KR101723956B1 - 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 마이크로 플라즈마 제트(7)를 발생시키는 마이크로 플라즈마 제트 어레이(1a, 1b, 2, 3, 6)를 포함하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치에 관한 것으로서, 상기 마이크로 플라즈마 장치는 상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 적어도 일부와 연결되며 내부공간(8)을 구비하고 일측에 개구부(9)가 형성되어 있는 안전캡(4)을 포함하며, 상기 안전캡(4)의 내부공간(8)으로 상기 마이크로 플라즈마 제트(7)가 분사되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 안구 등과 같이 치료부위가 미세하거나 곡면 형태를 갖는 국부 면적의 치료에 이용할 수 있고, 안정성 및 치료효과가 우수하며, 종래의 의료용 플라즈마 장치에 비하여 매우 작고, 휴대성이 높은 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치를 제공할 수 있다.

Description

안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치{Micro plasma device for treating eyeball}

본 발명은 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진균에 의한 안구 감염의 치료, 살균 또는 완화에 이용될 수 있는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치에 관한 것이다.

마이크로 플라즈마는 상압에서 수 mm 미만의 미세공간(부피)에 형성되는 전기적으로 비평형인 저온 플라즈마로서 다양한 분야에 응용되고 있다. 일정한 면적의 장치에 다수개의 마이크로 플라즈마를 형성하는 소자들을 종횡으로 배열하고 이를 통해 일정한 압력의 기체를 통과시키면서 전압을 인가하면 대면적에 걸쳐 병렬로 형성되는 마이크로 플라즈마 제트의 어레이를 얻을 수 있으며, 이와 접촉되는 대상의 생체 조직이나 세포에 물리적 화학적 변화를 유발하여 원하는 목적의 활성 또는 치료 효과 및 멸균 효과를 얻을 수 있다.

예컨대, 특허문헌 1(한국공개특허공보 제10-2008-0031957호)에는 복수개의 마이크로 캐비티를 포함하는 플라즈마 디바이스 어레이가 개시되어있다. 상기 특허문헌 1에 제시된 플라즈마 디바이스는 대형 어레이로서, 광선치료법에 따른 치료(약 308nm의 자외선 광을 필요로 하는 건선, 화학선 각화증, 및 보웬씨 병 또는 기본적인 악성 종양 세포의 치료를 포함)에 적용 가능하다.

그러나, 상기 플라즈마 디바이스는 사이즈가 크기 때문에 치료부위가 미세하거나 곡면 등 시술이 용이하지 않은 부위일 경우 시술이 곤란하고, 시술과정에서 주변 조직에 영향을 줄 수 있는 등 부작용이 뒤따르는 문제가 있다. 특히, 안구 형태의 국부 면적을 치료할 경우 상기와 같은 문제가 더욱 두드러지게 나타날 수 있으며, 시술 과정에서 공기 중으로 분산되는 플라즈마 이펙트로 인해 치료효율이 떨어지는 문제 또한 발생할 수 있다.

KR 1020080031957 A

본 발명은 진균에 의한 안구 감염의 치료, 살균 또는 완화에 이용될 수 있는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 안정성 및 치료효과가 우수하며, 종래의 의료용 플라즈마 장치에 비하여 매우 작고, 휴대성이 높은 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치를 제공하고자 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 마이크로 플라즈마 제트를 발생시키는 마이크로 플라즈마 제트 어레이를 포함하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치로서, 상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 적어도 일부와 연결되며 내부공간을 구비하고 일측에 개구부가 형성되어 있는 안전캡을 포함하며, 상기 안전캡의 내부공간으로 상기 마이크로 플라즈마 제트가 분사되는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치를 제공한다.

바람직하게, 상기 안전캡은 상기 마이크로 플라즈마 제트가 상기 안전캡의 내부공간에서 외부로 분산되는 것을 차단할 수 있다.

바람직하게, 상기 안전캡의 상단은 상기 플라즈마 제트 어레이의 하측(플라즈마 제트가 분사되는 방향)에 연결되며, 상기 안전캡의 하측에 상기 개구부가 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 안전캡은 실리콘, 플라스틱, 세라믹 및 유리로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.

상기 안전캡의 개구부는 의료대상과의 밀착이 이루어지는 부분으로서, 상기 개구부 둘레에 탄성부재가 구비될 수 있고, 바람직하게 상기 탄성부재는 고무, 실리콘 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 복합소재일 수 있으며, 상기 개구부의 횡단면은 플라즈마 제트 분사방향과 직각이 되도록 형성될 수 있다.

바람직하게 상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이는 플라즈마 제트를 형성시키는 전극 및 플라즈마 제트가 형성되는 공간인 마이크로 캐비티가 배열된 본체; 및 상기 본체에 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이 본체는 실리콘, 플라스틱, 세라믹 및 유리로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 본체에는 상기 마이크로 캐비티 복수개가 배열될 수 있고, 상기 마이크로 캐비티의 직경은 1 ㎛ 내지 2 mm 일 수 있다.

바람직하게, 상기 가스 공급부는 0.1 SLM 내지 10 SLM 범위의 유동속도로 가스를 공급할 수 있다.

바람직하게, 상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이는 상압 및 상온에서 병렬 구동될 수 있고, 교류 또는 펄스형 직류에 의해 구동될 수 있다.

바람직하게, 상기 마이크로 플라즈마 제트의 길이는 0.5 mm 내지 1 cm 일 수 있다.

본 발명에 따른 안구 치료용 플라즈마 장치는 안구형태 등의 국부면적을 치료할 수 있는 적절한 플라즈마 생성공간을 가지므로, 진균에 의한 안구 감염의 치료, 살균 또는 완화에 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 안구 치료용 플라즈마 장치는 안전캡을 포함함으로써 플라즈마 제트와 치료부위 사이에 안전거리를 확보하여 치료과정에서 치료부위에 발생될 수 있는 전기 접촉으로 인한 전기적 손상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 안전캡은 플라즈마 제트가 외부로 분산되는 것을 차단하여 플라즈마 효과를 치료 대상 부위로 집중시킬 수 있으므로 치료부위 주변의 손상을 줄일 수 있고, 치료부위에 대한 선택성 및 치료효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 플라즈마 장치는 동일한 크기를 갖는 복수개의 마이크로 플라즈마 형성 및 발생소자의 어레이를 포함하므로, 고출력의 단일 플라즈마를 형성하는 종래 장치에 비해 치료효과의 균일성을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 장치에 포함되는 플라즈마 형성 및 발생 소자의 직경은 수 ㎛ 내지 수 mm 사이의 극소형이므로, 플라즈마 장치의 전체 크기가 종래 의료용 플라즈마 장치에 비해 매우 작으며, 휴대성이 높고, 저가의 일회용 의료 기구에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 마이크로 플라즈마 장치의 단면도이다.
도 3은 상기 도 1에 도시된 마이크로 플라즈마 장치의 평면도이다.
도 4는 상기 도 1에 도시된 마이크로 플라즈마 장치의 구성요소 중 마이크로 플라즈마 제트 어레이 부분을 개략적으로 나타낸 단면도 및 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 플라즈마 제트 어레이 구동 형태의 다양한 실시예들을 나타낸 것이다.
도 6은 종래의 펜슬형(pencil type) 플라즈마 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 플라즈마 장치를 이용한 저온 상압 플라즈마 처리 전 후의 각막 단면 변화를 비교하여 나타낸 것이다(단, 도면에 표시된 기준자(scale bar)는 200㎛임).
도 8은 실시예 및 비교예의 플라즈마 장치를 이용한 저온 상압 플라즈마 처리 전 후의 각막의 두께변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 및 비교예의 플라즈마 장치를 이용한 저온 상압 플라즈마 처리 전 후의 각막 상피층의 두께변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실험예 2에 따른 정상군(vehicle), 대조군(control) 및 실험군(plasma) 안구의 1, 3, 7일과 14일째 상태를 비교하여 나타낸 현미경 사진이다(단, 도면에 표시된 기준자는 10mm임).
도 11은 실험예 2에 따른 정상군(vehicle), 대조군(control) 및 실험군(plasma) 안구의 1, 3, 7일과 14일째 각막 신생혈관 신장정도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 실험예 2에 따른 정상군(vehicle), 대조군(control) 및 실험군(plasma) 안구의 1, 3, 7일과 14일째 각막 혼탁도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 실험예 3에 따른 정상군(vehicle), 대조군(control) 및 실험군(plasma) 안구의 1, 3, 7일과 14일째 각막 단면 변화를 비교하여 나타낸 것이다(단, 도면에 표시된 기준자는 200㎛임).
도 14는 실험예 4에 따른 정상군(vehicle), 대조군(control) 및 실험군(plasma) 안구의 1, 3, 7일과 14일째 혈관 표피 성장 인자 VEGF(vascular endothelial growth factor) 발현 정도를 비교하여 나타낸 것이다(단, 도면에 표시된 기준자는 200㎛임).
도 15는 실험예 4에 따른 정상군(vehicle), 대조군(control) 및 실험군(plasma) 안구의 1, 3, 7일과 14일째 세포 표면 항원 무리 CD31 (cluster of differentiation 31) 발현정도를 비교하여 나타낸 것이다(단, 도면에 표시된 기준자는 200㎛임).
도 16은 실험예 4에 따른 정상군(vehicle), 대조군(control) 및 실험군(plasma) 안구의 1, 3, 7일과 14일째 종양 괴사 인자 TNFα(tumor necrosis factor α) 발현정도를 비교하여 나타낸 것이다(단, 도면에 표시된 기준자는 200㎛임).
도 17은 실험예 4에 따른 정상군(vehicle), 대조군(control) 및 실험군(plasma) 안구의 1, 3, 7일과 14일째 기질 금속 단백질 분해 효소-9 MMP9(matrix metalloprotease-9) 발현정도를 비교하여 나타낸 것이다(단, 도면에 표시된 기준자(scale bar)는 200㎛임).

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안구 치료용 플라즈마 장치의 사시도, 단면도 및 평면도를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명에 따른 안구 치료용 플라즈마 장치의 일 실시예에 대해 살펴보면 하기와 같다.

본 발명은 마이크로 플라즈마 제트(7)를 발생시키는 마이크로 플라즈마 제트 어레이(1a, 1b, 2, 3, 6)를 포함하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치에 관한 것으로서, 상기 마이크로 플라즈마 장치는 상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 적어도 일부와 연결되며 내부공간(8)을 구비하고 일측에 개구부(9)가 형성되어 있는 안전캡(4)을 포함하며, 상기 안전캡(4)의 내부공간(8)으로 상기 마이크로 플라즈마 제트(7)가 분사되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어 “플라즈마 제트”는 플라즈마 제트 어레이로부터 발생되는 “플라즈마”를 의미한다. 따라서, “플라즈마 제트”와 “플라즈마”는 동일한 것으로 이해될 수 있다.

상기 안전캡(4)은 상기 마이크로 플라즈마 제트(7)가 상기 안전캡(4)의 내부공간(8)에서 외부로 분산되는 것을 차단하는 역할을 한다. 구체적으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 안전캡(4)은 마이크로 플라즈마 제트 어레이로부터 분사되는 플라즈마 제트(7)를 둘러싸는 형태의 내부공간(8)을 가지며, 상기 플라즈마 제트(7)는 상기 내부공간(8)으로만 분산된다. 이와 같이, 플라즈마 제트(7)가 안전캡(4)의 내부공간(8)에서만 생성되므로 시술과정에서 치료부위의 주변 조직에 영향을 주는 등의 부작용이 해소될 수 있고, 외부로 분산되는 플라즈마 이펙트를 안전캡의 내부공간으로 잡아두어 효과적인 치료를 가능하게 하고, 치료부위에 대한 선택성 또한 향상시켜준다. 또한, 상기 안전캡(4)은 플라즈마 제트와 치료부위 사이에 안전거리를 확보해 주기 때문에, 시술과정에서 치료부위에 발생될 수 있는 전기 접촉으로 인한 전기적 손상을 방지할 수 있다.

상기 안전캡(4)은, 상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 적어도 일부와 연결되어 마이크로 플라즈마 제트(7)를 완전히 둘러쌓을 수 있다면, 그 연결 위치에 제한을 받지 않지만, 바람직하게 상기 안전캡(4)의 상단은 상기 플라즈마 제트 어레이의 하측(플라즈마 제트(7)가 분사되는 방향)에 연결될 수 있으며, 상기 안전캡(4)의 하측에 상기 개구부(9)가 형성될 수 있다(도 1 및 도 2 참조). 상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이(1a, 1b, 2, 3, 6)의 구성에 대해서는 후술하기로 한다.

상기 안전캡(4)은 생체에 유해한 영향을 끼치지 않는 실리콘, 플라스틱, 세라믹, 유리 등으로 제작될 수 있으며, 구현하고자 하는 기능 또는 사용 목적에 따라 상기 재질을 두 가지 이상 함께 사용할 수 있다.

상기 안전캡(4)의 개구부(9)는 의료대상과의 밀착이 이루어지는 부분으로서, 상기 개구부(9) 둘레에 탄성부재가 구비될 수 있다. 바람직하게 상기 탄성부재(5)는 고무, 실리콘 및 플라스틱으로 이루어진 군에 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 복합소재일 수 있고, 예컨대 상기 안전캡이 원통형일 경우 상기 탄성부재는 고무링일 수 있다. 상기 탄성부재(5)는 의료대상, 즉 치료부위와 안전캡(4) 사이의 밀착성을 높여주고, 상대적으로 단단한 재질로 이루어진 안전캡이 치료부위에 직접 접촉되는 방식에 비하여 시술 대상자로 하여금 편안함과 안정감을 갖도록 해준다.

상기 개구부(9)의 횡단면은 플라즈마 제트(7) 분사방향과 직각이 되도록 형성되는 것이 치료효과 향상을 위해 바람직하고, 상기 개구부의 횡단면은 원형, 타원형, 사각형 등 치료부위의 형상에 따라 임의로 제작 가능하다.

이하, 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 구성에 대해 살펴보면 하기와 같다.

상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이는 플라즈마 제트(7)를 형성시키는 전극(1a 및 1b) 및 플라즈마 제트(7)가 형성되는 공간인 마이크로 캐비티(3)가 배열된 본체(2); 및 상기 본체에 가스를 공급하는 가스 공급부(6)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상기 전극(1a 및 1b)은 통상의 접촉 방법에 의해 전원장치(미도시)와 연결될 수 있다.

마이크로 플라즈마 제트 어레이는 본체(2)의 두께를 수백 ㎛ 내지 cm 미만의 박막 형태로 제작함으로써 플랙서블한 장치의 구현이 가능하게 한다.

상기 본체(2)는 생체에 유해한 영향을 끼치지 않는 실리콘, 플라스틱, 세라믹, 유리 등으로 제작될 수 있으며, 구현하고자 하는 기능 또는 사용 목적에 따라 상기 재질을 두 가지 이상 함께 사용할 수 있다.

마이크로 캐비티(3)는 마이크로 플라즈마가 형성되는 공간을 나타내는 것으로, 그 직경에 따라 형성되는 플라즈마 제트(7)의 직경이 결정된다. 상기 본체(2)에는 복수개의 마이크로 캐비티(3)가 배열될 수 있고, 복수 개의 캐비티(3)가 본체(2)를 세로로 관통하여 배열된 구조로 되어 있다. 바람직하게 각 마이크로 캐비티는 1 ㎛ 내지 2 mm 범위의 직경을 갖는 미세한 원통형일 수 있다.

본 발명의 마이크로 플라즈마 제트 어레이는 상압 및 상온에서 병렬 구동되는 것이 바람직하다. 이러한 병렬 구동을 위해 전극(1a 및 1b)에 1~100 kHz 주파수 범위의 교류 또는 펄스 형태의 직류를 인가하여 마이크로 캐비티(3)에 전리 작용을 일으킴으로써 플라즈마를 형성할 수 있다.

상기 전극(1a 및 1b)은 플라즈마의 성능 및 전력 소모에 영향을 미치는 요소로, 그 형태 및 크기에 따라 형성되는 전기장의 크기가 결정된다. 본 발명에서는 어레이 본체의 두께가 수백 ㎛ 내지 cm 미만의 박형이므로, 전기장의 세기는 10³ ~ 10⁶ V/cm 범위로 형성될 수 있고, 따라서 단위 부피 내에서 플라즈마를 형성하는 기체에 의해 높은 에너지가 인가될 수 있다. 이렇게 높은 에너지의 전기장은 통상 플라즈마 형성에 사용되는 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등의 비활성 기체뿐만 아니라, 다양한 기체 원자 및 분자의 혼합 기체(Penning Mixtures) 또는 통상의 플라즈마 형성 장치로는 플라즈마 발생이 어려운 산소, 대기, 질소에 의하더라도 마이크로 플라즈마의 형성을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 장치는 헬륨과 같은 비교적 방전이 쉬운 비활성 기체 외에도 일반 대기에 의하더라도 구동이 가능하며, 전체 시스템에서 부피의 대부분을 차지하는 기체 배송 장치의 규모를 최소화함으로써 장치 전체의 크기를 감소시킬 수 있다.

상기 전극(1a 및 1b)은, 높은 전기장 하에서 수명을 연장하고, 균일한 정전 방전(Capacitive Discharge)하에서 병렬 구동이 효율적으로 이루어지도록 하기 위해 균일도가 높은 안전층으로 피복될 수 있다. 상기 안전층은 다양한 종류의 유전체로 이루어질 수 있으며, 플라즈마의 특성에 맞게 선택된 유전체를 스크린 프린팅, 전기화학적 증착 또는 성장, 플라즈마 기상 증착, 스프레이 코팅 등의 방법으로 전극 주변에 균일한 두께로 형성할 수 있다.

상기 플라즈마 형성을 위한 기체는 가스 공급부(6)를 통해 공급되며, 0.1 SLM 내지 10 SLM 범위의 유동속도로 공급될 수 있다. 기체 공급부(6)은 소재에 제한이 없으나, 유연한 마이크로 플라즈마 제트인 경우 그에 따라 기체 공급관도 유연한 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 도 4를 참조하여 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 병렬구동을 구현하는 주요 요소에 대해 살펴보면 하기와 같다.

마이크로 플라즈마 제트 어레이에서 개별 마이크로 캐비티 사이의 간격(g)은 병렬 구동시 인가 전압(디바이스의 정전용량)과 형성되는 플라즈마의 전체 밀도를 결정한다. 어레이의 유효면적(S)은 치료 목적(또는 치료 부위의 크기)에 따라 변동이 가능하며, 소자면적(A)에 근접하게 제작될 수 있다. 형성되는 플라즈마 제트의 길이(L), 전자의 밀도 및 에너지는, 마이크로 캐비티(3)의 직경, 기체의 체류 시간을 결정하는 본체의 두께(t) 및 전극(1a 및 1b)의 배열 형태와 크기에 의존한다. 바람직하게, 상기 어레이로부터 발생되는 마이크로 플라즈마 제트의 길이(L)는 0.5 mm 내지 1 cm 일 수 있다.

또한, 상기 전극(1a, 1b)의 간격이 증가할수록, 개별 캐비티의 구동에 필요한 전압이 증가하며, 이는 전원장치에 큰 부담이 될 뿐만 아니라 장치 내 미세 결함으로부터 불안정한 방전이 발생할 가능성이 높아져, 캐비티 간의 병렬구동 조건이 깨지기 쉽다. 따라서, 전극간 (1a, 1b)의 간격은 10mm 미만을 가지는 것이 좋다.

도 5는 마이크로 플라즈마 제트 어레이 구동 형태의 다양한 실시예들을 나타낸 것으로, 어레이의 구동방식를 명확히 나타내기 위하여 본 발명의 구성요소인 안전캡(4)은 도시하지 않았다. 그러나, 본 발명에 따른 안구 치료용 플라즈마 장치는 하기의 다양한 구동방식을 갖는 플라즈마 제트 어레이에 안전캡이 장착되어 완성된다.

방식 I은 전형적인 병렬구동 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 구동방식이다.

방식 II는 다양한 패턴의 메쉬(Mesh) 형 접지 전극(10)을 구비한다. 이를 치료하고자 하는 부위에 부착함으로써 플라즈마 제트의 분사 방향을 유도하거나, 제트 길이의 조절 및 과다한 에너지 전달을 막을 수 있다.

방식 III은 메쉬형 또는 다공성의 전도성 박막(11)을 구비한다. 이에 의해 전원과 연결하지 않고(electrically floating), 병렬 구동 및 플라즈마 제트의 형성 전압 또는 크기를 변화시킬 수 있다.

방식 IV는 마이크로 플라즈마 제트 어레이에서 유동 기체의 양을 줄이거나, 마이크로 캐비티의 직경 또는 간격을 줄임으로써, 높은 방향성을 갖는 대신 약한 플라즈마 제트들이 주변으로 분산된(diffusive jets) 형태의 플라즈마를 형성할 수 있다. 이러한 플라즈마는 비교적 낮은 전자나 이온 밀도, 플라즈마에 손상되기 쉬운 민감한 조직의 처리 및 치료에 유리하게 사용된다.

방식 V는 곡면 형태나 함몰된 부위의 치료에 적합한, 플랙서블(flexible) 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 실시예를 도시한 것이다. 어레이 본체를 수백 ㎛ 내지 cm 미만의 박막 형태로 제작한다. 곡면 부위의 처리를 위해 치료 부위 곡면에 맞추어 제작하거나, 유연성이 뛰어난 재료를 사용하여 치료하고자 하는 부위 표면을 균일하게 덮은 다음 구동할 수 있다.

본 발명의 안구 치료용 플라즈마 장치는 치료부위가 미세하거나 곡면 등 시술이 용이하지 않은 경우에도 사용이 가능하고, 특히 안구형태의 국부 면적 치료에 탁월한 효과를 나타낸다.

이하, 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 : 안구 치료용 플라즈마 장치 제작

극소화된 소자 내 전극삽입(embedded electrode) 방식으로 설계하여, 마이크로 공정을 통해 마이크로 플라즈마 제트 어레이를 제작하고, 상기 어레이의 하단에 실리콘 재질의 원통형 안전캡(직경:35mm, 길이:20mm)을 장착하여 도 1에 도시된 바와 같은 안구 치료용 플라즈마 장치를 제작하였다.

상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이에서 본체(2)는 실리콘 재질로 이루어지고, 상기 본체(2)의 두께(t)는 1cm, 면적(A)는 1500mm²이며, 어레이의 유효면적 S는 64mm² 이다. 상기 본체(2) 내에는 25개의 마이크로 캐비티(3)가 가로, 세로 각각 5개씩 배열(5×5)되어 있으며, 상기 마이크로 캐비티의 직경은 355㎛, 마이크로 캐비티(3) 간의 간격(g)은 1000㎛이다(도 4 참조).

상기 안전캡(4)는 상기 마이크로 캐비티(3)로부터 분사되는 플라즈마 제트(7)를 둘러싸도록 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 하단에 장착되며, 상기 안전캡(4)의 하단에는 고무링(5)이 구비되어 있다.

비교예

도 6에 도시된 바와 같은 단일채널을 통해 플라즈마 제트가 발생되는 펜슬형 플라즈마 장치를 준비하였다.

상기 실시예 및 비교예에 따른 안구 치료용 플라즈마 장치로 하기 실험을 시행하였다.

실험동물 준비

실험동물로서는 뉴질랜드 흰색 토끼를 Samtako (Osan, Korea)에서 구입하여 사용하였다. 본 동물 실험은 인제대학교 의과대학 (No. 2014-028)과 ARVO에 승인된 지침에 따라 수행되었다. 2.0 ~ 2.5kg 내외의 뉴질랜드 흰색 토끼는 케타민 하이드로클로라이드(30 mg/kg body weight, Huons, Jecheon, Korea) 및 자일라진 하이드로클로라이드(2.5 mg/kg, Bayer Korea Ltd., Seoul, Korea) 혼합물을 근육에 주사하여 전신 마취 후, 알카라인 프로프라카인 (Alcaine propracaine, Alcon Inc., Seoul, Korea) 점안액 을 이용하여 국소 마취하였다.

실험예 1 : 플라즈마 처리에 의한 각막조직 변화

정상 안구를 대상으로 저온 상압 plasma 처치 시 발생할 수 있는 각막의 손상여부를 판단하기 위해, 토끼 좌안과 우안 각각에 실시예 및 비교예의 플라즈마 장치를 이용하여 저온 상압 plasma를 3분간 3kv, 780 torr로 처치하였다. 처치 직후 토끼를 CO₂ 챔버(chamber)에서 안락사 시킨 다음, 안구를 적출하여 10% 포르말린으로 고정시키고 파라핀블록을 제작하였다.

포매된 조직을 6 μm으로 절편하고, 헤마톡실린 & 에오신 (H&E)을 사용하여 염색하였다. 구체적으로 H&E 염색법은 다음의 방법으로 진행하였다. 6 μm의 조직절편을 슬라이드에 부착시켜 1시간 건조시킨 다음 헤마톡실린(hematoxylin)으로 3분간 염색한 후 세척하였다. 이어서, HCl 용액에 반응시킨 후 세척한 뒤 에오신(eosin) 용액에 30초간 염색한 후, 재 세척하였다. 이어서, 80, 85, 90, 100% 에탄올에 각각 1분간 처리한 다음 카르보크실렌(carboxylene)과 크실렌(xylene)에 1분씩 반응시킨 후 봉입하여 가상 현미경(NanoZoomer 2.0 RS, Hamamatsu, Japan)을 이용하여 촬영하고, 각막 두께 분석을 수행하였다.

실시예 및 비교예의 플라즈마 장치를 이용한 저온 상압 플라즈마 처리 전(Pre-Tx) 후(Post-Tx)를 비교하여, 도 7에는 각막 조직변화를 촬영한 현미경 사진을 도시하였고, 도 8 및 도 9에 각막 및 상피층의 두께변화를 나타내는 그래프를 도시하였다. 또한, 상기 플라즈마 처리 전후의 각막 및 상피층의 두께, 두께 변화율을 하기의 표 1에 나타내었다.

		처리전(Pre-Tx) 두께	처리후(Post-Tx) 두께	두께변화율(%)
실시예	각막	787.25±29.64 μm	603.75±11.09 μm	- 23%
	상피층	54.33±1.95 μm	30.42±1.072 μm	- 44%
비교예	각막	753.25±32.17 μm	954.00±42.32 μm	+ 27&
	상피층	53.70±0.86 μm	0.00±0.00 μm	-100%

상기 표 1, 도 8 및 도9를 살펴보면, 비교예에 따른 플라즈마 장치(pencil type)를 이용한 경우, 저온 상압 plasma 처치 전과 후 각막의 두께는 약 27% 증가 하여 각막 부종을 유발하였고, 전체 상피층의 손실이 초래되었다. 반면, 실시예에 따라 제작된 플라즈마 장치를 이용한 경우, 저온 상압 plasma 처치 전과 후 각막 두께는 약 23%, 각막 상피층은 약 44% 감소되었음을 확인할 수 있다. 이상의 결과로부터 비교예의 플라즈마 장치에 비해 실시예의 플라즈마 장치를 이용한 경우, 저온 상압 plasma 처치가 각막 부종을 감소시키며 각막 치료용 의료기기로 활용 가능성이 높음을 확인할 수 있다. 이때, 상기 표 1, 도 8 및 도9에 표시되는 데이터는 SPSS version 18 program (Chicago, IL)을 이용하여 분석하여 평균±표준편차(n=4)로 표시하였으며, 각 군 간의 통계적 유의성은 일원배치분산분석(one-way ANOVA)으로 검증한 다음 P<0.05 수준에서 투키테스트(Turkey test)에 의해 사후 검정하였다.

실험예 2 : 진균 감염 각막에 대한 플라즈마의 치료 효과 (ⅰ)

먼저, 토끼의 우안은 진균 감염시키지 않고 정상군(vehicle)으로 사용하였다.

그리고, 각막 진균 감염 토끼 모델을 제작하기 위하여, 99% 에탄올을 적신 지름 10 mm의 여과지(filter paper)를 토끼 좌안 각막 중심부에 1분간 노출 시킨 후, 브러쉬를 이용하여 각막 상피층을 제거하였다. 이후 10% Candida albicans (ATCC, Manassas, VA, USA)을 안구 표면에 점안한 뒤, 5일간 경과를 관찰하였다. 상기 방법으로 제작된 각막 진균 감염 토끼를 대조군(control)과 실험군(plasma)으로 무작위 분배하였다. 대조군은 감염 각막에 아무런 처치를 하지 않았으며, 실험군은 실시예에 따라 제작된 플라즈마 장치를 이용하여 저온 상압 plasma를 3분간 3kv, 780 torr로 치료하였다.

상기 방법에 따라 준비된 정상군(진균 감염 없는 안구, vehicle), 대조군(진균 감염 5일 경과, control) 및 실험군(진균감염 5일 경과 후 플라즈마 처리, plasma) 안구에 대해 플라즈마 처리일(진균 감염 5일째 되는 날)을 기준으로 1, 3, 7일 및 14일 경과된 날의 안구를 현미경(SZX7, Olympus, Tokyo, Japan)으로 촬영하여 도 10에 도시하였고, 상기 경과일별 각막 혈관신생과 혼탁 정도를 비교하여 도 11 및 12에 그래프로 나타내었다.

각막 혈관신생 정도는 다음의 기준으로 평가하였다.

- 혈관신생이 나타나지 않은 경우 : 0점

- 각막 주변부의 혈관신생이 확인될 경우 : 1점

- 눈동자 가장자리까지 혈관신생이 확장된 경우 : 2점

- 눈동자 가장자리는 넘어 각막 중심까지 혈관신생이 확장된 경우 : 3점

(상당한 혼탁 및 광범위한 검구 유착이 형성되어 각막 혈관신생 정도를 평가하기 어려울 경우, 3점으로 평가함).

각막의 혼탁 정도는 다음의 기준에 따라 평가하였다.

- 홍채 부분이 선명하게 보이는 투명한 각막의 경우 : 0점

- 홍채 부분에 부분적인 혼탁이 확인될 경우 : 1점

- 눈동자 가장자리와 홍채 부분이 약하게 보일 때 : 2점

- 홍채 및 눈동자 부분이 완전히 혼탁화된 경우 : 3점

도 10 및 도 11을 참조하면, 정상군과 비교하여 대조군에서는 각막 윤부를 넘어 각막 중심까지 혈관신생이 확장되어 유의한 각막신생혈관 생성이 관찰되었으며, 이러한 각막 신생혈관은 실험 종료시인 처치 14일째까지 유지되었다(2.40±0.42). 그러나, 실험군(plasma 처치군)의 경우, 처치 3일째까지는 각막 중심부까지 자란 신생혈관(2.10±0.22)이 처치 7일째부터 대조군과 비교하여 유의적인 차이를 보이며 감소하였으며(1.50±0.50), 처치 14일째는 정상 수준만큼 회복되었다(0.30±0.27).

또한, 도 10및 도 12를 살펴보면, 대조군의 경우 실험 종료시까지 각막혼탁이 유지된 반면(2.50±0.35), 실험군의 경우 실험 종료 시 0.9±0.22로 대조군과 비교하여 유의한 각막 혼탁증 개선 효과를 나타내었다.

이때, 상기 도 11 및 도 12의 그래프에 표시되는 데이터는 SPSS version 18 program (Chicago, IL)을 이용하여 분석하여 평균±표준편차(n=5)로 표시하였으며, 각 군 간의 통계적 유의성은 일원배치분산분석(one-way ANOVA)으로 검증한 다음 P<0.05 수준에서 투키 테스트(Turkey test)에 의해 사후 검정하였다.

실험예 3 : 진균 감염 각막에 대한 플라즈마의 치료 효과 (ⅱ)

실험예 2에 따라 각막 혈관신생과 혼탁 정도 측정을 마친 토끼를 CO₂ 챔버(chamber)에서 안락사시킨 다음 안구를 적출하여 10% 포르말린으로 고정시키고 파라핀 블록을 제작하였다.

포매된 조직을 6 μm으로 절편하여 과요오드산 시프 시약(periodic acid-Schiff reagent; PAS)을 사용하여 염색하였다. 즉, 준비된 조직 슬라이드를 탈파라핀 과정과 함수 과정을 거친 뒤 수세한 후, 과요오드산(periodic acid)을 처리하여 다당류를 알데하이드(aldehyde)로 산화시켰다. 이어서, 10분간 수세한 후 시프시약(Schiff’s reagent)으로 처리하여 적자색으로 염색한 뒤 헤마톡실린으로 대조 염색을 진행하였다. 이후, 탈수과정과 투명과정을 거쳐 봉입한 슬라이드를 가상 현미경 (NanoZoomer 2.0 RS, Hamamatsu, Japan)을 이용하여 촬영하고, 쵤영된 각막 단면을 도 13에 도시하였다.

구체적으로, 도 13은 정상군(진균 감염 없는 안구), 대조군(진균 감염 5일 경과) 및 실험군(진균감염 5일 경과 후 플라즈마 처리) 안구에 대해 플라즈마 처리일(진균 감염 5일째 되는 날)을 기준으로 1, 3, 7일 및 14일 경과된 날의 각막 단면 변화를 비교하여 나타낸 것이다. 도 13을 살펴보면, 정상군과 비교하여 대조군의 각막은 상피층의 손상과 더불어 기질 부종이 두드러지게 관찰되었으며, 특히 기질 표면과 내부까지 균의 감염이 확인되었다. 그러나, 실험군의 경우, 처치 14일 째 기질 내부에 현저한 균 분포 감소와 기질 부종 억제 효과를 나타내었다.

실험예 4 : 면역 조직화학 분석

실험예 2에 따라 각막 혈관신생과 혼탁 정도 측정을 마친 토끼를 CO₂ 챔버(chamber)에서 안락사시킨 다음 안구를 적출하였다.

면역조직 분석을 위하여, 안구 조직을 6μm 두께의 절편으로 잘랐다. 상기 절편을 3.5% 파라포름알데히드로 고정하고, 0.1% 트리톤 X-100을 침투시킨 다음, 2% 소혈청 알부민(BSA; all from sigma)으로 불활성화시킨 후, 1차 항체로 항-VEGF, 항-TNF-α, 항-CD31 (1:1000; all from Abcam Inc, Cambridge, MA)와 항-MMP-9 (1:1000; Lifespan Biosciences Inc, Seattle, WA)를 상온에서 1시간 동안 반응시켰다. 그 후, 상기 절편을 2차 항체(DAKO Corp, Glostup, Denmark)로 20분 동안 반응시켰다. 이때, 면역 반응은 디아민벤지딘(DAB) 발색체로 가시화시켰고, 절편을 메이어스 헤마톡실린(Mayer’s hematoxylin, Sigma)으로 실온에서 30초 동안 대비 염색시켰다. 상기 절편의 이미지를 가상 현미경 (NanoZoomer 2.0 RS, Hamamatsu, Japan)으로 촬영하여 도 14 내지 도 17에 도시하였다.

도 14 내지 17은 정상군(진균 감염 없는 안구), 대조군(진균 감염 5일 경과) 및 실험군(진균감염 5일 경과 후 플라즈마 처리) 안구에 대해 플라즈마 처리일(진균 감염 5일째 되는 날)을 기준으로 1, 3, 7일 및 14일 경과된 날의 각막 내 VEGF, CD31, TNFα 및 MMP9 발현 정도를 각각 비교하여 나타낸 것이다. 상기 도 14 내지 17에서 각각 VEGF, CD31, TNFα 및 MMP9이 발현된 부분이 갈색으로 보여진다.

도 14 및 도 15를 살펴보면, 정상군과 비교하여 대조군의 각막 조직은 모든 실험기간 동안 각막 기질층 내부에 혈관생성 표지 인자(angiogenic marker)인 VEGF와 CD31이 두드러지게 발현되었음을 확인할 수 있다. 그러나, 실험군(plasma 처치군)의 각막 조직은 처치 14일째 대조군과 비교하여 현저한 VEGF 발현 감소를 나타내었으며, 이는 정상 안구와 유사한 수준으로 관찰되었다(도 14 참조). 그리고, CD31 역시, VEGF와 마찬가지로 대조군에서 유의하게 증가한 발현이 플라즈마 처치에 의해 감소되었으며, 특히 처치 7일과 14일째 두드러진 발현 억제를 나타내었다(도15 참조). 이상의 결과는 혈관신생 관련 인자들이 플라즈마 처치에 의해 감소됨을 입증해주고, 결과적으로 플라즈마 처치에 의해 각막 조직 내 신생혈관의 생성이 억제되었음을 확인할 수 있다.

도 16 및 도 17을 살펴보면, 정상군과 비교하여 진균 감염된 대조군의 각막 조직의 경우 각막 기질층 내 염증반응 표지 인자인 TNFα와 MMP9이 현저히 증가되었음을 확인할 수 있다. 그러나, 플라즈마 처치 3일째부터 대조군과 비교하여 기질층 내 TNFα의 발현이 감소되어 14일째 정상 조직 수준으로 TNFα가 억제되었음을 확인할 수 있다(도 16 참조). 또한, MMP9의 경우에는, 플라즈마 처치 14일 째 대조군과 비교하여 기질층 상부의 MMP9 발현이 두드러지게 감소됨을 확인할 수 있었다 (도 17 참조). 이로써 플라즈마 처치가 진균 감염에 의해 유도된 각막의 염증반응을 유의하게 억제시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 안전범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1a, 1b : 플라즈마 형성용 전극
2 : 본체
3 : 마이크로 캐비티
4 : 안전캡
5 : 탄성부재
6 : 가스 공급부
7 : 플라즈마 제트
8 : 안전캡의 내부공간
9 : 개구부
10 : 메쉬형 접지 전극
11 : 전도성 박막

Claims (15)

1. 마이크로 플라즈마 제트를 발생시키는 마이크로 플라즈마 제트 어레이를 포함하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치로서,
   상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 적어도 일부와 연결되며 내부공간을 구비하고 일측에 개구부가 형성되어 있는 안전캡을 포함하며,
   상기 안전캡의 내부공간으로 상기 마이크로 플라즈마 제트가 분사되고,
   상기 안전캡의 개구부는 의료대상과의 밀착이 이루어지는 부분으로서, 상기 개구부 둘레에 탄성부재가 구비된 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 안전캡은 상기 마이크로 플라즈마 제트가 상기 안전캡의 내부공간에서 외부로 분산되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 안전캡의 상단은 상기 플라즈마 제트 어레이의 하측(플라즈마 제트가 분사되는 방향)에 연결되며, 상기 안전캡의 하측에 상기 개구부가 형성되는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 안전캡은 실리콘, 플라스틱, 세라믹 및 유리로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 탄성부재는 고무, 실리콘 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 복합소재인 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 개구부의 횡단면은 플라즈마 제트 분사방향과 직각이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이는,
   플라즈마 제트를 형성시키는 전극 및 플라즈마 제트가 형성되는 공간인 마이크로 캐비티가 배열된 본체; 및
   상기 본체에 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이의 본체는 실리콘, 플라스틱, 세라믹 및 유리로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 본체에는 상기 마이크로 캐비티 복수개가 배열되는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
11. 제8항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티의 직경은 1 ㎛ 내지 2 mm 인 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
12. 제8항에 있어서,
    상기 가스 공급부는 0.1 SLM 내지 10 SLM 범위의 유동속도로 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
13. 제8항에 있어서,
    상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이는 상압 및 상온에서 병렬 구동하는 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 마이크로 플라즈마 제트 어레이는 교류 또는 펄스형 직류에 의해 구동하는 것을 특징으로 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
15. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 플라즈마 제트의 길이는 0.5 mm 내지 1 cm 인 것을 특징으로 하는 안구 치료용 마이크로 플라즈마 장치.
    

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