가의 정확성을 비약적으로 향상시켜 주는 큰 효과를 불러온다.
보다 상세히 설명하자면, 기존에는 안과 수술 장비를 평가함에 있어서 평면형 고분자 팬텀을 가지고 평가가 수행됨으로써 실제 안구 형상과 달라 부정확한 평가가 이루어졌던 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 방법 및 장치에 의하여 제작된 안구는 실제 안구가 갖고 있는 특성인 구형의 3차원적인 형상을 아주 효과적으로 모사할 수 있으며, 따라서 라식 또는 라섹 수술 시 각 개인마다 다른 두께의 각막을 가지고 있는 경우에 발생하는 다양한 형태의 레이저 절삭 형태를 재현함에 있어서 매우 효과적이다. 이에 따라 (기존의 평면형 고분자 팬텀을 사용한 평가 시에는 불가능했던) 3차원의 각막 절삭 수술 기법에서 수술 후의 안구의 각막 형태 및 두께의 변화에 대하여 실제 수술 시의 기능적 특성 모사가 가능하며, 따라서 수술 시 부작용 원인 등을 미리 찾아낼 수 있어 부작용 사전 방지 또한 가능한 효과가 있다.
뿐만 아니라 본 발명의 방법 및 장치에 의하여 제작된 안구는 완전히 외부와 차단되어 있음으로써 안구 내 압력(안압) 제어가 가능하며, 따라서 굴절률 제어 수술 시 장비의 신뢰성 평가에 더욱 적합하다.
즉 본 발명에 의하면, 실제 안구를 매우 높은 정확도로 모사하는 3차원적인 인공 안구를 제작할 수 있게 함으로써, 이를 안과 수술 장비 평가에 사용함으로써 평가 자체의 정확성을 극대화시켜 주며, 궁극적으로는 안과 수술 장비의 신뢰성 및 안전성을 비약적으로 향상시켜 줄 수 있는 큰 효과가 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 인공 안구 제작 장치의 개략적 구성도.
도 2는 PDMS 프리폴리머 혼합액 및 글리세롤-워터 용액의 유체 운동 원리.
도 3은 글리세롤 : 워터 혼합 비율에 따른 글리세롤-워터 용액의 밀도 변화 및 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도 비교 그래프.
도 4는 글리세롤-워터 용액의 혼합 비율에 따른 용액 방울 속도의 변화 그래프.
도 5는 본 발명의 인공 안구 제작 방법의 흐름도.
도 6은 본 발명의 인공 안구 제작 방법의 실시예.
도 7은 본 발명에 의하여 제작된 인공 안구의 여러 실시예.
도 2는 PDMS 프리폴리머 혼합액 및 글리세롤-워터 용액의 유체 운동 원리.
도 3은 글리세롤 : 워터 혼합 비율에 따른 글리세롤-워터 용액의 밀도 변화 및 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도 비교 그래프.
도 4는 글리세롤-워터 용액의 혼합 비율에 따른 용액 방울 속도의 변화 그래프.
도 5는 본 발명의 인공 안구 제작 방법의 흐름도.
도 6은 본 발명의 인공 안구 제작 방법의 실시예.
도 7은 본 발명에 의하여 제작된 인공 안구의 여러 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 고분자 기반 인공 안구 제작 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 라식 또는 라섹에 이용되는 안과 수술 장비를 평가하기 위한 팬텀(phantom, 인체 모형을 가리킴)을 제작함에 있어서, 기존에는 이러한 팬텀이 평면형으로 제작되었던 것과는 달리 실제 안구와 유사하게 3차원적인 구형을 가지는 인공 안구를 제작하는 장치 및 방법을 제시한다.
라식 또는 라섹 시술에 있어서 실제로 이루어지는 것은 레이저를 이용하여 미세하게 각막을 절삭하는 것이다. 이러한 안과 수술 장비의 신뢰성 및 안전성을 평가함에 있어서, 진짜 각막을 원하는 정도로 잘 절삭할 수 있는지, 또는 부드럽게 절삭할 수 있는지를 볼 수 있다면 가장 정확한 평가가 이루어질 수 있을 것이다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명에서는 단순한 구형 팬텀이 아니라 실제 안구의 각막 형상을 모사하는 인공 안구를 제작한다. 이를 위하여, 본 발명에서는 인공 안구의 재료인 PDMS(polydimethylsiloxane)가 PDMS 프리폴리머(prepolymer) 상태일 때, 글리세롤-워터(glycerol-water) 용액을 주입한다.
여기에서 부연하자면, 프리폴리머란 고분자 중합체를 형성하는 과정에서 성형하기 쉽게 하기 위하여 중합 반응을 중도 단계에서 중지시킨, 비교적 중합도가 낮은 중합체를 말하는 것이다. 즉 고분자 중합체가 형성 완료된 단계에서는 (유연성 및 탄성을 가지기는 하되) 고체 상태이지만, 프리폴리머 단계에서는 점도가 높은 액체 상태이다.
PDMS는 원료 및 경화제가 혼합된 상태에서 열을 가함으로써 고분자 중합 반응을 일으켜서 만들어진다. 이 때 원료 및 경화제의 혼합액에 열을 가하기 전에는 액체 상태이며, 여기에서 약간만 열을 가하게 되면 점도가 높아지기는 하나 여전히 액체 상태를 유지한다. 본 발명의 인공 안구 제작 방법에서는 이 상태에서 다양한 공정이 이루어지게 되며, 이하에서는 이러한 원료 및 경화제가 혼합만 되어 있는 상태의 원료 및 경화제의 혼합액을 '원료-경화제 혼합액'이라고 칭하고, 중합 반응이 일부만 일어난 상태(즉 액체 상태를 유지하고 있는 상태)의 원료 및 경화제의 혼합액을 'PDMS 프리폴리머 혼합액'이라고 칭하기로 한다.
도 1은 본 발명의 인공 안구 제작 장치의 개략적 구성도를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 인공 안구 제작 장치는 구형 몰드(10), 주입용 니들(20), 시린지(30), 스텝 모터(40)를 포함하여 이루어진다.
상기 구형 몰드(10)는 내부에 구형의 공동(11)이 형성되며, 상기 공동(11)과 연통되며 상하 방향으로 연장되는 주입용 통로(12)가 상부에 형성된다. 상기 공동(11)에는 기본적으로 PDMS 프리폴리머 혼합액이 채워져 인공 안구의 외형을 형성하게 된다. 상기 주입용 통로(12)는, 상기 주입용 니들(20)이 삽입 배치되어 글리세롤-워터 용액을 PDMS 프리폴리머 혼합액 내로 주입하기 위한 용도로 사용된다. 이 때, 글리세롤-워터 용액이 주입되기 전에 상기 공동(11)에는 PDMS 프리폴리머 혼합액이 채워져 있어야 하는 바, 원료-경화제 혼합액 또는 PDMS 프리폴리머 혼합액을 상기 공동(11)에 미리 채워넣는 통로로서 상기 주입용 통로(12)가 활용될 수도 있다. 또는, 상기 구형 몰드(10)에는, 상기 공동(11)과 연통되며 상기 주입용 통로(12)와 독립적으로 형성되는 별도 통로(13)가 더 형성되어 있음으로써, 상기 주입용 통로(12)는 글리세롤-워터 용액의 주입에만 사용되고 상기 별도 통로(13)를 통해 원료-경화제 혼합액 또는 PDMS 프리폴리머 혼합액이 상기 공동(11)으로 주입되도록 할 수도 있다. 한편 상기 공동(11) 내에 PDMA 프리폴리머 혼합액이 채워진 후 글리세롤-워터 용액을 더 주입하는 과정에서 상기 공동(11) 내 공간 크기의 제한으로 인하여 PDMA 프리폴리머 혼합액 일부를 빼내야 할 필요가 발생할 수도 있는데, 상기 별도 통로(13)가 이러한 경우에 활용되어도 좋다.
상기 주입용 니들(20)은 앞서 설명한 바와 같이 상기 주입용 통로(12)에 삽입 배치되어, 상기 공동(11) 내에 미리 채워져 있던 PDMA 프리폴리머 혼합액 내에 글리세롤-워터 용액을 주입하는 역할을 한다. 이 때 상기 주입용 니들(20)은 상기 주입용 통로(12)를 따라 상하 이동 가능하도록 구비됨으로써, 상기 주입용 니들(20)에서 배출되는 글리세롤-워터 용액의 주입 위치를 원하는 대로 조절할 수 있도록 한다.
상기 시린지(30)는, 일반적인 시린지(주사기)와 유사하게 수용부(31) 및 피스톤(32)을 포함하여 이루어지며, 상기 주입용 니들(20)의 일단에 연결되어 상기 공동(11)으로 유체를 주입하는 역할을 한다. 이 때 상기 시린지(30)의 상기 수용부(31)에는 눈금 등이 구비되어 있음으로써 상기 주입용 니들(20)을 통해 주입되는 유체의 양을 확인할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 스텝 모터(40)는, 상기 수용부(31) 내의 유체를 상기 주입용 니들(20)로 배출하도록, 상기 시린지(30)의 피스톤(32)에 연결되어 상기 피스톤(32)을 직선 운동시키는 역할을 한다. 상기 스텝 모터(40)의 회전수 및 회전속도를 제어함으로써 상기 피스톤(32)의 직선 운동 거리 및 속도를 정밀하고 정확하게 조절할 수 있으며, 즉 상기 주입용 니들(20)을 통해 상기 구형 몰드(10)로 주입되는 유체의 주입량 및 주입속도를 원하는 대로 정확하게 제어할 수 있다.
더불어, 상술한 바와 같이 상기 구형 몰드(10)의 상기 공동(11) 내로는, 결과적으로 원료-경화제 혼합액 또는 PDMS 프리폴리머 혼합액 및 글리세롤-워터 용액, 이 두 가지 유체가 유입되며, 이 때 둘 다 상기 주입용 통로(12)를 이용할 수 있는 바, 이러한 경우 각각의 유체에 대하여 각각 상기 주입용 니들(20) - 상기 시린지(30) - 상기 스텝 모터(40)의 세트가 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
도 2는 PDMS 프리폴리머 혼합액 및 글리세롤-워터 용액의 유체 운동 원리를 나타내고 있다. 도 2를 통해, 본 발명에 의하여 어떻게 실제 안구의 각막 두께에 해당하는 인공 안구의 각막 두께를 모사하여 재현할 수 있는지의 원리를 설명한다.
PDMS 프리폴리머 혼합액은 점도가 있는 소수성의 유체이며, 글리세롤-워터 용액은 친수성 유체인 바, 두 유체는 서로 섞이지 않는다. 따라서 PDMS 프리폴리머 혼합액 내부로 글리세롤-워터 용액이 주입되면, 글리세롤-워터 용액은 도 2에 도시된 바와 같이 구형을 유지하게 된다. 이 때 글리세롤-워터 용액 방울에는 중력(weight, Fg), 부력(buoyancy force, Fb), 항력(drag force, Fd) 세 가지 힘이 작용하며 서로 균형을 이루고 있다. 이들 각각을 식으로 표현하면 다음과 같다.
여기에서, g는 중력가속도, d는 글리세롤-워터 용액 방울의 지름, ρs는 글리세롤-워터 용액의 밀도, ρ는 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도, A는 글리세롤-워터 용액 방울의 단면적, Cd는 항력계수, V는 글리세롤-워터 용액 방울의 특성 속도(characteristic velocity)이다.
상술한 바와 같이 상기 세 가지 힘(중력, 부력, 항력)이 균형을 이루게 되면, 글리세롤-워터 용액 방울은 더 이상 속도 변화가 발생하지 않은 채 PDMS 프리폴리머 혼합액 안에서 종단 속도(Vt)로 등속 운동을 하게 된다. 이 종단 속도(Vt)를 구해 보자면 다음과 같다.
먼저 글리세롤-워터 용액의 밀도(ρs)가 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도(ρ)보다 큰 경우, 상기 세 가지 힘은 하기의 식 4와 같이 균형을 이루게 된다. 상기 식 1 내지 3을 하기 식 4에 대입하여 정리하면, 종단 속도(Vt)는 하기의 식 5와 같이 나타난다.
또는 글리세롤-워터 용액의 밀도(ρs)가 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도(ρ)보다 작은 경우, 상기 세 가지 힘은 하기의 식 6과 같이 균형을 이루게 된다. 마찬가지로 상기 식 1 내지 3을 하기 식 6에 대입하여 정리하면, 종단 속도(Vt)는 하기의 식 7과 같이 나타난다.
상기 식 5 및 7로 알 수 있는 바와 같이, PDMS 프리폴리머 혼합액 내에서 움직이는 글리세롤-워터 용액 방울의 종단 속도(Vt)는, 글리세롤-워터 용액 방울의 지름(d) 및 밀도(ρs), 그리고 PDMS 프리폴리머 혼합액 밀도(ρ)와 관련된다. PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도(ρ)는 미리 결정된 고정값으로 유지한다고 할 때, 글리세롤-워터 용액 방울의 지름(d) 또는 밀도(ρs)를 조절함으로써 종단 속도(Vt) 값을 원하는 대로 제어할 수 있다. 이 때 글리세롤-워터 용액 방울의 지름(d)은 글리세롤-워터 용액의 주입량을 통해 조절 가능하며, 글리세롤-워터 용액의 밀도(ρs)는 글리세롤-워터 용액을 제조할 때 원하는 대로 조절하여 결정 가능하다.
도 3은 글리세롤 : 워터 혼합 비율에 따른 글리세롤-워터 용액의 밀도 변화 및 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도 비교 그래프를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 실험예 그래프에서는, PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도(ρ)는 1.03으로 고정되어 있으며, 글리세롤-워터 용액 제조 시 글리세롤 : 워터 혼합 비율을 조절함으로써 글리세롤-워터 용액의 밀도(ρs)를 변화시켜 가면서 비교하였다. 도시된 바와 같이 글리세롤 : 워터의 혼합 비율이 약 13%인 경우 두 유체 간 밀도가 근사적으로 일치하게 됨을 알 수 있다.
도 4는 글리세롤-워터 용액의 혼합 비율에 따른 용액 방울 속도의 변화 그래프를 도시한 것으로, 도 3에서와 같이 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도(ρ)를 1.03 고정값으로 두고, 더불어 글리세롤-워터 용액의 주입량을 일정하게 한 상태(즉 지름(d)을 고정값으로 둔 상태)에서 글리세롤 : 워터의 혼합 비율을 변화시켜 가면서 상기의 식 5 및 7을 이용하여 각 혼합 비율에서의 종단 속도를 구하여 표시한 것이다. 상술한 바와 같이 글리세롤-워터 용액 방울의 종단 속도(Vt)는 글리세롤-워터 용액 방울의 지름(d) 및 밀도(ρ), 그리고 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도(ρs)에 의하여 결정되는데, 여기에서 글리세롤-워터 용액 방울의 지름(d) 및 PDMS 프리폴리머 혼합액의 밀도(ρs)를 고정값으로 두었으므로, 결과적으로 도 4의 그래프에 보이는 바와 같이 글리세롤-워터 용액 방울의 종단 속도(Vt)는 글리세롤-워터 용액의 밀도(ρ) 단일 변수만으로 조절할 수 있다.
도 4의 그래프를 참조할 때, 글리세롤-워터 용액의 글리세롤 : 워터 혼합 비율이 13% 이상인 경우 용액 방울은 아래 방향으로 움직일 것이며, 이는 (PDMS 프리폴리머 혼합액의 고분자 중합 반응을 거친 후 최종적으로 만들어지는) PDMS로 된 인공 안구의 아래면에서의 두께가 얇아지게 만들 수 있게 된다. 13% 이하일 경우에는 그 반대로 용액 방울은 위 방향으로 움직이며, 이 경우 역시 반대로 인공 안구의 아래면에서의 두께가 두꺼워지게 만들 수 있게 된다.
이와 같은 물질 및 운동 특성에 관한 이론적인 검토를 바탕으로 하여, 본 발명에서는 다양한 두께의 각막을 가지는 실제 안구와 아주 가까운 형태로 모사된 인공 안구를 제작할 수 있다. 도 5는 본 발명의 인공 안구 제작 방법의 흐름도이며, 도 6은 도 5의 흐름도에 따른 본 발명의 인공 안구 제작 방법의 실시예이다. 도 5 및 6을 참조하여, 이하에서 본 발명의 인공 안구 제작 방법을 보다 구체적으로 상세히 설명한다.
본 발명의 인공 안구 제작 방법은, 도 5의 흐름도에 나타나 있는 바와 같이 혼합액 제조 단계; 혼합액 탈기 단계; 혼합액 몰딩 단계; 선행 고분자 중합 반응 단계; 용액 주입 단계; 고분자 중합 반응 단계; 를 포함하여 이루어진다.
혼합액 제조 단계에서는, PDMS 프리폴리머를 만들기 위한 원료 및 경화제가 혼합되어 원료-경화제 혼합액이 제조된다. 원료 및 경화제를 단지 혼합하기만 했을 때에는 중합 반응이 일어나지 않았으므로 폴리머(고분자) 구조를 이루고 있는 것이 아니며, 점도가 낮은 액체 상태가 되어 있게 된다. 원료와 경화제의 비율은 목적에 따라 적절하게 결정할 수 있는데, 본 발명에서는 최종적으로 인공 안구를 만들고자 하는 것이므로, 이러한 목적에 따라 상기 원료 : 상기 경화제 비율이 20 : 1 내지 5 : 1 범위 내로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 도 6의 실시예에서는, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 상기 원료 : 상기 경화제 비율이 20 : 1이 되게 하였다.
혼합액 탈기 단계에서는, 상기 원료-경화제 혼합액이 진공 환경에 배치되어 상기 원료-경화제 혼합액 내에 잔존하는 기포가 제거된다. 이 때 혼합액 내 기포가 충분히 제거될 수 있도록 하기 위해서는, 상기 원료-경화제 혼합액이 진공 환경에 배치되는 시간은 30 내지 60 분 범위 내로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 도 6의 실시예에서는, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 이 시간이 30분이 되게 하였다.
혼합액 몰딩 단계에서는, 구형 몰드에 상기 원료-경화제 혼합액이 채워진다. 도 1을 다시 참조하면, 이 구형 몰드(10) 내 공동(11)에 원료-경화제 혼합액을 채울 때 주입용 통로(12)를 사용하여도 되고, 또는 별도 통로(13)를 사용하여도 된다. 도 6의 실시예에서는, 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 주입용 통로를 통해 구형 몰드 내 공동에 원료-경화제 혼합액을 채우도록 하였다.
선행 고분자 중합 반응 단계에서는, 상기 원료-경화제 혼합액이 가열되어 선행 고분자 중합 반응을 발생시킴으로써 PDMS 프리폴리머 혼합액이 제조된다. 앞서 설명한 바와 같이, 고분자 재료로 어떤 대상물을 제작할 때 고분자 원료와 경화제가 혼합된 상태에서 중합 반응을 완전히 발생시키면 고분자 재료로 된 대상물이 만들어지나, 이렇게 되면 고체 상태가 되어 원하는 대로 성형하기에 어려움이 있으므로, 일반적으로 중합 반응을 약간만 진행함으로써 점도가 높은 액체 상태가 되게 한 후(앞서 설명한 바와 같이 이 상태의 물질을 프리폴리머라 함) 성형을 하고 다시 중합 반응을 완전히 진행하는 방법이 널리 사용된다. 본 발명에서는 특히 도 2 내지 4 등의 설명에서와 같이, 성형 시 반드시 프리폴리머 상태에 있어야 하므로, 이와 같이 하기 위해 선행 고분자 중합 반응을 발생시키는 것이다. 이 때 상기 선행 고분자 중합 반응이 너무 조금 이루어져서 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액의 점도가 너무 낮으면, 이후 글리세롤-워터 용액을 주입하였을 때 용액 방울이 구형을 유지하지 못할 수 있다. 반대로 상기 선행 고분자 중합 반응이 너무 많이 이루어져서 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액의 점도가 너무 높으면, PDMS 프리폴리머 혼합액이 유체로서의 역할을 하지 못함으로써 글리세롤-워터 용액을 주입하는 것 자체가 어려울 수 있고, 또한 주입한다 하더라도 앞서의 원리를 응용하여 제작을 진행할 수 없게 된다. 따라서 상기 선행 고분자 중합 반응을 일으키는 정도는 이러한 문제가 없도록 적절히 결정되어야 하는데, 상기 원료-경화제 혼합액이 가열되는 시간이 5 내지 10 분 범위 내로 형성되며, 상기 원료-경화제 혼합액이 가열되는 온도가 80 내지 150 ℃ 범위 내로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 도 6의 실시예에서는, 도 6(d)에 도시된 바와 같이, 가열 시간 5분, 가열 온도 100℃가 되게 하였다.
용액 주입 단계에서는, 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액 내에 주입용 니들이 배치되어 글리세롤-워터 용액이 주입된다. 이 때 앞서 설명한 바와 같이, 최종적으로 만들어진 인공 안구의 각막 두께는 글리세롤-워터 용액 방울의 위치에 의하여 결정된다. 따라서 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액 내에서의 상기 글리세롤-워터 용액의 위치가 조절됨으로써 상기 인공 안구의 하면 두께가 조절되게 된다. 이처럼 상기 글리세롤-워터 용액의 위치가 조절되도록 하기 위해서는, 도 2 내지 4 등의 설명에서의 원리에 따라, 상기 용액 주입 단계에서 주입되는 상기 글리세롤-워터 용액의 글리세롤 : 물의 혼합 비율이 조절되도록 하거나, 또는 상기 용액 주입 단계에서 주입되는 상기 글리세롤-워터 용액의 주입량이 조절되도록 한다. 전자의 경우 글리세롤-워터 용액의 밀도(ρs)가 조절되며, 후자의 경우 글리세롤-워터 용액 방울의 지름(d)이 조절된다.
고분자 중합 반응 단계에서는, 상기 글리세롤-워터 용액이 주입된 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되어 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액의 고분자 중합 반응을 발생시키며, 이 단계가 끝나면 도 6(g)에 도시된 바와 같은 인공 안구의 제작이 완료된다. 이 단계에서는 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되는 시간이 24 내지 36 시간 범위 내로 형성되며, 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되는 온도가 80 내지 150 ℃ 범위 내로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 도 6의 실시예에서는, 도 6(f)에 도시된 바와 같이, 가열 시간 24시간, 가열 온도 100℃가 되게 하였다.
도 7은 본 발명에 의하여 제작된 인공 안구의 여러 실시예를 도시하고 있다. 도 7의 사진은 광결맞음단층촬영기 (OCT, optical coherence tomography)를 통해 촬영된 것이다. 도 7에 나타난 실험 조건 및 결과를 표로 나타내면 다음과 같다.
|
글리세롤 : 워터
혼합 비율(%) |
글리세롤-워터
용액 주입량(ml) |
안압
(mmHG) |
인공 안구
각막 두께(μm) |
|
| 도 7(a) | 10 | 4.8 | 21.5±0.9 | 540 |
| 도 7(b) | 11 | 4.8 | 20.7±0.3 | 355 |
| 도 7(c) | 12 | 4.8 | 5.7±0.7 | 170 |
| 도 7(d) | 14 | 5.5 | 5.1±0.5 | 70 |
글리세롤-워터 용액 주입량이 동일한 경우는 글리세롤-워터 용액 방울의 지름(d)이 동일하다는 것으로, 도 7(a), (b), (c)의 경우가 이에 해당한다. 이 때 순차적으로 글리세롤 : 워터 혼합 비율이 증가하도록 하였으며, 이에 따라 순차적으로 글리세롤-워터 용액의 밀도(ρs)는 증가하게 된다. 이 때 도 2 내지 4의 설명 등에서 살펴본 원리에 따르면, 밀도가 13% 이하로서 용액 방울은 위쪽으로 움직이게 될 것이며, 밀도가 작아질수록 용액 방울이 위쪽으로 움직이는 속도가 빨라져 결과적으로 인공 안구의 각막 두께가 두꺼워지게 될 것이다. 실제 실험 조건에서는 도 7(a), (b), (c)의 역순으로 밀도가 작아지는데, 실제 측정 결과에 보이는 바와 같이 밀도가 작아질수록 최종적으로 제작 완료된 인공 안구의 각막 두께가 두꺼워짐을 명확히 확인할 수 있다.
얇은 두께의 각막을 가지는 인공 안구를 제작하고자 할 경우, 용액 방울이 아래쪽으로 움직이게 하거나 용액의 주입량을 늘리면 되며, 이 예시가 도 7(d)에 나타나 있는 것이다. 도 7(d)에서는 밀도가 14%로서 용액 방울이 아래쪽으로 움직이며, 또한 도 7(a), (b), (c)의 경우보다 주입량을 더 늘림으로써 용액 방울의 지름도 커지게 하였다. 이렇게 하였을 때 도 7(d)의 측정 결과에 보이는 바와 같이 각막 두께가 극히 얇아지도록 만들 수 있음이 확인된다.
더불어 본 발명에 의하여 제작된 인공 안구의 경우, 도 7 및 상기 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 몰드 내에 미리 주입되는 PDMS 프리폴리머 혼합액의 양 및 글리세롤-워터 용액 주입량을 적절히 설계함으로써, 인공 안구의 안압 역시 조절할 수 있다.
도 7의 여러 실시예에 보이는 바와 같이, 본 발명의 인공 안구 제작 장치 및 방법을 사용함으로써, 실제 안구처럼 외형이 3차원적인 구형으로 이루어지며 또한 다양한 두께의 각막을 가지는 인공 안구를 원하는 사양대로 제작할 수 있다. 이와 같이 제작된 인공 안구는 라식 또는 라섹 수술에 사용되는 안과 수술 장비의 평가에 사용될 수 있다. 본 발명에 의해 제작된 인공 안구는 실제 안구와 거의 동일한 형상을 가지기 때문에, 기존에 평면형 팬텀을 사용하여 수행하였던 평가에 비해 훨씬 정밀도 및 정확도가 높은 평가가 이루어질 수 있다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 궁극적으로는 안과 수술 장비의 신뢰성 및 안전성을 극대화할 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10: 구형 몰드 11: 공동
12: 주입용 통로 13: 별도 통로
20: 주입용 니들 30: 시린지
31: 수용부 32: 피스톤
40: 스텝 모터
12: 주입용 통로 13: 별도 통로
20: 주입용 니들 30: 시린지
31: 수용부 32: 피스톤
40: 스텝 모터
Claims (9)
- PDMS(polydimethylsiloxane) 프리폴리머(prepolymer)를 만들기 위한 원료 및 경화제가 혼합되어 원료-경화제 혼합액이 제조되는, 혼합액 제조 단계;
상기 원료-경화제 혼합액이 진공 환경에 배치되어 상기 원료-경화제 혼합액 내에 잔존하는 기포가 제거되는, 혼합액 탈기 단계;
구형 몰드에 상기 원료-경화제 혼합액이 채워지는, 혼합액 몰딩 단계;
상기 원료-경화제 혼합액이 가열되어 선행 고분자 중합 반응을 발생시킴으로써 PDMS 프리폴리머 혼합액이 제조되는, 선행 고분자 중합 반응 단계;
상기 PDMS 프리폴리머 혼합액 내에 주입용 니들이 배치되어 글리세롤-워터(glycerol-water) 용액이 주입되는, 용액 주입 단계;
상기 글리세롤-워터 용액이 주입된 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되어 상기 PDMS 프리폴리머 혼합액의 고분자 중합 반응을 발생시켜 인공 안구의 제작을 완료하는, 고분자 중합 반응 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 혼합액 제조 단계에서는
상기 원료 : 상기 경화제 비율이 20 : 1 내지 5 : 1 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 혼합액 탈기 단계에서는
상기 원료-경화제 혼합액이 진공 환경에 배치되는 시간이 30 내지 60 분 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 선행 고분자 중합 반응 단계에서는
상기 원료-경화제 혼합액이 가열되는 시간이 5 내지 10 분 범위 내로 형성되며,
상기 원료-경화제 혼합액이 가열되는 온도가 80 내지 150 ℃ 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 고분자 중합 반응 단계에서는
상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되는 시간이 24 내지 36 시간 범위 내로 형성되며,
상기 PDMS 프리폴리머 혼합액이 가열되는 온도가 80 내지 150 ℃ 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 고분자 기반 인공 안구 제작 방법은
상기 PDMS 프리폴리머 혼합액 내에서의 상기 글리세롤-워터 용액의 위치가 조절됨으로써 상기 인공 안구의 하면 두께가 조절되도록,
상기 용액 주입 단계에서 주입되는 상기 글리세롤-워터 용액의 글리세롤 : 물의 혼합 비율이 조절되는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 고분자 기반 인공 안구 제작 방법은
상기 PDMS 프리폴리머 혼합액 내에서의 상기 글리세롤-워터 용액의 위치가 조절됨으로써 상기 인공 안구의 하면 두께가 조절되도록,
상기 용액 주입 단계에서 주입되는 상기 글리세롤-워터 용액의 주입량이 조절되는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 방법.
- 제 1항 내지 제 7항 중 선택되는 어느 한 항에 의한 고분자 기반 인공 안구 제작 방법을 사용하여 인공 안구를 제작하는 인공 안구 제작 장치에 있어서,
내부에 구형의 공동(11)이 형성되며, 상기 공동(11)과 연통되며 상하 방향으로 연장되는 주입용 통로(12)가 상부에 형성되는 구형 몰드(10);
상기 주입용 통로(12)에 삽입 배치되며, 상기 주입용 통로(12)를 따라 상하 이동 가능하도록 구비되는 주입용 니들(20);
수용부(31) 및 피스톤(32)을 포함하여 이루어지며, 상기 주입용 니들(20)의 일단에 연결되어 상기 공동(11)으로 유체를 주입하는 시린지(30);
상기 수용부(31) 내의 유체를 상기 주입용 니들(20)로 배출하도록, 상기 시린지(30)의 피스톤(32)에 연결되어 상기 피스톤(32)을 직선 운동시키는 스텝 모터(40);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 장치.
- 제 8항에 있어서, 상기 구형 몰드(10)는
상기 공동(11)과 연통되며 상기 주입용 통로(12)와 독립적으로 형성되는 별도 통로(13)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 기반 인공 안구 제작 장치.
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| KR20160066189A KR20160066189A (ko) | 2016-06-10 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20220006730A (ko) | 2020-07-09 | 2022-01-18 | 한국표준과학연구원 | 각막 구조적 변이 기반 휴대형 안압 측정 장치 |
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| JP2011508905A (ja) | 2007-12-20 | 2011-03-17 | ノバルティス アーゲー | コンタクトレンズを製造する方法 |
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-
2014
- 2014-12-02 KR KR1020140170205A patent/KR101646222B1/ko active IP Right Grant
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