KR102365840B1 - 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프 - Google Patents

초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프가 제공된다. 본 발명에 따르면, 사행 유로로 형성되는 채널 저장소; 상기 채널 저장소에 공기로를 통해 연결되며 내부에 심지가 배치되는 팽창 챔버; 및 상기 팽창 챔버와 밸브를 통해 연결되는 물 저장소를 포함하되, 상기 팽창 챔버의 일측에는 상기 밸브의 개방에 따라 상기 물 저장소로부터 이동한 물을 흡수하여 팽창하는 초흡수성 폴리머가 배치되며, 상기 초흡수성 폴리머의 팽창에 따라 상기 채널 저장소에 저장된 주입액이 배출구로 배출되는 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프가 제공된다.

Description

초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프{Hybrid power-based syringeless pump using superabsorbent polymer}
본 발명은 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프에 관한 것이다.
현재 모든 인슐린 펌프(패치 펌프 포함)는 인슐린을 체내에 전달/주입하기 위하여 전기적으로 동력을 공급받는 주사기 시스템을 기반으로 하고 있다.
즉 주사기의 크기, 주입 메카니즘, 배터리 등을 고려한 결과 현재 인슐린 펌프는 부피가 크고, 무거우며, 가격이 비싼 상황이다.
그 결과 현재 인슐린 펌프는 대부분의 당뇨병 환자들이 편리하고 저렴하게 사용할 수 있는 의료장치와는 거리가 있다.
한국공개특허공보 10-2009-0059146
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 부피가 작고, 가벼우며 가격이 저렴한 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프를 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프로서, 사행 유로로 형성되는 채널 저장소; 상기 채널 저장소에 공기로를 통해 연결되며 내부에 심지가 배치되는 팽창 챔버; 및 상기 팽창 챔버와 밸브를 통해 연결되는 물 저장소를 포함하되, 상기 팽창 챔버의 일측에는 상기 밸브의 개방에 따라 상기 물 저장소로부터 이동한 물을 흡수하여 팽창하는 초흡수성 폴리머가 배치되며, 상기 초흡수성 폴리머의 팽창에 따라 상기 채널 저장소에 저장된 주입액이 배출구로 배출되는 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프가 제공된다.
상기 물 저장소의 내부에는 상기 팽창 챔버로부터 연장되는 심지가 배치되며, 탈이온수(De-ionized Water)를 저장하며, 일측면에 통기성 멤브레인(Air Permeable Membrane)이 제공되고, 타측면에는 실리콘 튜브(Silicon Tubing)가 연결될 수 있다.
상기 초흡수성 폴리머는 초흡수성 폴리머 로딩 포트(Super Absorbent Polymer Loading Port)를 통해 교체 가능하게 상기 팽창 챔버 내에 결합될 수 있다.
상기 초흡수성 폴리머는, 소듐 폴리 아크릴레이트(sodium polyacrylate), 칼륨 폴리아크릴레이트(potassium polyacrylate), 하이드로겔(hydrogel), 에틸렌 말레산 무수물 공중합체(ethylene maleic anhydride copolymer), 가교 카르복시메틸셀룰로오스(cross-linked carboxymethylcellulose), 폴리비닐알콜공중합체(polyvinyl alcohol copolymers), 가교 폴리에틸렌옥사이드(cross-linked polyethylene oxide) 및 폴리아크릴로니트릴의 전분그래프트공중합체(starch grafted copolymer of polyacrylonitrile) 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 밸브의 개방 위치 및 밸브 스로틀링에 의해 상기 주입액의 주입 속도가 조절될 수 있다.
본 발명은 초흡수성 폴리머가 전자기계 기반의 액추에이터(actuator) 대신에 동력원으로 사용되어 배터리 없이도 인슐린 주입 펌프로 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한 시린지를 사용하지 않으므로 환자들의 이용 편리도가 증가하는 장점이 있다.
도 1은 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프의 동작 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 시간 경과에 따른 초흡수성 폴리머 팽창 상태를 도시한 것이다.
도 4는 본 실시예에 따른 팽창 챔버 내에서 초흡수성 폴리머의 등압 팽창을 가정한 것을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량 모니터링을 위한 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 용량 모니터링 회로 및 초흡수성 폴리머를 이용한펌프의 압력 측정 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 분배 부피의 증가에 따른 Vout/Vmax의 표준 곡선을 나타낸 도면이다.
도 8은 서로 다른 유속에서 시간 경과에 따른 Vout/Vmax의 표준 곡선을 나타낸 도면이다.
도 9는 초흡수성 폴리머 팽창을 통한 초기 주입 가능성을 나타낸 도면이다.
도 10은 초흡수성 폴리머 중량 25mg 및 50mg에서 시간 경과에 따른 Vout/Vmax를 나타낸 것이다.
도 11은 서로 다른 밸브 위치에서 시간의 경과에 따른 Vout/Vmax를 나타낸 것이다.
도 12는 서로 다른 밸브 개방 위치에서 시간의 경과에 따른 분배 부피를 나타낸 것이다.
도 13은 서로 다른 밸브 스로틀링에서의 시간에 따른 Vout/Vmax를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 실시예에 따르면, 초흡수성 폴리머(superabsorbent polymer: SAP)가 동력원으로 사용되며 수화현상(hydration)을 통한 팽창이 주입 메카니즘이 되는 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프가 제공된다.
도 1은 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 펌프는 채널 저장소(Channel Reservoir, 100), 팽창 챔버(Expansion Chamber, 102) 및 물 저장소(Water Reservoir, 104)를 포함할 수 있다.
채널 저장소(100)는 사행 유로(serpentine channel)로 구성되며 용량 모니터링을 전도성 필라멘트(예를 들어, Conductive Polyactic Acid Filament(전도성 폴리 락트산 필라멘트))가 포함된다.
채널 저장소(100)는 소정의 유효 충전 부피를 가질 수 있으며 사행 유로는 레이저로 절단된 아크릴 시트로 제작될 수 있다.
또한, 채널 저장소(100)의 내부 표면은 소수성 유지를 위해 코팅되며, 바람직하게는 폴리 디메틸 실록산(polydimethylsiloxane)으로 코팅될 수 있다.
팽창 챔버(102)는 원통 형상을 가지며, 초흡수성 폴리머는 소듐 폴리 아크릴레이트(sodium polyacrylate)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 초흡수성 폴리머는 칼륨 폴리아크릴레이트(potassium polyacrylate), 하이드로겔(hydrogel), 에틸렌 말레산 무수물 공중합체(ethylene maleic anhydride copolymer), 가교 카르복시메틸셀룰로오스(cross-linked carboxymethylcellulose), 폴리비닐알콜공중합체(polyvinyl alcohol copolymers), 가교 폴리에틸렌옥사이드(cross-linked polyethylene oxide) 및 폴리아크릴로니트릴의 전분그래프트공중합체(starch grafted copolymer of polyacrylonitrile) 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
물 저장소(104)는 탈이온수(De-ionized Water)를 저장하며, 일측면에 통기성 멤브레인(Air Permeable Membrane, 106)이 제공되고, 타측면에는 실리콘 튜브(Silicon Tubing, 108)가 연결된다.
본 실시예에 따른 실리콘 튜브(108)는 밸브(110)를 통해 팽창 챔버(102) 및 물 저장소(108)에 연결된다. 여기서, 밸브(110)는 나사를 통해 열리고 닫히는 스크류 밸브일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 심지(Wick, 112)는 스크류 밸브(110)를 경유하여 팽창 챔버(102) 및 물 저장소(104)로 과도하게 연장된다.
팽창 챔버(102)는 공기로(Air conduit, 114)를 통해 채널 저장소(100)에 연결된다.
채널 저장소(100)는 시린지 펌프를 통해 주입액으로 미리 채워진다.
여기서, 주입액은 인슐린일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
그 후, 스크류 밸브(110)를 닫고 물 저장소(104)를 충전 포트(116)를 통해 탈이온수로 채운다. 마지막으로, 전기 접점(Electrical Contacts, 118)은 용량 모니터링 회로와 인터페이스하기 위해 회로 플레이스 홀더(Circuit Placeholder, 120)와 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 팽창 챔버(102)의 일측, 보다 상세하게는 밸브(110)에 인접한 측 내부에는 초흡수성 폴리머(Super absorbent Polymer, 122)가 제공된다.
초흡수성 폴리머(122)는 소듐 폴리 아크릴레이트일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 물을 흡수하여 팽창할 수 있는 소재라면 제한 없이 적용될 수 있다.
초흡수성 폴리머(122)는 초흡수성 폴리머 로딩 포트(SAP Loading Port, 124)를 통해 교체 가능하게 팽창 챔버(102) 내에 결합된다.
도 2는 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프의 동작 과정을 도시한 도면이다.
도 2의 좌측(①)에 도시된 바와 같이, 밸브(110)를 수동으로 돌렸을 때 물 저장소(104)에 저장된 탈이온수가 팽창 챔버(102)로 이동한다.
도 2의 중간(②)에 도시된 바와 같이, 탈이온수가 심지(112)를 통해 팽창 챔버(102)로 유입됨에 따라 초흡수성 폴리머(122)는 수화현상에 의해 팽창한다.
도 2의 우측(③)에 도시된 바와 같이, 팽창하는 초흡수성 폴리머(122)는 팽창 챔버(102)의 공기를 가압하여 공기로(114)를 통해 채널 저장소(100)의 공기를 가압한다. 공기의 가압에 따라 채널 저장소(100)의 사행 유로에 저장된 주입액이 배출구(126)로 배출됨에 따라 주입이 시작된다.
실시예
채널 저장소(100)는 의료용 접착제 (AR90445, Adhesive Research Inc., USA)로 적층된 레이저 절단 아크릴 시트로 제작된 사행 유로(serpentine channel) (단면 치수 ~ 1.2 × 1.5mm)로 구성된다.
유효 충전 부피는 350μL였으며 용량 모니터링을 위해 전도성 폴리 락트산 필라멘트 (직경 ~ 180-200μm, 저항 ~ 1.1 MΩ)이 제공된다.
전도성 폴리 락트산 필라멘트 (Proto-pasta, 1.75mm 직경, ProtoPlant Inc., USA)를 열 압출 후 크기에 맞게 수동으로 인발하였다 (Micro, M3D LLC, USA).
채널 저장소(100)의 내부 표면을 폴리 디메틸 실록산 (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning, USA)으로 코팅하여 소수성으로 형성하였다.
전도성 폴리 락트산 필라멘트의 두 단부는 2.54 mm의 표준 피치로 전기 접점(118)의 외부에 연결된다.
초흡수성 폴리머 (소듐 폴리 아크릴레이트, 자유 유동 과립 형태, 밀도 = 1.22g/cm3, CAS 9003-04-7, Sigma Aldrich, USA)를 포함하는 팽창 챔버(102)는 원통형 (ID = 4mm, OD = 8mm, 길이 = 35mm)을 가진다.
탈이온수를 함유한 물 저장소(104) (치수 ~ 16 × 29 × 7.5 mm)의 유효 충전 부피는 800μL이다.
또한 물 저장소(104)의 측면에 통기성 멤브레인(106)이 제공된다. 실리콘 튜브(108) (길이 = 27mm, 외경 = 2.5mm, ID = 1.5mm, 참조 60-825-37, 미국 헬릭스 마크 (HelixMark)) 내에 중첩된 심지(112) (1.0 × 0.5 × 9.0mm, 폴리 비닐 아크릴 레이트 폼, KM Inc., 한국) )는 맞춤형 나일론 스크류 밸브(110)를 통해 팽창 챔버(102) 및 물 저장소(104)에 연결된다.
심지(112)는 팽창 챔버(102) 및 물 저장소(104) 내에서 각각 30 및 35mm만큼 길게 연장된다.
팽창 챔버(102)는 공기로(114) (길이 = 20 mm, OD = 2.5 mm, ID = 1.5 mm, ref 60-825-37, HelixMark, USA)를 통해 채널 저장소(100)에 연결된다. 팽창 챔버(102) 및 물 저장소(104)는 모두 히트 건을 사용하여 아크릴 튜브를 가열함으로써 제조되었다. 본 실시예에 따른 펌프의 일반 사양 및 전체 치수는 표 1에 나타낸다.
Dimensions 70 × 32 × 10 mm
Weight ~ 16 g (excluding battery for valve and circuitry)
Battery (Future Design Target) 1 × LR44, ~ 2.3 g
Channel Reservoir Fill Volume = 350 μL
Effective Monitored Dispensed Volume = 250 μL
Water Reservoir Deionized water, 800 μL
Infusion Mechanism Sodium polyacrylate expansion via hydration, nominal weight: 50 mg
Dose Monitoring Mechanism Inlaid conductive polylactic acid filament,
diameter ~ 180 to 200 μm, resistance ~ 1.1 MΩ
Valve Mechanism Nylon screw valve (manual) acting on polyvinylacrylate foam wick nested in silicone tubing
작동하기 전에 디지털 스케일을 사용하여 초흡수성 폴리머의 무게를 측정하고 초흡수성 폴리머(122)는 초흡수성 폴리머 로딩 포트(124)를 통해 팽창 챔버(102) 내에 배치된다.
채널 저장소(100)는 시린지 펌프를 통해 주입액으로 미리 채워진다. 그 후, 밸브(110)를 닫고 물 저장소(104)를 충전 포트(116)를 통해 탈이온수로 채운다. 마지막으로, 전기 접점(118)은 용량 모니터링 회로와 인터페이스하기 위해 회로 플레이스 홀더(120)와 연결된다.
밸브 나사를 수동으로 돌려 밸브(110)를 열었을 때 탈이온수는 심지(112)를 통해 팽창 챔버(102)로 유입되고 초흡수성 폴리머(122)는 수화현상에 의해 팽창한다.
도 3은 시간 경과에 따른 초흡수성 폴리머 팽창 상태를 도시한 것이다.
시간의 경과에 따라 초흡수성 폴리머(122)가 팽창하고, 이에 따라 채널 저장소(100)의 공기가 가압되어 주입액이 배출구(126)로 배출된다.
도 4는 본 실시예에 따른 팽창 챔버 내에서 초흡수성 폴리머의 등압 팽창을 가정한 것을 도시한 도면이다.
도 4과 같이 팽창 챔버(102) 내에서 초흡수성 폴리머의 등압 팽창을 가정하여 주입에 필요한 일을 추정할 수 있다.
0.6psi 또는 4.1kPa의 일정한 압력 (P) (성인의 최대 말초 정맥 압력에 해당)과 ~ 377mm2 (ID = 4mm, 길이 ~ 30mm)의 체적 변화 (ΔV)를 사용하여 일(W)은 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112019130811198-pat00001
주입에 필요한 일은 ~ 1.56 Х 10-3 J이다.
나트륨 폴리 아크릴레이트의 팽윤 또는 수화속도는 기존에 연구되었고, 이들의 팽창이 발열성이고 팽창에 상응하는 열이 ~ 196 J/g임을 확인하였다.
다시 말해, 이것은 수화시 열로 방출되는 총 잠재적 에너지의 비율이다.
동일한 총 잠재적 에너지의 일부가 기계적 변형 (이 경우 팽창)으로 진행될 것이라고 가정하는 것이 합리적이다. 50mg의 폴리 아크릴산 나트륨은 ~ 9.8J의 팽창열을 생성한다. 기계적 변형으로 들어가는 총 잠재적 에너지의 비율이 팽창열보다 3배 낮더라도 여전히 주입에 적합하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량 모니터링을 위한 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 시린지 펌프(Syringe Pump)에 연결된 액체 라인(Liquid line)을 통해 채널 저장소(100)에 350μL의 주입액을 채운다.
실험을 위한 주입액은 0.1M 인산염 완충 식염수이다.
도 6은 본 실시예에 따른 용량 모니터링 회로 및 초흡수성 폴리머를 이용한펌프의 압력 측정 과정을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 용량 모니터링 회로는 1MΩ 직렬 저항(Series Resistor) 및 피크 검출 회로(Peak Detection Circuit)와 직렬로 연결되는 전도성 폴리 락트산 필라멘트(Conductive Polyactic Acid Filament)로 구성된다.
함수 발생기(Function Generator)를 통해 정현파 전압 (1 kHz 5 Vpp)을 전도성 폴리 락트산 필라멘트 (전기 접점을 통해) 및 직렬 저항 모두에 인가한다. 주입액이 시린지 펌프를 통해 채널 저장소(100)로부터 회수될 때, 전도성 폴리 락트산 필라멘트의 유효 임피던스가 변경된다.
유효 임피던스 변화는 직렬 저항을 거쳐 정현파 전위 강하 감소로 나타나고 피크 검출 회로에 의해 측정되며 DC 출력 전압 (Vout)으로 제공된다.
피크 검출 회로는 가변 DC 전원 공급 장치 (동력선, 모델 GPS-4303, GW Instek China)에 의해 5VDC에서 전원이 차례로 공급된다. DC 출력 전압은 데이터 로거 (신호 라인, Model PCS10, 영국 Velleman, Resolution 10 mV)를 통해 컴퓨터에 기록된다.
이러한 방식으로, 주입액의 부피는 DC 출력 전압과 상관 관계가 있고, 다음과 같이 정규화된다.
Figure 112019130811198-pat00002
여기서, Vmax 는 최대 출력 전압이다.
정규화된 출력 전압 (Vout/Vmax) (%) 대 분배 부피(dispensed volume, μL)의 표준 곡선이 (50μL/min의 배출 속도로) 2분 간격으로 주입액 10 μL를 회수함으로써 얻어졌다. 이는 단계 부피 당 50 개의 데이터 포인트를 제공하였다 (회수 프로세스 중 처음 10 개의 데이터 포인트 제외). 100, 200 및 500μL의 유속 (시린지 펌프에 의한)에서의 연속 회수도 수행되었다.
초흡수성 폴리머 팽창을 통한 주입 또는 주입액의 펌핑은 먼저 초흡수성 폴리머 50mg (소듐 폴리 아크릴레이트), 물 저장소의 800μL의 탈이온수 및 채널 저장소의 340μL의 0.1M 인산 완충 식염수를 가지고 조사되었다.
용량 모니터링 회로 (정현파, 1 kHz 5 Vpp)를 1분 후에 스위치 온하고 스크류 밸브(110)를 열기 전에 4분 동안 안정화시켰다. Vout은 5초 간격으로 기록되었다.
주입은 주변 조건 (온도 ~ 24-29 °C, RH ~ 30-55 %)에서 배출구(126)에서 세번 수행되었으며 심지(112)는 각각 교체되었다.
이 실험을 25mg의 초흡수성 폴리머 (밸브 완전 개방)에 대해 반복하였다.
가능한 주입 속도 조절 스킴을 조사하기 위해, (i) 다른 밸브 위치 및 (ii) 밸브 스로틀링의 두 가지 옵션을 탐색하였다.
다른 밸브 위치와 밸브 스로틀링은 전자 아날로그 및 디지털 (펄스 폭 변조) 제어와 유사하다.
밸브가 반쯤 열린 상태 (초흡수성 폴리머 50mg)로 초기 실험을 반복하였다. 밸브 스로틀링을 통한 주입 속도 조절은 밸브를 10분 동안 닫았다가 다시 열어서 조사하였다. 이것은 10분 간격으로 작동 중에 3번 수행되었다.
도 6에 도시된 바와 같이, 주입 압력은 압력계 (모델 GM510, Benetech, 중국)를 팽창 챔버(102)의 공기로(114)를 연결하여 측정되었다.
차동 모드에서 완전 개방 밸브 및 압력계와 함께 25 및 50mg의 초흡수성 폴리머를 사용하여 주입 압력 증가를 1분 간격으로 수동으로 기록하였다.
도 7은 분배 부피의 증가에 따른 Vout/Vmax의 표준 곡선을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 0에서 340μL로 분배 부피가 증가함에 따라 Vout/Vmax가 100%에서 57%로 감소하였다.
표준 곡선은 (i) ~ 0.21%/μL (R2 = 0.98)의 기울기로 0 ~ 90μL, (ii) ~ 0.11%/μL (R2 = 0.96)의 기울기로 90 ~ 250μL 및 (iii) 0.04 %/μL (R2 = 0.85)의 기울기로 260 ~ 340μL 의 3 개 요소별 선형 세그먼트로 구성되어 있는 것으로 보인다.
앞에서 언급했듯이 각 플로팅 된 값은 평균 50개의 데이터 포인트이다.
100%의 Vout/Vmax는 2.20V의 Vout에서 유래되며, 이는 나머지 계산의 Vmax이기도하다.
따라서 분배 부피 250μL 및 Vout 1.38V는 해당 Vout/Vmax가 62.8% 이다.
최대 표준 편차는 ~ 0.01V이며 데이터 로거의 해상도와 유사하다.
Vout/Vmax와 분배 부피 사이의 이러한 관계는 초흡수성 폴리머 팽창을 통한 주입을 위한 실험적 유량 계산을 위한 표준 곡선이 된다.
전도성 폴리 락트산 필라멘트 직경은 다양하다 (~ 170 내지 200 μm). 길이에 따른 직경의 변화는 비저항 변화를 가져오며 Vout/Vmax에서 높낮이가 있는 진행(undulating progression)을 나타낸다(도 8 참조).
3개의 모든 유속에 대해 높낮이가 관찰된다.
도 8을 참조하면, 100μL/h의 유속에서, Vout/Vmax의 응답은 100%에서 ~ 62%로 ~ 0.21 %/min의 기울기 (R2 = 0.96)로 비교적 선형이다.
동일한 Vout/Vmax 간격에서 200 및 500μL/h의 유량에 대한 응답은 각각 ~ 0.44 %/min (R2 = 0.96) 및 ~ 1.12% / min (R2 = 0.97)의 기울기와 유사한 경향을 나타낸다. 이는 용량 모니터링 회로가 의도한대로 기능하고 분배 부피가 ~ 250μL까지 또는 Vout/Vmax ~ 62 %로 안정적으로 모니터링 될 수 있음을 나타낸다.
도 9는 초흡수성 폴리머 팽창을 통한 초기 주입 가능성을 나타낸 도면이다.
도 9에서, 시간 경과에 따른 주입은 (i) 빠른 주입 및 (ii) 완화된 주입의 두 가지 뚜렷하게 구분되는 선형성을 나타낸다.
밸브 개방 전에 Vout/Vmax는 100%로 일정하게 유지되었다.
밸브 개방 시, ~ 2 분 동안 ~ 8.80%/min (R2 = 0.96)의 Vout/Vmax 평균 변화를 갖는 빠른 주입이 발생된다. 그런 다음 ~ 17 분 동안 Vout/Vmax의 평균 변화가 ~ 1.10%/min (R2 = 0.99) 인 완화된 주입이 발생된다.
도 10은 초흡수성 폴리머 중량 25mg 및 50mg에서 시간 경과에 따른 Vout/Vmax를 나타낸 것이다.
도 10과 같이, 초흡수성 폴리머 중량을 50mg에서 25mg으로 줄이더라도 유량 특성이 크게 변하지 않는 것으로 보인다.
도 11은 서로 다른 밸브 위치에서 시간의 경과에 따른 Vout/Vmax를 나타낸 것이다.
도 11과 같이, 밸브 개방 위치를 조정하여 주입 속도를 조절할 수 있다.
밸브의 절반 개방으로 인한 느린 유속은 ~ 2.73%/min (R2 = 0.97)의 Vout/Vmax의 평균 변화의 더 낮은 ~ 6분의 더 빠른 주입 단계인 것이 분명하다.
또한, 완화된 주입 단계는 ~ 0.58%/min의 유사한 평균 Vout/Vmax 변화와 함께 ~ 33분 동안 더 오래 지속되었다 (R2 = 0.99).
도 12는 서로 다른 밸브 개방 위치에서 시간의 경과에 따른 분배 부피를 나타낸 것이다.
도 12를 참조하면, Vout/Vmax 값은 대응하는 분배 부피를 얻기 위해 표준 곡선의 값과 상호 참조된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 완전히 개방된 밸브는 ~ 40 μL/min의 빠른 주입 속도 (R2 = 0.98) 및 이후 ~ 10μL /min의 후속 강화 주입 속도 (R2 = 0.96)에 해당한다. 절반 개방된 밸브에 의해, 빠른 주입 속도 및 강화 주입 속도는 각각 ~ 11μL/min (R2 = 0.98)와 ~ 5 μL/min (R2 = 0.92)로 감소한다.
결과는 표 2에 요약되어 있다.
Valve Position Rapid Infusion Tempered Infusion
Half Open ~ 11 μL/min for 6 min ~ 5 μL/min for 33 min
Fully Open ~ 40 μL/min for 2 min ~ 10 μL/min for 17 min
도 13은 다른 밸브 스로틀링에서의 시간에 따른 Vout/Vmax를 나타낸 것이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 주입 속도는 밸브 스토틀링을 통해 조절될 수도 있다. 밸브가 닫힐 때마다 주입이 중단된다. 밸브가 다시 열리면 주입이 재개된다. 밸브를 닫으면 즉시 주입이 중단되고 밸브를 다시 열었을 때 ~ 5 초 후에 재개된다. 세 가지 밸브 스토틀링 이벤트는 각각 ~ 100, 180 및 220 μL의 분배량에 해당한다.
25 및 50mg 초흡수성 폴리머를 사용한 최대 주입 압력은 각각 0.607 및 0.714 psi였다. 최대 주입 압력에 도달하기 위해 소요된 시간은 각각 25분 및 60분이었다. 최대 주입 압력 모두는 성인의 최대 말초 정맥 압력 0.6psi 이상이다.
이는 최대 주입 압력이 피하 주입을 수행하기에 적합하다는 것을 의미한다.
본 실시예에 따른 펌프의 가장 중요한 기능은 원하는만큼 적절한 양의 주입 액을 주입하는 것이다.
기존 인슐린 주입 펌프의 기본 속도는 표준 U-100 인슐린 유사체에 대해 ~ 1 단위/h 또는 10μL/h이며, 이는 개별 단계 (시간당 6-20 회)로 수행할 수 있다. 상기한 바와 같이, 주입 속도의 아날로그 (밸브 위치)와 디지털 (값 조절) 제어의 가능성을 모두 보여주었다.
아날로그 제어 (다른 밸브 위치)를 사용하면 밸브 위치를 완전 개방에서 반 개방으로 변경할 때 강화 주입 속도가 10에서 5μL/min으로 감소했다. 디지털 제어 (밸브 스토틀링)를 통해 거의 즉각적인 반응으로 주입을 일시 정지했다가 다시 시작할 수 있다. 이것은 적절한 밸브 듀티 사이클에 의해 주입 속도가 조절 될 수 있음을 시사한다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프로서,
    사행 유로로 형성되는 채널 저장소;
    상기 채널 저장소에 공기로를 통해 연결되며 내부에 심지가 배치되는 팽창 챔버; 및
    상기 팽창 챔버와 밸브를 통해 연결되는 물 저장소를 포함하되,
    상기 팽창 챔버의 일측에는 상기 밸브의 개방에 따라 상기 물 저장소로부터 이동한 물을 흡수하여 팽창하는 초흡수성 폴리머가 배치되며, 상기 초흡수성 폴리머의 팽창에 따라 상기 채널 저장소에 저장된 주입액이 배출구로 배출되고,
    상기 초흡수성 폴리머는, 소듐 폴리 아크릴레이트(sodium polyacrylate), 칼륨 폴리아크릴레이트(potassium polyacrylate), 하이드로겔(hydrogel), 에틸렌 말레산 무수물 공중합체(ethylene maleic anhydride copolymer), 가교 카르복시메틸셀룰로오스(cross-linked carboxymethylcellulose), 폴리비닐알콜공중합체(polyvinyl alcohol copolymers), 가교 폴리에틸렌옥사이드(cross-linked polyethylene oxide) 및 폴리아크릴로니트릴의 전분그래프트공중합체(starch grafted copolymer of polyacrylonitrile) 중 적어도 하나 또는 이들의 조합인 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물 저장소의 내부에는 상기 팽창 챔버로부터 연장되는 심지가 배치되며, 탈이온수(De-ionized Water)를 저장하며, 일측면에 통기성 멤브레인(Air Permeable Membrane)이 제공되고, 타측면에는 실리콘 튜브(Silicon Tubing)가 연결되는 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초흡수성 폴리머는 초흡수성 폴리머 로딩 포트(Super Absorbent Polymer Loading Port)를 통해 교체 가능하게 상기 팽창 챔버 내에 결합하는 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밸브의 개방 위치 및 밸브 스로틀링에 의해 상기 주입액의 주입 속도가 조절되는 초흡수성 폴리머를 이용한 하이브리드 동력 기반의 시린지리스 펌프.
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