KR102351937B1 - 무릎 관절 재생을 위한 자기 구동 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무릎 관절 재생 용도에 적합하게 배치 설계된, 전자기 발생 코일을 포함하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치에 관한 것이다. 본 발명의 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치를 이용하는 경우, 무릎 관절의 손상을 효과적으로 재생시킬 수 있다.

Description

무릎 관절 재생을 위한 자기 구동 시스템{Magnetic Actuated System for Knee Articular Cartilage Regeneration}

본 발명은 무릎 관절 재생 용도에 적합하게 배치 설계된, 전자기 발생 코일을 포함하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치에 관한 것이다.

무릎 관절은 조직 내 줄기세포와 전구세포의 밀도가 상대적으로 낮고, 혈관이 없어 연골 손상 후 주변으로부터 연골세포의 이동이 제한적이어서 재생력이 다른 조직에 비해 낮다. 무릎 괄절 연골 손상 시 치유에 관여하는 줄기세포들 또한 기계적 성질이 약한 섬유 연골로 재생되거나 재생 능력이 제한적이다. 이러한 이유로 무릎 관절 연골의 손상 치료법은 초기에 약물 또는 물리치료 등의 보존요법이었으며 증상 호전이 없을 경우 관절경 수술 또는 인공 관절치환술 등의 치료법에 의한다. 줄기세포를 이용한 관절연골 손상의 재생 치료법의 경우, 생체재료를 이용한 미세골절술, 자가 연골세포 또는 기질기반 연골세포 이식술 등의 수술적 방법에 의한 줄기세포 이식이 이루어지고 있는데 이러한 연골재생을 위한 세포(연골세포, 줄기세포)를 이식하는 기존의 방법은 결손부위를 수술적 방법에 의해 노출시켜 시술하거나 관절 연골 결손부위에 다량의 세포를 정확히 위치시키고 치료기간 동안 그 수를 유지시키는데 문제점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위해 줄기세포에 마그네틱 파티클 (magnetic particles)을 삽입하고 이를 X-ray 영상과 외부의 영구자석을 이용하여 원하는 방향으로 조종하여 지향해 주는 방법이 제안되기도 하였다.

조직재생 분야에서 스캐폴드(다공성구조체)는 기존 조직과의 연결 및 본래 형태를 복원하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 기존 스캐폴드는 대부분 크기가 mm이상으로, 침습적 시술이 불가피한 문제가 있고, 최근, μm 크기를 지닌 치료제 담지 스캐폴드를 관절강 내로 주입하여 손상된 조직을 재생하는 연구가 진행된 바 있으나, 타겟팅 부재로 인해 치료제 전달 효율이 낮은 문제점이 있었다. 이러한 문제를 극복하고자, 자성 나노입자를 담지한 μm 크기의 스캐폴드나 세포를 무릎 관절 내 손상된 연골로 표적화하는 연구가 진행되고 있다.

표적화를 위한 기존 자기장 발생 장치는 단일 영구자석/전자기 코일로 구성되어 있어 표적화 대상(약물담지 마이크로구조체)이 자기장 발생 장치 쪽으로만 이동 가능한 특징이 있었다.

Goki Kamei et al., Am J Sports Med, Vol. 41, No. 6, 1255:1264 (2013).

본 발명의 목적은, 무릎 관절 재생 용도에 적합하게 배치 설계된, 전자기 발생 코일을 포함하는 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치를 제공하는 것이다.

구체적으로, 본 발명에 따른 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치는 무릎 관절 이미징 장치 및 의료진의 접근, 체내 주입되어 관절 손상부위로 이동하는 마이크로로봇의 3차원 공간 상 이동을 고려하여 전자기 코일이 배치되어 무릎 관절 재생 치료가 원활하게 수행될 수 있도록 하는 장치를 제안한다.

본 발명의 또 다른 목적은, (a) 상술한 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치 및 (b) 자성마이크로스캐폴드를 포함하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 대상(subject)의 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간 상의 소정의 중심점을 기준으로, 상기 중심점을 지나는 6개의 직선 축 방향에 각각 배치된 6개의 전자기 발생 코일을 포함하고, 상기 6개의 전자기 발생 코일은 하기의 축 방향 좌표에 따라 배치되는, 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치가 제공된다:

[축 방향 좌표]

제1 전자기 발생 코일 θ=d(0°≤d<30°), α=30°,

제2 전자기 발생 코일 θ=d+180°, α=30°,

제3 전자기 발생 코일 θ=d+330°, α=-22.5°,

제4 전자기 발생 코일 θ=d+45°, α=-15°,

제5 전자기 발생 코일 θ=d+150°, α=-22.5°,

제6 전자기 발생 코일 θ=d+225°, α=-15°

(상기 중심점을 기준으로 임의로 설정한 상호 직교하는 x축, y축, 및 z축을 기준으로, θ는 x축으로부터 y축으로의 일 방향으로 회전한 각(dgree)(0~360°)을 의미하고, α는 xy 평면을 기준으로 z축 방향으로 회전한 각(-90~90°)을 의미한다).

본 발명의 일 실시예에 있어서, 대상(subject)의 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간 상의 소정의 중심점을 기준으로 임의로 설정한 z축은 중력 방향에 일치하도록 설정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 대상(subject)의 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간 상의 소정의 중심점을 기준으로 임의로 설정한 y 축은 대상의 다리의 길이 방향에 일치하도록 설정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 내지 제6 전자기 발생 코일은 대상(subject)의 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간 상의 소정의 중심점을 기준으로 동일한 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치는 무릎 관절 손상 부위 실시간 이미징을 위한 이미징 장치를 추가적으로 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, (a) 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치 및 (b) 자성마이크로스캐폴드를 포함하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시스템이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명상의 자성마이크로스캐폴드는 무릎 연골 생성 세포를 포함하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명상의 무릎 연골 생성 세포는 무릎 연골 세포 또는 줄기세포이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명상의 줄기세포는 지방, 제대혈 또는 골수 유래 줄기세포이다.

상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 양태에 따르면, (a) 상술한 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치 및 (b) 자성마이크로스캐폴드를 포함하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시스템이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 자성마이크로스캐폴드는 무릎 연골 생성 세포를 포함하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 무릎 연골 생성 세포는 무릎 연골 세포 또는 줄기세포이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 줄기세포는 지방, 제대혈 또는 골수 유래 줄기세포인 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 아래에 기재된 효과를 얻을 수 있다. 다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치를 이용하는 경우, 무릎 관절 이미징 장치 및 의료진의 접근을 용이하게 하면서도, 체내 주입될 마이크로로봇의 3차원 공간 상 이동을 효과적으로 제어할 수 있게되어, 무릎 관절 재생 치료 효율을 유의하게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 범위는 상술한 본 발명의 효과에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 구동 코일 장치에 포함되는 6개의 전자기 발생 코일의 배열 상태를 나타낸다.
도 2는 전자기 구동 코일 장치를 이용한 무릎관절 재생 시술 절차의 개요도를 나타낸다.
도 3a는 전자기 코일 최적화 배치 절차의 개념도를 나타내고, 도 3b 좌측 도는 전자기 코일 배치 후보군 선정을 위한 후보군 배치 범위를 나타내며, 도 3b 우측 도는 계산된 determinent value 값을 기준으로 선정된 상위 후보군들의 자기장 분포 결과값을 나타낸다.
도 4은 FEM simulation을 이용한 전자기 코일 장치의 관심 영역 내 원하는 자기장 및 경사기장에 대한 방향 및 세기를 확인한 결과를 나타낸다.
도 5는 무릎 관절 손상 부위 실시간 이미징을 위한 이미징 장치를 추가적으로 더 포함하도록 실 구현된 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시제품 사진을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서의 전자기 코일 배치를 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치의 성능에 대하여, 전류 인가에 따른 시뮬레이션 결과 및 실 측정 자기장 비교 결과를 나타내며, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 손상 부위 실시간 이미징을 위한 이미징 장치를 추가적으로 더 포함하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치에 대하여, 영구자석을 이용한 각도 정밀도 측정 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치를 이용한 phantom 내 마이크로스캐폴드 표적화 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치를 이용한 마이크로스캐폴드 표적화 동물실험 결과를 나타내는 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전히 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

몇몇의 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "…부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 나아가, "일(a 또는 an)", "하나(one)", 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

아울러, 본 발명의 실시예들에서 사용되는 특정(特定) 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

본 명세서 상에서 사용되는 용어 "자기장(magnetic field)"은 자장 또는 자계라고도 하며 자기력선(lines of magnetic force)이 펼쳐진 공간 즉 전류나 자석의 주위, 지구의 표면 등과 같이 자기작용이 영향을 미치는 공간을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치를 보여준다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치는 대상(subject)의 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간(110) 상의 소정의 중심점을 기준으로, 상기 중심점을 지나는 6개의 직선 축 방향에 각각 배치된 6개의 전자기 발생 코일(101 내지 106)을 포함한다.

전자기 발생 코일(101 내지 106)은 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간(110) 내의 소정의 중심점을 향하도록 배치될 수 있다. 본 발명의 소정의 중심점이란 무릎 관절 내의 손상 부위로서 재생을 요하는 부분의 위치를 기반으로 임의로 선정될 수 있다. 무릎 관절 내로 주입된 자성마이크로스캐폴드의 양 및 생성되는 자기장 영역의 범위를 고려하여, 무릎 관절 내의 손상 부위로 자성마이크로스캐폴드를 이동시킬 수 있도록 임의로 선정할 수 있다. 도 1에 있어서, 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간(110)을 나타내는 구 형상은, 무릎 관절 재생을 요하는 대상(subject)의 무릎이 위치하게 될 영역에 대한 이해를 돕기 위해 표시한 것이며, 발명의 구성으로서 포함되는 물리적인 구조체는 아니다.

각각의 전자기 발생 코일(101 내지 106)은 중심점을 지나는 직선 방향으로 형성된 자기 코어(core), 상기 자기 코어에 권취되는 코일(coil)로 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 자기 코어에 권취된 코일은 일 말단이 자기 코어의 일 말단에 연결되고, 코일의 다른 일 말단은 전원부에 연결되어, 전류를 인가(apply)받아, 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간(110) 상에 자계를 형성시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 6개 전자기 발생 코일의 배치를 나타낸다. 도 3a에 나타낸 절차에 따라, 전자기 발생 코일 배치의 경우의 수를 상정하고, 무수히 많은 경우의 수 가운데, 타 코일 배치에 비해 유의하게 상승된 자기장 생성능을 갖는, 무릎 관절에 적용하기에 최적화된 코일 배치를 결정하였다. 최적화된 코일 배치는 다음과 같이 결정되었다:

제1 전자기 발생 코일 θ=d(0°≤d<30°), α=30°,

제2 전자기 발생 코일 θ=d+180°, α=30°,

제3 전자기 발생 코일 θ=d+330°, α=-22.5°,

제4 전자기 발생 코일 θ=d+45°, α=-15°,

제5 전자기 발생 코일 θ=d+150°, α=-22.5°,

제6 전자기 발생 코일 θ=d+225°, α=-15°

무릎 관절이 위치 될 3차원 공간(110)상의 중심점을 지나는 직선축들 중에서 상호 직교하는 x축, y축, 및 z축을 임의로 선정하고, 이를 기준으로, θ는 x축으로부터 y축으로의 일 방향으로 회전한 각(dgree)을 의미하고, α는 xy 평면을 기준으로 z축 방향으로 회전한 각(degree)을 의미한다.

본 발명의 전자기 발생 코일 배치는 각각의 전자기 발생 코일(101 내지 106)의 상호 구조적 배치가 중요하고, 6개 전자기 발생 코일 각각의 3차원 공간 상의 절대적 위치가 결정되어야 하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 θ 및 α 값의 기준이 되는 3차원 공간 상의 x축, y축 및 z축은 특정의 방향으로 고정되어 있는 것은 아니다. 다만, 무릎 관절 재생을 요하는 대상(subject)의 무릎 관절 손상 부위에 대한 치료시 편의를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 있어서, z축은 중력 방향에 일치하도록 설정되고, y축은 대상(subject)의 다리의 길이 방향에 일치하도록 설정될 수 있다. 이 때, xy 평면은 지면과 평행한 평면이 되고, α값이 양수인 경우, 해당 각도는 xy 평면으로부터 윗 방향으로 상승한 정도를 의미하고, α값이 음수인 경우, 해당 각도의 절대값은 xy 평면으로부터 아랫 방향으로 하강한 정도를 의미한다. θ값은 x축(0° 또는 360°)을 기준으로 임의로 결정된 소정의 일 방향으로 xy 평면 상에서 회전한 각도를 의미한다.

z축이 중력 방향과 일치하게 설정되고, y축이 대상의 다리 길이 방향으로 설정되는 경우, 상술한 최적화된 코일 배치값을 적용하면, 무릎 관절 이미징 장치 및 의료진의 접근, 체내 주입되어 관절 손상부위로 이동하는 마이크로로봇의 3차원 공간 상 이동 효율이 극대화 된다.

전자기 발생 코일은 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간(110)상의 중심점을 기준으로 동일한 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 이격 거리는 확보해야하는 3차원 공간(110)의 크기에 따라 적절하게 조절될 수 있다.

도 5는 소정의 위치상에 배치된 6개의 전자기 발생 코일을 포함하는 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치의 실 구현예를 나타내는 사진으로서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 무릎 관절 손상 부위를 실시간 이미징할 수 있는 이미징 장치가 추가적으로 포함될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치는 종래 이용되는 관절 내시경, 광학 현미경, 또는 카메라일 수 있다. 한편, 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치에 포함되는 6개의 전자기 발생 코일은 도 5에 나타낸 바와 같이 자기장 발생에 간섭하지 않는 지지 구조체를 통해 고정될 수 있다.

도 2는 (a) 상술한 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치 및 (b) 자성마이크로스캐폴드를 포함하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시스템을 이용하여 대상(subject)를 치료하는 과정을 나타내는 개요도이다.

도시한 바와 같이, 재생을 요하는 손상된 무릎 관절 부위 주변으로 자성마이크로스캐폴드를 주입하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치를 이용한 자기장 제어에 의해 손상 부위로 자성마이크로스캐폴드를 응집시킬 수 있다. 재생을 요하는 손상된 무릎 관절 부위를 특정하기 위해, 환부를 이미징하여(예컨대 CT, MRI 등을 이용) 이를 분석함으로써 환부를 추출하고 치료영역을 설정할 수 있다. 무릎 관절 부위에 주입하기 위한 자성마이크로스캐폴드는 관절 부위 재생능을 갖는 생체적합성 물질에 자성입자가 결합한 것일 수 있고, 관절 부위 재생능을 갖는 생체적합성 물질은 종래 알려진 물질을 제한없이 이용할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 생체적합성 고분자 물질에 연골재생능을 갖는 것으로 알려진 줄기세포 또는 무릎 연골세포가 결합된 마이크로스캐폴드를 이용할 수 있다. 더욱 구체적으로 예를 들면, 무릎 연골 생성능을 갖는 줄기세포로서, 지방, 제대혈 또는 골수 유래 줄기세포를 바람직하게 이용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

실시예 1: 전자기 코일 장치 배치

무릎 관절 재생에 이용하기 위한 전자기 코일의 최적 배치를 구현하기 위해, 일련의 과정을 수행하였다 (참조: 도 3a).

가장 먼저, 전자기 코일 배치에 대한 경우의 수를 생성하였다. 경우의 수 생성을 위해, 기존 무릎 관절 이미징 장치(관절 내시경) 및 의료진의 접근, 구동 대상의 요구 자유도를 고려하여 전자기 코일의 수 및 배치 가능한 범위를 고려하였다. 선정된 전자기 코일의 수 및 배치 가능한 범위를 기반으로 배치 가능한 전자기 코일 장치의 경우의 수를 계산하였다.

손상된 무릎 관절의 재생을 위해, 무릎 관절 재생 효과를 갖는 구형의 마이크로로봇을 이용하는 경우, 로봇의 병진운동만 고려하면 되므로 3 자유도만이 필요하고, 따라서, 최소 4개의 코일을 배치하는 것으로 충분한 바, 결과적으로 4개 이상의 코일을 배치할 수 있다. 본 실시예의 경우 로봇의 구동력 증가를 기하기 위해 6개 코일을 배치하였다.

코일의 배치 가능한 범위는 구(sphere)좌표계 기준으로 도 3b의 좌측 도에 나타내었다.

코일 배치가 가능한 모든 위치에서, 단위 전류 인가(apply) 시 자기장(B) 및 경사 자기장(Bx, By, Bz)을 FEM 시뮬레이션을 통해 획득하였다.

각 코일 배치에서의 determinent value를 계산하였다.

마이크로로봇의 제어를 위해, 다음 계산식을 통해 계산된 전류를 각각의 전자기 코일들에 개별적으로 인가해주었다. 다음 계산식은 N개의 코일을 이용하는 경우에 대한 전류 계산식을 나타낸다. 각 코일에 대한 개별적 전류의 인가를 통해 관심영역에 자기장을 발생시켰고, 이를 통해 마이크로 로봇을 제어하였다.

[계산식]

역행렬을 통해 해를 얻는 과정에서 determinant를 구하였다. 상기 determinant는 전자기 코일의 성능에 큰 영향을 미치는 인자이다.

임의의 코일 배치에서 determinant 값은 각 코일에 단위 전류 인가 시 자기장(B) 및 경사 자기장(Bx, By, Bz), 마이크로구조체 자화각도에 의해 결정된다. determinant 값이 클수록 전자기 구동 코일 장치에서 발생 가능한 최대 자기장 및 경사 자기장 세기가 증가한다. 모든 코일 배치의 경우의 수에 대해 determinant 값을 계산하였다.

상정한 모든 코일 배치에 대하여 determinant 값이 큰 순서대로 정렬하였다. 도 3b의 우측 도는 상위 4개의 코일 후보군을 나타낸다.

실시예 2: 전자기 코일 장치의 최대 발생 자기장 및 특이성(Singularity) 검증

최적화 배치 알고리즘을 통해 얻은 전자기 코일 장치를 검증하였다. 각 코일에 단위 전류 인가 시 자기장(B) 및 경사 자기장(Bx, By, Bz)을 FEM simulation을 통해 획득하였다. 획득한 자기장(B) 및 경사 자기장(Bx, By, Bz)과 코일 전류 제어식을 이용하여 전자기 코일 장치의 최대 발생 자기장 및 특이성(Singularity)을 검증하였다.

도 4에 나타낸 바와 같이, FEM simulation을 이용한 전자기 코일 장치의 관심 영역 내 원하는 자기장 및 경사기장에 대한 방향 및 세기를 확인하였다.

실시예 3: 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 제작 및 구성

도 5에 나타낸 바와 같이, 최적화 배치 알고리즘을 기반으로 제작된 무릎관절 재생용 전자기 구동 코일 장치를 사용하여 이미징 장치(관절 내시경, 광학 현미경, 카메라)와의 결합을 확인하였다. 표 1에 나타낸 사양에 따라 무릎관절 재생용 전자기 구동 코일 장치를 제작하였다.

실시예 4: 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 성능 분석

Hall sensor를 이용하여, 전자기 코일에 인가되는 전류를 증가시킴에 따라 발생되는 자기장에 대한 해석 및 측정 값을 비교하였으며, 양자 간 큰 차이가 없음을 확인하였다(참조: 도 7a). 추가적으로, 인가 전류가 증가함에 따라 자기장 세기의 증가율이 점점 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 전자기 코일에 삽입된 magnetic core가 포화 됨에 따라 나타나는 현상으로 해석된다.

500 μm cubic 영구자석을 이용하여 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치에 대한 추진 정밀도를 측정하였으며, 최대 1.4도의 추진 정밀도 오차를 보였다(참조: 도 7b).

실시예 5: 3차원 표적능 테스트

무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치를 이용하였을 때의 자기구동 다공성 마이크로스캐폴드의 관절 결손 부위로의 표적능을 팬텀 및 동물실험을 통해 관찰하였다.

5-1. Phantom 내 마이크로스캐폴드 표적화 실험

3D 표적능 테스트를 위한 무릎 팬텀(knee phantom)은 무릎의 3D CAD 모델로부터 3D 프린터를 이용하여 제작하였다. 그 후, 표적영역을 대퇴골(femur)의 내측에 형성하였고 3D 표적능 테스트를 위해 상기 제조된 모델은 식염수를 채운 아크릴 챔버에 위치시켰다. 그 후, 무릎 모델 팬텀의 관절 결손 부위 사이에 위치한 약 100개의 마이크로구조체들에 대한 표적 영역으로의 이동을 관찰하였다(참조: 도 8).

5-2. 마이크로스캐폴드 표적화 동물실험

평균 체중 3.8 kg의 7 개월 된 암컷 뉴질랜드 흰 토끼를 사용하였으며, 마취 후, 오른쪽 무릎 관절에서 내측 근지 절개를 시행하였다. 슬개골이 측 방향으로 탈구되었고 슬개골 홈이 노출되도록 한 후, 내측 대퇴골에 드릴을 사용하여 직경 3 mm, 깊이 4 mm의 원통형 결손 부위를 생성하였다. 그런 다음 토끼의 무릎을 EMA 시스템의 작업 공간에 놓고 공동 공간을 PBS로 채웠으며, 마이크로구조체들을 주입한 후 결손 부위로의 표적화 실험을 진행하였다(참조: 도 9). 그 결과 결손 부위로 마이크로구조체들이 정확하게 이동하는 것을 관찰함으로써, 원하는 위치에 표적화가 이루어짐을 확인하였다.

Claims (9)

1. 대상(subject)의 무릎 관절이 위치 될 3차원 공간 상의 소정의 중심점을 기준으로, 상기 중심점을 지나는 6개의 직선 축 방향에 각각 배치된 6개의 전자기 발생 코일을 포함하고, 상기 6개의 전자기 발생 코일은 하기의 축 방향 좌표에 따라 배치되는, 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치:
   [축 방향 좌표]
   제1 전자기 발생 코일 θ=d(0°≤d<30°), α=30°,
   제2 전자기 발생 코일 θ=d+180°, α=30°,
   제3 전자기 발생 코일 θ=d+330°, α=-22.5°,
   제4 전자기 발생 코일 θ=d+45°, α=-15°,
   제5 전자기 발생 코일 θ=d+150°, α=-22.5°,
   제6 전자기 발생 코일 θ=d+225°, α=-15°
   (상기 중심점을 기준으로 임의로 설정한 상호 직교하는 x축, y축, 및 z축을 기준으로, θ는 x축으로부터 y축으로의 일 방향으로 회전한 각(dgree)을 의미하고, α는 xy 평면을 기준으로 z축 방향으로 회전한 각(degree)을 의미한다).
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 z축은 중력 방향에 일치하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 y축은 대상의 다리의 길이 방향에 일치하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 내지 제6 전자기 발생 코일은 상기 중심점을 기준으로 동일한 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   무릎 관절 손상 부위 실시간 이미징을 위한 이미징 장치를 추가적으로 더 포함하는 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치.
   
6. (a) 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 무릎 관절 내의 자성마이크로스캐폴드 표적화 제어 장치 및 (b) 자성마이크로스캐폴드를 포함하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 자성마이크로스캐폴드는 무릎 연골 생성 세포를 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시스템.
   
8. 제 7 항에 있어서, 상기 무릎 연골 생성 세포는 무릎 연골 세포 또는 줄기세포인 것을 특징으로 하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시스템.
   
9. 제 8 항에 있어서, 상기 줄기세포는 지방, 제대혈 또는 골수 유래 줄기세포인 것을 특징으로 하는 무릎 관절 재생용 전자기 코일 장치 시스템.
   

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