KR102209394B1 - 마이크로젯 약물 전달 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로젯 약물 전달 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로렌츠 힘을 이용하여 약물 챔버를 변형시킴으로써 약물 챔버 내의 약물의 압력을 급속히 상승시키고 이로 인한 마이크로젯을 유도하여 약물을 전달하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 약물 전달 시스템으로서, 전류가 흐르면 자기장을 형성하도록 구성된 작동 코일과, 약물이 저장되며 상기 작동 코일에 의해서 형성된 자기장에 의한 유도 전류가 흐르도록 상기 작동 코일에 인접하여 배치된 변형 벽면을 구비한 약물 챔버와, 상기 약물 챔버를 수용하는 케이스와, 상기 약물 챔버와 연통된 마이크로 노즐과, 상기 작동 코일과 연결된 전원을 포함하는 약물 전달 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템은 로렌츠 힘이 약물 챔버가 직접 작용하기 때문에 구조가 매우 간단하다. 따라서 저비용으로 제작할 수 있다. 또한, 마이크로젯의 압력이나 속도 등을 용이하게 제어할 수 있다.

Description

마이크로젯 약물 전달 시스템{Micro-jet Drug Delivery System}
본 발명은 마이크로젯 약물 전달 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로렌츠 힘을 이용하여 약물 챔버를 변형시킴으로써 약물 챔버 내의 압력을 급속히 상승시키고 이로 인한 마이크로젯을 유도하여 약물을 전달하는 장치에 관한 것이다.
체내에 약물을 주입하는 약물 전달 시스템(Drug Delivery System)으로는, 전통적으로 바늘을 가진 주사기를 사용하여 왔다. 그러나 이러한 전통적인 주사기는 주사 시의 통증으로 인해 환자들에게 공포의 대상이 되어 왔으며, 상처로 인한 감염의 우려 등의 피할 수 없는 문제점을 안고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 바늘 없는 주사기(Needle-free injector)와 같은 약물 전달 시스템의 개발이 진행되고 있으며, 이러한 연구의 일환으로 약물을 마이크로젯 방식으로 고속 분사하여 피부의 표피를 통해 직접 체내에 침투시키는 방식의 약물 전달 시스템이 제시되고 있다.
이와 같은 마이크로젯 방식의 고속 분사를 일으키기 위해서는 약물을 정밀하고 강력하게 외부(즉, 피부)로 분사할 필요가 있다. 이러한 분사 방식은, 1930년대 이래로 다양하게 개발되어 왔는데, 최근 들어 압전 세라믹 소자를 이용한 분사 방식, 알루미늄 포일에 레이저 빔을 가함으로써 유발되는 충격파를 통한 분사방식, 로렌츠 힘(Lorentz force)을 이용한 분사방식 등의 다양한 분사방식이 개발되었다.
예를 들어, 공개특허 10-2009-0051246에는 주사될 물질을 유지하기 위한 챔버와, 상기 챔버와 유체 연통되는 노즐, 및 상기 챔버로 이송될 물질을 저장하는 약제 저장기를 포함하는 무침 경피성 이송 장치가 개시되어 있다. 이 무침 경피성 이송 장치는 또한, 상기 챔버와 연통되는 제어 가능한 자석과 코일 전자석 작동기를 포함한다. 작동기는 전기적 인풋을 수용하며 그에 응답하여 힘을 생성한다. 상기 힘은 물질을 챔버로부터 생체로 무침 이송되게 한다.
또한, 일본등록특허 05934710에는 유체를 저장하는 저장부와 이 저장부에 연결된 노즐과 고형물이 충진되며, 노즐에 연결된 저장부로부터 분리된 카트리지(cartridge)와 저장부에 연통된 제어 가능한 전자식의 액추에이터를 구비하는 무 바늘식 수송 장치가 개시되어 있다. 액추에이터는 전기 입력(electrical power input)을 받아 전기 입력(electrical power input)에 따른 기계적인 힘을 생성하고, 기계적인 힘은 저장부 내에 압력을 발생시킨다. 압력의 크기는 기계적인 힘에 따라 변화하고, 저장부로부터 노즐을 통해 유체를 카트리지(cartridge)에 무 바늘 분사시켜 고형물을 카트리지(cartridge)로부터 생체 내에 보낸다.
상술한 방법들은 코일 전자석 작동기나 액추에이터와 같이 약제 저장부에 압력을 가하기 위한 별도의 복잡한 구조를 포함하므로 소형화가 쉽지 않다는 문제가 있었다.
또한, 최근에는 기존의 마이크로젯 방식의 분사와는 달리, 분사되는 약물의 양, 약물의 분사속도를 미세하게 조절할 수 있으면서도 연속적인 주사가 가능하며, 재사용이 가능한 레이저-버블(Laser-Bubble) 방식의 마이크로젯 분사 방식이 개발되었다.
예를 들어, 등록특허 10-1500568, 등록특허 10-1834773 등에는 레이저를 이용하여 압력 발생용 액체를 급격하게 기화시켜서 압력을 증가시킴으로써 약물과 압력 발생용 액체를 사이에 배치되는 탄성막을 약물 방향으로 변형시키는 레이저 버블 방식의 마이크로젯 약물 전달 장치가 개시되어 있다. 하지만, 레이저 장비의 크기와 비용의 문제로 소형화 및 보급화에 있어 제한이 있다.
공개특허 10-2009-0051246 일본등록특허 05934710 등록특허 10-1500568 등록특허 10-1834773
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 가압수단으로서 하전입자가 전기장에서 받는 힘, 즉 로렌츠 힘을 사용하며, 구조가 간단하여 소형화가 용이한 새로운 방식의 마이크로젯 약물 전달 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 약물 전달 시스템으로서, 전류가 흐르면 자기장을 형성하도록 구성된 작동 코일과, 약물이 저장되며 상기 작동 코일에 의해서 형성된 자기장에 의한 유도 전류가 흐르도록 상기 작동 코일에 인접하여 배치된 변형 벽면을 구비한 약물 챔버와, 상기 약물 챔버를 수용하는 케이스와, 상기 약물 챔버와 연통된 마이크로 노즐과, 상기 작동 코일과 연결된 전원 장치를 포함하는 약물 전달 시스템을 제공한다.
본 발명의 약물 전달 시스템은 상기 작동 코일에 전류가 흐르면, 상기 변형 벽면이 로렌츠 힘에 의해서 변형되며 상기 약물 챔버 내의 압력이 상승하고, 상기 약물 챔버에 저장된 약물이 상기 마이크로 노즐을 통해서 배출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전원 장치는, 전력원과, 상기 전력원에 의해서 충전되는 적어도 하나의 커패시터와, 상기 커패시터를 상기 전력원 또는 상기 작동 코일과 선택적으로 연결하여, 상기 커패시터를 충전 또는 방전시키도록 구성된 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템을 제공한다.
또한, 상기 스위칭 회로는 상기 커패시터를 상기 전력원과 연결하는 경로에 설치되는 충전 스위치와, 상기 커패시터를 상기 작동 코일과 연결하는 경로에 설치되는 방전 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템을 제공한다.
또한, 상기 변형 벽면은 상기 약물 챔버의 다른 벽면에 비해서 얇은 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템을 제공한다.
또한, 상기 작동 코일은 상기 약물 챔버를 감싸는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템을 제공한다.
또한, 상기 작동 코일은 상기 케이스에 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템을 제공한다.
또한, 상기 약물 챔버는 상기 케이스에 장착할 수 있는 카트리지 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템은 로렌츠 힘이 약물 챔버에 직접 작용하기 때문에 구조가 매우 간단하다. 따라서 소형화가 가능하며, 저비용으로 제작할 수 있어서, 예방 백신 주사기로의 사용과 같은 대량 생산에도 적합하다.
또한, 본 발명에서는 작동 코일과 약물 챔버 사이에 직접적인 물리적 접촉이 없으므로, 이에 따른 약물 챔버 및 약물의 오염이 없다는 장점도 있다.
또한, 압력을 가하기 위한 구성과 약물 챔버가 직접적으로 접촉하지 않기 때문에 약물 챔버만 간단하게 교체할 수 있으므로, 위생문제 및 환경 보호, 자원절약의 효과가 있다.
또한, 작동 코일에 흐르는 전류를 제어하여 마이크로젯의 압력이나 속도 등을 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 전원 장치는 반 영구적으로 사용할 수 있어 환경 보호 및 자원 절약의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템의 일실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 마이크로젯 약물 전달 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 작동 코일의 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 마이크로젯 약물 전달 시스템의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 1에 도시된 약물 챔버가 케이스에서 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 마이크로젯 약물 전달 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 도 6에 도시된 약물 챔버가 케이스에서 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 작동 코일의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 더욱 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템의 일실시예의 개략도이며, 도 2는 도 1에 도시된 마이크로젯 약물 전달 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1과 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템의 일실시예는 케이스(10), 작동 코일(20), 약물 챔버(30), 마이크로 노즐(40) 및 전원 장치(50)를 포함한다.
본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템은 하전입자가 자기장 속에서 받는 힘, 즉 로렌츠 힘을 사용하여 피부를 통해서 체내로 약물(D)을 전달한다. 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템은 약물 챔버(30)에 물리적 접촉 없이 전자기력을 작용하여 약물 챔버(30)를 변형하여 약물(D)을 전달한다.
도 1과 2에 도시된 바와 같이, 케이스(10)는 작동 코일(20)과 약물 챔버(30)를 지지하는 역할을 한다. 케이스(10)는 플라스틱과 같은 부도체로 제작된다. 케이스(10)는 몸체부(11)와 약물 챔버 수용부(12)를 포함한다. 몸체부(11)의 내부에는 작동 코일(20)이 들어가 있다. 작동 코일(20)은 인서트 사출 방법으로 몸체부(11)의 내부에 삽입될 수 있다. 약물 챔버 수용부(12)는 몸체부(11)로부터 연장된 통 형태의 부분으로서 통의 내부에 약물 챔버(30)가 수용된다. 약물 챔버(30)는 약물 챔버 수용부(12)의 개방된 일측면을 통해서 약물 챔버 수용부(12)에 끼워질 수 있다. 약물 챔버 수용부(12)의 하단에는 약물 챔버(30)를 지지하기 위해 약물 챔버 수용부(12)의 내측으로 돌출된 지지부(13)가 형성된다. 지지부(13)는 로렌츠 힘이 약물 챔버(30)에 가해질 때 약물 챔버(30)가 밀려서 약물 챔버 수용부(13)의 하단으로 빠지는 것을 방지한다.
작동 코일(20)은 전기 전도성이 좋은 선형 재료를 감은 것으로서, 작동 코일(20)에 전류를 흘리면 작동 코일(20)의 주위에 자기장이 형성된다. 이때, 자력선은 앙페르의 오른나사 법칙에 따라서 만들어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 나선형(모기향 형태)으로 감은 작동 코일(20)이 사용된다.
약물 챔버(30)에는 환자 등의 피부를 통해서 체내로 전달될 약물(D)이 보관된다. 약물 챔버(30)는 약물(D)이 저장되는 내부 공간을 형성하기 위한 벽멱들을 포함한다. 약물 챔버(30)의 벽면들 중에서 적어도 일부는 유도 전류가 흐르며, 로렌츠 힘에 의해서 변형될 수 있는 변형 벽면(31)이어야 한다. 본 실시예에서는 약물 챔버(30)의 벽면들 중에서 상부 벽면이 변형 벽면(31)이다. 변형 벽면은 쉽게 변형되도록 나머지 벽면(32)에 비해서 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 나머지 벽면(32)들은 로렌츠 힘에 의해서 변형되지 않도록 충분히 두껍다. 약물 챔버(30)는 예를 들어, 알루미늄, 구리와 같이, 전기 전도성이 뛰어나면서, 쉽게 변형될 수 있는 금속으로 이루어질 수 있다. 약물 챔버(30)의 내면(35)은 약물(D)이 용이하게 배출될 수 있도록, 아래로 진행할수록 내면(35)이 서로 가까워지도록 경사진다.
마이크로 노즐(40)은 약물 챔버(30)의 하단에 형성된 미세한 구멍(36)에 설치된다. 마이크로 노즐(40)의 내면에는 코팅층(미도시)이 형성될 수 있다. 코팅층으로는 예를 들어, 불소 수지가 사용될 수 있다. 코팅층은 마이크로 노즐(40)의 내면의 마찰 계수를 줄여서, 약물(D)과 마이크로 노즐(40) 사이의 마찰력을 줄일 수 있다. 또한, 코팅층은 마이크로 노즐(40)의 내면이 소수성을 가지도록 하여 분사 효율 향상에 도움이 될 수도 있다. 마이크로 노즐(40)은 약물 챔버(30)에 일체로 형성될 수도 있다.
전원 장치(50)는 작동 코일(20)에 순간적으로 고전압의 전류를 인가하기 위한 장치이다. 도 4는 도 1에 도시된 마이크로젯 약물 전달 시스템의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전원 장치(50)는 전력원(51), 커패시터 뱅크(52) 및 스위칭 회로(53)를 포함한다. 전력원(51)은 커패시터 뱅크(52)를 충전하기 위한 전기에너지를 공급하는 역할을 한다. 전력원(51)으로는 직류 전압원을 사용할 수 있다. 커패시터 뱅크(52)는 적어도 하나의 커패시터 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다. 스위칭 회로(53)는 전력원(51)과 커패시터 뱅크(52), 커패시터 뱅크(52)와 작동 코일(20)을 선택적으로 연결하는 기능을 한다. 스위칭 회로(53)는 전력원(51), 커패시터 뱅크(52), 작동 코일(20)을 연결하는 도선(55)과 도선(55)에 설치된 충전 스위치(56) 및 방전 스위치(57)를 포함한다. 충전 스위치(56)는 전력원(51)과 커패시터 뱅크(52)를 연결하는 경로에 설치된다. 충전 스위치(56)가 온되면 커패시터 뱅크(52)에 전기에너지가 저장된다. 방전 스위치(57)는 커패시터 뱅크(52)와 작동 코일(20)을 연결하는 경로에 설치된다. 방전 스위치(57)가 온되면 커패시터 뱅크(52)에 저장된 전기에너지가 작동 코일(20)로 전달되어, 작동 코일(20)에 고전압의 전류가 흐른다.
이하에서는 상술한 마이크로젯 약물 전달 시스템의 작용에 대해서 설명한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 카트리지 형태의 약물 챔버(30)가 케이스(10)에서 분리된 상태에서 케이스(10)의 약물 챔버 저장부(12)에 약물 챔버(30)를 끼운다.
약물 챔버(30)가 케이스(10)에 결합된 상태에서, 마이크로젯 약물 전달 시스템을 가동하면, 전원 장치(50)의 방전 스위치(57)가 오프된 상태에서, 충전 스위치(56)가 온되어 커패시터 뱅크(52)가 충전된다(도 4 참조).
약물 주입 버튼(미도시)을 누르면, 전원 장치(50)의 충전 스위치(56)가 오프되고, 방전 스위치(57)가 온되면서, 1ms 이내의 짧은 시간 동안 커패시터 뱅크(52)에 저장된 에너지가 작동 코일(20)에 순간적으로 방전되면서 작동 코일(20)에 전류가 흐르고, 작동 코일(20) 주변에 매우 강한 자기장(B)이 발생한다. 자력선의 대략적인 형태는 도 2에 도시된 바와 같다.
그리고 동시에 작동 코일(20)에 인접한 약물 챔버(30)의 변형 벽면(31)에 변화하는 자기장(B)에 의한 유도전류(I)가 흐른다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유도전류(I)는 플레밍의 오른손 법칙에 따라서 변형 벽면(31)에 동심원 형태로 시계방향으로 흐른다.
그리고 생성된 자기장(B)과 유도전류(I)의 상호작용으로 순간적으로 매우 강한 로렌츠 힘(F)이 변형 벽면(31)에 가해진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 로렌츠 힘(F)은 플레밍의 왼손 법칙에 따라서 변형 벽면(31)을 작동 코일(20)로부터 멀어지는 방향으로 변형시킨다. 이로 인해 약물 챔버(30) 내의 압력이 급속하게 상승하고, 마이크로젯 형태의 약물(D)이 마이크로 노즐(40)을 통해서 분사되어 피시술자의 피부 내로 약물(D)이 신속하고 정확하게 침투된다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 전달 시스템의 다른 실시예의 개략도이며, 도 7은 도 6에 도시된 마이크로젯 약물 전달 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 개략도이며, 도 8은 도 6에 도시된 약물 챔버가 케이스에서 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 케이스(110), 작동 코일(120), 약물 챔버(130), 마이크로 노즐(140) 및 전원 장치(150)를 포함한다. 마이크로 노즐(140)과 전원 장치(150)는 도 1과 2에 도시된 실시예와 차이가 없으므로, 나머지 구성에 대해서만 설명한다.
케이스(110)는 작동 코일(120)과 약물 챔버(130)를 지지하는 역할을 한다. 케이스(110)는 플라스틱과 같은 부도체로 제작된다. 케이스(110)는 몸체부(111)와 약물 챔버 수용부(112)를 포함한다. 본 실시예에서는 도 1과 2에 도시된 실시예와 달리, 케이스(110)의 약물 챔버 수용부(112)에 작동 코일(120)이 들어가 있다.
본 실시예에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 선재를 나선형으로 감아서 만든 원통형의 코일이 작동 코일(120)이 사용된다. 또한, 본 실시예에서는 약물 챔버(130)의 양쪽 측면이 변형 벽면(131)이 된다.
본 실시예에서는 도 1과 2에 도시된 실시예와 달리, 로렌츠 힘(F)에 의해서 약물 챔버(130)의 양쪽 측면이 변형되면서, 약물 챔버(130) 내의 압력이 급속하게 상승하고, 마이크로젯 형태의 약물(D)이 마이크로 노즐(140)을 통해서 분사된다. 본 실시예에서는 약물 챔버(130)의 양쪽 측면에 로렌츠 힘(F)이 가해지므로, 로렌츠 힘(F)에 의해서 약물 챔버(130)가 케이스(110)로부터 분리되지 않는다. 따라서 도 1과 2에 도시된 실시예와 달리 별로의 지지부를 형성할 필요가 없다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 200: 마이크로젯 약물 전달 시스템
10, 110: 케이스
20, 120: 작동 코일
30, 130: 약물 챔버
40, 140: 마이크로 노즐
50, 150: 전원 장치

Claims (7)

  1. 약물 전달 시스템으로서,
    전류가 흐르면 자기장을 형성하도록 구성된 작동 코일과,
    약물이 저장되며, 상기 작동 코일에 의해서 형성된 자기장에 의한 유도 전류가 흐르도록, 상기 작동 코일에 인접하여 배치된 비자성의 전도성 변형 벽면을 구비한 약물 챔버와,
    상기 약물 챔버를 수용하는 케이스와,
    상기 약물 챔버와 연통된 마이크로 노즐과,
    상기 작동 코일과 연결된 전원 장치를 포함하며,
    상기 작동 코일에 전류가 흐르면, 상기 변형 벽면에 변화하는 자기장에 의한 유도 전류가 흐르고, 상기 변형 벽면이 로렌츠 힘에 의해서 변형되며 상기 약물 챔버 내의 압력이 상승하고, 상기 약물 챔버에 저장된 약물이 상기 마이크로 노즐을 통해서 배출되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원 장치는,
    전력원과,
    상기 전력원에 의해서 충전되는 적어도 하나의 커패시터와,
    상기 커패시터를 상기 전력원 또는 상기 작동 코일과 선택적으로 연결하여, 상기 커패시터를 충전 또는 방전시키도록 구성된 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 상기 커패시터를 상기 전력원과 연결하는 경로에 설치되는 충전 스위치와, 상기 커패시터를 상기 작동 코일과 연결하는 경로에 설치되는 방전 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변형 벽면은 상기 약물 챔버의 다른 벽면에 비해서 얇은 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 작동 코일은 상기 약물 챔버를 감싸는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 작동 코일은 상기 케이스에 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 약물 챔버는 상기 케이스에 장착할 수 있는 카트리지 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 전달 시스템.


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