KR102211517B1 - 마이크로니들 패치를 이용한 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방법은, 복수개의 마이크로니들을 포함하는 마이크로니들 패치를 준비하는 단계와; 상기 마이크로니들 패치를 대상체의 피부에 부착하여 소정시간 유지하는 단계와; 상기 마이크로니들 패치를 대상체의 피부로부터 떼어내어 추출된 피부 간질액 내 글루코오스 양을 정량분석하는 단계를 포함한다. 상기 마이크로니들 패치 준비 단계에서는 키토산 100% 분말을 상온에서 산성 용매에 녹여 키토산 점성 조성물을 제조하여 이를 마이크로니들 제조 공정에 적용한다. 상기 정량분석 단계에서는 대상체의 피부로부터 떼어내진 상기 마이크로니들 패치의 마이크로니들을 용해시킨 후 정량분석 키트에 적용한다.
상기 정량분석 단계에서는 대상체의 피부로부터 떼어내진 상기 마이크로니들 패치의 마이크로니들을 상온에서 용해시킨 후 정량분석 키트에 적용하고, 이로써 가열에 의한 단백질의 파괴 없이 정량분석의 수행이 가능하다.

Description

마이크로니들 패치를 이용한 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방법{MINIMALLY INVASIVE METHOOD FOR EXTRACTING GLUCOSE IN INTERSTITIAL FLUID OF SKIN USING MICRONEEDLE PATCH}

본 발명은 마이크로니들 패치를 이용한 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방법에 관한 것이다.

질병의 치료를 위한 수많은 약물 및 생리활성물질 등이 개발되었지만 약물 및 생리활성물질을 신체 내로 전달함에 있어서, 생물학적 장벽(biological barrier, 예를 들어 피부, 구강점막 및 뇌-혈관 장벽 등) 통과 문제 및 약물 전달의 효율 문제는 여전히 개선되어야 할 점으로 남아 있다.

약물 및 생리활성물질은 일반적으로 정제제형 또는 캡슐제형으로 경구투여 되지만, 수많은 약물들이 위장관에서 소화 또는 흡수되거나 간의 기전에 의하여 소실되는 등의 이유로 상기와 같은 투여 방법만으로는 유효하게 전달될 수 없다. 게다가, 몇몇 약물들은 장의 점막을 통과하여 유효하게 확산 될 수 없다. 또한 환자의 순응도 역시 문제가 된다. (예를 들어 특정 간격으로 약물을 복용해야 하거나, 약을 복용할 수 없는 중환자의 경우 등)

약물 및 생리활성물질의 전달에 있어서 또 다른 일반적인 기술은 종래의 주사바늘(needle)을 이용하는 것이다. 이 방법은 경구 투여에 비하여 효과적인 반면에, 주사부위에서의 통증 수반 및 피부의 국부적 손상, 출혈 및 주사부위에서의 질병 감염 등을 야기하는 문제점이 있다.

상기 경구 투여 및 피하 주사의 문제점을 해결하기 위하여 패치제를 통한 경피 투여 방법이 이용된다. 패치제를 사용한 경피 투여는 부작용이 적고 환자의 순응도가 높으며 약물의 혈중 농도를 일정하게 유지하기 용이하다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 마이크로니들(microneedle)을 포함하는 여러 가지 마이크로 구조체들이 개발되었다. 마이크로니들의 재질로는 금속 및 다양한 고분자 물질이 사용되었다. 최근에는 마이크로니들의 재질로서 생분해성 및 생체 적합성 고분자 물질이 각광을 받고 있다.

생분해성 재질의 마이크로 구조체를 제작하기 위한 방법으로서 대표적인 것은 몰드를 이용한 방식이다. 반도체 제조공정을 응용하여 형성하고자 하는 마이크로 구조체의 형태를 음각으로 갖춘 몰드를 먼저 제작하고 이러한 몰드에 마이크로 구조체 재료를 부어 응고시킨 후 떼어내면 마이크로 구조체, 즉 마이크로니들이 형성된다.

본 출원인은 이러한 몰딩 방식의 마이크로 구조체 제작 방법을 대체할 수 있는 새로운 제작 방법으로서 송풍인장방식의 제작 방법에 대하여 국내외에 다수의 특허권을 획득한 바 있다. 송풍인장방식을 간단히 설명하면, 점성을 띈 생체친화성 고분자 물질을 기판 상에 위치한 패치의 바닥층 또는 패치에 결합되기 전의 바닥층에 스팟팅한 후 다른 기판 상에 위치한 패치의 바닥층 또는 패치에 결합되기 전의 바닥층에 동일한 생체친화성 고분자 물질을 스팟팅하거나 이를 생략하고, 상기 다른 기판을 반전시키고 상기 스팟팅된 생체친화성 고분자 물질쪽으로 접근시켜 최종적으로는 접촉되도록 하고, 그 이후 두 기판 사이의 상대적인 거리를 이격시켜 접촉된 점성을 가진 생체친화성 고분자 물질이 늘어나도록 하고, 이러한 인장 공정이 완료된 후 송풍을 실시하여 인장된 상태에서 형태가 고정되도록 하고 중간 부분을 절단하여 두 개의 다른 기판 상에 각각 동일한 마이크로 구조체가 형성되도록 하는 방법이다.

이상 약물 및 생리활성물질 전달 수단으로서 마이크로 구조체의 기술적 의미와 이를 제작하기 위한 방법 등에 대하여 간략히 설명하였다. 본 출원인은 본 발명에 이르러 마이크로 구조체를 약물 및 생리활성물질의 전달이 아닌 새로운 용도로 활용하는 것을 제안하고자 한다. 그것은 마이크로 구조체, 즉 마이크로니들을 포함하는 패치를 피부로 최소 침습하여, 마이크로니들로써 피부 내 간질액(interstitial fluid)을 추출하고 추출된 간질액을 검사하는 것이다. 더 구제척으로 간질액 내 글루코오스(Glucose)를 추출하고 추출된 글루코오스를 검사하는 것이다.

사람의 질병을 진단하고 관리하기 위해서 소변, 타액 및 혈액 검사를 통해 특정 질병과 관련된 여러가지 질병 인자 분석하여 평가한다. 하지만, 소변과 타액은 검사할 수 있는 질병 인자의 농도 범위가 매우 다양하여 정확한 정량 검사에 한계가 존재하고, 혈액 검사 같은 경우 채혈을 반드시 해야 한다는 점 때문에 환자 혹은 피험자들에 주사에 대한 공포와 통증을 유발하고, 또한 사용한 주사기에 의한 의료 폐기물 발생 및 2차 감염에 대한 단점이 존재한다. 상기와 같은 제한점들을 탈피하고자, 피부 내 간질액에서의 질병 인자를 추출하는 방법들이 연구되고 있다. 최근 보고되고 있는 논문들에서, 피부 내 간질액에 존재하는 대부분의 질병 인자들이 채혈에서 취득한 질병 인자와 유의미한 상관 관계로 검출이 된다는 내용이 보고되고 있다. 즉, 채혈을 하지 않고, 피부 내 간질액의 질병 인자 검사로도 여러 가지 질병들에 대한 진단 및 관리가 가능하다. 현재 피부 내 간질액을 추출할 수 있는 방법으로 알려져 있는 것들은 다음과 같다. 먼저, 역 이온토포레시스, 레이저 마이크로포레이션을 통해 피부에 구멍을 낸 후 진공으로 간질액을 물리적으로 추출하는 방법이 있다. 다음으로, open-flow microperfusion 방법 등이 있다. 그런데, 위 방법들은 의료 시술자의 일정 수준의 숙련도가 요구되는 방법이다. 피부 내 간질액을 추출하는 대체적(alternative)인 방법으로서 도 1에 개념적으로 도시된 바와 같은 피부에 부착하는 패치 제형의 센서들이 연구 개발되고 있다. 그런데, 이러한 피부 부착형 패치 제형 센서들은 피부로부터 발생하는 땀(sweat)으로부터 간질액을 센싱하므로, 반드시 특정 시간 동안의 운동 후에 피부로부터 땀이 배출된 상태에서만 적정한 정확성으로 간질액의 센싱이 가능하다.

이러한 한계점을 극복하기 위해 본 발명자들은 생체 적합성 고분자 소재로 구성된 마이크로니들 패치를 사용하여 최소 침습적으로 각질층을 투과하여 간질액이 존재하는 표피와 진피 층에 마이크로니들을 위치시켜, 마이크로니들에 질병 인자들을 흡수하고, 흡수된 질병 인자들을 분석하는 방법에 주목하게 되었다. 이와 같은 마이크로니들로의 질병 인자 추출 방법은 땀의 발생을 요구하지 않으며, 피부 내 간질액으로부터 최소 침습적으로 질병인자를 추출할 수 있다는 점과 더불어 주사의 통증과 공포감을 낮춰줄 수 있고, 채혈 후에 피부에 발생하는 피부 염증 등의 2차 위험 요소를 방지할 수 있다. 또한 의료 폐기물에 의한 2차 감염을 최소화할 수 있는 장점이 존재한다. 아울러, 간질액을 추출하는 타 방법들과 대비하여 의료 시술자가 아닌 환자 혹은 일반인들도 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 존재한다.

본 발명에 이르러 본 발명자들은 생체 적합성 고분자 소재로 구성된 마이크로니들 패치를 사용하여 피부 내 간질액에 존재하는 글루코오스를 추출함으로써 당뇨 질환을 진단 및 검사할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 2020년 1월부터 소아 당뇨에 대한 건강보험 적용과 같은 국가의 적극적인 행정이 이루어지고 있다. 당뇨 환자들은 주기적으로 체혈을 해야하는 엄격한 자기관리가 필요한 상황에 놓여있다. 하루 3회 이상의 침습적인 당 측정 방식은 환자에게 큰 불편을 초래하고 있다. 본 발명의 비침습적 피부 내 간질액 추출에 이은 당뇨 검사 방식은 이러한 불편을 크게 줄여줄 수 있을 것으로 기대한다.

마지막으로, 본 발명자들은 본 발명에 이르기까지 검토한 많은 선행기술들 중 현재 가장 가까운 선행기술로 평가하고 있는 기술에 대하여 아래에서 구체적으로 설명하고자 한다.

이 선행기술은 2020년 발표된 "A Hydrogel Microneedle Patch for Point-of-Care Testing Based on Skin Interstitial Fluid"라는 제호의 논문(Advanced Healthcare Materials 2020, 1901201)에 실려 있다. Rongyan He, Yan Niu, Zedong Li, Ang Li, Huayuan Yang, Feng Xu, Fei Li의 공동 저작물이다. 해당 논문 내용의 구체적인 설명을 위하여 논문에 사용된 그림들을 도 2 내지 도 7로 본 명세서에 첨부한다.

먼저, 도 2는 상기 선행기술논문의 전체적인 실험 내용을 개략적으로 도시하는 도면이다. 이 논문에서는 Polyvinyl Alcohol(이하, "PVA")과 Chitosan(이하, "CS") 소재를 혼합하여 동결해동공정(freezing and thawing)을 거쳐 하이드로겔 3차원 구조로 소재 특성을 부여해 마이크로니들을 몰딩 공정으로 제작하였다. 여기에서 하이드로겔 특성을 부여한 이유는 다공성 구조를 구현하여 수분을 흡수하기 위함이다. 이렇게 함으로써 마이크로니들이 팽윤 가능한(swellable)한 성질을 획득하게 된다.

제작한 PVA/CS 마이크로니들을 글루코오스가 함유된 Agarose gel(이하, "아가겔")에 부착하여 PVA/CS 마이크로니들의 글루코오스 추출량에 대해 in vitro 실험을 진행하였고, 또한 토끼에 PVA/CS 마이크로니들을 부착하여 글루코오스 추출량을 확인하는 in vivo 실험을 진행하였다.

글루코오스 함유된 PVA/CS 마이크로니들은 용리액에 넣어 열을 가해 PVA/CS 내 글루코오스를 녹여내어 글루코오스 앗세이를 통해 colorimetric 분석을 진행하였다.

도 3은 선행기술 논문에서 PVA/CS의 최적 비율을 찾기 위한 실험 결과를 도시한 도면이다. 도 3과 관련된 실험에서, PVA/CS의 최적 비율을 찾기 위해 PVA, CS의 wt%/wt% 비로 다공성 비율, 평균 pore 직경, 팽윤(swelling) 비율을 확인하였다. 결과적으로 도 3의 실험 결과로부터 PVA/CS 비율이 1:1일 때 팽윤 및 다공성 비율이 가장 높은 것으로 확인되었다. Porosity 계산은 SEM과 Autopore 프로그램을 통해 수행하였다. 팽윤 비율은 PVA/CS 마이크로니들의 초기 무게와 아가겔에 PVA/CS 마이크로니들 부착 후 무게의 변화를 통해 계산하였다.

도 4는 선행기술 논문에서 PVA/CS 마이크로니들을 글루코오스 함유된 아가겔에 부착한 후 시간 경과에 따라 무게 변화를 측정한 실험 결과를 도시한 도면이다. 이 실험에서 아가겔에 존재하는 글루코오스와 수분을 PVA/CS 마이크로니들이 추출하기에 무게가 증가한다. 다공성 및 팽윤 비와 동일하게 PVA/CS 비율이 1:1 일 때 추출량이 가장 많은 것으로 측정되었고, 부착 시간에 따라 추출량이 증가하는 경향이 확인되었다.

도 5는 선행기술 논문에서 PVA/CS 마이크로니들에 의하여 추출된 글루코오스의 양을 정량하는데 있어서 최적의 온도 조건을 알아내기 위한 실험 결과를 도시한 도면이다. PVA/CS 마이크로니들 제작 시 PVA는 섭씨 90도에서 4시간 용해시키고, CS는 0.1M 아세트산 용액으로 용해시킨다. 또한, PVA/CS는 소재 특성 상 상온에서 물에 대하여 비수용성 특성을 가진다. 본 실험에서 PVA/CS 마이크로니들이 몇 도의 온도 조건에서 용해되어 글루코오스 함량을 측정할 수 있는 지에 대하여 확인하기 위한 목적으로, 메틸렌블루를 함유한 PVA/CS 마이크로니들을 제조하여 용리액의 온도에 따라 메틸렌블루가 용리액에 녹아져 나오는 현상을 실험적으로 확인하였다. 그 결과, 상온 실험군에 비해 섭씨 60도의 용리액 온도 조건에서 PVA/CS가 녹아 메틸렌블루가 충분히 용리액으로 나오는 점을 확인하였다.

도 6은 선행기술 논문에서 글루코오스 함유 아가겔에 PVA/CS 마이크로니들 부착 후 실제로 추출된 글루코오스 함량을 분석한 결과를 도시한 도면이다. 그 결과, 도 6의 그래프로부터 알 수 있듯이, 아가겔 내 글루코오스 농도가 증가할수록 추출된 글루코오스 양이 선형적으로 증가하는 것이 확인되었다.

마지막으로 토끼를 대상으로 PVA/CS 마이크로니들을 사용한 간질액 내 글루코오스를 추출하는 in vivo 실험을 진행하였다. 그 결과가 도 7에 도시되어 있다. 도 7의 적색 그래프는 PVA/CS 마이크로니들에서 추출된 글루코오스 농도이고, 검정 그래프는 시중에 판매되고 있는 글루코오스 측정기를 사용하여 토끼의 정맥으로부터 글루코오스를 추출한 그래프이다. 결과적으로 토끼 모델에서 글루코오스 측정기를 이용한 혈액 내 글루코오스 농도와 PVA/CS 마이크로니들을 이용하여 피부 간질액으로부터 추출한 글루코오스 농도 사이에는 유의미한 상관관계가 있음을 확인하였다.

그런데, 위 선행기술논문의 실험 결과에 주목한 본 발명자들은 다음과 같은 한계점을 발견하였다.

먼저, 위 선행기술논문의 실험 결과는 팽윤 특성을 가지는 PVA/CS 마이크로니들을 이용하여 in vitro, in vivo 실험을 통해 충분히 최소침습적 방법으로 피부 내 간질액 내 글루코오스를 측정할 수 있으며, 그 측정 결과는 혈액 내 글루코오스 농도와 유의미한 상관관계를 갖는다는 점을 확인한 것에서 큰 의의를 지닌다.

그렇지만, 하이드로겔 특성을 갖는 PVA/CS 마이크로니들을 제작하는데 있어서 동결 및 해동 공정의 시간이 매우 오래 걸린다는 점(동결: 섭씨 -20도에서 10시간, 해동: 상온 4시간씩 3 cycles)이 상용화에 큰 걸림돌이 될 것으로 생각되었다. 한편, 선행기술논문의 마이크로니들 제작은 몰딩 방식에 의하여 진행되었는데, 이 몰딩 공정은 섭씨 60도의 온도에서 대략 6시간이 소요된다.

또한, PVA/CS는 소재 특성 상 상온에서 용해되지 않고 섭씨 60도 정도의 열을 가해야지만 추출된 글루코오스의 정량 측정이 가능하도록 용해가 이루어지는데, 이점이 Enzyme과 같이 열에 취약한 단백질에 적용하기에는 어렵다는 단점을 가져온다.

본 발명자들은 선행기술 논문의 PVA/CS 소재를 대체하여 상기 단점들을 해소함과 아울러 혈액 내 글루코오스 농도와 유의미한 상관관계를 갖는 농도의 새로운 글루코오스 추출 방법을 개발하기 위하여 연구를 지속하였으며, 그 결과 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방법을 제공함에 있어서 필수적인 도구가 되는 마이크로니들 패치의 제조 시 공정 시간을 종래기술 대비 획기적으로 줄이는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 마이크로니들 패치를 대상체의 피부에 부착 후 유지하여야 하는 시간을 줄임으로써 보다 시간 효율적인 피부 간질액 내 글루코오스 추출 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 마이크로니들에 흡수된 피부 간질액 내 글루코오스 양의 정량분석을 위하여 마이크로니들을 용해시킴에 있어서 상온에서의 용해가 가능토록 하여 열에 취약한 단백질의 파괴 없이 정량분석이 가능하도록 하는 피부 간질액 내 글루코오스 추출 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방법은, 복수개의 마이크로니들을 포함하는 마이크로니들 패치를 준비하는 단계와; 상기 마이크로니들 패치를 대상체의 피부에 부착하여 소정시간 유지하는 단계와; 상기 마이크로니들 패치를 대상체의 피부로부터 떼어내어 추출된 피부 간질액 내 글루코오스 양을 정량분석하는 단계를 포함한다. 상기 마이크로니들 패치 준비 단계에서는 키토산 100% 분말을 상온에서 산성 용매에 녹여 키토산 점성 조성물을 제조하여 이를 마이크로니들 제조 공정에 적용한다. 상기 정량분석 단계에서는 대상체의 피부로부터 떼어내진 상기 마이크로니들 패치의 마이크로니들을 용해시킨 후 정량분석 키트에 적용한다.

상기 정량분석 단계에서는 대상체의 피부로부터 떼어내진 상기 마이크로니들 패치의 마이크로니들을 상온에서 용해시킨 후 정량분석 키트에 적용하고, 이로써 가열에 의한 단백질의 파괴 없이 정량분석의 수행이 가능하다.

이외에도 추가적인 단계나 구성이 본 발명에 따른 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방법에 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점이 해결될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방법을 제공함에 있어서 필수적인 도구가 되는 마이크로니들 패치의 제조 시 공정 시간을 종래기술 대비 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 마이크로니들 패치를 대상체의 피부에 부착 후 유지하여야 하는 시간을 줄임으로써 보다 시간 효율적인 피부 간질액 내 글루코오스 추출 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 마이크로니들에 흡수된 피부 간질액 내 글루코오스 양의 정량 측정을 위하여 마이크로니들을 용해시킴에 있어서 상온에서의 용해가 가능토록 하여 열에 취약한 단백질의 파괴 없이 정량 측정이 가능하도록 하는 피부 간질액 내 글루코오스 추출 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 피부 내 간질액을 추출하는 방법의 일종으로서 피부에 부착하는 패치 제형의 센서를 도시하는 도면이다.
도 2는 선행기술 논문의 전체적인 실험 내용을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 선행기술 논문에서 PVA/CS의 최적 비율을 찾기 위한 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 선행기술 논문에서 PVA/CS 마이크로니들을 글루코오스 함유된 아가겔에 부착한 후 시간 경과에 따라 무게 변화를 측정한 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 선행기술 논문에서 PVA/CS 마이크로니들에 의하여 추출된 글루코오스의 양을 정량하는데 있어서 최적의 온도 조건을 알아내기 위한 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 선행기술 논문에서 글루코오스 함유 아가겔에 PVA/CS 마이크로니들 부착 후 실제로 추출된 글루코오스 함량을 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 토끼를 대상으로 PVA/CS 마이크로니들을 사용한 간질액 내 글루코오스를 추출하는 in vivo 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 당업계에 널리 알려진 Franz Cell 장비를 사용한 실험의 개요를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험에 사용된 키토산 100% 재질의 마이크로니들을 촬영한 사진이다.
도 10은 도 8의 실험 결과를 도시한 도면으로서, 1, 4, 8, 24 및 48 시간 경과 후 마이크로니들의 길이와 밑면의 지름 변화를 관찰한 결과를 보여준다.
도 11은 팽윤 전후의 마이크로니들을 각각 촬영한 사진이다.
도 12는 마이크로니들에 묻어나온 피부 간질액 내 글루코오스의 양을 정량적으로 분석하기 위한 글루코오스 앗세이 키트(glucose assay kit)의 개요를 설명하는 도면이다.
도 13은 도 12와 관련하여 설명한 글루코오스 앗세이 키트를 이용한 실제 실험 결과를 도시하는 도면이다.
도 14는 키토산 100% 재질의 마이크로니들을 사용하여 in vitro 실험을 수행한 결과를 도시하는 도면이다.
도 15는 운동 전후 마이크로니들 어레이 패치(Microneedle Array Patch, MAP)를 1시간 동안 사람의 몸에 부착하여 이러한 패치에 의해 추출된 피부 간질액 내 글루코오스 농도를 대비한 결과를 도시하는 도면이다.
도 16은 마이크로니들 패치를 이용하여 in vitro 실험을 통하여 재질 및 마이크로니들의 개수 별 글루코오스 추출 성능을 비교하기 위한 실험 결과를 도시하는 도면이다.
도 17은 키토산 100% 재질의 마이크로니들 패치와 키토산과 PVA(Polyvinyl Alcohol)가 혼합된 재질의 마이크로니들 패치들에 있어서 글루코오스 추출 성능을 비교하기 위한 실험 결과를 도시하는 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 바람직한 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 8은 당업계에 널리 알려진 Franz Cell 장비를 사용한 실험의 개요를 도시하는 도면이다. 이 실험은 본 발명자들이 제작한 키토산 100% 재질의 마이크로니들의 횡방향, 즉 밑면의 지름 방향으로의 팽윤(swellable) 성질을 확인하기 위한 실험이다. 이 실험에 사용한 마이크로니들 패치의 제조를 위하여 분자량 50 내지 350kDa의 키토산 분말을 입수하였다. 이러한 키토산 분말을 상온에서 아세트산 용매에 녹여 키토산 점성 용액을 만들었다. 제조된 키토산 점성 용액은 송풍인장방식의 마이크로니들 패치 제조장비에 의하여 마이크로니들로 제조하기에 적합한 것으로 확인되었으며, 동 장비에 투입하여 패치 한 개 당 90개 및 138개 니들을 갖는 마이크로니들 패치를 제조하였다. 제조된 마이크로니들의 패치의 마이크로니들의 형상을 파악한 결과, 마이크로니들의 길이는 450 ~ 700um, 밑면의 지름이 700~900um이었다. 도 9는 위에 설명한 방식으로 제조한 키토산 100% 재질의 마이크로니들을 촬영한 사진이다.

도 10은 도 8의 실험 결과를 도시한 도면으로서, 1, 4, 8, 24 및 48 시간 경과 후 마이크로니들의 길이와 밑면의 지름 변화를 관찰한 결과이다. 길이는 시간 변화에 따라 늘기도 하고 줄기도 하는데, 그 정도가 미미하였다. 측정 오차를 감안하면 시간에 따라 늘기도 줄기도 하는 경향성은 없는 것으로 판단된다. 반면, 밑면 지름의 변화는 뚜렷하게 증가하는 경향이 관찰되었다. 또한, 4시간 경과 이후에는 더 이상 증가하지 않는 것으로 관찰되었다. 이로부터 키토산 100% 마이크로니들이 Franz Cell 내의 물을 돼지 피부를 경유하여 흡수함에 있어서 흡수량이 증가함에 따라 길이는 변화하지 않고 밑면의 지름 방향으로 팽윤(swelling) 하는 성질을 확인할 수 있었다. 4시간 경과 후 더 이상 팽윤하지 않는 것은 키토산 마이크로니들의 흡수 가능 캐파(capacity)를 4시간 안에 모두 채웠기 때문인 것으로 이해되었다. 앞서 언급한 종래기술의 논문에서 PVA/CS 마이크로니들의 동일 방향 팽윤 성질을 확인하였는데, 키토산 100% 마이크로니들도 동일한 팽윤 성질을 본 실험으로부터 확인하였다. 도 11은 팽윤 전후의 마이크로니들을 각각 촬영한 사진이다. 마이크로니들의 길이는 유지되나, 밑면의 지름이 800um대에서 1000um로 증가된 모습을 확인 가능하다.

도 12는 마이크로니들에 묻어나온 피부 간질액 내 글루코오스의 양을 정량적으로 분석하기 위한 글루코오스 앗세이 키트(glucose assay kit)의 개요를 설명하는 도면이다. 본 도면을 참조하면, 글루코오스 앗세이 키트(glucose assay kit) 내 존재하는 글루코오스 분해 효소인 glucose oxidase가 글루코오스만을 선택적으로 산화시키며, 그 부산물인 H2O2가 probe와 반응하여 발색(분홍빛/OD 540nm)을 유도하여 글루코오스 함량을 정량하는 방식을 이해할 수 있고, 이는 당업자에게 자명할 것이다. 이와 같은 글루코오스 정량 분석 방식이 본 명세서에 기재된 실험들에 사용되었다.

도 13은 도 12와 관련하여 설명한 글루코오스 앗세이 키트를 이용한 실제 실험 결과를 도시하는 도면이다. 글루코오스 앗세이 키트의 원리대로 추출된 글루코오스의 양이 증가할수록 발색의 정도(OD 540nm)가 증가함을 알 수 있다. 글루코오스 농도에 따라 발색의 정도가 다름을 확인하고, r^2(결정계수)가 0.99 %로 확인되어 분석에 대한 신뢰도를 확보하였다(r^2=1, 분석오차 0의 의미).

도 14는 앞서 설명한 방식으로 제작한 키토산 100% 재질의 마이크로니들을 사용하여 in vitro 실험을 수행한 결과를 도시하는 도면이다. 도 14의 in vitro 실험 조건은 다음과 같다. 먼저 아가로즈 겔(Agarose gel)을 준비하였다. 1.25% 농도의 아가로즈 겔 표면에 마이크로니들 패치를 30초, 1분, 5분, 7분으로 시간을 달리해 가며 부착한 이후 떼어내고, 떼어낸 패치의 마이크로니들을 상온(섭씨 25도)에서 PBS 3ml 용매에 6시간 용해하였다. 그 이후 상기 용액을 도 12에서 설명한 글루코오스 앗세이 키트를 이용하여 글루코오스 정량 분석을 진행하였다. 도 14의 우측 그래프로부터 확인 가능하듯이, 30초 경과한 후 떼어낸 패치의 마이크로니들로부터 획득한 글루코오스의 양과 1분, 5분 및 7분 경과한 후 떼어낸 패치의 마이크로니들로부터 획득한 글로코오스의 양이 대동 소이하였다. 본 실험 결과로부터 키토산 100% 재질의 마이크로니들을 대상체의 피부에 부착하여 간질액 내 글루코오스를 추출함에 있어서 피부 부착시간을 어느 정도로 해야하는지를 파악할 수 있었으며, 30초의 짧은 부착시간으로도 충분한 양의 글루코오스를 추출할 수 있음을 확인한 것에 의미가 있다.

도 15는 운동 전후 마이크로니들 어레이 패치(Microneedle Array Patch, MAP)를 1시간 동안 사람의 몸에 부착하여 이러한 패치에 의해 추출된 피부 간질액 내 글루코오스 농도를 대비한 결과를 도시하는 도면이다. 이 실험에서 사용한 키토산 100% 재질의 마이크로니들 패치는 패치 당 138개의 마이크로니들을 포함하며, 도 8의 실험과 관련하여 명시한 것과 동일한 방법으로 제작하였다. 그 결과, 운동 전 상태의 사람에게 1시간 동안 부착한 결과 추출된 글루코오스 농도에 비하여 운동 후 상태의 사람에게 동일 시간 동안 부착한 결과 추출된 글루코오스 농도가 높다는 점을 확인하였다.

도 16은 마이크로니들 패치를 이용하여 in vitro 실험을 통하여 재질 및 마이크로니들의 개수 별 글루코오스 추출 성능을 비교하기 위한 실험 결과를 도시하는 도면이다. 도 16의 실험에서 in vitro 실험 조건은 도 14의 경우와 동일하다. 아무런 니들이 형성되지 않은 공패치, 패치당 138개의 마이크로니들을 포함하는 용해성 히알루론산(HA) 마이크로니들 패치, 패치 당 138개의 마이크로니들을 포함하는 키토산 100% 마이크로니들 패치, 패치 당 90개의 마이크로니들을 포함하는 키토산 100% 마이크로니들 패치를 실험에 사용하였다. 그 결과가 도 16의 우측 그래프에 도시되었는데, 공패치의 발색 결과 값을 모든 실험군의 패치의 발색 값에서 빼주는 분석 값의 보정을 실시하였다. 그 결과, 공패치의 추출 결과는 0으로 표시되었고, 나머지 패치들의 추출 결과는 공패치의 추출 결과 대비 상대적인 추출 정도를 표시하고 있다. 도 16에 도시된 실험 결과 그래프로부터 확인 가능하듯이, 분해성 히알루론산 마이크로니들 패치의 경우 공패치에 비해서는 상대적으로 글루코오스 추출 성능이 뛰어나지만 키토산 마이크로니들 패치에 비해서는 글루코오스 추출 성능이 떨어짐을 확인하였다. 동일한 키토산 재질의 마이크로니들 패치들 중에서는 패치 당 마이크로니들의 개수가 많은 쪽이 글루코오스 추출 성능이 높다는 점을 확인하였다.

도 17은 키토산 100% 재질의 마이크로니들 패치와 키토산과 PVA(Polyvinyl Alcohol)가 혼합된 재질의 마이크로니들 패치들에 있어서 글루코오스 추출 성능을 비교하기 위한 실험 결과를 도시하는 도면이다. 총 4가지 다른 재질의 마이크로니들을 갖는 마이크로니들 패치를 준비하였다. 첫번째 패치는 앞서 설명한 실험들에서 사용한 것과 동일한, 즉 키토산 100% 재질의 마이크로니들로 이루어진 패치이다. 두번째 패치는 키토산 70 wt%, PVA 30 wt% 재질의 마이크로니들로 이루어진 패치이다. 세번째 패치는 키토산 50 wt%, PVA 50 wt% 재질의 마이크로니들로 이루어진 패치이다. 네번째 패치는 키토산 30 wt%, PVA 70 wt% 재질의 마이크로니들로 이루어진 패치이다. 모든 패치들은 송풍인장방식으로 제조되었다. 본 실험은 본 명세서의 배경기술 및 도 2 내지 도 7과 관련하여 자세히 설명한 종래기술 논문의 피부 간질액 내 글루코오스 추출을 위한 최소침습적 방식의 마이크로니들 패치와 글루코오스 추출 성능을 비교하기 위한 실험이다. 앞선 in vitro 실험과 동일한 조건으로 진행하였으며, 부착 시간은 1분으로 통일하였다. 그 결과 키토산 100% 재질의 마이크로니들의 글루코오스 추출 성능이 가장 우수한 것으로 확인되었다.

본 발명자들이 수행한 앞선 실험들의 결과를 이하에 정리한다. 특히 본 명세서의 배경기술 부분에 자세히 소개한 논문의 마이크로니들 패치와 대비되는 본 발명 특유의 특징에 대하여 기재한다. 선행기술 논문의 마이크로니들 패치를 이용한 피부 간질액 내 글루코오스 추출 방식은 마이크로니들의 재질로서 키토산과 PVA를 혼합한 재질을 사용하였다. 키토산을 사용한 이유는 키토산 재질을 사용하면 특유의 다공성 성질로 인해 수분을 흡수하는 성능이 뛰어나기 때문이다. PVA 역시 동일 성질을 가지고 있기 때문에 키토산과 PVA의 혼합 재질을 사용하였다. 그러나, PVA의 경우 다공성 특성을 발현하기 위하여 동결 및 해동(freezing and thawing) 공정을 반드시 거쳐야 한다. 해당 소재들을 비율 별로 섞어 in vitro, in vivo 실험을 거쳐 간질액 내 글루코오스를 추출 가능함을 확인하였다. 본 발명자들은 본 발명에 이르러 선행 논문에서 사용한 재질과 다른 재질의 마이크로니들, 즉 키토산만으로 이루어진 마이크로니들로써 피부 간질액 내 글루코오스를 추출 가능하다는 것을 확인하였다. 선행기술 논문에서는 키토산과 PVA를 혼합한 하이드로겔 상태의 마이크로니들을 사용하였지만, 본 발명에서는 하이드로겔 상태가 아닌 고형화 시킨 마이크로니들을 사용하며, 피부에 침투시켰을 때 피부 내 간질액의 수분에 의한 팽윤(swelling) 현상이 동일하게 발생함을 확인하였다. 선행기술 논문에서는 하이드로겔을 제조하기 이하여 섭씨 영하 20도에서 10시간 냉각 후 상온 용해 4시간을 1사이클로 하여 3사이클을 반복한다. 이후 섭씨 60도의 오븐에서 6시간 동안 건조시킨다. 즉, 총 48시간이 걸리는 공정을 통하여 마이크로니들 패치를 제조한다. 이와 대비하여, 본 발명에서는 키토산 100% 재질의 마이크로니들 패치를 제조함에 있어서 송풍인장공정(Droplet Extension, DEN)으로 5분 내 마이크로니들 패치의 제조가 가능하기 때문에, 선행기술 논문에서 사용된 마이크로니들 패치과 비교하여 압도적인 생산성을 확보할 수 있다. 한편, 선행기술 논문의 마이크로니들 패치를 사용하는 in vitro 글루코오스 추출 실험 시 6분 이상 부착시간을 확보하여야 최대량의 글루코오스를 추출할 수 있었음에 비하여 본 발명의 마이크로니들 패치를 사용하는 동일 실험에서는 1분 이하, 경우에 따라서는 대략 30초의 부착시간만으로도 최대량의 글루코오스를 추출할 수 있음을 확인하였다.

선행기술 논문의 마이크로니들 패치와 대비되는 본 발명의 마이크로니들 패치의 가장 큰 특징 중 하나로서 반드시 주목하여야 할 특징은 피부로의 소정 시간 부착을 유지하다가 떼어낸 이후 마이크로니들에 의하여 추출된 글루코오스 양의 정량을 위하여 마이크로니들을 용해하는 과정에 존재한다. 선행기술 논문의 키토산 및 PVA 혼합 재질은 소재 특성 상 상온에서 용해가 어렵다. 따라서, 섭씨 60도 정도의 열을 가하여 마이크로니들을 용해하고, 마이크로니들로부터 글루코오스를 추출한다. 그 과정에서 열에 취약한 단백질이 파괴될 수 있다. 반면, 본 발명에 이르러서는 상온(섭씨 25도)에서 용해 과정을 수행하여도 키토산 100% 재질의 마이크로니들이 충분히 용해하여 글루코오스의 정량 분석이 가능함이 확인되었다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 복수개의 마이크로니들을 포함하는 마이크로니들 패치와,
   글루코오스의 양을 정량 분석하는 키트를 포함하고,
   상기 마이크로니들 패치는 키토산 분말을 상온에서 산성 용매에 녹여 키토산 점성 조성물을 제조한 후 이 점성 조성물을 마이크로니들 제조 공정에 적용함으로써 제조되고,
   상기 마이크로니들 패치는 대상체의 피부에 부착하여 소정시간 유지하는 과정에서 피부 간질액 내 글루코오스를 추출한 후 떼어지고,
   상기 마이크로니들 패치의 마이크로니들은 상온에서 용해된 후 상기 정량 분석 키트에 제공되고,
   상기 정량분석 키트에서는 가열에 의한 단백질의 파괴 없이 상기 마이크로니들의 상온 용해물로부터 글루코오스 양이 정량 분석되는,
   피부 간질액 내 글루코오스 추출 및 정량분석을 위한 최소 침습적 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로니들 패치의 마이크로니들은 상기 피부 부착 및 소정시간 유지 과정에서 대상체의 피부 내 간질액을 흡수하여 마이크로니들의 밑면의 지름 방향으로 팽윤하되 마이크로니들의 길이는 실질적으로 일정하게 유지되는,
   피부 간질액 내 글루코오스 추출 및 정량분석을 위한 최소침습적 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로니들의 팽윤은 대상체의 피부 내 간질액이 키토산 재질의 마이크로니들의 다공성 구조에 스며듦으로써 생기는,
   피부 간질액 내 글루코오스 추출 및 정량분석을 위한 최소침습적 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 마이크로니들 패치를 준비함에 있어서는 키토산 점성 조성물을 송풍인장공정에 적용하고,
   상기 송풍인장공정에서 기판 위에 제공된 패치 제조용 시트 위에 상기 점성 조성물을 토출하는 단계와,
   상기 점성조성물을 인장하는 단계와,
   송풍을 실시하여 상기 인장된 점성조성물을 건조하는 단계와,
   상기 건조된 구조체를 절단하는 단계를 포함하는 단계를 거쳐 마이크로니들 패치를 제조하는,
   피부 간질액 내 글루코오스 추출 및 정량분석을 위한 최소침습적 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 정량분석에서 사용하는 정량분석 키트는 글루코오스 앗세이 키트로서, 상기 키트 내 존재하는 글루코오스 분해 효소인 glucose oxidase가 글루코오스만을 선택적으로 산화시키고, 그 부산물인 H₂O₂가 발색 반응을 유도하고, 이러한 반응 결과로써 글루코오스 함량이 정량화 되는,
   피부 간질액 내 글루코오스 추출 및 정량분석을 위한 최소침습적 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 마이크로니들 패치의 대상체의 피부로의 부착 후 유지 시간은 1분 이하인,
   피부 간질액 내 글루코오스 추출 및 정량분석을 위한 최소 침습적 장치.

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