KR102098865B1 - 생체 이식용 자발적 전기 자극 생성 디바이스 및 이의 응용 - Google Patents

생체 이식용 자발적 전기 자극 생성 디바이스 및 이의 응용 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체 이식용 자발적 전기 자극 생성 디바이스 및 이의 응용에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조를 포함시켜 자발적으로 미세전류 생성이 가능하도록 구현한 생체 이식용 디바이스와 이의 응용 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디바이스는 이온교환층(음이온 또는 양이온 고분자 전해질층) 및 중성 고분자 전해질층을 번갈아 적층하여 도난 포텐셜(donnan potential)을 형성함으로써 외부 전원이 없어도 자발적으로 전기 자극 생성이 가능한 생분해성 배터리로 적용이 가능하며, 이를 통해 신경세포, 골세포, 근육세포 또는 줄기세포의 증식 또는 분화를 조절할 수 있다.
또한, 생분해성 소재를 이용하여 디바이스의 모든 소재가 일정기간 후 분해가 가능하고, 고분자 전해질층의 적층 방향 및 적층 형태에 제한이 없으며, 디바이스 내에 약물을 담지하여 약물방출을 제어할 수 있다.

Description

생체 이식용 자발적 전기 자극 생성 디바이스 및 이의 응용{BIO-IMPLANTABLE DEVICE ABLE TO GENERATE SELF-ELECTRIC STIMULI AND APPLICATION THEREOF}
본 발명은 생체 이식용 자발적 전기 자극 생성 디바이스 및 이의 응용에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조를 포함시켜 자발적으로 미세전류 생성이 가능하도록 구현한 생체 이식용 디바이스와 이의 응용 기술에 관한 것이다.
체내 조직의 손상을 치료하기 위해 종래의 약물 치료 방법과 함께 조직 공학적 접근이 이루어지고 있다. 조직 공학과 관련해서, 전기적 자극을 이용하여 상처 치료와 같은 조직 재생(세포 증식, 분화 등을 포함)에 관한 연구가 진행되고 있는데, 특히 미세전류나 전기적 자극은 신경세포, 골세포, 근육세포 또는 줄기세포와 같이 특이적인 기능을 갖는 세포들의 증식 및 분화 연구에 이용되고 있다.
국내 의료기기 시장은 연평균 7.0% 이상으로 성장이 지속될 것으로 예측되며, 세계 의료기기 시장은 2009년부터 연평균 약 6.9%의 성장률을 보이고 있다. 특히, 웨어러블 또는 생분해성 배터리와 같은 의료용 디바이스 시장의 성장 가능성이 높게 점쳐지고 있다. 의료용 디바이스 분야는 국내 시장규모에서 생산 수출입 기준으로 약 5조원 규모를 차지하고 있으며, 사업체 매출기준으로는 약 10조원인 것으로 추정되고, 세포와 조직공학을 이용한 치료제 시장규모는 2012년 기준으로 약 120억 달러일 것으로 추정된다.
의료용 디바이스 중, 약물 주입 펌프(drug infusion pump)와 같이 약물 전달 시스템(drug delivery system)에 적용할 수 있는 생체 이식형 디바이스와 상처 치유, 조직 재생 등의 세포 거동을 조절하기 위해 전기 자극을 부여하는 생체 이식형 디바이스에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 생체 이식에 적용되는 기존의 디바이스는 디바이스 부피의 약 20 내지 60%를 차지하는 일차 전지로 인해 디바이스 자체의 크기를 획기적으로 줄이는 데 한계가 있으며, 일차 전지는 일정 기간이 지나면 그 수명을 다하므로 외과적 수술을 통하여 주기적으로 이식된 기기를 교체해야만 하는 번거로움이 있다.
이로 인해, 이차 전지를 생체 이식형 디바이스에 적용하는 기술이 개발되었으나, 이차 전지 또한 외부로 노출된 단자를 통해 계속해서 충전을 해줘야 하며, 단자가 노출된 방식에 따라 환자들이 불편함을 느낀다는 단점이 있다. 또한 무선충전의 경우에는 안전성에 문제가 있는 것으로 지적되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1660755호
본 발명은 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조를 포함시켜 자발적으로 미세전류 생성이 가능하도록 구현한 생체 이식용 디바이스와 이의 응용 기술을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조가 포함된 형태의 생체이식용 디바이스로서, 상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이를 형성하여 자발적으로 미세전류 또는 전기 자극을 생성시키는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스를 제공한다.
상기 농도 차이는, 고농도(CH)와 저농도(CL) 전해질의 농도 비율(CH/CL)이 50 이상 되는 조건이 바람직하지만 제한을 두지 않는다.
상기 디바이스는 상기 이온교환층을 사이에 두고 도난 포텐셜(donnan potential)을 형성시킬 수 있다.
도난 포텐셜(donnan potential)이란 도난 평형(donnan equilibrium)에 의해 이온선택성막 사이에 형성되는 포텐셜로서, 전해질과 이온선택성막에서의 전기화학포텐셜을 일컫는다. 예를 들어, 음이온 교환막이 전해질(NaCl) 용액 사이에 놓여 있을 경우, 음이온 교환막 표면의 (+)로 하전된 관능기들로 인해 Na+ 이온들은 음이온 교환막을 통과할 수 없게 된다. 이를 도난배제(donnan exclusion)라고 하는데, 확산에 의해 이온교환막을 통과할 수 있는 이온들이 더 이상 존재하지 않고 도난 평형을 이루고 있을 때 막을 경계로 전위차가 형성되게 되는데 이것을 도난 포텐셜이라 부른다.
본 발명에 다른 디바이스는 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층(중성 고분자 전해질층), 이온교환층(음이온 또는 양이온 교환 고분자 전해질층) 및 제2 고분자 전해질층(중성 고분자 전해질층)이 순차로 적층된 구조를 갖는 본 발명은 중성의 고분자 전해질층 내의 이온 농도를 달리하면 이온교환막으로 작용하는 각각의 이온교환층(양이온 또는 음이온 교환 고분자층)에 의해 도난 포텐셜이 형성될 수 있다.
상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이는 각각 농도가 상이한 전해질 용액에 고분자를 담지시킨 후 적층하는 방법으로 구현할 수 있다. 이때 담지는 12 내지 48 시간 동안 수행할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전해질은 체내에 존재하는 전해질일 수 있으며 구체적으로 NaCl, KCl, CaCl2 및 Na2HPO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다..
상기 전극은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
상기 이온교환층은 음이온 교환 고분자 전해질층 또는 양이온 교환 고분자 전해질층일 수 있다.
상기 음이온 교환 고분자 전해질층은 음이온교환관능기로 트리메틸암모늄 클로라이드(trimethylammonium chloride)를 측쇄로 갖는 고분자층으로, 생체 친화적 소재인 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 또는 폴리락트산(polylactic acid, PLA) 등의 인지질 고분자(phospholipid polymer) 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 양이온 교환 고분자 전해질층은 양이온교환관능기로 카복실산(carboxylic acid)을 측쇄로 갖는 고분차층으로, 생체 친화적 소재인 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 또는 폴리락트산(polylactic acid, PLA) 등의 인지질 고분자(phospholipid polymer) 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 이온교환층은 음이온 교환막 또는 양이온 교환막으로 구성될 수 있다.
상기 제1 고분자 전해질층 및 제2 고분자 전해질층은 하이드로겔을 포함하여 구성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 제1, 제2 고분자 전해질층은 중성 고분자 전해질층으로, 폴리에틸렌글리콜을 기반으로 한 디메타크릴레이트(dimethacrylate) 하이드로겔 또는 알지네이트(alginate) 하이드로겔 중 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전극, 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층은 생체 친화적 또는 생분해성 소재로 구성될 수 있다. 더욱 구체적으로 전극을 포함한 모든 소재들은 일정기간 후 분해가능하거나 체내에 잔류시 안정성이 확보된 소재들로 구성될 수 있다.
상기 디바이스의 적층구조는, 이온교환층(음/양이온 교환 고분자 전해질층)과 중성 고분자 전해질층을 layer-by-layer식으로 연속적으로 번갈아 적층시키거나, 각 고분자 겔을 번갈아 쌓는 형식으로 다층의 하이드로겔 구조를 구현하는 형태로 구성될 수 있다.
이때, 이온교환층(음/양이온 교환 고분자 전해질층) 사이에 형성된 중성 고분자 전해질층의 전해질 농도 차이를 형성함으로써 도난 포텐셜(donnan potential)을 형성시킬 수 있으며, 적층된 전해질층의 양 끝단에 전극을 부착하여 전자 이동이 가능하도록 설계할 수 있다.
상기 디바이스는 음/양이온 교환 고분자 겔(고분자 전해질층)의 적층 수에 따라 형성되는 개방 회로 전압(OCV, open circuit voltage)과 발생되는 미세전류 값이 세포 성장에 저해되지 않도록 상기 전해질층의 적층 수를 조절할 수 있다. 전해질층의 적층 방향은 상하, 좌우 방향 등 제한이 없으며, 고분자 레이어 형태(평탄, 도넛 모양 등)등에도 제한을 두지 않는다.
또한 고분자층의 두께 및 분해 속도 등은 소재에 따라 조절될 수 있다.
상기 디바이스는 세포 증식, 세포 분화 또는 약물방출 제어를 위하여 생체 이식될 수 있다.
특히 신경세포, 골세포, 근육세포나 줄기세포 등과 같이 특이적 기능을 가지는 세포들의 증식 및 분화 연구에 이용될 수 있다.
본 발명에서, 증식은 세포가 분열되면서 새로운 세포를 재생산하여 그 수가 증가되어 가는 것을 의미하고, 분화는 세포가 분열, 증식하여 성장하는 동안에 세포의 형태나 기능이 변해가는 것을 의미한다.
또한 본 발명은, 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조가 포함되어 구성되고, 상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이를 형성하여 자발적으로 미세전류 또는 전기 자극을 생성시키는 생체이식용 디바이스를 이용하여 세포 거동을 조절하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조가 포함된 형태의 생분해성 배터리로서, 상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이를 형성하여 자발적으로 미세전류 또는 전기 자극을 생성시키는 것을 특징으로 하는 생분해성 배터리를 제공한다.
또한 본 발명은, 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조가 포함된 형태의 생체이식용 디바이스를 포함하여 구성되는 약물 전달 장치로서, 상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이를 형성하여 자발적으로 미세전류 또는 전기 자극를 생성시키는 것을 특징으로 하는 약물 전달 장치를 제공한다.
상기 약물 전달 장치는 약학적으로 허용 가능한 담체를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스는 이온교환층(음이온 또는 양이온 교환 고분자 전해질층) 및 중성 고분자 전해질층을 번갈아 적층하여 도난 포텐셜(donnan potential)을 형성함으로써 외부 전원이 없어도 자발적으로 전기 자극 생성이 가능한 생분해성 배터리로 적용이 가능하며, 이를 통해 신경세포, 골세포, 근육세포 또는 줄기세포의 증식 또는 분화를 조절할 수 있다.
또한, 생분해성 소재를 이용하여 디바이스의 모든 소재가 일정기간 후 분해가 가능하고, 고분자 전해질층의 적층 방향 및 적층 형태에 제한이 없으며, 디바이스 내에 약물을 담지하여 약물방출을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 이식용 자발적 전기 자극 생성 디바이스의 모식도이다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따른 디바이스를 이용하여 전압을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
도 1은 상하 방향으로 적층된 고분자 전해질층으로 구성된 생체 이식용 자발적 전기 자극 생성 디바이스(10)의 모식도이다. 상기 디바이스는 대향하는 전극(11) 사이에 중성 고분자 전해질층(14)과 이온교환층(음이온 교환 고분자 전해질층: 13, 양이온 교환 고분자 전해질층:12)를 순차적으로 적층시키되, 이온교환층을 사이에 두고 적층된 중성 고분자 전해질층(14)의 농도를 다르게 조절하는 방법으로 도난 포텐셜을 형성시킴으로써 자발적으로 미세 전류 또는 전기를 생성시킬 수 있다.
실시예 및 비교예: 생체이식용 디바이스의 제조
생체재료로 사용되는 알지네이트와 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2)를 혼합하여 직경 1 cm, 두께 0.5 cm의 판상형인 중성 고분자 전해질층(하이드로겔)을 제조하였다. 완성된 판상형 하이드로겔 두 개를 각각 0.5 M NaCl 수용액과 0.01 M NaCl 수용액에 담지시켜 24시간 이상 정치시켜 두었다. 전극으로는 Pt-Ti 메쉬를 사용하고 시판되는 양이온 교환막을 0.5 M NaCl 용액이 담지된 판상형 하이드로겔과 0.01 M NaCl 용액이 담지된 판상형 하이드로겔 사이에 두고 전압을 측정하였다(실시예). 이와 비교하기 위해, 0.5 M NaCl 용액이 담지된 판상형 하이드로겔을 전극인 Pt-Ti 메쉬 사이에 단독으로 두고 전압을 측정하였다(비교예). 실험 결과, 0.5 M NaCl 용액이 담지된 판상형 하이드로겔을 단독으로 사용한 디바이스는 시간이 지날수록 전압이 점점 떨어졌으나, 0.5 M NaCl 용액이 담지된 판상형 하이드로겔과 0.01 M NaCl 용액이 담지된 판상형 하이드로겔 사이에 양이온 교환막을 둔 디바이스는 안정적으로 전압이 유지되는 것을 확인하였다(도 2).
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10: 생체 이식용 자발적 전기 자극 생성 디바이스
11: 전극
12: 이온교환층(양이온 교환 고분자 전해질층)
13: 이온교환층(음이온 교환 고분자 전해질층)
14: 중성 고분자 전해질층

Claims (12)

  1. 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조가 포함된 형태의 생체이식용 디바이스로서,
    상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이를 형성하여 자발적으로 미세전류 또는 전기 자극을 생성시키며,
    상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이는 각각 농도가 상이한 전해질 용액에 알지네이트와 염화칼슘을 혼합하여 제조된 중성 고분자를 담지시킨 후 적층시키는 방법으로 구현하는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 이온교환층을 사이에 두고 도난 포텐셜(donnan potential)을 형성시키는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해질은 NaCl, KCl, CaCl2 및 Na2HPO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온교환층은 음이온 교환막 또는 양이온 교환막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 고분자 전해질층 및 제2 고분자 전해질층은 하이드로겔을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 디바이스는 세포 증식, 세포 분화 또는 약물방출 제어를 위하여 생체에 이식되는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극과 이온교환층은 생분해성 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체이식용 디바이스.
  10. 삭제
  11. 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조가 포함된 형태의 생분해성 배터리로서,
    상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이를 형성하여 자발적으로 미세전류 또는 전기 자극을 생성시키며,
    상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이는 각각 농도가 상이한 전해질 용액에 알지네이트와 염화칼슘을 혼합하여 제조된 중성 고분자를 담지시킨 후 적층시키는 방법으로 구현하는 것을 특징으로 하는 생분해성 배터리.
  12. 대향하는 전극 사이에 제1 고분자 전해질층, 이온교환층 및 제2 고분자 전해질층이 순차로 적층된 구조가 포함된 형태의 생체이식용 디바이스를 포함하여 구성되는 약물 전달 장치로서,
    상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이를 형성하여 자발적으로 미세전류 또는 전기 자극을 생성시키며,
    상기 제1 고분자 전해질층과 제2 고분자 전해질층의 농도 차이는 각각 농도가 상이한 전해질 용액에 알지네이트와 염화칼슘을 혼합하여 제조된 중성 고분자를 담지시킨 후 적층시키는 방법으로 구현하는 것을 특징으로 하는 약물 전달 장치.
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