KR102456586B1 - 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연한 미세유체 장치 및 이를 이용한 광경화성 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 방법 - Google Patents

광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연한 미세유체 장치 및 이를 이용한 광경화성 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치는, 제1 길이를 갖는 외부 미세도관과, 상기 제1 길이보다 더 짧은 제2 길이를 갖는 내부 미세도관이 상기 외부 미세도관 내부에 동축상으로 삽입되어 중첩되는 이중 내강 부분, 상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강 부분, 및 상기 제1 길이보다 더 짧고 상기 제2 길이와 같거나 상기 제2 길이보다 더 긴 제3 길이를 가지며, 상기 이중 내강 부분에서 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유를 포함하며, 상기 내부 미세도관의 내부 공간을 통해 공급된 샘플 유체와, 상기 내부 미세도관의 외부와 상기 외부 미세도관의 내부 사이의 공간을 통해 공급된 덮개 유체가 동축으로 흐르도록 구성될 수 있다.

Description

광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연한 미세유체 장치 및 이를 이용한 광경화성 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 방법{Flexible Microfluidic Device Based On Microcatheter With Integrated Optical Fiber, and Continuous Polymerization Method Of Photocurable Hydrogel Microfibers Using the Same}
본 개시는 미세유체 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연한 미세유체 장치 및 이를 이용한 광경화성 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 방법에 관한 것이다.
대표적인 혈관 기형인 동맥류는 동맥의 혈관벽이 부풀어올라 형성된 풍선 모양의 돌출부이며, 파열이 되면 약 40% 이상의 사망률과 관련이 있는 매우 위험한 질환이다. 동맥류의 파열은 약화된 혈관 벽에 가해지는 압력을 최소화시키는 것을 통해 예방할 수 있다.
혈관내 치료법인 색전술은 안전하고 신속한 동맥류 치료 방법으로 널리 받아 들여지고 있다. 그러나 고전적인 재료 및 방식을 활용한 동맥류 색전술 전략에는 여전히 특정한 단점이 포함되어 있어 안전하고 효과적인 색전을 달성하기 어렵다. 예를 들어, 금속 코일은 높은 기계적 강도로 인해 충전 비가 낮으며, 남은 부피는 응고된 혈액을 통해 점유된다. 이는 동맥류의 재소통, 재출혈, 천공 등의 원인이 되며, 파종성 혈관내 응고 환자 등과 같이 혈액의 응고에 문제가 있는 환자에게 적용하는데 한계가 있다. 한편, 액체 색전 물질인 오닉스(Onyx)는 뻣뻣한 금속 코일보다 더 높은 동맥류 충전 비를 달성할 수는 있지만, 침전을 통한 고형화 방식은 시공간적으로 제어하기 어려우며, 이는 동맥류 색전술 동안에 심각한 문제의 발생가능성을 높인다.
따라서, 동맥류를 불침투성으로 균일하고 완전하게 색전하여 혈전을 생성하기 어려운 환자에게도 적용 가능하며, 주입 중 주요 동맥으로의 누출로 인한 미세 파편의 생성 및 미세도관 표면에 협착이 없는, 새로운 동맥류 색전 전략이 필요하다.
실시예의 일 측면은 미세도관 내에서 광경화가 일어나 경화된 미세섬유를 토출할 수 있도록 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연한 미세유체 장치를 제공하고자 한다.
실시예의 다른 일 측면은 상기 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 미세유체 장치를 이용한 광경화성 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치는, 제1 길이를 갖는 외부 미세도관과, 상기 제1 길이보다 더 짧은 제2 길이를 갖는 내부 미세도관이 상기 외부 미세도관 내부에 동축상으로 삽입되어 중첩되는 이중 내강 부분, 상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강 부분, 및 상기 제1 길이보다 더 짧고 상기 제2 길이와 같거나 상기 제2 길이보다 더 긴 제3 길이를 가지며, 상기 이중 내강 부분에서 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유를 포함하며, 상기 내부 미세도관의 내부 공간을 통해 공급된 샘플 유체와, 상기 내부 미세도관의 외부와 상기 외부 미세도관의 내부 사이의 공간을 통해 공급된 덮개 유체가 동축으로(coaxially) 흐르도록 구성될 수 있다.
상기 광섬유는 상기 이중 내강 부분의 단면상에서 일측 가장자리로 치우쳐 배치될 수 있다.
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에서 상기 광섬유로부터 상기 내부 미세도관의 원주 방향으로 이격되어 배치된 적어도 하나의 지지대를 더 포함할 수 있다.
상기 지지대의 말단은 상기 이중 내강 부분에서 상기 내부 미세도관의 말단과 일치하거나 상기 내부 미세도관의 말단보다 더 짧게 구성될 수 있다.
상기 광섬유는 상기 단일 내강 부분으로 기 설정된 길이만큼 돌출되어 형성될 수 있다.
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관은 유연한(flexible) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 샘플 유체는 하이드로젤 전구액이고, 상기 덮개 유체는 식염수 기반의 유체 또는 인체내 사용 가능한 유체일 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 광경화성 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 방법은, 상기 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치를 이용하여 하이드로젤 미세섬유를 연속 중합하는 방법으로서, 상기 내부 미세도관의 외측에서 상기 외부 미세도관의 내부 공간을 통해 덮개 유체를 이송시키는 단계, 및 상기 단일 내강 부분에서 상기 광섬유를 이용하여 상기 내부 미세도관의 말단으로 광을 조사하는 단계, 및 상기 내부 미세도관의 내부 공간을 통해 샘플 유체로 하이드로젤 전구액을 이송시키는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연한 미세유체 장치에 의하면, 장치 내부에서 덮개 유체에 의해 안내된 늘어진(elongated) 광경화성 하이드로젤 전구액(precursor)을 광섬유에 의해 전달된 광으로 현장 광 가교하여 하이드로젤 미세섬유를 연속 중합할 수 있다.
실시예에 따른 유연 미세유체 장치에 의하면, 단일 내강 부분에서 미세섬유가 실질적으로 제작되기 때문에, 이중 내강 부분에서 굽힘이 발생하여도 내/외부 미세도관의 배치가 광섬유와 지지대 덕분에 동심원으로 유지되어 하이드로젤 전구액이 늘어진 유동을 일정하게 형성할 수 있다.
또한 유연 미세유체 장치는 내부에서 하이드로젤 미세섬유를 완전히 광 가교 시킨 이후에 유동 방향을 따라 이동시켜 장치 밖으로 토출시키기 때문에, 주변 유체의 광 투과도와는 상관없이 하이드로젤 미세섬유를 연속적으로 제작 할 수 있다. 따라서, 유연 미세유체 장치는 혈액으로 채워진 실제 혈관내부 환경에서도 하이드로젤 미세섬유를 연속적으로 생산하여 동맥류를 색전할 수 있다. 생산되는 하이드로젤 미세섬유의 직경은 샘플과 덮개 유체의 유량의 조작을 통해 조절이 가능하다.
따라서, 동맥류를 불침투성으로 균일하고 완전하게 색전하여 혈전을 생성하기 어려운 환자에게도 적용 가능하며, 주입 중 주요 동맥으로의 누출로 인한 미세 파편의 생성 및 미세도관 표면에 협착이 없는, 동맥류 색전 시술이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치를 도시한 도면으로, (a)는 사시도이고, (b)는 (a)의 A-A' 선을 따른 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치의 일부를 도시한 부분 측면 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치를 구동하기 위한 시린지 펌프와 광원을 구비한 실험 장치를 나타낸 사진이다.
도 5의 (a)는 물이 주변 유체일 때 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 결과이고, (b)는 주변 유체가 붉은색 염료가 혼합된 물일 때 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 결과를 나타낸 것이며, (c)와 (d)는 샘플 유체와 덮개 유체의 유량에 따른 연속 중합된 하이드로젤 미세섬유의 직경 변화를 나타낸 그래프이고, (e)는 미세유체 장치의 굽힘에 따른 연속 중합된 하이드로젤 미세섬유의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 혈관 복제품, 풍선, 맥동 펌프, 유체 저장소를 구비한 실험장치를 나타낸 이미지이다.
도 7의 (a)와 (b)는 혈관 복제품 내부를 연속중합된 하이드로젤 미세섬유로 채우는 과정을 도시한 이미지이다.
도 8의 (a)와 (b)는 샘플 유체와 덮개 유체의 유량에 따른 채움도를 나타낸 그래프이다.
도 9의 (a) 및 (b)는 완전히 채워진 혈관 복제품 내부의 동맥류를 혈관 조영술로 확인한 이미지이고, (c)는 미세섬유를 혈관 복제품 밖으로 빼낸 이미지이다.
도 10은 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 미세유체 장치를 이용하여 연속중합된 하이드로젤 미세섬유로 동맥류를 채우는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 11은 혈관 복제품을 나타내는 이미지이다.
도 12는 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 미세유체 장치를 이용하여 연속중합된 하이드로젤 미세섬유로 혈관 복제품 내부의 동맥류를 채우는 과정을 나타낸 이미지이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치를 도시한 도면으로, (a)는 사시도이고, (b)는 (a)의 A-A' 선을 따른 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치(100, 이하 "유연 미세유체 장치" 또는 "미세유체 장치"라고도 함)는 이중 내강 부분(double-lumen part)(120)과 단일 내강 부분(single-lumen part)(110)을 포함한다. 이중 내강 부분(120)은 외부 미세도관(115) 내부에 내부 미세도관(125)이 동축상으로 삽입되어 중첩되는 부분이고, 단일 내강 부분(110)은 내부 미세도관(125)의 중첩 없이 외부 미세도관(115)으로 이루어지는 부분이다.
외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125)은 유연한(flexible) 재질로 이루어질 수 있다. 일례로, 외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125)는 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 테프론(Teflon®), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 등으로 인체내 사용 가능한 재질이 될 수 있다. 또한 내부 미세도관(125)은 외부 미세도관(115) 내부에서 자유롭게 움직일 수 있어서, 유연 미세유체 장치(100)의 이중 내강 부분(120)과 단일 내강 부분(110)의 위치 조작이 쉽고 기존 미세도관을 활용한 혈관내 치료 방법과 호환이 용이하다. 내/외부 미세도관(125, 115)은 공지의 미세도관을 사용할 수 있는데, 일례로 내부 미세도관(125)으로는 MarathonTM, RebarTM 10, EchelonTM 10 등을 사용할 수 있고, 외부 미세도관(115)으로는 RebarTM 27, MarksmanTM, PhenomTM 027, Glidecath® 등을 사용할 수 있다.
이중 내강 부분(120)의 외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125) 사이에는 광섬유(130)가 배치되고, 이 광섬유(130)는 단일 내강 부분(110)으로 기 설정된 길이만큼 돌출될 수 있다. 이 때 외부 미세도관(115)은 제1 길이로 형성되고, 내부 미세도관(125)은 제1 길이보다 더 짧은 제2 길이로 형성되며, 광섬유(130)는 제1 길이보다 더 짧고 제2 길이보다는 더 길게 형성될 수 있다. 여기서 제1, 제2, 제3 길이는 외부 미세도관(115)의 유체 유입구 측 기단으로부터 시작하여 측정되는 길이일 수 있다.
또한 외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125) 사이에서는 광섬유(130)로부터 내부 미세도관(125)의 원주 방향으로 이격되어 배치된 지지대(135)가 삽입될 수 있다. 일례로, 지지대(135)는 실리카(silica), 폴리이미드(polyimide), 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 테프론(Teflon®), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 등으로 인체내 사용 가능한 유연한 재질이 될 수 있다. 지지대(135)는 단일 내강 부분(110)으로 돌출되지 않도록 배치될 수 있으며, 이를 위해 지지대(135)의 말단이 이중 내강 부분(120)에서 내부 미세도관(125)의 말단과 일치하도록 구성될 수 있다.
따라서 광섬유(130)는 광(L)을 특정 각도로 전달하여 늘어진 샘플 유체(sample fluid)를 경화시키는 역할 뿐 아니라, 지지대(135)와 함께 내부 미세도관(125)이 외부 미세도관(115) 내에서 동심원을 갖도록 함으로써, 내부 미세도관(125)과 외부 미세도관(115)에서 토출되는 샘플 유체와 덮개 유체가 동축으로 흐르도록 할 수 있다.
한편, 외부 미세도관(115)의 외측면에는 Y형 커넥터(117)가 연결될 수 있다. 따라서 샘플 유체는 내부 미세도관(125)으로 흐르도록 공급되고, 덮개 유체(sheath fluid)는 Y형 커넥터(117)를 통해 이중 내강 부분(120)에 위치하는 내부 미세도관(125)과 외부 미세도관(115) 사이의 공간으로 흐르도록 공급될 수 있다. 이렇게 공급된 샘플 유체와 덮개 유체는 단일 내강 부분(110)에서 결합될 수 있다. 여기서, 샘플 유체는 일례로 광경화성 하이드로젤 전구액이 사용될 수 있고, 덮개 유체는 일례로 식염수 기반의 유체, 또는 인체내 사용 가능한 유체가 사용될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 구성된 유연 미세유체 장치(100)는 내부 미세도관(125)의 내부 공간을 통해 샘플 유체, 일례로 하이드로젤 전구액이 통과하도록 구성되고, 내부 미세도관(125)의 외부에 위치한 외부 미세도관(115) 내부 공간을 통해 덮개 유체, 일례로 식염수 기반의 유체, 또는 인체내 사용 가능한 유체가 통과하도록 구성될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치의 일부를 도시한 부분 측면 사시도이다.
도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 유연 미세유체 장치(100)의 내부에서 광경화성 하이드로젤이 중합되는 원리를 설명한다.
먼저, 유연 미세유체 장치(100)의 내부 미세도관(125)을 통해 샘플 유체로 하이드로젤 전구액이 유동하도록 공급하고 외부 미세도관(115)을 통해 덮개 유체로 식염수, 또는 인체내 사용 가능한 유체를 유동하도록 공급하면, 샘플 유체와 덮개 유체는 단일 내강 부분(110)에서 서로 만나 결합될 수 있다. 이 때, 하이드로젤 전구액은, 마이크로 스케일에서 지배적인 현상인 층류(laminar flow)와 디퓨전(diffusion)에 의해 지배되어, 그 주위에 형성된 3차원 동축 덮개 유동(3D coaxial sheath flow stream)에 의해 늘어진(elongated) 유동을 형성할 수 있다.
이렇게 늘어진 하이드로젤 전구액은 유연 미세유체 장치(100)의 배출구로 흘러가면서 광섬유(130)에서 특정 각도로 방출된 광(L)에 노출되며, 현장형 광 가교(즉, 움직이는 액체의 연속 방사)가 될 수 있다. 여기서 중합된 하이드로젤 미세섬유는 외부 미세도관(115)의 내부 표면을 건드리지 않고 유동 방향을 따라 이동하여 유연 미세유체 장치(100)의 밖으로 토출될 수 있다.
이 때 하이드로젤 전구액이 단일 내강 부분(110) 내에서 경화가 완료되어 투과도가 낮은 혈액의 환경에서도 미세섬유의 막힘 없이 연속적으로 토출이 가능하다.
본 실시예에 따른 유연 미세유체 장치(100)는 상기한 바와 같이 설계된 구조에 따라 단일 내강 부분(110)에서 미세섬유가 실질적으로 제작되기 때문에, 이중 내강 부분(120)에서 굽힘이 발생하여도 내/외부 미세도관(125, 115)의 배치가 광섬유(130)와 지지대(135) 덕분에 동심원으로 유지되어 하이드로젤 전구액이 늘어진 유동을 일정하게 형성할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 미세유체 장치(100)는 내부에서 하이드로젤 미세섬유를 완전히 광 가교 시킨 이후에 유동 방향을 따라 이동시켜 장치 밖으로 토출시키기 때문에, 주변 유체의 광 투과도와는 상관없이 하이드로젤 미세섬유를 연속적으로 제작 할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 미세유체 장치(100)는 혈액으로 채워진 실제 혈관내부 환경에서도 하이드로젤 미세섬유를 연속적으로 생산하여 동맥류를 색전할 수 있다. 생산되는 하이드로젤 미세섬유의 직경은 샘플과 덮개 유체의 유량의 조작을 통해 조절이 가능하다.
도 3은 일 실시예에 따른 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 유연 미세유체 장치의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 내부 미세도관(125)과, 내부 미세도관(125)보다 직경이 더 큰 외부 미세도관(115)을 마련한다. 내부 미세도관(125)과 외부 미세도관(115)은 각각 원형 단면을 갖는 중공의 도관으로 형성될 수 있으며, 유연한(flexible) 재질로 이루어질 수 있다. 일례로, 내부 미세도관으로 EchelonTM 을 적용하고, 외부 미세도관으로 Glidecath®를 적용할 수 있다.
다음으로, 내부 미세도관(125)의 외부 지름과 동일한 가로 폭 및 내부 미세도관(125)의 외부 반지름과 동일한 세로 폭을 갖는 사각 홈(32)을 갖는 몰드(30)를 마련한다(단계 (1) 참조).
다음으로, 몰드(30)의 사각 홈(32) 내에 내부 미세도관(125)을 안착하고 광섬유(130)와 지지대(135)를 내부 미세도관(125)에 고정한다(단계 (2) 참조). 광섬유(130)와 지지대(135)는 내부 미세도관(125)의 외측에 에폭시 접착제를 이용하여 부착시킬 수 있다. 광섬유(130)는 일례로 Optran UV fiber를 사용할 수 있다.
다음으로, 광섬유(130)를 내부 미세도관(125)의 말단으로부터 돌출되도록 위치시킬 수 있다(단계 (3) 참조). 그리고 지지대(135)의 말단을 내부 미세도관(125)의 말단과 일치하도록 위치시킬 수 있다. 내부 미세도관(125)에 부착된 광섬유(130)와 지지대(135)를 기 설정된 길이만큼씩 내부 미세도관(125)의 말단으로부터 돌출되도록 재단함으로써 돌출된 길이를 조절할 수 있다.
다음으로, 광섬유(130)와 지지대(135)가 고정된 내부 미세도관(125)을 외부 미세도관(115) 내에 삽입하고, 광섬유(130)의 광 방출 각도를 고려하여 내부 미세도관(125)의 위치를 설정한다(단계 (4) 참조).
이와 같이 광섬유(130)와 지지대(135)가 고정된 내부 미세도관(125)이 외부 미세도관(115) 내에서 설정된 위치로 고정함으로써 유연 미세유체 장치를 완성한다(단계 (5) 참조).
이하에서는 예시적인 실시예를 통해 유연 미세유체 장치를 제작하고 이를 이용하여 실험한 결과를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 보호범위가 하기 실시예로 한정되는 의도는 아니다.
실시예 1. 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치의 제작
유연 미세유체 장치를 제작하기 위하여, EchelonTM를 내부 미세도관으로 Glidecath®를 외부 미세도관으로, Optran UV fiber를 광섬유로 사용하였다. (1) 먼저 0.6mm x 0.2mm 직사각형 홈이 난 기판을 3D 프린팅 하여 마련하였다. (2) 다음으로, 3D 프린팅 된 기판을 활용하여 내/외경 430/570μm의 내부 미세도관(EchelonTM), 직경 150μm의 광섬유(Optran UV fiber), 및 직경 150μm의 지지대를 평행하게 놓은 후, 에폭시(Scotch® super glue liquid)를 이용하여 끝단을 붙여주었다. (3) 다음으로, 광섬유 및 지지대가 부착된 내부 미세도관을 기판에서 분리하고, 광섬유와 지지대를 내부 미세도관의 끝단에서 각각 2mm와 0mm 돌출되도록 재단하였다. (4) 다음으로, 광섬유와 지지대가 나란히 결합된 내부 미세도관을 내/외경 1000/1300μm의 외부 미세도관(Glidecath®)에 삽입하고, 단일내강 부분의 간격을 5.19에서 10 mm 사이에서 유지하였다(도 3 참조).
실시예 2. 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치 구동을 위한 실험 장치의 준비
도 4는 실시예 1에서 제작한 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치를 구동하기 위한 시린지 펌프와 광원을 구비한 실험 장치를 나타낸 사진이다. 도 4를 참조하면, 샘플유체와 덮개유체는 각각 내부 미세도관과 Y형 커넥터를 통해 외부 미세도관으로 주입이 되고, 시린지 펌프를 이용하여 샘플유체는 5 내지 20mL/h로, 덮개 유체는 40 내지 100mL/h 사이에서 조절하였다. 그리고 광섬유는 레이저 소스와 연결하였다.
실시예 3. 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치를 이용하여 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합
실시예 1에서 제작한 광섬유가 통합된 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치를 이용하여 하이드로젤 미세섬유를 연속 중합하여 그 결과를 도 5에 나타내었다.
샘플 유량(샘플 유체의 유량)은 직경 7 mm 구형의 빈 공간을 3분 내에 채울 수 있는(뇌세포는 3분 동안 피가 공급 안되면 괴사하기 시작한다) 5 mL/h부터 내부 미세도관의 허용압력을 초과하지 않는 20 mL/h 사이에서 조작하였고, 덮개 유량(덮개 유체의 유량)은 앞서 정한 샘플 유량의 범위에서 하이드로젤 전구액이 늘어진 유동을 형성할 수 있는 40 mL/h 이상에서 조작하였다.
늘어진 하이드로젤 전구액을 충분히 가교시키기 위해서 광섬유를 통해 약 300mW의 광을 조사하였다. 중합된 하이드로젤 미세섬유는 약 210μm에서 640μm의 직경을 가졌는데, 일반적으로 샘플 유량이 커질수록 그리고 덮개 유량이 작아질수록 미세섬유의 직경은 커지는 경향이 있었다. 이는 단일내강 부분의 직경은 고정되어 있어서 샘플 유체와 덮개 유체 중 한쪽의 유량이 커지면 차지하는 공간도 커지기 때문이다.
한편, 유연 미세유체 장치는 단일내강 부분에서 미세섬유가 실질적으로 제작되기 때문에, 이중내강 부분에서 굽힘이 발생하여도 내/외부 미세도관의 배치가 광섬유와 지지대 덕분에 동심원으로 유지되어 하이드로젤 전구액이 늘어진 유동을 일정하게 형성할 수 있고, 현장형 광경화를 통해 형성된 하이드로젤 미세섬유의 직경에는 최대 13% 미만의 변화만이 발생하였다.
실시예 4. 관상 동맥류 모델 내에 하이드로젤 미세섬유의 채움 실험
동맥류(i.e., 구형 빈 공간)를 포함한 관상 동맥류 모델 내에 하이드로젤 미세섬유의 채움 실험은 동맥류 색전술의 "개념 증명"으로 평가되었다. 본 실험에서 사용한 관상 동맥류 모델은 탄성중합체-하이드로젤 피부 다층으로 구성되어 혈관의 형상과 특성을 매우 유사하게 모방하고 있다. 혈관 복제품, 풍선, 맥동 펌프, 유체 저장소를 구비한 실험장치를 나타낸 이미지를 도 6에 도시하였다.
혈액유사 유체는 맥동펌프 (Model 1405, Harvard Apparatus)의 도움으로 관상 동맥류 모델 내부를 순환하고 필터시스템 (20μm mesh)을 거쳐서 유체 저장소로 옮겨진다. 필터시스템은 모의 시술 동안에 미세 파편의 생성여부를 확인할 수 있다.
하이드로젤 미세섬유로 관상 혈관 복제품 내 7 mm 직경의 동맥류를 채우는 과정은 도 7에서 볼 수 있다. (1) 미세유체 장치의 끝단을 동맥류 입구에 위치시키고, 동맥류의 입구를 일시적으로 막기 위해 풍선 미세도관(Scepter CTM, BC0410C, Microvention)을 동맥류 목을 가로질러서 위치시킨 후 부풀게 하였다. (2)-(3) 장치로부터 연결된 형태로 연속적으로 토출된 하이드로젤 미세섬유는 동맥류를 점점 채우게 되고, 부풀어진 풍선은 특정 충진율 이하에서 하이드로젤 미세섬유가 동맥류 밖으로 유출되는 것을 방지한다. (4) 미세섬유가 풍선, 장치, 및 동맥류 목 사이의 틈을 지나 동맥류 밖으로 유출되기 직전까지 동맥류를 최대한 채운 후, 장치를 off하였다. 마지막으로, 장치와 풍선 미세도관을 관상 동맥류 모델에서 제거하는 것을 통해 시술을 마쳤다.
하이드로젤 미세섬유로 동맥류를 채울 수 있는 최대량을 조사하기 위해, 샘플/덮개 유량을 조작하면서 실험을 진행하였다. 여기서, 최대 채움도는 동맥류의 내부 부피 대비 하이드로젤 미세섬유가 동맥류 밖으로 유출되기 직전까지의 투입된 양(샘플 유량 x 토출 시간)으로 계산하였다. 동맥류 밖으로 하이드로젤 미세섬유의 유출은 동맥류 내부 압력이 미세섬유가 풍선, 장치, 및 동맥류 목 사이의 틈에서 저항하는 힘보다 클 때 발생한다. 채움도와 채움시간에 대한 샘플 유량의 영향을 확인하기 위해, 덮개 유량을 40 mL/h로 고정하고 샘플 유량을 증가시키면서 채움 실험을 진행하였다.
내부 유량이 5 mL/h에서 20 mL/h로 증가할수록 채움도 또한 약 77 %에서 약 93%로 증가하였다(도 8 (a) 참조). 이는 샘플 유량이 증가할수록 미세섬유의 직경은 굵어졌고 미세섬유가 풍선, 장치, 및 동맥류 목 사이의 틈에서 저항하는 힘이 커졌기 때문이다. 또한, 샘플 유량이 일정할 때, 덮개 유량이 증가할수록 채움도는 감소하는 경향을 보였다(도 8 (b) 참조). 이는 덮개 유체 유량이 증가할수록 내부 압력은 증가하며, 미세섬유의 직경은 얇아져서 미세섬유가 풍선, 장치, 및 동맥류 목 사이의 틈에서 저항하는 힘이 감소하기 때문이다.
실험한 모든 조건에서 막힘 현상은 발생하지 않았고, 동맥류 밖으로 유출되는 미세 파편도 발생하지 않았다. 혈액 유사 유체가 70Hz에서 280mL/min의 유속으로 순환하는 1시간 동안, 동맥류를 채운 하이드로젤 미세섬유의 형상에는 변화도 없었다. 결과적으로, 동맥류의 색전을 최소 시간, 높은 채움도로 안전하게 달성하기 위하여, 내부/외부 유량을 각각 20/60 mL/h로 선정하였다. 하이드로젤 미세섬유는 10%(w/v) 탄탄륨 나노파우더를 함유하고 있기 때문에 X-ray에 불투과성을 보이며, 이는 혈관내 중재술 시 하이드로젤 미세섬유의 위치를 파악할 수 있어서, 뇌동맥류를 정확히 채웠는지 여부를 확인할 수 있다. 또한, 3D 관상 동맥류 모델에서 동맥류가 완전히 색전 된 것은 혈관조영술을 통해 조영제가 동맥류 내부로 침입하지 않는 것으로 확인할 수 있었다(도 9의 (a) 및 (b) 참조). 색전술 후 동맥류 모델에서 제거된 미세섬유 덩어리는 표면에서 스트랜드(strand)가 보이지만, 이들은 하나의 덩어리로 형태를 유지하였다(도 9의 (c) 참조).
실시예 5. 혈관내 시뮬레이터에서 모의 동맥류 색전술의 수행
실시예 1에서 제작한 유연 미세유체 장치의 임상에서 적용가능성을 확인하기 위해, 혈관내 시뮬레이터에서 모의 동맥류 색전술을 수행하였다. 혈관내 시뮬레이터는 3D 혈관 복제품들이 통합된 마네킹, 디지털 현미경, 유체 저장소, 맥동펌프로 구성이 되어 있다. 3D 혈관 복제품은 앞서 설명한 관상 동맥류 모델과 유사하게 탄성중합체-하이드로젤 피부 다층으로 구성되어 혈관의 형상과 특성을 매우 유사하게 모방하고 있어서, 의료 장치의 제어 및 혈액유사 유체의 내부 순환을 용이하게 하여 동맥류 색전술의 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 한다(도 10 및 도 11 참조).
마네킹은 뇌동맥 복제물이 있는 머리 부분과, 경동맥과 대동맥 복제품이 있는 상체 부분, 그리고 장골 동맥과 대퇴 동맥 복제물이 있는 하체를 포함한다. 여기서, 뇌동맥 복제물은 중대뇌동맥, 전교통동맥, 후교통동맥에 7 mm 직경의 동맥류를 포함한다. 대퇴동맥 복제물은 도입관(introduce sheath, Radifocus® Introducer II, RS * A90K10SQ, Terumo)에 연결이 되어 있다(도 11 참조).
모의 동맥류 색전술은 중대뇌동맥에 형성된 동맥류에서 수행되었다. 모의 동맥류 색전술을 수행하기 위해, 안내 미세도관(Chaperon®, GC695M2VT, Terumo)를 마네킹 내부의 대퇴 동맥에 연결된 도입관을 통해 삽입하고 장골동맥과 대동맥을 지나 경동맥으로 밀어 올렸다. 다음으로, (1) 가이드 와이어(Traxcess® 14, GW1420040, Terumo)의 도움으로 외부 미세도관을 동맥류에 위치시킨 후 내부 미세도관을 순차적으로 삽입하고, 풍선 미세도관을 뇌동맥류 목을 가로질러서 위치시킨 후 부풀게 하였다. (2)-(5) 본 장치는 복잡한 혈관 복제품 내부를 통과하기 때문에 여러 지점에서 굽힘이 발생하였지만, 하이드로젤 미세섬유를 균일하게 생산할 수 있었고 뇌동맥류를 완전히 색전할 수 있었다. (6) 동맥류를 미세섬유로 채운 후, 미세유체 장치와 풍선 미세도관을 제거하였다. 토출된 미세섬유는 서로 얽혀서 하나의 덩어리를 형성하여 뇌동맥류 내부로 혈류의 흐름을 차단하였다. 추가로, 일정시간 맥동이 있는 환경(혈액 유사 유체가 70 Hz에서 280 mL/min의 유속으로 1시간 동안 순환)에서 뇌동맥류를 채운 하이드로젤 미세섬유가 유지되었고, 미세 파편 또한 생성되지 않았다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치
110: 단일 내강 부분
115: 외부 미세도관
120: 이중 내강 부분
125: 내부 미세도관
130: 광섬유
135: 지지대

Claims (8)

  1. 제1 길이를 갖는 외부 미세도관과, 상기 제1 길이보다 더 짧은 제2 길이를 갖는 내부 미세도관이 상기 외부 미세도관 내부에 동축상으로 삽입되어 중첩되는 이중 내강 부분;
    상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강 부분; 및
    상기 제1 길이보다 더 짧고 상기 제2 길이와 같거나 상기 제2 길이보다 더 긴 제3 길이를 가지며, 상기 이중 내강 부분에서 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유
    를 포함하고,
    상기 내부 미세도관의 내부 공간을 통해 공급된 샘플 유체와, 상기 내부 미세도관의 외부와 상기 외부 미세도관의 내부 사이의 공간을 통해 공급된 덮개 유체가 동축으로(coaxially) 흐르도록 구성되며,
    상기 샘플 유체는 하이드로젤 전구액이고,
    상기 덮개 유체는 식염수 기반의 유체 또는 인체내 사용 가능한 유체인, 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 상기 이중 내강 부분의 단면상에서 일측 가장자리로 치우쳐 배치된, 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에서 상기 광섬유로부터 상기 내부 미세도관의 원주 방향으로 이격되어 배치된 적어도 하나의 지지대
    를 더 포함하는, 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지대의 말단은 상기 이중 내강 부분에서 상기 내부 미세도관의 말단과 일치하거나 상기 내부 미세도관의 말단보다 더 짧게 구성된, 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 상기 단일 내강 부분으로 기 설정된 길이만큼 돌출된, 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관은 유연한(flexible) 재질로 이루어지는, 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치.
  7. 삭제
  8. 제1 길이를 갖는 외부 미세도관과, 상기 제1 길이보다 더 짧은 제2 길이를 갖는 내부 미세도관이 상기 외부 미세도관 내부에 동축상으로 삽입되어 중첩되는 이중 내강 부분과, 상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강 부분, 및 상기 제1 길이보다 더 짧고 상기 제2 길이와 같거나 상기 제2 길이보다 더 긴 제3 길이를 가지며, 상기 이중 내강 부분에서 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에 배치된 적어도 하나의 광섬유를 포함하고, 상기 내부 미세도관의 내부 공간을 통해 공급된 샘플 유체와, 상기 내부 미세도관의 외부와 상기 외부 미세도관의 내부 사이의 공간을 통해 공급된 덮개 유체가 동축으로(coaxially) 흐르도록 구성된, 미세도관 기반의 유연 미세유체 장치를 이용하여 하이드로젤 미세섬유를 연속 중합하는 방법으로서,
    상기 내부 미세도관의 외측에서 상기 외부 미세도관의 내부 공간을 통해 덮개 유체를 이송시키는 단계; 및
    상기 단일 내강 부분에서 상기 광섬유를 이용하여 상기 내부 미세도관의 말단으로 광을 조사하는 단계;
    상기 내부 미세도관의 내부 공간을 통해 샘플 유체로 하이드로젤 전구액을 이송시키는 단계
    를 포함하는, 광경화성 하이드로젤 미세섬유의 연속 중합 방법.
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