KR101833300B1 - 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체 신체 모사 시스템 칩 위에서 구동이 가능한 마이크로로봇 펌프에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩은 생체 장기 모델을 구성하는 마이크로 장기를 연결하는 네트워크 및 외부 자기장을 통해 구동되어 네트워크 내의 유체 흐름을 제어하는 마이크로로봇 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩{HUMAN ON A CHIP USING MICOROBOT PUMP}

본 발명은 인체 신체 모사 시스템 칩 위에서 구동이 가능한 마이크로로봇 펌프에 관한 것이다.

인체 신체 모사 시스템 칩은 세포 배양 및 미세 유체 기술을 적용하여 실제 인간의 몸에 최대한 가까운 체외 시스템을 작은 칩 상에서 구현하는 것이다.

이러한 종래 기술에 따른 인체 신체 모사 시스템 칩은 시스템 내부에서의 유체 속도 및 변화 등 다양한 환경을 구현하기 위하여 외부 펌프를 사용하고 있는데, 이러한 외부 펌프는 전체 시스템에 한 방향으로만 유체를 흐르게 하는 한계점이 있어, 자유로운 유체 제어가 불가능한 문제점이 있다.

이러한 문제점을 보완하기 위하여 시스템 내에 공기압 및 물리적 압력 등으로 제어되는 밸브들을 설치하는 방안이 제안되었으나, 이러한 방안은 시스템 구조를 복잡하게 만들고 재현성 또한 떨어지게 만드는 문제점을 내포하고 있다.

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 인체 신체 모사 시스템의 네트워크 내에 마이크로로봇 펌프를 배치함으로써, 외부 자기장 인가에 의하여 선택적이고 자유로운 유체 제어를 구현함으로써, 특정 신체 장기들 간의 상호 작용 및 시스템 내에서의 각기 다른 유체 속도 및 변화 등과 같은 역동적인 환경 구현을 가능하게 하는 마이크로로봇 펌프를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 일면에 따른 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩은 생체 장기 모델을 구성하는 마이크로 장기를 연결하는 네트워크 및 외부 자기장을 통해 구동되어 네트워크 내의 유체 흐름을 제어하는 마이크로로봇 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩은 네트워크 내에 마이크로로봇 펌프를 구비하여 이를 통해 유체 속도 및 방향 변화를 제어함으로써, 외부 펌프, 공기압 및 물리적 압력으로 제어되는 밸브 등을 구비하지 아니하고도 선택적이고 자유로운 유체 제어를 수행하는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따르면 자기장 코일 시스템으로부터 인가되는 외부 자기장을 이용하여 마이크로로봇 펌프의 회전 속도 및 방향을 변화시킴으로써, 인간 신체 모사 시스템 침의 네트워크 내의 유체 속도 및 방향을 선택적으로 제어하고, 마이크로 장기의 특징 또는 마이크로 장기의 생리적인 상태 변화에 맞게 유체 흐름을 모사하는 것이 가능하여, 실제 동물 및 인간의 모델과 근접한 기능으로 유동 제어를 수행하는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩을 나타내는 도면이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 당업자의 이해를 돕기 위하여 종래 기술의 문제점에 대하여 살펴보기로 한다.

인간 신체 모사 칩(Human-on-a chip 또는 Body-on-a chip)은 미세유체(Microfluidics) 기술 및 세포 배양 기술을 이용하여, 작은 미세유체 칩에 인간의 장기를 미니어쳐 형태로 재현한 것으로, 화학물질 및 의약품 등의 신체 내 생리적 반응을 정밀하게 예측하는 것이 가능한 기술로서, 나아가서는 동물 실험을 대체할 수 있는 기술로 평가받고 있다.

그런데, 종래 기술에 따른 인간 신체 모사 칩은 시스템 내에서의 각기 다른 유체의 속도 변화 등의 역동적인 환경을 제대로 구현하고 있지 못한 문제점이 있으며, 외부 펌프를 사용하여 전체 시스템에 한 방향으로만 유체를 흐르도록 하는 것이 가능한 한계가 있다.

또한, 이러한 문제점을 보완하기 위하여 제안되는 밸브(공기압 및 물리적 압력 등으로 제어됨)의 구성은 전체 시스템 구조를 복잡하게 만들며, 인간 신체의 생리적 작용에 대한 재현성을 떨어뜨리게 되는 또 다른 문제점을 내포하고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩을 나타내는 도면으로, 도 1의 (a) 및 (c)는 본 발명의 마이크로로봇 펌프(100a, 100b)의 구동을 나타내는 예시도이다.

도 1의 (b)는 이러한 마이크로로봇(100)을 네트워크(300) 내에 포함하는 인간 신체 모사 칩(10)의 전체 구성을 간략히 나타내는 도면으로, 마이크로 장기(종양 200a, 간 200b, 뇌 200c, 심장 200d) 및 자기장 코일 시스템(400)을 도시한다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩은 생체 장기 모델을 구성하는 마이크로 장기(200)를 연결하는 네트워크(300) 및 자기장 코일 시스템(400)을 통해 인가되는 외부 자기장을 통해 구동되어 네트워크(300) 내의 유체 흐름을 제어하는 마이크로로봇 펌프(100)를 포함하여 구성된다.

마이크로로봇 펌프(100)는 그 대표적인 형상으로서, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이 나사선(Screw) 형태로 구비되거나, 바람개비(Windmill) 형태로 구비되는 것이 가능하다.

본 발명의 실시예에서 도시하는 바람개비 형태는 그 날개의 모양이 사각형 형상인 것을 예를 들어 도시한 것이나, 프로펠러 모양 등 다른 형상으로 구비되는 것 역시 가능하다.

마이크로로봇 펌프(100)는 자성 재료(Fe₂O₃, Fe₃O₄ 등)에 의하여 형성되거나 코팅되는데, 이러한 자성 재료는 일정 세기의 자성을 띠며, 부식성이 크지 않은 금속으로 구비된다.

그 예로서 전술한 재료 외에 니켈, 산화철, 코발트 또는 네오디뮴 등의 단독 또는 혼합 형태인 것이 가능하며, 마이크로로봇 펌프(100)의 외면 전체 또는 일부에 코팅되는 것 역시 가능하다.

또한, 마이크로로봇 펌프(100)는 그 외면이 생체적합성 재료인 보호층에 의하여 코팅되는 것이 바람직하다.

이러한 생체 적합성 재료는 예를 들어 티타늄, 의료용 스테인리스 스틸, 알루미나 또는 금 등의 단독 또는 혼합 형태가 될 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로로봇 펌프(100)는 그를 구성하는 자성 재료 및 자기장 코일 시스템(400)으로부터 인가되는 외부 자기장에 의하여 구동되며, 외부 자기장의 크기 또는 방향에 따라 회전 속도 또는 회전 방향이 변화되어, 네트워크(300) 내의 유체의 속도 또는 방향을 제어하게 된다.

이러한 마이크로로봇 펌프(100)는 네트워크(300)를 구성하는 마이크로 채널 벽면에 고정되는데, 도 2(b)는 그 일례로서 종양(200a) 및 간(200b) 사이의 마이크로 채널 벽면의 기설정 위치에 고정 배치되어 제2자기장 코일 시스템(400b)에 의하여 구동되는 나사산 형태의 마이크로로봇 펌프(100a) 및 종양(200a) 및 심장(200d) 사이의 마이크로 채널 벽면의 기설정 위치에 고정 배치되어 제1 자기장 코일 시스템(400a)에 의하여 구동되는 바람개비 형태의 마이크로로봇 펌프(100b)의 구성을 도시한다.

나사산 형태의 마이크로로봇 펌프(100a) 및 바람개비 형태의 마이크로로봇 펌프(100b)는 기설정된 구조 및 재료학적 스펙에 따라 나사산 또는 바람개비 날개의 길이, 높이, 각도 및 자화 정도에 따라 형성된다.

따라서, 마이크로로봇 펌프(100)는 목표한 바에 따라 인간 신체 모사 시스템 칩(10)의 네트워크(300) 내에서 유체 흐름을 다양하게 제어하는 것이 가능하다.

도 1의 (a) 및 (c)에서 점선 화살표는 유체(Fluid)의 흐름 방향을, 실선 화살표는 외부 자기장의 방향을 개략적으로 도시하고 있는데, 전술한 바와 같이 제1 및 제2 자기장 코일 시스템(400)에 의한 외부 자기장 인가에 따라 마이크로로봇 펌프(100)의 회전 방향 또는 회전 속도가 변경된다.

이를 통해 복잡한 구성의 외부 펌프 또는 밸브의 구성을 구비하지 아니하고도 인간 신체 모사 시스템 칩(10)의 네트워크(300)인 마이크로 채널 내에서의 다양한 유체 흐름 및 생리작용의 구현을 모사하는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로로봇 펌프(100)는 근접한 마이크로 장기의 특성과 관련한 설정값에 따라 유체의 구현 속도를 고려하여 그 회전 속도가 결정된다.

예를 들어 실제로 유체 이동 속도가 현저히 낮은 뇌 마이크로 장기(200c) 부분에서는 마이크로로봇 펌프(100)의 회전 속도가 느리게 제어되어 낮은 유동 속도를 유지하고, 그 외 다른 마이크로 장기 모델들에게는 상대적으로 빠른 마이크로로봇 펌프(100)의 회전 속도 및 유동 속도를 유지하는 것이 가능하다.

또한, 마이크로로봇 펌프(100)의 회전 속도는 마이크로 장기의 상태 모니터링 결과에 따라 가변시켜 유체 속도에 반영함이 가능한데, 예를 들어 심장 모델(200d)의 심박수가 낮아지면 마이크로로봇 펌프(100)의 회전 속도를 느리게 제어하며, 심박수가 빨라지면 마이크로로봇 펌프(100)의 회전 속도를 상대적으로 빠르게 제어함으로써, 실제 신체 내에서의 심장 상태에 따른 혈류량 속도 변화와 같은 생리 작용을 모사한다.

본 발명에 따르면 심장 박동과 같은 생리적인 작용을 별도의 영상 장치를 통해 탐지함으로써, 자기장 코일 시스템(400)에 의하여 인가되는 외부 자기장으로 구동되는 마이크로로봇 펌프(100)의 회전 속도를 피드백 제어하는 것이 가능하므로, 실제 동물 및 인간의 모델과 근접한 기능으로 구현하는 것이 가능한 효과가 있다.

이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 마이크로로봇 펌프 200: 마이크로 장기
300: 네트워크 400: 자기장 코일 시스템

Claims (8)

1. 생체 장기 모델을 구성하는 마이크로 장기를 연결하는 네트워크; 및
   자기장 코일 시스템에 의하여 외부 자기장을 통해 구동되어, 근접한 상기 마이크로 장기의 고유 특성과 관련한 설정 값에 따라 상기 네트워크 내의 유체의 유속을 고려하여 그 회전 속도가 결정되고, 상기 마이크로 장기의 생리 작용을 탐지한 상태 모니터링 결과에 따라 변화되는 외부 자기장에 의해 구동되어 회전 속도 또는 회전 방향이 가변되어, 생리적 상태 변화에 따른 유체 흐름을 모사하며 상기 네트워크 내의 유체 흐름 방향 및 속도를 제어하여, 실제 신체 내에서의 장기 상태에 따른 혈류량 속도 변화와 같은 생리 작용을 모사하도록 피드백 제어되는 마이크로로봇 펌프
   를 포함하는 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로로봇 펌프는 나사선 형상, 바람개비 형상 및 프로펠러 중 어느 하나로 형성되어, 외부 자기장에 따른 유속 변화를 발생시키는 것
   인 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로로봇 펌프는 상기 네트워크를 구성하는 마이크로 채널 벽면에 고정되어 상기 유체의 흐름을 제어하는 것
   인 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로로봇 펌프는 그 일부 또는 전체가 자성 재료에 의하여 코팅 또는 합성되는 것
   인 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로로봇 펌프는 기설정된 나사산, 바람개비 또는 프로펠러 날개의 길이, 높이, 각도 및 자화 정도에 따라 형성되는 것
   인 마이크로로봇 펌프를 이용하는 인간 신체 모사 칩.
   
7. 삭제
8. 삭제

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