KR101956701B1 - 무선구동 스마트 콘택트렌즈 - Google Patents

무선구동 스마트 콘택트렌즈 Download PDF

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KR101956701B1
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Abstract

본 발명은 마이크로 LED를 사용하여 질환을 진단 및 치료하는 무선 구동 스마트 콘택트렌즈에 관한 것이다.

Description

무선구동 스마트 콘택트렌즈{Smart Remotely Controlled Contact Lens}
본 발명은 질환 진단 및 치료를 위한 무선 구동 스마트 콘택트렌즈의 개발에 관한 것이다.
스마트 디바이스들을 작고 가볍게 만들어 몸에 장착하고 편리성을 향상시킨 스마트 웨어러블 디바이스(Smart wearable device)들에 관한 연구가 매우 활발하다. 이러한 스마트 웨어러블 디바이스를 본격적으로 연구하여 혁신적인 제품들을 출시하고자 하는 대표적인 회사로는 삼성전자, 애플, 구글, 나이키 또는 아디다스 등의 다양한 기업들이 있다.
구글에서는 구글 글래스 2.0(Google Glass 2.0)에 이어 최근 스마트 콘택트렌즈 개발을 통해 새로운 주목을 받고 있다. 이렇게 세계의 수많은 연구 기업들은 e-health 시스템의 발전과 발맞춰 인간의 질병을 진단하고 치료하기 위해 다양한 전자기기를 개발하고 있다. 또한, 보다 편리하게 질병을 치료하고 주사와 규칙적인 약물 복용을 최소화 하기 위해, 간편하게 스마트폰을 이용하여 약물전달 시스템을 조절할 수 있는 진단시스템을 개발하였다.
안구의 질환을 치료하기 위에 눈으로 약을 투여하는 방법으로는 안약, 안 내 주사 그리고 수술을 통한 약물 삽입이 있다. 그러나 안약의 경우 눈물에 의해 씻김 현상으로 실제 안구 내로 들어갈 수 있는 약의 양에 한계가 있으며, 효율이 매우 낮다. 안 내 주사의 경우 효율이 좋으나 고통이 동반된다. 수술을 통해 약물을 삽입하는 경우는 다양한 부작용이 생기므로 이를 최소화 하기 위한 약물전달 시스템이 필요하다.
한편, LED(Light emitting material)의 개발과 LED 구조의 발전에 따라 다양한 파장대에서 높은 효율을 가지는 LED의 개발이 가능해졌다. 또한, 투명 전극을 활용한 LED 뿐만 아니라, flexible 소재를 이용하여 만든 flexible LED등 LED의 활용방법이 다양해졌다.
삭제
1. 일본 공표특허공보 특표2013-518672호(2013.05.23.)
본 발명은 마이크로 LED를 통해 질환을 진단 및 치료하하는 무선 구동 스마트 콘택트렌즈를 개발하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 마이크로 LED를 포함하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈에 관한 것이다.
본 발명에서는 콘택트렌즈 내의 마이크로 LED를 이용하여 질환의 진단 및 치료가 가능하다.
또한, 포토디텍터를 통해 빛 파장에 따른 신호로 콘택트렌즈 내 약물저장소로부터 약물 방출을 조절하여 다양한 질환의 치료가 가능하다. 안구 내에 삽입 가능한 소형 약물저장소는 전기적으로 조절이 가능하여 원하는 때 약물 방출이 가능하기 때문에 다양한 질환 치료를 위해 적용될 수 있다. 포토디텍터는 또한 치료된 타겟 세포에서 반사되는 빛을 통해 실시간으로 치료효과를 감지 할 수 있기 때문에, 환자의 질병 진행상태를 쉽고 빠르게 확인할 수 있다.
또한, 콘택트렌즈에 단파장의 LED를 집적하여 지속적으로 조사하는 치료법을 통해, 수면 중이나 휴대하면서도 쉽게 치료가 가능하고, 레이저가 주변 세포에 쉽게 손상을 가할 수 있는 단점을 해결할 수 있다.
종래 콘택트렌즈는 외부에서 파워를 무선으로 공급받아 콘택트렌즈를 구동하였으나, 본 발명에서는 배터리를 사용하여 외부에서 전력을 공급받지 않고 동작 가능한 스마트 콘택트렌즈를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 무선 데이터 전송을 하지 않고 렌즈 내의 센서에서 감지한 데이터를 분석하여 약물 방출을 조절함으로써 전력 소모를 현저히 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 스마트 콘택트렌즈의 전체 모식도이다.
도 2 내지 4는 LED를 포함하는 예시적인 스마트 콘택트렌즈의 모식도이다.
구체적으로, 도 2는 LED 광원을 이용하여 시각계 질환을 진단하기 위한 스마트 콘텍트렌즈의 모식도이고, 도 3은 LED 광원을 이용하여 망막 색소 변성증 치료하기 위한 스마트 콘텍트렌즈의 모식도이며, 도 4는 LED 광원 및 약물전달 시스템을 이용하여 황반변성을 치료하기 위한 스마트 콘택트렌즈의 모식도이다.
도 5는 스마트 콘택트렌즈 내 약물방출 시스템의 모식도이다.
도 6는 치료용 세포를 안방수에 주입하여 스마트 렌즈를 통해 세포를 실시간 모니터링 하는 시스템의 모식도이다.
본 발명은 마이크로 LED를 포함하는 질환 진단 및 치료용 스마트 무선 구동 콘택트렌즈에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 무선 구동 콘택트렌즈를 구체적으로 설명한다.
본 발명에서 질환의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 전신질환 또는 안질환(안과 질환)일 수 있다. 상기 전신질환은 당뇨병 또는 우울증일 수 있고, 안질환은 상승된 안압, 녹내장, 포도막염, 망막 정맥 폐색, 황반변성, 당뇨망막병증, 각종 형태의 황반부종, 수술후 염증, 알레르기성 결막염과 같은 안검 및 안구 결막, 각막 및 전방 안구의 염증성 질환, 안구 주사, 건성안, 안검염, 망막 박리, 우울증, 안구건조증, 망막색소증, 마이봄선 기능장애, 표층 점상 각막염, 대상포진성 각막염, 홍채염, 모양체염, 선택적인 전염성 결막염, 화학, 방사선 또는 열화상으로부터의 각막의 상처, 이물질의 침입 또는 알레르기 질환일 수 있다.
본 발명에 따른 무선 구동 스마트 콘택트렌즈는 마이크로 LED를 포함한다.
상기 마이크로 LED는 당업계에서 사용되는 제품을 사용할 수 있으며, 직접 제작하여 사용할 수 있다. 일반적으로 마이크로 LED는 기판 위에 에피텍셜(epitaxial) 층을 가질 수 있다. LED용 기판으로는 flexible plastic substrates polyester(PET), polyimide(PI), polyethylene naphthalate(PEN), polyetherimide(PEI), along with various fluropolymers(FEP) 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
일 구체예에서, 20 내지 50 um 또는 25 내지 40 um의 유연한 Polyethylene terephthalate(PET) 기판 위에 PEO를 도핑 하여 효율이 높고 안구에 안정적인 파워를 가지는 마이크로 LED를 제작할 수 있다.
상기 마이크로 LED는 스마트 콘택트렌즈 내에서 다양한 역할을 수행할 수 있으며, 구체적으로 진단 또는 치료의 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 LED는 진단용으로 사용될 수 있으며, 상기 마이크로 LED는 질병 마커에 빛을 조사하여 질병을 진단하거나 질병의 치료 유무를 판단할 수 있다.
상기와 같은 진단용으로의 사용시, 스마트 콘택트렌즈는 마이크로 LED와 함께 포토디텍터(photodetector)를 포함할 수 있다. 마이크로 LED는 질병 마커에 빛을 조사하고, 포토디텍터는 반사되는 빛을 디텍팅하며 이를 분석하여 질병, 즉 질환을 진단하거나 질환의 치료 유무를 판단할 수 있다.
마이크로 LED는 NIR(near infrared Spectroscopy) LED일 수 있다. 본 발명에서 NIR LED를 사용할 경우, 포토디텍터로 IR 디텍터를 사용할 수 있다. 상기 IR 디텍터는 포토디텍터의 한 종류로서 파장이 긴 IR 빛의 디텍팅에 용이하다.
안구 내부의 산소포화도의 측정은 Retinal hyposia, gluacoma, perfusion 등의 질병을 조기 검진할 수 있으며, 이는 헤모글로빈의 산소포화에 따른 흡광도 차이를 이용하여 구분할 수 있다. 특히 660 nm, 940 nm 대의 파장대에서 차이를 보이므로 두 파장대의 산소포화도를 측정하여 안구 질병을 조기진단 할 수 있다.
예를 들면, NIR LED를 이용하여 당화수치 측정을 통해 당뇨를 진단하거나, 산소측정(oximetry) 기반의 산소포화도 측정을 통해 시각 질환을 진단할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 눈을 감았을 때 접촉되는 눈꺼풀의 미세혈관 내에 존재하는 헤모글로빈의 당 포화도를 측정하여 체액이 아닌 혈액 속에 있는 당의 농도를 실시간으로 분석할 수 있다. LED 광원을 망막 또는 눈꺼풀에 있는 혈관에 쬐어주면 혈관 내에 있는 질병마커의 농도에 따라 LED 광량 흡수 정도에 차이를 가지게 된다. 포토디텍터는 반사되어 돌아오는 빛의 양을 측정하여 질병마커의 양을 분석하고 이를 통해 질병의 유무를 판별할 수 있다. 즉, 마이크로 LED를 통해 660 및 940 nm 파장대의 빛을 조사하고, 포토디텍터는 눈꺼풀 미세혈관 내 헤모글로빈의 산소포화도에 따른 흡광도 차이를 검출하여 산소포화도를 측정할 수 있다.
다른 예로, 포토디텍터는 혈중 당화 헤모글로빈 및 산소 헤모글로빈의 파장에 따른 광도의 차이를 측정하고, 혈중 당 농도, 산소 분압 및 산소 포화도를 분석하여 질병의 유무를 판단할 수 있다. 상기 혈관 내 당 농도를 분석하여 당뇨병을 진단할 수 있으며, 안구 산소 농도에 직접적인 관련이 있는 황반변성, 녹내장 및 백내장 등을 진단할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 무선으로 로우 데이터(row data)를 송신하고, 진단 결과를 바로 확인할 수 있는 무선 송신 시스템을 이용하여 포토디텍터의 분석 결과를 외부로 송신할 수 있다.
본 발명의 마이크로 LED 및 포토디텍터는 포토리소그래피 공정 기술 및 전사공정을 통하여 상기 GaAs IR LED 및 포토디텍터를 제작할 수 있다. 또한, monolithic assembly를 통하여 Oximetry 기반의 산소포화도 측정 진단 시스템 제공할 수 있다. 마이크로 LED 및 포토디텍터는 공정 시 밴드갭의 조절을 통하여 그 파장대를 조절할 수 있으며, 궁극적으로 660 nm 및 940 nm 파장대의 조사 및 검출을 통하여 산소 포화도 및 그에 수반하는 시각 질환 진단을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 LED는 센서를 통해 감지된 질병 마커의 존재 유무 또는 농도를 표현하기 위한 용도로 사용할 수 있다. 상기와 같은 경우, 스마트 콘택트렌즈는 마이크로 LED와 함께 센서 및 포토디텍터(photodetector)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 센서는 질병 마커를 감지하고, 마이크로 LED는 상기 질병 마커의 유무 또는 질병 마커의 농도를 빛으로 표현하며, 포토디텍터는 상기 LED의 빛을 디텍팅하고, 이를 분석하여 질병을 진단하거나, 질병의 치료 유무를 판단할 수 있다.
종래 기술에서는 센서의 진단 내용을 무선 커뮤니케이션을 이용하여 외부로 송신하였으나, 상기 방법은 많은 에너지를 소모하였다. 본 발명에서는 LED의 빛을 이용하여 포토디텍터가 이를 분석하게 하거나, 또는 질병마커의 수치에 따라 색을 바꾸어 진단 결과를 콘택트렌즈 외부로 보내어 질병의 유무를 외부에서 판단하게 할 수 있다. 즉, 센서 알람의 기능을 수행할 수 있다.
상기 센서는 눈 내의 질병 마커를 감지할 수 있는 센서라면 특별히 제한되지 않으며, 당 센서, 압력 센서 등을 사용할 수 있다. 또한, 질병 마커는 일산화질소, 혈관표피성장인자(VEGF), 표피생장인자(EGF), 포도당 락토오즈, 수분함유량, FAD(flavin adenine dinucle), BSA(Bandeiraea simplicifolia agglutinin), 과산화수소, 산소, 아스코르브산염(ascorbate), 리소자임(lysozyme), 철분, 락토페린(lactoferrin), 인지질(phospholipid), 삼투압 및 안압 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
일 구체예에서, 당 센서를 사용할 경우 상기 당 센서는 당 농도를 진단하고, 그 내용을 IC 칩에서 판단하며, 마이크로 LED에서는 당 농도를 색으로 표현할 수 있다. 포토디텍터는 LED의 색의 파장을 분석하여 질병을 진단하거나, 질병의 치료 유무를 판단할 수 있다.
마이크로 LED는 청색광 LED 또는 NIR LED일 수 있다.
또한 일 구체예에서, 포토디텍터는 마이크로 LED를 통해 질환 부위에 빛을 조사하고 치료를 한 뒤 반사되는 빛을 디텍팅하여 치료 효과를 실시간으로 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 스마트 콘택트렌즈는 약물저장소를 추가로 포함할 수 있다. 상기 약물저장소는 포토디텍터와 연결되어, 포토디텍터에서 질병의 진단시 약물저장소가 오픈될 수 있다. 구체적으로, 포토디텍터를 통하여 외부의 빛 파장에 따른 여러 신호를 통해 렌즈 내 장착된 약물전달소로부터 약물 방출을 조절할 수 있다.
본 발명에서 약물저장소는 약물 웰에 형성될 수 있는데, 상기 약물 웰은 안구에 접촉하는 스마트 콘택트렌즈의 내측면에 외측을 향해 인입된 형태를 가지며, 상기 약물 웰은 전극 패턴에 의해 밀봉될 수 있다.
상기 약물저장소는 약물; 또는 약물을 방출할 수 있는 약물 전달체 및 약물 방출 제어 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에서 약물저장소는 한국공개특허 제10-2016-0127322호에 기재된 약물저장소를 사용할 수 있다.
또한, 약물저장소는 하기 제조 방법에 의해 제조한 것을 사용할 수 있다. 상기 방법을 통해 제조 방법을 간소화하며, 제조 비용을 절감할 수 있다.
(a) 약물 저장 몰드를 제조하는 단계;
(b) 약물을 몰드에 로딩하는 단계;
(c) 친수성 고분자 필름 상에 전극이 증착된 필름을 몰드 상에 부착하는 단계; 및
(d) 패시베이션(passivation) 단계
상기 단계 (a)에서 몰드는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 몰드일 수 있으며, 금형 틀을 이용하여 제조할 수 있다. 상기 몰드의 크기는 저장되는 약물의 함량 및 렌즈의 크기 등에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 복수개의 약물 저장 웰을 가질 수 있다.
단계 (c)에서는 친수성 고분자 필름 상에 전극을 증착시킨 후, 몰드 상에 부착한다. 이때, 친수성 고분자의 종류는 물에 용해되는한 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 폴리비닐알코올(PVA)을 사용할 수 있다. 전극, 즉 양극 및 음극은 Ti 및 Au로 패터닝하여 제조할 수 있다.
단계 (d)에서는 절연 및 방수를 위해 몰드를 패시베이션한다. 상기 패시베이션으로는 SiO2 패시베이션을 이용하여, 당업계의 방법에 따라 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 LED는 전술한 질환의 진단 외에 질환의 치료에 사용될 수 있다.
상기 마이크로 LED는 질환 부위에 광을 조사하여 질환을 치료할 수 있다.
본 발명에서는 스마트 콘택트렌즈에 질환 치료를 위한 광 치료 시스템을 도입하고, 다 파장 체내 빛 전달을 매개하는 LED 제조용 생체 적합성 나노소재를 개발함으로써 수술을 통한 침습적인 방법을 탈피하고 원하는 부위의 신경 세포를 정밀하게 조절하여 기존의 치료 기술들이 가지는 부작용을 극복할 수 있다. 구체적으로, 다 파장 체내 빛 전달 매개 소재를 이용한 비 침습적 광 치료는 단일 세포 단위의 처리가 가능하므로, 기존의 질환의 치료를 위해 수행되고 있는 약물 치료가 가지는 무작위적 부작용 발현의 위험성을 보완할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술은 약물 치료의 대체 기술로 다양하게 타진되어 왔던 침습적인 프로브(probe)를 이식하는 DBS 치료법 혹은 체내에 가시광선을 전달하기 위해 광 섬유를 타겟 신경 질환 부위에 수술적으로 이식하는 현재의 광 치료 시스템과 비교하여, 임상 적용 및 다양한 활용 가능성이 높고 출혈 및 감염 확률을 현저히 낮출 수 있으며, 빛을 이용하여 효과적이고 선택적으로 질환 치료에 적용 할 수 있어 차세대 신경 질환 치료 시스템의 원천 기술을 확보 할 수 있다.
본 발명에서는 스마트 콘택트렌즈 속의 마이크로 LED로부터 망막으로 빛을 쬐어 질환을 치료할 수 있으며, 이러한 질환은 전신질환 또는 안질환일 수 있다. 상기 전신질환은 당뇨병 또는 우울증일 수 있고, 안질환은 상승된 안압, 녹내장, 포도막염, 망막 정맥 폐색, 황반변성, 당뇨망막병증, 각종 형태의 황반부종, 수술후 염증, 알레르기성 결막염과 같은 안검 및 안구 결막, 각막 및 전방 안구의 염증성 질환, 안구 주사, 건성안, 안검염, 망막 박리, 우울증, 안구건조증, 망막색소증, 마이봄선 기능장애, 표층 점상 각막염, 대상포진성 각막염, 홍채염, 모양체염, 선택적인 전염성 결막염, 화학, 방사선 또는 열화상으로부터의 각막의 상처, 이물질의 침입 또는 알레르기일 수 있다.
스마트 콘택트렌즈는 각각의 질환 치료를 위한 특정 파장의 빛을 방출하는 LED를 포함할 수 있으며, 상기 LED는 청색광 LED 또는 NIR LED일 수 있다.
일 구체예에서, 마이크로 LED는 노인성 황반변성증(Age-related Macular Degeneration, AMD)의 치료용으로 사용할 수 있다. 상기 AMD를 발생시키는 요인 중 하나로 A2E Lipofuscin Fluorophore이 있다. Retinal pigmented epithelium cell에 쌓인 A2E Lipofuscin Fluorophore는 aging 과 망막 장애(retinal disorder)의 요인이 된다. 이러한 A2E Lipofuscin Fluorophore는 blue light(420nm)에 의하여 손상을 입게 된다. 따라서 스마트 콘택트렌즈에 blue LED(light emitting diode)를 장착한다면, AMD 치료에 효과가 있을 것으로 예상이 된다.
이를 위해 본 발명에서는 황반에 적용 가능한 420 nm에서 600 nm 파장대의 blue light를 내는 Merck blue(Poly(9,9-di-n- octylfluorenyl-2,7-diyl), PFO) 재료를 이용하여 AMD 치료용 LED를 제작할 수 있다. 또는 NIR LED를 사용할 수 있다.
일 구체예에서, 스마트 콘택트렌즈에 청색광 LED를 집적시켜, 시각계 질환 광치료 시스템을 제공할 수 있다. 현재, 청색광을 이용한 계절성 우울증, 생체 리듬을 극복하기 위한 연구가 많이 진행되고 있는데, 스마트 콘택트렌즈를 이용해 청색광을 조사할 경우 눈을 통한 빛 전달 효율이 높고, 환자가 눈을 감은 상태에서도 청색광을 전달할 수 있기 때문에 환자의 편이성을 개선하면서 치료 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한 일 구체예에서, 청색광 LED로 망막 시신경을 일정한 시간 간격으로 반복적으로 자극하여 시신경을 복원시켜 망막색소증(retinitis pigmentosa)을 치료할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로 LED는 약물저장소와 연계하여 질환을 치료할 수 있다.
일 구체예에서, 마이크로 LED와 약물저장소를 연계하여 황반변성증을 치료할 수 있다. 이 경우, 빛에 반응하여 활성산소를 만들어내는 광감응제를 이용할 수 있는데, 포토디텍터에서의 지시에 의해 약물전달 시스템에서 광감응제가 방출되어 망막 혈관에 전달되면, 마이크로 LED의 광을 이용하여 활성산소를 만들어내어 이를 황반변성증의 치료에 사용할 수 있다. 상기 광감응제에 의해 활성 산소의 생성 효율이 증가하며, 황반에 생기는 신행혈관 생성 질환의 치료에 사용할 수 있다. 이러한 광감응제로는 임상에서 사용되는 비쥬다인이나 2차원의 신 재료로 알려진 흑린(block phosphorus)를 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 스마트 콘택트렌즈를 착용한 상태에서 주변 정상 혈관에 손상이 일어나지 않을 정도의 소량의 활성산소가 발생되도록 on-off 시스템으로 제조할 수 있다.
상기 마이크로 LED 및 약물저장소의 연계 치료는 황반변성증 뿐만 아니라, 당뇨망막병증 또는 맥락막 신생혈관질환 등의 다양한 질환에 응용될 수 있다.
본 발명에 따른 스마트 콘택트렌즈는 두께가 50 ㎛ 이하이며, 유연성을 가지는 박막형 배터리를 추가로 포함할 수 있다.
상기 박막형 배터리를 사용하여 스마트 콘택트렌즈의 무선 구동을 가능하게 할 수 있다. 기존의 스마트 콘택트렌즈는 코일을 통해 무선 전력(파워) 전송으로 에너지를 공급받아 시스템을 동작시킨다. 그러나 무선 전력 전송의 낮은 전송 효율로 인해 외부에서 코일을 이용하여 강한 세기로 에너지를 전송해야 한다는 문제점을 가진다. 이에 따라 스마트 콘택트렌즈의 활용도에 크게 제약을 가져올 뿐만 아니라 사용에 불편함을 초래할 수 있다. 또한, 콘택트렌즈를 통한 안압 모니터링의 경우 기존 기술은 Sensimed의 Triggerfish 뿐이며, 이 기술은 렌즈에 불투명한 금속 형태의 안테나와 스트레인 센서를 사용하여 착용자로 하여금 시야에 제한을 줄 수 있을 뿐만 아니라 거부감을 줄 수 있다. 전력 공급을 위한 외부 안테나를 항상 부착하고 있어야 하며, 또 흔들림 없이 고정되어 있어야 하기 때문에 일상 생활에 상당한 지장을 주어 많은 사람들로 하여금 사용하게 하기에 제한된다.
따라서, 본 발명에서는 스마트 콘택트렌즈 내부에 박막형 배터리를 장착하여 상기의 문제를 해결할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 초소형 박막 배터리를 사용하여 스마트 콘택트렌즈 시스템을 구동시키기 위해 외부에서 파워를 공급하지 않고 동작 가능한 시스템을 구현할 수 있다.
상기 배터리는 빛 에너지, 압전 에너지 및/또는 열 에너지 등의 여러 에너지원으로부터 배터리 내에 전력을 저장함으로써 스마트 콘택트렌즈를 보다 간소화할 수 있다. 상기 배터리는 콘택트렌즈를 구성하고 있는 소자들에 전력을 공급할 수 있다. 또한, 반복적인 구부림 또는 변형에도 배터리의 파손이 없고, 렌즈에 적용하였을 시에 밀봉이 되며 안구 내 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명의 배터리는 50 ㎛ 이하의 두께를 지니며, 유연성을 가질 수 있다. 상기 배터리는 렌즈 내부에 장착되므로, 크기에 제약을 가지며 배터리의 두께가 50 ㎛ 이하인 배터리를 사용하는 것이 좋다.
구체적으로, 본 발명의 배터리는 50 ㎛ 이하의 박막형 연신가능 리튬이온 배터리일 수 있다. 상기 리튬이온 박막형 배터리는 전력공급을 위한 외부 안테나의 필요성을 제거하여 사용자로 하여금 착용시의 번거로움과 생활에서의 불편함을 없앨 수 있으며, 렌즈 내부의 안테나를 없애서 시야의 제한과 거부감을 해소할 수 있다.
일 구체예에서, 배터리는 코일 형태의 소자일 수 있다. 구체적으로, 렌즈에 투명한 코일을 삽입하여 렌즈를 사용하지 않고 있을 시에 무선 충전이 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 박막형 배터리는 당업계에서 사용되는 제품을 사용할 수 있으며, 직접 제작하여 사용할 수 있다.
일 구체예에서, 배터리는 고분자/은 나노 입자 복합재료와 블록공중합체 파이버/활물질 복합재료로 구성될 수 있다.
본 발명에서는 마이크로 LED에 파워를 제공하기 위하여, 상기 마이크로 LED를 전술한 배터리와 연결할 수 있으며, 안구 내 안정성을 위하여 마이크로 LED와 배터리를 Polydimethylsiloxane(PDMS) 폴리머로 passivation 처리할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 무선으로 데이터를 송신 및 수신하는 무선전기 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 스마트 무선 구동 콘택트렌즈는 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트)(PHEMA), 폴리메타크릴산 메틸(PMMA), 폴리(유산-글리콜린산)(PLGA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐아세테이트(PVA) 또는 실리콘 하이드로겔(Silicon hydrogel)의 고분자를 기반으로 할 수 있다.
또한, Polyhydroxyethylmethacrylate(PHEMA)기반의 고분자재료 내에 PET 기반의 blue LED를 몰딩하여 라디컬 중합 방식을 통해 100 um 이하의 super thin 콘택트렌즈 형태로 제작할 수 있다.
본 발명에 따른 스마트 콘택트렌즈는 상기 렌즈 내에서 빛의 파면을 제어할 수 있는 능동소자를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서는 상기 능동소자에 적절한 위상지연 패턴을 적용하여 다양한 자유도의 영상 획득 구현할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 행동을 인식해(예, 고개를 숙여 책을 볼 때) 콘택트렌즈의 초점 거리를 변화시켜 가까운 곳을 편하게 보게 만들어 줄 수 있다. 또한, 콘택트렌즈의 능동형 소자의 구획별 다양한 위상 지연 값을 제어하여, 망막까지 향상된 광전달/제어를 구현할 수 있다. 즉, 적응 광학 기법을 적용하여, 망막의 다양한 위치에서 sub-micrometer 수준의 매우 작은 광 초점을 형성할 수 있다.
본 발명에서는 스마트 콘택트렌즈에 단파장의 LED를 집적하고, 초점거리의 광학적 설계 및 조절이 가능한 능동소자를 집적하여 치유가 필요한 부분의 지속적으로 조사가 가능할 수 있다. 이에 의해, 기존 제한 된 시공간인 암실에서 정해진 시간에만 가능하던 방법을, 수면 중이나 휴대하면서도 쉽게 치료가 가능하고, 레이저가 주변 세포에 쉽게 손상을 가할 수 있다는 단점 역시 해결할 수 있다. 이러한 능동소자는 liquid crystal과 굴절율 조절이 가능한 소재를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 광 센서 또는 이미지 센서를 추가로 포함할 수 있다.
세포는 상태에 따라 색이 달라지며, 특히, 질환이 있는 경우 세포에 혈관이 생기면 점점 붉은 혈관이 많아져 붉은 빛을 띠게 된다. 본 발명에서는 이러한 빛을 디텍팅하는 광 센서를 추가로 사용하여, 질병 진단 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이미지 센서를 사용하여 세포의 색을 판단하며, 모니터링 할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 치료용 세포를 안방수에 주입하고, 이를 스마트 콘택트렌즈를 통해 세포를 실시간으로 모니터링할 수 있다(도 6).
본 발명에서는 스마트 콘택트렌즈를 제어하기 위해 빛 신호를 이용한 통신 방식을 사용하여 저전력으로 스마트 콘택트렌즈를 제어할 수 있다.
구체적으로 스마트 콘택트렌즈의 제어를 위해 외부에서 빛 신호를 이용하여 스마트 콘택트렌즈로 데이터를 전송하여 시스템의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 회로 부분과 센서 부분을 모두 투명한 소재로 제작하여 환자로 하여금 시야에 제한이 없게 하고 외부에서 봤을 시에도 렌즈에 전혀 어색함을 느끼지 않게 한다.
또한, 본 발명에서는 시스템 구동에 필요한 에너지를 보충하기 위하여 태양광 발전 소자로 빛 에너지로부터 전기 에너지를 수확하여 에너지원으로 사용하는 에너지 수확 시스템을 제공할 수 있다.
실시예
제조예 1. 스마트 콘택트렌즈용 mLED 제작
기판 위에 에피택셜(epitaxial) 층을 이룬 p-GaN/다중양자우물 (InGaN/GaN)/N-GaN/buffer layer/GaN(청색 mLED)와 (Al0 . 45Ga0 .55 As:C)/(In0.5Al0.5P:Zn)/다중양자우물 (Al0.25Ga0.25In0.5P/In0.56Ga0.44P/Al0.25Ga0.25In0.5P)/(In0.5Al0.5 P:Si)/(Al0 . 45Ga0 . 55As:Si)/n-GaAs:Si(근적외선 mLED)를 제조하였다.
상기 제작한 기판에 포토리소그래피 과정을 통하여 mLED의 모양을 패터닝하여다. 패턴된 mLED에 플라즈마 에칭과 금속 배선 기술을 적용하여 전극을 연결하였다. 완성된 소자에 팔라듐을 증착시킨 후 팔라듐과 인듐이 코팅된 실리콘 기판에 팔라듐-인듐을 연결하였다. 사파이어 기판을 laser lift off(LLO) 기법을 이용하여 제거한 다음 under cut 에칭을 통하여 기판과 mLED의 결합을 약하게 만든 후 전사 인쇄를 통하여 콘택트렌즈 내 회로와 전기적으로 연결하였다.
제조예 2. 약물저장소 제조
약물저장소는 도 5의 방법으로 제조하였다.
먼저, 금형 틀을 이용해 pdms 몰드를 제작한 뒤, 약물을 레저보 내에 로딩하였다.
PVA(polyvinylalcohol) 필름 상에 전극(electrodes)(Ti, Au로 된 음극과 양극)을 증착한 뒤, 약물이 있는 pdms 몰드에 전극이 증착된 PVA 필름을 부착하였다. 그 후, 절연 및 방수를 위해 SiO2 패시베이션을 수행하여 약물저장소를 제조하였다.
제조예 3. 콘택트렌즈 제조
실리콘을 포함하는 재료를 이용하여 콘택트렌즈를 제조하였다.
먼저, methacryloxypropyl-tris(trimethylsiloxy)silane 1 mL을 N,N-Dimethyl acrylamide(DMA) 0.62 mL, methacryloxypropyl(MC)-PDMS macromere 1 mL, methyl acrylic acid(MAA) 0.3 mL, 에탄올 0.1 mL, 및 N-vinylpyrrolidone(NVP) 0.2 mL와 함께 질소 환경에서 15분간 섞어주었다. 그리고 ultraviolet(UV) initiator인 TPO 12 ㎍을 넣고 5분간 섞어주어 '용액 1'을 제조하였다.
상기 제조된 용액 1 0.2 mL를 특수 제작된 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 몰드 속에서 라디컬 중합을 수행한 후, 오존 플라즈마를 이용해 폴리머의 표면을 친수성으로 만들어 주고 PBS 용액에 보관하였다
그 후, ASIC 칩, 포토디텍터, 제조예 1 및 2에서 제조된 마이크로 LED 및 배터리(Cymbat사의 초소형 배터리)를 연결하고, 상기 PBS 용액에 약물저장소와 함께 넣은 후 폴리프로필렌(PP) 몰드 속에서 라디컬 중합시켜 렌즈를 제조하였다.
마이크로 LED의 용도에 따라 스마트 콘택트렌즈 내에 포함되는 구성이 달라질 수 있다. 도 2 내지 4와 같이 그 용도에 따라 콘택트렌즈 구성을 달리할 수 있으며, 도 1과 같이 모든 구성을 포함하는 콘택트렌즈를 제조할 수 있다.

Claims (15)

  1. 마이크로 LED를 포함하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈로서,
    상기 질환은 당뇨병, 녹내장, 황반변성, 망막색소증, 백내장 또는 우울증이고,
    상기 마이크로 LED는 질환 부위에 광을 조사하여 질환을 치료하거나, 질병 마커에 빛을 조사하여 질환을 진단 또는 질환의 치료 유무를 판단하거나, 또는 질병 마커의 유무 또는 질병 마커의 농도를 빛으로 표현하며,
    상기 마이크로 LED는 청색광 LED 또는 NIR LED이고,
    상기 마이크로 LED가 질병 마커에 빛을 조사하여 질환을 진단 또는 질환의 치료 유무를 판단할 경우 상기 스마트 콘택트렌즈는 포토디텍터를 포함하며,
    상기 마이크로 LED가 질병 마커의 유무 또는 질병 마커의 농도를 빛으로 표현할 경우 상기 스마트 콘택트렌즈는 센서 및 포토디텍터를 포함하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    마이크로 LED는 질병 마커에 빛을 조사하며, 포토디텍터는 반사되는 빛을 디텍팅하고, 이를 분석하여 질환을 진단하거나, 질환의 치료 유무를 판단하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    질병 마커는 혈중 당화 헤모글로빈 및 산소 헤모글로빈이며, 파장에 따른 광도의 차이를 측정하여 당 농도, 산소 분압 및 산소 포화도를 분석하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    센서는 질병 마커를 감지하고,
    상기 마이크로 LED는 상기 질병 마커의 유무 또는 질병 마커의 농도를 빛으로 표현하며,
    상기 포토디텍터는 상기 LED의 빛을 디텍팅하고, 이를 분석하여 질병을 진단하거나, 질병의 치료 유무를 판단하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    센서는 일산화질소, 혈관표피성장인자(VEGF), 표피생장인자(EGF), 포도당 락토오즈, 수분함유량, FAD(flavin adenine dinucle), BSA(Bandeiraea simplicifolia agglutinin), 과산화수소, 산소, 아스코르브산염(ascorbate), 리소자임(lysozyme), 철분, 락토페린(lactoferrin), 인지질(phospholipid), 삼투압, 및 안압으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 검출하는 센서인 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  7. 삭제
  8. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,
    포토디텍터에서 질병의 진단시 약물저장소가 오픈되는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    마이크로 LED는 질환 부위에 광을 조사하여 질환을 치료하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    두께가 50 ㎛ 이하이며, 유연성을 가지는 박막형 배터리를 추가로 포함하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    박막형 배터리는 리튬이온 박막형 배터리인 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    무선으로 데이터를 송신 및 수신하는 무선전기 시스템을 추가로 포함하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  14. 제 1항 항에 있어서, 능동소자를 추가로 포함하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
  15. 제 1항 항에 있어서,
    광 센서 또는 이미지 센서를 추가로 포함하는 질환 진단 및 치료용 무선 구동 스마트 콘택트렌즈.
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