KR101691403B1 - 전계 유도 마이크로 구조체의 제조방법 및 이를 위한 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 구조체의 제조방법과 제조장치를 개시한다. 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조방법은, 베이스의 일면에 유체화된 원료물질을 준비하는 단계; 상기 원료물질의 주변에 전계(electric field)를 인가하는 단계; 상기 원료물질이 상기 전계에 의해 변형되어 마이크로 구조체가 생성되는 단계를 을 포함한다.
본 발명에 따르면, 전극 사이의 거리나 전압을 조절함으로써 마이크로 구조체의 크기를 정교하게 조절할 수 있고, 특히 액적의 모양 및 크기에 따라 전계강도를 조절해 길이와 형상을 조절 할 수 있으므로 종래의 방법에 비하여 마이크로 구조체의 첨예도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한 롤투롤 또는 인라인 방식의 연속공정을 적용하여 간편하게 대량 생산시스템을 구축할 수 있다.

Description

전계 유도 마이크로 구조체의 제조방법 및 이를 위한 제조장치{Method for manufacturing electro induced microstructure and manufacturing apparatus for the same}

본 발명은 마이크로 니들(microneedle) 등과 같은 마이크로 구조체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 유체화된 생체적합성 재료를 전기장내에서 변형 및 고형화시켜 마이크로 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

인체에 사용되는 약물전달수단은 대략 경구제, 주사제 및 경피제로 구분될 수 있다. 이 중에서 경구제는 가장 보편적이고 편리한 수단이지만 약물이 위장관에서 소화, 흡수 또는 분해되어 약물전달속도와 효율이 낮은 경우가 많고 환자의 위장장애를 초래하는 단점이 있다. 또한 주사제는 약물전달속도가 빠르기는 하지만 통증과 피부의 국부적 손상으로 인해 환자의 거부감이 커서 반복투여가 어려운 단점이 있다.

경피제는 피부에 부착되는 패치 등의 형태로 제공되어 피부를 통해 약물을 전달하는 수단이며, 환자의 위장장애를 방지하고 통증에 따른 거부감도 줄일 수 있는 장점이 있으나, 약물이 피부의 각질층을 통과해서 흡수되어야 하므로 사용 가능한 약물이 제한되는 단점이 있다.

경피제의 이러한 단점을 해결하기 위하여 최근에는 마이크로 니들(microneedle) 등과 같은 마이크로 구조체에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

마이크로 니들은 주로 생체 내 약물전달, 채혈, 체내 분석물질 검출 등의 용도로 사용되고 있으며, 무통증의 피부 관통과 무외상을 특징으로 한다.

마이크로 니들은 대략 10~20㎛의 각질층(stratum corneum)을 관통해야 하므로 충분한 물리적 강도와 상단부의 최소 첨예성이 요구된다. 또한 사용 용도에 맞게 정확한 깊이까지 침투해야 하므로 용도에 따라 적정한 길이를 가져야 한다.

이러한 조건을 충족하는 마이크로 니들을 제조하기 위하여 매우 다양한 방법들이 사용되고 있다.

예를 들어, 유리를 에칭하거나 포토리소그래피(photolithography)로 주형을 만들어 생분해성 폴리머 마이크로니들을 제작하는 방법(Biodegradable polymermicroneedles: Fabrication, mechanics and transdermal drug delivery, Journal of Controlled Release 104,2005, 5166), 포토리소그래피 방법으로 제작한 주형의 끝에 캡슐 형태로 제작된 물질을 탑재하여 생분해성 솔리드 마이크로 니들을 제작하는 방법(Polymer Microneedles for Controlled-Release Drug Delivery, Pharmaceutical Research 23, 2006, 1008). 주형에서 말토오스(maltose)와 약물을 혼합한 조성물을 응고시켜 흡수형 마이크로 니들을 제작하는 방법(일본특허공개제2005-154321호; 및“Sugar Micro Needles as Transdermic Drug Delivery System”, Biomedical Microdevices7, 2005, 185) 등이 있다.

그런데 이러한 방법들은 주형을 사용함으로써 빠르고 간편한 제작이 가능한 반면에 마이크로 니들의 직경과 길이를 조절하는데 어려움이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 특허문헌 1 에서는 리프팅지지체의 접촉돌기를 생체적합성 또는 생분해성 물질로 이루어진 점성조성물에 접촉시킨 상태에서 지지체를 상승시키면서 송풍을 통해 점성조성물을 응축 및 응고시키는 과정을 포함하는 마이크로 니들의 제조방법을 소개하고 있다.

또한 특허문헌 2에서는 지지체에 담긴 생체적합성 물질의 하강흐름을 유도하고 하강 중에 이를 고형화하여 솔리드 마이크로 니들을 제작하는 방법을 소개하고 있다.

그런데 특허문헌 1 및 2에 따른 방법에 따르면, 마이크로 니들의 첨예도(sharpness)가 지지체의 접촉돌기, 개구부의 직경, 물질의 점도 등에 의해 크게 제한을 받으며, 특히, 점도가 높은 물질의 경우 첨예도가 급격히 감소되므로 첨예도가 우수한 마이크로 니들을 제작하는데 어려움이 있다.

한국공개특허 제10-2011-0110665호(2011.10.07 공개) 한국등록특허 제10-0938631호(2010.01.21 공고)

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 마이크로 니들 등과 같은 마이크로 구조체의 형태를 보다 용이하게 제어할 수 있는 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 마이크로 구조체의 첨예도를 크게 향상시킬 수 있는 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 마이크로 구조체의 대량생산에 적합한 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은. 베이스의 일면에 유체화된 원료물질을 준비하는 단계; 상기 원료물질의 주변에 전계(electric field)를 인가하는 단계; 상기 원료물질이 상기 전계에 의해 변형되어 마이크로 구조체가 생성되는 단계를 포함하는 마이크로 구조체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조방법에서, 상기 원료물질을 준비하는 단계에서는 상기 베이스의 일면에 상기 원료물질의 액적(droplet)을 하나 이상 도팅(dotting)할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조방법에서, 상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하는 단계에서는, 양극(+)과 음극(-)의 사이에 상기 베이스를 배치하되, 상기 베이스의 타면이 상기 양극(+)을 향하도록 한 상태에서 상기 전계를 인가할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조방법에서, 상기 베이스는 도전성 재질이고, 상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하는 단계에서는, 도전성의 상기 베이스를 양극(+)으로 하여 전계를 인가할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조방법에서, 상기 원료물질은 생체적합성 물질 또는 생분해성 물질일 수 있으며, 상기 생체적합성 물질 또는 상기 생분해성 물질에는 약물이 포함될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조방법에서, 상기 원료물질의 액적은 생체적합성 물질 또는 생분해성 물질로 이루어진 기저물질의 외부에 약물코팅층이 형성된 것일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조방법은 상기 마이크로 구조체의 표면에 약물코팅층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조방법에서, 상기 마이크로 구조체는 마이크로니들, 약물코팅층을 구비한 마이크로니들, 마이크로스파이크, 마이크로블레이드 또는 마이크로나이프일 수 있다.

한편 본 발명의 다른 양상은, 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 제조하는 장치에 있어서, 서로 대향하는 양극과 음극; 상기 양극과 상기 음극의 사이에 전계를 인가하는 전원공급부를 포함하며, 상기 유체화된 원료물질은 상기 양극의 표면에 배치되거나 상기 양극과 상기 음극의 사이에 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조장치는 상기 양극과 상기 음극의 사이에 인가되는 전계의 강도를 조절할 수 있는 전계강도조절수단을 더 포함할 수 있고, 상기 전계강도조절수단은, 상기 양극과 상기 음극의 거리를 조절하는 간격조절수단과 상기 양극과 상기 음극 사이의 전압을 조절하는 전압조절수단 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조장치는, 상기 양극 또는 상기 음극을 수평방향으로 이동시키는 수평구동수단을 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조장치에서, 상기 양극과 상기 음극은 서로 마주보는 전극판일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조장치에서, 상기 양극은 판형상의 전극판이고, 상기 음극은 상기 유체화된 물질에 대응하는 위치에 설치되는 니들 전극일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체의 제조장치에서, 상기 원료물질은 다수의 액적을 포함하는 액적 어레이(droplet array)로 배치되고, 상기 음극은 상기 다수의 액적과 일대일로 대응하는 다수의 니들 전극인 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 상기 다수의 니들 전극은 상기 전원공급부의 음극에 서로 병렬로 연결될 수 있다. 또한 상기 다수의 니들 전극은 절연재질의 전극고정수단에 의해 지지될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상은, 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 연속공정으로 제조하는 시스템에 있어서, 베이스가 필름 형태로 감겨 있는 베이스롤을 포함하는 베이스공급유닛; 상기 베이스의 일면에 상기 원료물질을 공급하는 원료공급유닛; 상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하여 마이크로 구조체를 생성하는 마이크로 구조체 생성유닛; 상기 베이스롤에 감긴 베이스를 연속적으로 이동시키는 베이스이송수단을 포함하며, 상기 베이스공급유닛, 원료공급유닛 및 마이크로 구조체생성유닛은 상기 베이스의 이동방향을 따라 순서대로 배치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상은, 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 연속공정으로 제조하는 시스템에 있어서, 베이스를 이송시키는 베이스이송라인; 상기 베이스의 일면에 상기 원료물질을 공급하는 원료공급유닛; 상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하여 마이크로 구조체를 생성하는 마이크로 구조체 생성유닛을 포함하며, 상기 원료공급유닛 및 마이크로 구조체 생성유닛은 상기 베이스이송라인을 따라 순서대로 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 구조체 제조장치에 있어서, 상기 원료공급유닛은 상기 베이스의 일면에 다수의 원료물질 액적어레이(droplet array)를 도팅시키는 도팅장치를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체 제조장치에 있어서, 상기 도팅장치는 기저물질을 공급하는 제1공급노즐과 약물을 공급하는 제2공급노즐을 구비하며, 상기 제1공급노즐과 상기 제2공급노즐은 서로 독립적으로 동작할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체 제조장치에 있어서, 상기 마이크로 구조체 생성유닛은 양극(+)과 음극을 포함하며, 상기 베이스는 상기 양극과 상기 음극의 사이를 통과하여 이동할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체 제조장치에 있어서, 상기 베이스는 도전성 재질이고, 상기 마이크로 구조체 생성유닛은 전원공급부를 포함하고, 상기 전원공급부의 양극(+)은 상기 베이스와 전기적으로 연결되고 음극(-)은 상기 베이스와 마주보는 전극판에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전원공급부의 음극(-)은 상기 베이스와 이격된 다수의 니들 전극에 연결될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 마이크로 구조체 제조장치에 있어서, 상기 마이크로 구조체 생성유닛의 후단에는 상기 마이크로 구조체의 상부에 보호필름을 부착하는 보호필름결합유닛이 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전극 사이의 거리나 전압을 조절함으로써 마이크로 구조체의 크기를 정교하게 조절할 수 있고, 특히 액적의 모양 및 부피에 따라 전계강도를 조절해 길이와 형상을 조절 할 수 있다. 따라서 종래의 방법에 비하여 마이크로 구조체의 첨예도를 크게 향상시킬 수 있다.

또한 롤투롤(roll to roll) 또는 인라인(in-line) 방식의 연속공정을 적용하여 간편하게 대량 생산시스템을 구축할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치의 개략 구성도
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 니들의 제조공정을 순서대로 나타낸 도면
도 3은 전계효과에 의해 성장한 마이크로 니들을 나타낸 사진
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치의 개략 구성도
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치의 동작을 순서대로 나타낸 도면
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치의 변형예를 각각 나타낸 도면
도 7은 롤투롤 방식 마이크로 니들 제조시스템의 개략 구성도
도 8은 인라인 방식 마이크로 니들 제조시스템의 개략 구성도
도 9는 약물코팅층이 형성된 원료물질 액적이 마이크로 니들로 성장하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면
도 10은 약물코팅유닛을 포함하는 마이크로 니들 제조시스템의 개략 구성도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저 본 발명의 방법과 장치에 의해 제조되는 마이크로 구조체의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 마이크로 구조체에는, 예를 들어, 마이크로 니들, 마이크로 스파이크, 마이크로 블레이드, 마이크로 나이프 등이 포함될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 마이크로 니들을 중심으로 그 제조방법과 제조장치를 설명하기로 한다.

제 1 실시예

본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치(10)는 도 1의 개략 구성도에 나타낸 바와 같이, 서로 마주보도록 배치된 제1전극판(11)과 제2전극판(12), 제1전극판(11)과 제2전극판(12) 사이에 전계를 인가하는 전원공급부(17)를 포함한다.

전원공급부(17)는 DC 전원을 공급하며, 본 발명의 실시예에서는 하부에 위치하는 제1전극판(11)에 전원공급부(17)의 양극(+)을 연결하고 제2전극판(12)에 음극(-)을 연결한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니므로 제1전극판(11)에는 음극(-)을, 제2전극판(12)에는 양극(+)을 연결할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로니들 제조장치(10)는 제1 및 제2전극판(11,12) 사이에 형성되는 전계(Electric Field)의 강도를 조절할 수 있는 수단을 포함할 수도 있다.

두 전극판(11,12) 사이의 전계 강도(E)는 두 전극판(11,12)의 거리(d)에 반비례하고 전위차(V)에 비례한다.

따라서 전계강도 조절수단은 전원공급부(17)에 설치되거나 전원공급부(17)와 제1 또는 제2전극판(11,12)의 사이에 설치되어 두 전극판(11,12) 사이의 전위차를 조절하는 전압조절수단일 수 있다. 전압조절수단에는 예를 들어 가변 저항이 사용될 수 있다.

또한 전계강도 조절수단은 두 전극판(11,12) 사이의 거리를 조절하는 간격조절수단일 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 제1전극판(11)에 간격조절수단(18)을 연결하여 제1전극판(11)을 제2전극판(12)에 대해 승강시킴으로써 제1 및 제2전극판(11,12)사이의 간격을 조절할 수 있도록 하였다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니므로 제2전극판(12)에 간격조절수단을 설치할 수도 있다.

또한 제1전극판(11) 또는 제2전극판(12)의 수평이동을 위하여 제1전극판(11) 또는 제2전극판(12)에 x-y축 이동수단(도면에는 나타내지 않았음)을 설치할 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치(10)를 사용하여 마이크로 니들을 제조하는 방법을 도 2a 내지 도 2e의 공정순서도를 참조하여 설명한다.

먼저, 마이크로 니들의 원료물질을 유체화하고, 유체화된 원료물질을 베이스(20)에 도팅(dotting)하여 미세한 액적(droplet)(30)을 형성한다. 액적(30)은 소정 패턴의 어레이로 도팅되는 것이 바람직하며, 이를 통해 일정한 크기를 갖는 마이크로 니들 어레이(microneedle array)를 한번에 제조할 수 있다.

원료물질은 생체 적합성을 가지며 유체화될 수 있는 물질인 것이 바람직하다. 또한 생체적합성 물질이면서 생분해성을 갖는 물질일 수도 있다. 본 명세서에서 생체적합성 물질이란 인체에 독성이 없고 화학적으로 불활성이며 면역원성이 없는 물질을 의미하며, 생분해성 물질이란 생체 내에서 체액 또는 미생물 등에 의해서 분해될 수 있는 물질을 의미한다.

생체적합성 물질의 유체화는 이 기술분야에서 공지된 방법을 통해 실시될 수 있다. 예를 들어 생체적합성 물질을 녹는점 이상의 온도에서 가열하여 유체화하거나, 적합한 용매(물, 탄소수 1-4의 무수 또는 함수 저급 알코올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 클로로포름 등)에 생체적합성 물질을 용해시켜서 유체화할 수도 있다.

한편 원료물질을 도팅하는 베이스(20)는 유체화된 원료물질의 액적(30)과 접착친화성을 갖는 한 그 재질이 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 폴리아미드계 수지, 우레탄수지, 폴리비닐알콜, 폴리머, 금속, 세라믹 등의 재질로 이루어진 필름 또는 시트가 사용될 수 있다. 또한 생체 내에서 용해 또는 분해될 수 있는 재질이 사용될 수도 있다.

그리고 이와 같이 원료물질의 액적(30)이 형성된 베이스(20)를 전원공급부(17)의 양극에 연결된 제1전극판(11)에 올려 놓거나, 제1전극판(11)과 제2전극판(12)의 사이에 고정시킨다. 다른 방법으로서 금속재질의 베이스(20) 자체를 제1전극판(11)으로 활용할 수도 있다. (도 2a 참조)

이어서 전원공급부(17)를 온(on)시키면, 제1 및 제2전극판(11,12)의 사이에 전압이 걸리면서 제1 및 제2전극판(11,12)의 사이에 전계가 형성된다. (도 2b 참조)

이때 전계강도(E)는 원료물질액적(30)의 표면장력보다 약간 큰 힘을 발생시키도록 설정되어야 하며, 이렇게 함으로써 액적(30)의 표면에 테일러 콘(Taylor cone)이 형성되면서 변형되기 시작한다.

한편, 테일러 콘은 적은 볼륨의 전도성유체가 전기장 내에 있을 때 전압이 높아지면 유체의 표면이 표면장력을 극복하면서 뾰족하게 변형되는 현상을 말하며, 전압이 임계값을 넘어서면 테일러 콘의 첨단부에서 유체가 분출되는 콘 제트(cone-jet)가 발생하는 것으로 알려져 있다.

마이크로 니들을 형성하기 위해서는, 콘 제트를 적절히 억제시킬 필요가 있으며, 두 전극판(11,12)간의 전압이나 거리를 조절하여 콘 제트를 적절히 억제하면서 마이크로 니들을 성장시키는 것이 바람직하다. 원료물질 액적(30)의 점도 및 액적의 크기 및 모양을 조절하여 콘 제트의 발생을 억제시킬 수도 있을 것이다. (도 2c 참조)

이와 같이 뾰족하게 변형된 원료물질 액적(30)의 표면은 전계 내에서 지속적으로 성장하며, 이를 통해 마이크로 니들(31)이 생성된다. 마이크로 니들(31)이 원하는 길이만큼 성장한 이후에는 베이스(20)를 제1전극판(11)에서 분리한 후에 보호필름 등을 부착하여 마이크로 니들(31)이 손상되지 않도록 보호하는 것이 바람직하다.

베이스(20) 자체가 제1전극판(11)으로 사용되는 경우에는 베이스(20)를 전원공급부(17)로부터 분리하여 그 상부에 보호필름 등을 부착하면 된다. (도 2d 및 도 2e 참조)

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실험결과를 나타낸 사진이다. 실험에서는 에탄올에 용해하여 유체화한 15% 농도의 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone)을 사용하였고, 제1 및 제2전극판(11,12) 사이의 거리는 4mm, 인가되는 전압은 4kV 이었으며, 구리재질의 제1전극판(11)에 직접 원료물질의 액적(30)을 도팅하였다. 이 실험에 따르면 약 1분 동안 약 1 mm의 마이크로 니들(31)이 성장하였으며, 마이크로 니들(31)의 상단부 직경은 20 ㎛ 이었다.

이러한 방법으로 제조된 마이크로 니들(31)은 약물을 체내에 주입하거나, 피부미용성분을 피부 조직 내에 주입하거나, 혈액 및 몸에서 체액을 추출하는 용도로 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전계강도(E)를 조절함으로써 마이크로 니들(31)의 길이와 형상을 정교하게 조절할 수 있다. 또한 액적의 크기 및 모양에 따라 전계강도를 조절해 마이크로 니들(31)의 길이와 형상을 조절 할 수 있으므로 용도에 따라 다양한 크기의 마이크로 니들(31)을 편리하게 제조할 수 있게 된다.

제 2 실시예

본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치(300)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 다수의 니들 전극(310)을 포함하는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다.

즉, 전원공급부(17)의 양극에 연결된 전극판(11)의 상부에 니들 형상의 다수의 니들 전극(310)을 배치하고, 상기 다수의 니들 전극(310)을 전원공급부의 음극에 서로 병렬로 연결한다.

이때 다수의 니들 전극(310)은 전극판(11) 또는 베이스(20)에서 액적 어레이가 도팅되는 위치의 상부에 각각 위치하며, 따라서 다수의 니들 전극(310)은 액적 어레이를 구성하는 다수의 액적과 일대일 대응한다. 각 니들 전극(310)의 직경은 특별히 한정되지 않으며, 액적의 크기, 점도 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 또한 다수의 니들 전극(310)은 그 직경이 모두 동일할 수도 있고, 필요에 따라서는 일부 니들 전극(310)의 직경을 다른 니들 전극과 다르게 할 수도 있다.

다수의 니들 전극(310)은 전극고정수단(320)에 고정되며, 전극고정수단(320)은 전극판(11)과 마주보는 절연재질의 판 형상으로서 다수의 니들 전극(310)이 각각 관통 체결되는 다수의 결합홀을 구비하는 것이 바람직하다. 다만 전극고정수단(320)의 형상이나 니들 전극(310)의 고정방식이 이에 한정되는 것은 아니다.

각 니들 전극(310)의 상단은 케이블(330)에 의해 전원공급부(17)의 음극에 전기적으로 연결되며, 하단은 전극판(11)을 향하도록 배치된다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치(300)도 전극판(111)과 각 니들 전극(310)의 간격을 조절하는 간격조절수단(18)을 포함하는 것이 바람직하며, 간격조절수단(18)은 전극판(111)과 전극고정수단(320) 중에서 적어도 하나를 승강시키도록 설치된다. 또한 전원공급부(17)에는 출력전압을 조절하는 전압조절수단이 설치될 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 니들 전극(310)의 크기, 니들 전극(310)의 형상, 니들 전극(310)간의 간격, 액적(30)의 크기나 모양 등에 따라 전계강도를 조절하여 마이크로 니들(31)의 크기와 형상을 적절히 조절할 수 있다.

제2실시예에 따른 마이크로 니들 제조장치(300)를 이용하여 마이크로 니들(31)을 제조하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 제1 실시예와 마찬가지로, 원료물질의 액적(30)이 다수 도팅된 베이스(20)를 전원공급부(17)의 양극에 연결된 전극판(11)에 올려 놓거나, 전극판(11)과 니들 전극(310)의 사이에 고정시킨다. 다른 방법으로서 금속재질의 베이스(20) 자체를 전극판(11)으로 활용하여 그 상부에 액적(30)을 도팅할 수도 있다. (도 5a 참조)

이어서 전극판(11)을 상승시키거나 전극고정수단(320)을 하강시켜서 다수의 액적(30)의 상부에 다수의 니들 전극(310)을 각각 위치시킨다. 이어서 전원공급부(17)를 온(on)시키면, 전극판(11)과 각 니들 전극(310)의 사이에 전압이 걸리면서 전계가 형성되고, 액적(30)의 표면에 테일러 콘(Taylor cone) 변형이 일어나면서 마이크로 니들(31)이 성장한다.

이때 각 전극(310)과 액적(30)의 정밀한 간격조절을 통해 마이크로 니들(31)의 성장을 제어할 수 있다. 특히, 마이크로 니들(31)이 성장하는 중에도 각 니들 전극(310)과 액적(30) 상단부의 간격을 능동적으로 조절하면서 마이크로 니들(31)의 형상과 크기를 보다 정밀하게 제어할 수 있다. (도 5b, 도 5c 참조)

마이크로 니들의 성장이 완료되면 전극판(11) 또는 베이스(20)의 상부에 보호필름 등을 부착한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.

일 예로서, 본 발명의 제1 실시예를 변형하여, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 제1전극판(11)을 위쪽에 위치시키고, 제1전극판(11)의 저면에 원료물질의 액적(30)을 도팅하거나, 액적(30)이 도팅된 베이스(20)를 고정시킬 수도 있다. 이 경우에는 액적(30)이 아래로 향하게 되므로 액적(30)의 점도를 적절히 조절해야 할 것이다. 이 상태에서 전압을 인가하면 액적(30)의 하단부에서 테일러 콘 변형이 일어나면서 마이크로 니들(31)이 아래쪽으로 성장하게 된다.

다른 예로서, 본 발명의 제2 실시예를 변형하여, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 다수의 니들 전극(310)을 하부에 위치시키고 이와 마주보는 전극판(11)을 상부에 위치시킨 상태에서, 전극판(11)의 전면에 원료물질의 액적(30)을 도팅하거나 액적(30)이 도팅된 베이스(20)를 고정시킬 수도 있다

또한 이상에서는 원료물질의 액적(30)이 도팅된 베이스(20)를 전극판(11)에 올려 놓거나, 베이스(20) 자체를 전극판(11)으로 활용하고 작업 후에 빼내는 방식의 제조장치(10)를 설명하였으나, 대량생산을 위해서는 연속공정이 가능한 제조시스템을 구축할 필요가 있다.

도 7은 연속공정을 위한 마이크로 니들 제조시스템의 일 예로서 롤투롤(roll to roll) 방식의 제조시스템(100)을 나타낸 것이다.

롤루롤 방식 마이크로 니들 제조시스템(100)은 베이스(52)의 진행방향을 따라 베이스공급유닛(50), 원료공급유닛(60), 마이크로 니들 생성유닛(10') 및 보호필름결합유닛(70)이 순차적으로 배치된다.

베이스공급유닛(50)은 베이스(52)가 감겨 있는 베이스롤(51), 베이스롤(51)에서 풀리는 베이스(52)를 공정영역으로 이송시키는 이송롤러(55)를 포함할 수 있다. 또한 베이스롤(51)을 회전시키는 회전구동수단(도면에는 나타내지 않았음)을 포함할 수도 있다.

원료공급유닛(60)은 베이스(52)에 액적어레이를 도팅시키는 도팅장치(62)와, 도팅장치(62)를 승강시키는 승강수단(도면에는 나타내지 않았음)을 포함한다. 도팅장치(62)는 마이크로 니들 어레이에 대응하는 다수의 공급노즐(64)을 구비하는 것이 바람직하다.

마이크로 니들생성유닛(10')은 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, 서로 마주보는 제1 및 제2전극판(11,12)과 전원공급부를 포함하며, 제1 및 제2전극판(11,12) 사이에 형성된 전계를 이용하여 원료물질 액적(30)을 마이크로 니들로 성장시키는 역할을 한다. 한편 베이스(52)가 도전성 재질인 경우에는 베이스(52) 자체에 전원공급부의 양극(+)을 전기적으로 연결하고 베이스(52)와 대향하는 전극판에 전원공급부의 음극(-)을 연결하여 공정을 진행하는 것도 가능하다.

또한 마이크로 니들생성유닛(10')은 도 4와 관련하여 설명한 바와 같이, 양극 역할을 하는 전극판(11)과 음극 역할을 하는 다수의 니들 전극(310) 사이에 형성된 전계를 이용하여 원료물질 액적(30)을 마이크로 니들(31)로 성장시킬 수도 있다.

보호필름결합유닛(70)은 베이스(52)의 상면에 생성된 마이크로 니들(31)을 보호하기 위하여 보호필름(72)을 결합하는 것으로서, 보호필름롤(71)에 감긴 보호필름(72)을 가이드롤러(75)를 따라 풀어서 마이크로 니들(31)이 생성된 베이스(52)의 상면에 부착한다.

보호필름결합유닛(70)의 후단에는 베이스(52)에 보호필름(72)의 부착이 완료된 후에 소정의 크기로 절단하는 완제품절단부(도면에는 나타내지 않았음)가 설치될 수 있다. 또한 보호필름결합유닛(70)의 후단에는 서로 결합된 보호필름(72)과 베이스(52)를 한꺼번에 롤에 감는 완제품권취부(도면에는 나타내지 않았음)가 설치될 수도 있다.

이러한 보호필름결합유닛(70)은 생략될 수도 있다. 그러나 이를 생략한 경우에도 별도 공정에서 보호필름을 결합하는 것이 바람직하다.

한편 베이스(52)의 연속적인 공급을 위하여 보호필름결합유닛(70)의 후단에 베이스(52)를 이동시키는 이송롤러(85)를 설치할 수도 있다.

도 8은 연속공정을 위한 마이크로 니들 제조시스템의 다른 예로서 인라인(in-line) 방식의 제조시스템(200)을 나타낸 것이다.

구체적으로 설명하면, 소정 크기의 베이스(20)를 이송하는 이송라인(210)과, 이송라인(210)을 따라 순차적으로 배치된 베이스공급유닛(150), 원료공급유닛(160), 마이크로 니들생성유닛(10') 및 보호필름결합유닛(170)을 포함한다.

인라인 방식의 제조시스템(200)은 베이스(20)가 연속 필름 형태로 제공되지 않고, 소정 크기로 절단된 형태로 제공되는 점에서 롤투롤 방식의 제조시스템(100)과 차이가 있으나 각 공정유닛의 역할은 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이 밖에도, 롤투롤 또는 인라인 방식의 마이크로 니들 제조시스템(100,200)은 위치정렬 또는 공정검사를 위한 비젼카메라를 구비할 수도 있다.

도 7 및 도 8의 연속 공정 시스템은 연속적으로 공급되는 베이스(52)의 상면에 액적도팅, 마이크로 니들 생성, 보호필름결합 등의 공정을 연속적으로 수행할 수 있으므로 대량생산에 매우 적합하다.

한편 본 발명에 따른 마이크로 니들의 제조방법에 이용될 수 있는 생체적합성물질은 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, 폴리에스테르, 폴리하이드록시알카노에이트(PHAs), 폴리(α-하이드록시액시드), 폴리(β-하이드록시액시드), 폴리(3-하이드로식부티레이트-co-발러레이트; PHBV), 폴리(3-하이드록시프로프리오네이트; PHP), 폴리(3-하이드록시헥사노에이트; PHH), 폴리(4-하이드록시액시드), 폴리(4-하이드록시부티레이트), 폴리(4-하이드록시발러레이트), 폴리(4-하이드록시헥사노에이트), 폴리(에스테르아마이드), 폴리카프로락톤, 폴리락타이드, 폴리글리코라이드, 폴리(락타이드-co-글리코라이드; PLGA), 폴리디옥사논, 폴리오르토에스테르, 폴리에테르에스테르, 폴리언하이드라이드, 폴리(글리콜산-co-트리메틸렌카보네이트), 폴리포스포에스테르, 폴리포스포에스테르우레탄, 폴리(아미노산), 폴리사이아노아크릴레이트, 폴리(트리메틸렌카보네이트), 폴리(이미노카보네이트), 폴리(타이로신카보네이트), 폴리카보네이트, 폴리(타이로신아릴레이트), 폴리알킬렌옥살레이트, 폴리포스파젠스, PHA-PEG, 에틸렌비닐알코올코폴리머(EVOH), 폴리우레탄, 실리콘, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리이소부틸렌과에틸렌-알파올레핀공중합체,스틸렌-이소브틸렌-스틸렌트리블록공중합체, 아크릴중합체및공중합체, 비닐할라이드중합체및공중합체,폴리비닐클로라이드, 폴리비닐에테르, 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐리덴할라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리플루오로알켄, 폴리퍼플루오로알켄, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐케톤,폴리비닐아로마틱스, 폴리스틸렌, 폴리비닐에스테르, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 에틸렌-메틸메타크릴레이트공중합체, 아크릴로니트릴-스틸렌공중합체, ABS 수지와에틸렌-비닐아세테이트공중합체, 폴리아마이드, 알키드수지, 폴리옥시메틸렌, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리아크릴산-co-말레산, 키토산, 덱스트란, 셀룰로오스, 헤파린, 히알루론산, 알기네이트, 이눌린, 녹말,글리코겐 등의 물질이 선택, 혼합 또는 조합될 수 있다.

또한 이러한 생체적합성 물질에 약물을 혼합하여 원료물질로 사용될 수 있다. 이때 사용할 수 있는 약물의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 화학약물, 단백질의약, 펩타이드의약, 유전자치료용 핵산분자 및 나노입자,미용성분(예컨대, 주름개선제, 피부노화억제제 및 피부미백제) 등이 포함될 수 있다.

또한 본 발명에 이용될 수 있는 약물은 예를 들어, 항염증제, 진통제, 항관절염제, 진경제, 항우울증제, 항정신병약물, 신경안정제, 항불안제, 마약길항제, 항파킨스질환약물, 콜린성아고니스트, 항암제, 항혈관신생억제제, 면역억제제, 항바이러스제, 항생제, 식욕억제제, 진통제, 항콜린제, 항히스타민제, 항편두통제, 호르몬제, 관상혈관, 뇌혈관 또는 말초혈관확장제, 피임약, 항혈전제, 이뇨제, 항고혈압제, 심혈관질환치료제 등을 포함할 수 있다. 약물의 종류가 이에 한정되지 않음은 물론이다.

한편 약물은 생체적합성 물질 또는 생분해성 물질과 균일하게 혼합되어 원료물질(30)로 사용될 수 있다. 이 경우에는 혼합물로 이루어진 원료물질(30)의 액적을 베이스(20,52)에 도팅하면 된다.

이와 달리 생체적합성 물질 또는 생분해성 물질과 약물이 분리되도록 원료물질(30)의 액적을 형성할 수도 있다.

즉, 도 9에 나타낸 바와 같이, 생체적합성 물질 또는 생분해성 물질로 이루어진 기저물질(30a)의 외부에 약물(30b)이 코팅되도록 원료물질 액적(30)을 형성할 수 있다. 이와 같이 이중층 형태로 원료물질 액적(30)을 형성하면 마이크로 니들(31)이 성장하면서 외측에 자연스럽게 약물코팅층이 형성되므로 약물코팅을 위한 추가작업이 필요 없는 장점이 있다.

원료물질 액적(30)을 이중층으로 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다.

일 예로서, 베이스(20,52)에 먼저 기저물질(30a)을 도팅하고 기저물질(30a)의 외부에 약물(30b)을 도포하거나 도팅할 수 있다.

다른 예로서. 베이스(20,52)에 먼저 약물(30b)을 도팅하고 약물(30b)의 내부에 약물(30b)보다 비중이 큰 기저물질(30a)을 주입할 수도 있다. 이 경우에는 약물(30b)과 잘 섞이지 않는 물질을 기저물질(30b)로 사용하는 것이 바람직하다.

이 경우에는 도팅장치(62)가 서로 독립적으로 동작하는 기저물질용 공급노즐과 약물용 공급노즐을 구비할 수 있다.

또 다른 예로서, 서로 잘 섞이지 않으면서 비중차이를 갖는 기저물질(30a)과 약물(30b)의 혼합물을 하나의 공급노즐로 도팅하거나, 기저물질(30a)과 약물(30b)을 별도의 공급노즐을 통해 동시에 도팅한 후 비중차이로 인해 기저물질(30a)이 약물(30b)의 아래로 침전되도록 함으로써 이중층 구조의 액적(30)을 형성할 수도 있다.

한편 원료물질에 미리 약물을 포함시키는 대신에 마이크로 니들(31)을 성장시킨 이후에 그 표면에 약물을 분사 또는 도포함으로써 마이크로 니들(31)의 표면에 약물코팅층을 형성할 수도 있다.

도 10은 이 경우를 위한 연속공정용 제조시스템을 예시한 것으로서, 마이크로 니들 생성유닛(10')과 보호필름결합유닛(70)의 사이에 약물코팅유닛(90)을 설치한 점에 특징이 있다. 이를 이용하면 마이크로 니들 생성유닛(10')에서 생성된 마이크로 니들(31)의 어레이가 약물코팅유닛(90)으로 진입하면, 약물코팅유닛(90)의 약물분사장치(92)가 약물을 분사하여 마이크로 니들(31)의 표면에 약물코팅층을 형성할 수 있게 된다.

도 8과 같은 인라인 방식의 제조시스템에서도, 마이크로 니들 생성유닛(10')과 보호필름결합유닛(170)의 사이에 약물코팅유닛(90)을 설치할 수 있음은 물론이다.

한편 원료물질에는 점도개선제가 추가로 포함될 수도 있다. 또한 원료물질에는 전도성(conductivity)을 조절하기 위하여 전도성 물질이 추가로 포함될 수도 있다.

이상에서는 마이크로 니들을 중심으로 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 제조장치 및 방법은 마이크로 스파이크, 마이크로 블레이드, 마이크로 나이프 등의 제조에도 적용될 수 있음은 전술한 바와 같다.

본 발명은 이상에서 설명한 실시예에 한정되지 않고 더욱 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.

10: 마이크로 니들 제조장치 10': 마이크로 니들 생성유닛
11: 제1전극판 12; 제2전극판
17: 전원공급부 18: 간격조절수단
20: 베이스 30: 액적
30a: 기저물질 30b: 약물
31: 마이크로 니들 50, 150: 베이스공급유닛
51: 베이스롤 52: 베이스
55, 85; 이송롤러 60, 160: 원료공급유닛
62: 도팅장치 64: 공급노즐
70, 170: 보호필름결합유닛 71: 보호필름롤
72: 보호필름 90: 약물코팅유닛
92: 약물분사장치 100: 롤투롤 방식 마이크로 니들 제조시스템
200: 인라인 방식 마이크로 니들 제조시스템
300: 마이크로니들 제조장치 310: 니들 전극
320: 전극고정수단 330: 케이블

Claims (26)

1. 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 연속공정으로 제조하는 시스템에 있어서,
   베이스가 필름 형태로 감겨 있는 베이스롤을 포함하는 베이스공급유닛;
   상기 베이스의 일면에 원료물질로 이루어진 다수의 액적을 도팅하는 도팅장치를 포함하는 원료공급유닛;
   상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하여 마이크로 구조체를 생성하는 것으로서, 각각 상기 다수의 액적이 형성된 영역보다 큰 면적을 가지면서 서로 평행하게 배치되는 양극판 및 음극판과, 상기 양극판과 음극판의 사이에 전계를 형성하는 전원공급부를 포함하고, 상기 베이스는 상기 양극판과 음극판의 사이를 통과하여 이동하는 마이크로 구조체 생성유닛;
   상기 베이스롤에 감긴 베이스를 연속적으로 이동시키는 베이스이송수단
   을 포함하며, 상기 베이스공급유닛, 원료공급유닛 및 마이크로 구조체생성유닛은 상기 베이스의 이동방향을 따라 순서대로 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체 제조시스템
2. 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 연속공정으로 제조하는 시스템에 있어서,
   베이스가 필름 형태로 감겨 있는 베이스롤을 포함하는 베이스공급유닛;
   상기 베이스의 일면에 원료물질로 이루어진 다수의 액적을 도팅하는 도팅장치를 포함하는 원료공급유닛;
   상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하여 마이크로 구조체를 생성하는 것으로서, 상기 다수의 액적이 형성된 영역보다 큰 면적을 갖는 양극판과, 상기 다수의 액적과 일대일 대응하는 위치에서 상기 양극판을 향하도록 설치되는 다수의 음극 니들전극과, 상기 양극판과 상기 다수의 음극 니들전극 사이에 전계를 형성하는 전원공급부를 포함하고, 상기 베이스는 상기 양극판과 음극판의 사이를 통과하여 이동하는 마이크로 구조체 생성유닛;
   상기 베이스롤에 감긴 베이스를 연속적으로 이동시키는 베이스이송수단
   을 포함하며, 상기 베이스공급유닛, 원료공급유닛 및 마이크로 구조체생성유닛은 상기 베이스의 이동방향을 따라 순서대로 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체 제조시스템
3. 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 연속공정으로 제조하는 시스템에 있어서,
   베이스를 이송시키는 베이스이송라인;
   상기 베이스의 일면에 원료물질로 이루어진 다수의 액적을 도팅하는 도팅장치를 포함하는 원료공급유닛;
   상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하여 마이크로 구조체를 생성하는 것으로서, 각각 상기 다수의 액적이 형성된 영역보다 큰 면적을 가지면서 서로 평행하게 배치되는 양극판 및 음극판과, 상기 양극판과 음극판의 사이에 전계를 형성하는 전원공급부를 포함하고, 상기 베이스는 상기 양극판과 음극판의 사이를 통과하여 이동하는 마이크로 구조체 생성유닛
   을 포함하며, 상기 원료공급유닛 및 마이크로 구조체 생성유닛은 상기 베이스이송라인을 따라 순서대로 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체 제조시스템
4. 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 연속공정으로 제조하는 시스템에 있어서,
   베이스를 이송시키는 베이스이송라인;
   상기 베이스의 일면에 원료물질로 이루어진 다수의 액적을 도팅하는 도팅장치를 포함하는 원료공급유닛;
   상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하여 마이크로 구조체를 생성하는 것으로서, 상기 다수의 액적이 형성된 영역보다 큰 면적을 갖는 양극판과, 상기 다수의 액적과 일대일 대응하는 위치에서 상기 양극판을 향하도록 설치되는 다수의 음극 니들전극과, 상기 양극판과 상기 다수의 음극 니들전극 사이에 전계를 형성하는 전원공급부를 포함하고, 상기 베이스는 상기 양극판과 음극판의 사이를 통과하여 이동하는 마이크로 구조체 생성유닛
   을 포함하며, 상기 원료공급유닛 및 마이크로 구조체 생성유닛은 상기 베이스이송라인을 따라 순서대로 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체 제조시스템
5. 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 연속공정으로 제조하는 시스템에 있어서,
   도전성 재질의 베이스를 이송시키는 베이스이송라인;
   상기 베이스의 일면에 원료물질로 이루어진 다수의 액적을 도팅하는 도팅장치를 포함하는 원료공급유닛;
   상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하여 마이크로 구조체를 생성하는 것으로서, 양극(+)이 상기 베이스와 전기적으로 연결되는 전원공급부와, 상기 다수의 액적이 형성된 영역보다 큰 면적을 가지면서 상기 베이스와 평행하게 배치되고 상기 전원공급부의 음극과 전기적으로 연결된 음극판을 포함하는 마이크로 구조체 생성유닛
   을 포함하며, 상기 원료공급유닛 및 마이크로 구조체 생성유닛은 상기 베이스이송라인을 따라 순서대로 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체 제조시스템
6. 유체화된 원료물질을 변형시켜 마이크로 구조체를 연속공정으로 제조하는 시스템에 있어서,
   도전성 재질의 베이스를 이송시키는 베이스이송라인;
   상기 베이스의 일면에 원료물질로 이루어진 다수의 액적을 도팅하는 도팅장치를 포함하는 원료공급유닛;
   상기 원료물질의 주변에 전계를 인가하여 마이크로 구조체를 생성하는 것으로서, 양극(+)이 상기 베이스와 전기적으로 연결되는 전원공급부와, 상기 다수의 액적과 일대일 대응하는 위치에서 상기 베이스를 향하는 다수의 음극 니들전극을 포함하는 마이크로 구조체 생성유닛
   을 포함하며, 상기 원료공급유닛 및 마이크로 구조체 생성유닛은 상기 베이스이송라인을 따라 순서대로 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체 제조시스템
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 도팅장치는 기저물질을 공급하는 제1공급노즐과 약물을 공급하는 제2공급노즐을 구비하며, 상기 제1공급노즐과 상기 제2공급노즐은 서로 독립적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체 제조시스템
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 마이크로 구조체 생성유닛의 후단에는 상기 마이크로 구조체의 상부에 보호필름을 부착하는 보호필름결합유닛이 설치된 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체 제조시스템
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