KR102540047B1 - 안구건조증 진단 및 치료용 스마트 콘택트렌즈 - Google Patents

안구건조증 진단 및 치료용 스마트 콘택트렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 콘택트렌즈는 안구건조증 바이오마커가 프로브와 결합할 때 전계효과에 의해 발생되는 전류의 변화로 안구건조증을 진단할 수 있으며, 안구건조증이 진단되면 전류를 발생시켜 약물 저장소를 막고 있는 금막이 전류에 의해 녹으면서 약물 방출이 조절될 수 있다.

Description

안구건조증 진단 및 치료용 스마트 콘택트렌즈{Smart contact lenses for diagnosing and treating dry eye syndrome}
본 발명은 안구건조증 진단 및 치료용 스마트 콘택트렌즈에 관한 것이다.
안구건조증(dry eye syndrome)은 눈물이 부족하거나 눈물이 지나치게 증발하거나 눈물 구성성분의 균형이 맞지 않아서, 안구 표면이 손상되고 눈이 시리고 자극감, 이물감, 건조감 같은 자극증상을 느끼게 되는 눈의 질환이다. 이러한 안구건조증은 단순히 눈물부족이 아닌, 눈물과 안구표면(각막 및 결막)의 염증에 의한 안구의 불편감, 시력저하, 눈물 층의 불안정성을 유발하여 안구표면에 손상을 준다. 또한, 통증, 불규칙한 각막 표면, 흐리고 변동폭이 커진 시력 및 각막궤양 등의 발병 위험성이 크다. 상기 안구건조증의 발병기전은 아직 완전히 규명되지 않았으나, 염증세포의 침윤, 면역활성화 분자 및 접착분자발현 증가, Th1 및 Th17 반응, 세포사멸 마커 및 케모카인의 비정상적인 변화 등 염증이 중요한 역할을 한다는 연구결과가 보고되고 있다.
일반적으로 안구 건조증 치료를 위해서 칼륨과 안토시아닌이 풍부한 음식섭취를 권장하고 있고, 이외에도 케일, 키위, 사과 등의 과일섭취도 적극 권장하고 있다, 또한 인공눈물 점안, 눈물점을 막아 배출되는 눈물의 양을 조절하는 치료법을 사용하기도 한다. 그러나 안구건조증은 우리나라 성인의 20% 내외로 발생하는 흔한 질병으로, 특히 전 세계적인 기후 변화 특히 엘리뇨 현상으로 온도가 올라가고 있는 상황과 환경오염으로 인해 안구건조증 환자가 지속적으로 증가하고 있으나, 특별한 치료제 또는 기능성 식품이 없는 상황이다.
즉, 안구건조증은 시각기능 및 삶의 질에 큰 영향을 미치는 안질환이다. 그러나, 증상이 나타나기까지 시간이 오래 걸리며, 진단 방법의 부족으로 인해 정확한 진단이 어렵다. 따라서 안구건조증의 새로운 진단 방법이 요구되고 있는 상황이며, 그 중에서 눈물에 존재하는 안구건조증 바이오마커를 이용하여 진단을 하는 기술들이 요구되고 있다.
본 발명은 안구건조증 진단 및 치료용 스마트 콘택트렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 안구건조증 바이오마커 검출용 센서; 및 약물저장소를 포함하고,
상기 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소는 투명기판 상에 형성되는 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈를 제공한다.
본 발명에 따른 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈는 안구건조증 바이오마커가 프로브와 결합할 때 전계효과에 의해 발생되는 전류의 변화로 안구건조증을 진단할 수 있다. 또한, 안구건조증이 진단되면, 전기신호가 발생하고 이에 의해 약물 저장소를 막고 있는 금막이 전류에 의해 녹으면서 약물 방출이 조절될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 콘택트렌즈는 안구건조증의 진단 및 치료에 효과적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터 바이오센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오마커와 압타머가 결합하였을 때 생기는 전류의 변화를 측정한 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 약물저장소의 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 패터닝된 투명하고 유연한 기판을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 금 박막의 전기화학적 반응에 의한 전류 변화를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 약물전장소에서 방출된 모델 약물을 나타낸다.
본 발명은 안구건조증 바이오마커 검출용 센서; 및 약물저장소를 포함하는 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 안구건조증(dry eye syndrome)은 눈물이 부족하거나 눈물이 지나치게 증발하거나 눈물 구성성분의 균형이 맞지 않아서, 안구 표면이 손상되고 눈이 시리고 자극감, 이물감, 건조감 같은 자극증상을 느끼게 되는 눈의 질환을 의미한다. 본 발명에서는 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈를 사용함으로써, 안구건조증 바이오마커가 프로브와 결합할 때 전계효과에 의해 발생되는 전류의 변화로 안구건조증을 진단할 수 있다. 또한, 안구건조증이 진단되면 전기신호가 발생하고, 이에 의해 약물 저장소를 막고 있는 금막이 전류에 의해 녹으면서 안구건조증 치료 약물을 방출시킬 수 있다.
본 발명의 콘택트렌즈는 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer)의 탄성중합체; 실리콘 하이드로젤(Silicone hydrogel); 및 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트)(PHEMA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리(유산-글리콜린산)(PLGA) 또는 폴리비닐알코올(PVA)의 고분자 하이드로젤;로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 고분자를 기반으로 할 수 있다.
본 발명에서 콘택트렌즈의 내부에는 투명기판이 형성되어 있으며, 상기 투명기판 상에는 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소가 형성될 수 있다.
일 구체예에서, 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소는 투명기판 상에서 안구쪽 방향의 면에 형성될 수 있다.
상기 투명기판은 광투과성이 뛰어나고, 유연하고 신축성이 우수하며, 생체적합성이 뛰어난 특성을 가진다. 이러한 투명기판은 파릴린 C(Parylene C), PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에서 안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 눈물에 존재하는 안구건조증 바이오마커를 검출하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 콘택트렌즈에 포함된 상태로 안구에 직접 착용되므로, 눈물에 존재하는 안구건조증 바이오마커를 검출하는데 적합하다.
일 구체예에서, 안구건조증 바이오마커는 VEGF, 락토페린(lactoferrin) 및 리포칼린(lipocalin)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명에서 안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 전계효과 트랜지스터(FET) 바이오센서일 수 있다.
"전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)"는 게이트 전극에 전압을 걸어 채널의 전기장에 의하여 전자 또는 양공이 흐르는 관문(게이트)이 생기게 하는 원리로 소스, 드레인의 전류를 제어하는 트랜지스터이다.
또한, "전계효과　트랜지스터　바이오센서"란 기판의 양 측부에 소스 전극 및 드레인 전극, 및 소스 및 드레인 전극들과 접촉하며 기판 상에 형성되는 게이트를 포함하며, 게이트 표면 또는 상기 전극의 표면에 프로브가 고정되어 있어, 프로브에 타겟물질이 결합하는 경우, 결합 시 생기는 전류변화를 전기적인 방법으로 측정하여 프로브와 타겟물질간의 결합여부를 검출하는　센서이다.
본 발명에서는 콘택트렌즈에 상기 전계효과 트랜지스터 바이오센서를 도입하여, 안구건조증 바이오마커가 프로브와 결합했을 때 생기는 전류변화를 감지함으로써 안구건조증을 진단할 수 있다.
본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터 바이오센서는 투명기판 상에 형성되며, 일정거리 이격된 소스 전극 및 드레인 전극;
상기 소스 전극 및 드레인 적극을 연결하는 전계효과 트랜지스터(TEF) 채널; 및
상기 채널 상에 부착된 프로브로 구성될 수 있다.
일 구체예에서 소스 전극 및 드레인 전극은 각각 독립적으로 금 박막 또는 나노물질을 포함할 수 있으며, 상기 나노물질은 생체적합성을 가지는 물질일 수 있다. 구체적으로, 나노물질은 나노입자인 0차원 물질; 나노와이어, 나노 파이버 또는 나노튜브인 1차원 나노물질; 및 그래핀, MoS2 또는 나노 플레이크인 2차원 나노물질;로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전극은 은(Ag) 및/또는 금(Au)을 포함할 수 있으며, 금 박막 또는 은 나노와이어일 수 있다.
일 구체예에서, 전계효과 트랜지스터(TEF) 채널은 소스 전극 및 드레인 전극을 연결하며, 반도전층일 수 있다. 구체적으로, 전계효과 트랜지스터(TEF) 채널은 실리콘 나노와이어를 포함하는 1차원 물질; 및 그래핀 또는 MoS2를 포함하는 2차원 물질로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로, 그래핀 또는 MoS2로 구성될 수 있다.
또한, 일 구체예에서, 프로브는 채널에 결합될 수 있으며, 안구건조증 바이오마커와 결합을 형성할 수 있다. 이러한 프로브는 안구건조증 바이오마커와 결합을 형성하는 압타머 또는 항체일 수 있다. 예를 들어, 안구건조증 바이오마커가 VEGF일 경우 프로브로 VEGF 압터머를 사용할 수 있고, 락토페린(Lactoferrin)일 경우 프로브로 Ylac1, Ylac4, Ylac5, Ylac6, Ylac8 및 Ylac9로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 리포칼린(lipocalin)일 경우 프로브로 NA10, NA36, NA42, NA53 및 NA21로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에서 도 1은 본 발명의 일례에 따른 전계효과 트렌지스터 바이오센서의 모식도를 나타낸다.
상기 도 1에 나타난 바와 같이, 투명한 유연기판 상에 소스 전극 및 드레인 전극이 형성되며, 상기 두 전극은 전계효과 트랜지스터 채널(게이트 채널)을 통해 연결될 수 있다. 그리고, 채널 상에는 항체 또는 압타머인 프로브가 결합될 수 있으며, 상기 프로브에 안구건조증 바이오마커가 결합될 수 있다.
본 발명에서 약물저장소는 금을 포함하는 전극패턴에 의해 밀봉되어 있으며, 전술한 전계효과 트렌지스터 바이오센서와 연동되어 있을 수 있다. 상기 전계효과 트렌지스터 바이오센서에 의해 안구건조증이 진단되면, 전기신호가 발생하고 이에 의해 상기 약물저장소의 전극패턴의 금이 생체 중의 염소 이온과 반응하여 녹아 상기 약물저장소에서 약물이 방출될 수 있다.
일 구체에에서, 안구건조증 바이오마커 검출용 센서에서는 바이오마커가 프로브와 결합할 때 전계효과에 의해 발생하는 전류 변화 측정 결과를 무선 통신을 통해 외부 시스템(구체적으로, 스마트 안경)으로 송신한다. 상기 외부 시스템에서는 수신된 전류 변화 측정 결과를 분석하여 이상을 감지하면(즉, 안구건조증으로 진단되면) 전기신호를 약물저장소에 송신한다. 약물저장소는 수신된 전기신호를 통해 구동될 수 있다.
일 구체예에서, 약물저장소는 투명기판의 일부 면에 형성된 금을 포함하는 전극 패턴; 및 상기 전극 패턴 상에 형성되며, 외측을 향해 인입된 형태의 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰층을 포함할 수 있다. 이때, 투명기판에는 천공이 형성되어 있을 수 있으며, 상기 전극 패턴은 이러한 천공을 감쌀 수 있다.
일 구체예에서, 약물 웰에는 약물이 위치할 수 있으며, 상기 약물은 안구건조증을 치료할 수 있는 약물이거나, 또는 상기 안구건조증을 치료할 수 있는 약물을 방출할 수 있는 약물 전달체 및 약물 방출 제어 물질로 구성될 수 있다. 또한, 약물은 마이셀, 나노파티클의 구조를 가지거나, 고분자와 결합된 상태로 존재할 수 있다.
본 발명에서 투명기판 상에는 전술한 전계효과 트랜지스터 바이오센서 및 약물저장소 외에 안테나가 추가로 형성될 수 있다. 상기 안테나는 투명기판 상에서 전계효과 트랜지스터 바이오센서와 동일한 면에 형성될 수 있다.
상기 안테나는 유도전류 및 전자기 공명을 통하여 전력 및 신호를 외부로 송신 및 수신할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 안테나는 원형의 구조를 가지는 원형 안테나일 수 있다.
일 구체예에서 안테나는 나노물질로 구성될 수 있으며, 상기 나노물질은 금속 박막물질; 나노입자인 0차원 물질; 나노와이어, 나노 파이버 또는 나노튜브인 1차원 나노물질; 및 그래핀, MoS2 또는 나노 플레이크인 2차원 나노물질로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전계효과 트렌지스터 바이오센서, 약물저장소 및 안테나를 구성하는 성분들은 모두 생체 적합성이 뛰어나므로, 눈물 속에서 안정적으로 작동할 수 있으며, 생체 무해하다.
또한, 본 발명은 전술한 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 콘택트렌즈는 (S1) 핸들링 기판 상에 물에 용해되는 희생층을 형성하는 단계;
(S2) 상기 희생층 상에 투명기판을 형성하는 단계;
(S3) 상기 투명기판 상에 전계효과 트랜지스터 바이오센서 및 약물저장소를 형성하는 단계; 및
(S4) 상기 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판을 콘택트렌즈 내로 전사시키는 단계를 통해 제조될 수 있다.
단계 (S1)은 핸들링 기판(handling substrate) 상에 희생층을 형성하는 단계이다.
상기 희생층은 핸들링 기판과 투명기판 사이의 접착층의 역할을 수행할 수 있으며, 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판의 전사(transfer)를 도울 수 있다. 이러한 희생층은 물에 용해될 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 폴리비닐알코올(PVA) 및 덱스트란(DEXTRAN) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
단계 (S2)는 희생층 상에 투명기판을 형성하는 단계로서, 희생층은 접착제의 역할을 수행하므로, 투명기판은 핸들링 기판과 용이하게 부착될 수 있으며, 추후 공정에서 희생층의 용해를 통해 핸들링 기판과 용이하게 박리될 수 있다.
일 구체예에서 투명기판은 광투과성이 뛰어난 재료를 사용할 수 있으며, 전술한 종류를 사용할 수 있다.
단계 (S3)는 투명기판 상에 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소를 형성하는 단계로서, 안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 전계효과 트렌지스터 바이오센서일 수 있다.
일 구체예에서 전계효과 트랜지스터 바이오센서는 (a1) 투명기판 상에 패터닝을 위한 마스크 물질을 형성하는 단계;
(a2) 상기 마스크 물질이 형성된 투명기판에 나노물질을 포토리소그래피를 통해 소스 전극 및 드레인 전극으로 패터닝하는 단계;
(a3) 상기 패터닝된 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 전계효과 트랜지스터 채널을 형성하는 단계;
(a4) 상기 형성된 전계효과 트랜지스터 채널 상에 프로브를 결합시키는 단계를 통해 제조될 수 있다.
단계 (a1)는 투명기판 상에 패터닝을 위한 마스크 물질을 형성하는 단계이다.
상기 마스크 물질은 쉐도우 마스크의 역할을 수행할 수 있으며, 마스크 물질의 사용을 통해 나노물질을 패터닝할 수 있다. 이러한 마스크 물질로 포토레지스트(Photo resistor)로 사용할 수 있는 물질을 제한없이 사용할 수 있다.
단계 (a2)는 마스크 물질이 형성된 투명기판에 나노물질을 포토리소그래피를 통해 소스 전극 및 드레인 전극으로 패터닝하는 단계이다.
상기 단계를 통해 투명기판 상에 나노물질의 패턴을 형성할 수 있다. 상기 나노물질은 전술한 종류를 사용할 수 있으며, 구체적으로 금 박막 또는 은 나노와이어를 사용할 수 있다.
상기 단계에서 패터닝되는 나노물질은 소스 전극 및 드레인 전극으로 사용될 수 있다.
단계 (a3)는 상기 패터닝된 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 전계효과 트랜지스터 채널을 형성하는 단계이다.
상기 단계에서는 투명기판 상에 포토리소그래피 방법을 통해 전극 사이를 연결하는 채널 형태로 산화된 표면을 패터닝하고, 은 나노와이어를 상기 산화된 표면에 증착하는 방법으로 채널을 형성할 수 있다.
또한, 단계 (a4)는 형성된 전계효과 트랜지스터 채널 상에 프로브를 결합시키는 단계이다.
상기 단계에서는 채널 상에 도입된 아민기(amide group)와 프로브가 결합을 형성할 수 있다.
일 구체예에서, 약물저장소는 (b1) 투명기판의 일부 면에 금을 포함하는 전극 패턴을 형성하는 단계;
(b2) 상기 전극 패턴 상에 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰 층을 형성하는 단계; 및
(b3) 투명기판에 약물 방출 통로를 형성하는 단계;를 통해 제조할 수 있다.
단계 (b1)은 투명기판의 일부 면에 금을 포함하는 전극 패턴을 형성하는 단계이다.
본 발명에서 전극 패턴은 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 금 전극 패턴을 투명기판 상에 형성하고, 상기 전극 패턴의 양극 부분이 약물저장소를 감싸는 형태로 제작할 수 있다.
일 구체예에서, 투명기판 상에 적층되는 전극 패턴은 금을 포함하는 금속으로 제작된 양극과 상기 양극에 공통으로 연결된 음극으로 이루어질 수 있다. 상기 전극은 복수개의 양극이 어레이를 이루는 형태일 수 있다. 상기 전극은 부분에 따라 금과 티타늄로 구성될 수 있다. 상기 전극 패턴을 형성하는 금은 전해질 내에서 인가되는 전압에 의하여 전기 분해되어 제거될 수 있다. 따라서, 상기 전극 패턴의 양극은 전압에 의하여 수용되는 약물을 전달하는 통로의 게이트(약물방출 채널)로 이용할 수 있다.
단계 (b2)는 전극 패턴 상에 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰 층을 형성하는 단계이다. 상기 약물 웰은 약물을 저장할 수 있다.
이러한 약물 웰을 포함하는 약물 웰 층은 유연하고 생체적합성 성분을 포함할 수 있으며, 구체적으로 PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 및 SU8로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 약물 웰층은 전극 패턴 상에 제작될 수 있다.
단계 (b3)는 투명기판에 약물 방출 통로를 형성하는 단계이다.
단계 (b3)에서 약물 방출 통로는 금 전극이 생체 내 염소 이온과 반응이 일어날 수 있도록 할 수 있으며, 상기 금 전극이 전기화학적 반응으로 녹으면 약물이 방출되는 통로의 역할을 할 수 있다. 상기 약물 방출 통로는 투명기판 상에 천공을 형성하여 제조할 수 있으며, 이때, 천공은 산소를 이용한 반응성 이온 에칭을 통하여 수행할 수 있다.
또한, 단계 (S4)는 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판을 콘택트렌즈 내로 전사시키는 단계이다.
희생층 상에 제작된 센서 및 약물저장소는 생체친화적인 물에서 희생층을 녹이면서 전사(fransfer)될 수 있다.
또한, 본 발명은 투명기판 상에 안테나를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 단계는 단계 (S3)시 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 안구건조증 진단 및 치료용 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 안구건조증 진단 및 치료용 시스템은 안구건조증 바이오마커 검출용 센서; 및 약물저장소를 포함하는 콘택트렌즈 및 스마트 안경을 포함할 수 있다.
상기 콘택트렌즈는 전술한 콘택트렌즈를 사용할 수 있다. 구체적으로, 콘택트렌즈는 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소가 투명기판 상에 형성된다. 상기 안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 바이오마커가 프로브와 결합할 때 전계효과에 의해 발생되는 전류의 변화로 안구건조증을 진단할 수 있다. 그리고, 안구건조증으로 진단될 경우 전기신호가 발생되고, 이에 의해 약물저장소의 금막이 녹아 상기 약물저장소에서 약물이 방출될 수 있다.
본 발명에서 스마트 안경은 무선으로 전기신호를 송신 또는 수신하여 상기 무선구동 콘택트렌즈의 약물저장소의 구동을 조절할 수 있다.
일 구체예에서, 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소는 ASIC 칩과 연결되어 무선통신을 가능하게 할 수 있다. 센서에서 감지된 결과를 외부 시스템, 즉, 스마트 안경으로 송신하여 데이터를 저장 및 처리하고 약물전달 시스템의 구동을 조절할 수 있다. 상기 약물저장소는 ASIC 칩을 통해 외부 시스템에서 송신되는 전기신호를 수신하여 구동할 수 있다.
구체적으로, 약물저장소는 스마트 안경에서 송신된 전기신호를 수신하며, 이에 의해 전극 패턴의 금이 생체 속의 염소 이온에 녹아 AuCl4 -가 되면서, 상기 전극 패턴이 오픈되어 약물이 약물저장소에서 외부로 방출될 수 있다.
본 발명은 나노물질을 이용한 transparent electrode, stretchable electronics, complementary metal-oxide semiconductor(CMOS), 유연하고 생체적합성이 뛰어난 micro electro-mechanical system(MEMS), 및 nano electro-mechanical system(NEMS) 기술을 이용하여 마이크로 단위의 장거리 조절이 가능한 스마트 안경을 제공할 수 있다.
상기 스마트 안경에서 전기적인 파워는 무선 inductive power transfer(witricity) 기술을 이용하여 시현할 수 있으며, 스마트 안경에 있는 bluetooth, infra-red(IR)와 radio frequency(RF)를 이용하여 무선통신을 할 수 있다.
스마트 안경의 구동시스템은 안드로이드 OS이며, OMAP 4430 SoC, dual-core를 이용한 CPU와 4GB RAM 메모리가 장착될 수 있다. 디스플레이 화면은 640*360 픽셀로 이루어져 있으며, 음향은 Bone conduction transducer을 사용할 수 있다. 마이크를 통해 목소리를 이용하여 광센서, 바이오 센서, 압력, 온도, 어쿠스틱 EM 센서의 기능들을 조절하며 스마트폰이나 스마트 시계, PC와 페어링될 수 있다. 파워는 내장된 100mAh 리튬 이온전지를 사용하며 자가 파워링을 위해 포토셀이 삽입될 수 있다. 총 무게는 20g 미만이며 Wi-Fi 802.11b/g, Bluetooth, micro USB가 가능할 수 있다. 탑재된 카메라를 이용하여 photos: >15 MP; videos: >720p가 가능할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 시스템을 사용한 안구건조증 진단 및 치료 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 안구건조증 진단 및 치료 방법에서, 콘택트렌즈 내의 안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 정해진 측정 시간에 대상체의 눈물 속의 바이오마커를 감지한다. 그리고, 바이오마커가 감지되면 전기신호가 발생하고, 이에 의해 약물저장소의 약물 웰을 밀봉하는 전극 패턴의 금이 염소 이온에 녹아 AuCl4 -가 되면서 상기 약물저장소가 오픈 될 수 있다.
일 구체예에서, 안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 바이오마커를 검출하며, 바이오마커와 프로브의 결합시 생성되는 전류 변화 결과를 RF 무선 통신을 통해 스마트 안경으로 송신할 수 있다.
또한, 일 구체예에서 약물 전달 시스템은 스마트 안경에서 송신된 전기신호를 통해 구동하며, 스마트 안경은 센서를 통해 수신된 전류 변화를 분석하여, 이상을 감지하면 약물저장소에 전기신호를 송신한다. 약물저장소는 밀봉하고 있는 금 전극 패턴이 상기 신호가 수신됨에 따라 염소 이온에 녹아 AuCl4 -가 되면서 상기 약물저장소가 오픈 될 수 있다.
또한, 일 구체예에서, 스마트 안경의 무선 전기 코일에서 발생된 파워는 무선구동 콘택트렌즈의 무선전기 안테나에서 수신되고, IC 칩의 제어를 통해 수신된 파워를 센서 및 약물전달 시스템의 구동에 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예.
실시예 1. 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터 센서 제작
전계효과 트랜지스터 센서는 바이오마커가 프로브와 결합하였을 때 생기는 전하 분포 변화로 인해 회로에 흐르는 전류가 변하는 것으로 안구건조증을 진단하는 원리를 이용하여 제작하였다.
실리콘 기판 위에 금 박막과 은 나노와이어를 이용한 전극을 포토리소그래피 방법을 사용하여 패터닝하고, 전극 사이에 반도전층을 층을 깔았다. 이때 반도전층 물질로 은 나노와이어 사용하였다. 그 뒤 반도전층 상에 안구건조증 바이오마커와 결합할 수 있는 압타머(Anti-VEGF aptamer)를 결합시켰다.
구체적으로, 은 나노와이어 채널을 APDES/ethanol 용액에 담가 아민기를 도입하고, 1 wt% succinic anhydride의 sodium carbonate 버퍼에 담가 아민기를 카르복실기로 치환시켰다. 그 뒤, PBS 용액에 담근 후 EDC와 sulfo-NHS를 넣어 아민기(amide group)을 형성시켰다. 상기 아민기가 도입된 채널에 aptamer solution을 도입하여 채널과 프로브를 결합시켰다.
실험예 1. 바이오마커와 압타머가 결합하였을 때 생기는 전류의 변화 관찰
(1) 방법
실시간으로 VEGF를 센서에 주입하면서 은 나노와이어 채널에 흐르는 전류의 세기를 모니터링하였다.
구체적으로, 상기 전계효과 트랜지스터 센서에 200 μL의 PBS를 떨어뜨려 30 분 동안 전류의 베이스를 잡고, 후에 특정 농도의 VEGF를 주입함에 따라 생기는 전류의 변화를 관찰하였다.
(2) 결과
그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2a에 나타난 바와 같이, 104 pM의 VEGF를 주입하였을 때는 전류의 차이가 생기지 않다가 1.04 nM와 52 nM 의 VEGF를 주입하였을 때 큰 변화가 관찰된 것을 확인할 수 있다.
도 2b에서는 VEGF 주입에 따라 전류가 갑자기 증가하였다가 점차 안정화되는 것이 관찰되는데, 각 구간별로 전류를 평균 내 보았을 때 VEGF 주입 후에 안정화된 전류도 처음 베이스 전류보다 높은 것을 확인할 수 있다.
실시예 2. 약물 전달 시스템 제작
핸들링 기판 위에 PVA를 스핀 코팅하여 희생층을 형성하고 그 위에 파릴렌 층을 코팅하였다. 제작된 투명기판 위에 금을 100 nm 증착하고 포토리소그래피를 이용하여 패터닝을 진행하여 전극을 형성하였다.
상기 전극 상에 Su8을 포토리소그래피를 이용하여 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰층을 형성하고, 상기 약물 웰에 약물을 섞고 로딩하였다.
이후 PET 필름을 이용하여 약물저장소를 밀봉시키고 파릴렌 층을 증착하여 패시베이션을 진행하였다(도 3).
이후, 물에 넣어 희생층을 녹여 제작된 약물전달 시스템을 핸들링 기판에서 분리하고 약물전달 시스템을 전사하였다.
약물이 방출될 수 있는 채널을 형성하기 위하여 투명기판을 RIE 또는 laser cutting을 통하여 포토레지스트를 약물방출 채널 모양으로 패터닝하였다. 산소를 이용한 반응성 이온 에칭을 통하여 천공을 형성한 후, 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거하였다.
패터닝된 기판의 에칭된 부분은 금 박막을 외부로 노출시킴으로써 몸 속에 존재하는 염소이온과 반응하여 전기화학적 반응을 일으킬 수 있도록 하였다(도 4).
본 발명에서 도 3은 약물저장소의 구조를 나타내는 이미지이다. 전극 구조는 양극 및 음극을 포함하며, 약물 웰(약물 저장소 및 약물방출 채널)은 금 박막에 의해 감싸진 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4는 반응성 이온 에칭을 통한 투명기판의 패터닝을 통해 약물 방출 채널을 형성한 이미지이다.
실시예 3. 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈 제작
전계효과 트랜지스터 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판을 제조하였다. 상기 투명기판에의 센서 및 약물저장소의 형성은 실시예 1 및 2의 방법을 따라 제조하였다.
상기 투명기판을 콘택트렌즈 제작 용액이 들어있는 렌즈 제작 몰드에 넣고 일정한 압력을 가하면서 약 100℃ 오븐에서 한 시간 동안 열처리를 진행하였다. 상기 렌즈 제작 몰드에 제작된 콘택트렌즈를 떼어내었다.
제조된 콘택트렌즈는 센서와 약물저장소를 포함한다.
실험예 2. 안구건조증 진단에 따른 약물 방출
(1) 방법
약물저장소의 제작 시, 약물저장소에 모델약물인 rhodamine B를 5mg/ml로 로딩하고, 말린 후 약물전달 시스템을 제작하였다.
그리고, PBS를 떨어트리고 양금과 음극 사이에 1.8 V의 전압을 포텐시오스탯(Potentiostat)을 이용하여 걸어주고, 금 박막이 녹음에 따른 전류 변화를 측정하였다.
(2) 결과
도 5는 금 박막의 전기화학적 반응에 의한 전류 변화를 나타낸다.
상기 도 5에 나타난 바와 같이, 약물자장소에 전기신호를 가하였을 때 금 박막이 전기화학적 반응에 의하여 녹으면 약물방출 채널이 열리는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6은 약물전달 시스템에 의하여 방출된 모델약물의 함량을 나타낸다.
상기 도 6에 나타난 바와 같이, 약물저장소에 전기신호를 주지 않았을 때, 방출된 모델약물의 양은 거의 없고 전기신호를 가했을 때는 로딩된 모델약물이 거의 대부분 방출된 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 전기신호를 통하여 약물전달시스템의 약물방출을 정교하게 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
궁극적으로, 약물전달시스템의 약물저장소에 모델 약물을 대신하여 안구건조증 치료를 위한 약물을 로딩하고, 안구건조증 바이오마커에 의한 센서의 전류 변화를 분석하며, 전기신호를 보냄으로써 약물전달시스템의 약물을 방출시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 안구건조증 바이오마커 검출용 센서; 및 약물저장소를 포함하고,
    상기 안구건조증 바이오마커 검출용 센서 및 약물저장소는 투명기판 상에 형성되며,
    상기 안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 투명기판 상에 형성되며, 일정거리 이격된 소스 전극 및 드레인 전극;
    상기 소스 전극 및 드레인 전극을 연결하는 전계효과 트랜지스터 채널; 및
    상기 채널 상에 부착된 프로브를 포함하고,
    상기 소스 전극 및 드레인 전극은 각각 은 및/또는 금을 포함하며,
    상기 채널은 그래핀 또는 MoS2로 구성되는 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    콘택트렌즈는 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer)의 탄성중합체; 실리콘 하이드로젤(Silicone hydrogel); 폴리디메틸록산(PDMS); 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트)(PHEMA); 및 폴리에틸렌 글라이콜메타아크릴레이트(poly(ethylene glycol) methacrylate, PEGMA);로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 기반으로 하는 것인 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    투명기판은 파릴린 C(Parylene C) PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    안구건조증 바이오마커는 VEGF, 락토페린(lactoferrin) 및 리포칼린(lipocalin)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    안구건조증 바이오마커 검출용 센서는 전계효과 트랜지스터 바이오센서인 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    약물저장소는 투명기판의 일부 면에 형성된 금을 포함하는 전극 패턴; 및
    상기 전극 패턴 상에 형성되며, 외측을 향해 인입된 형태의 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰층을 포함하고,
    상기 투명기판에는 천공이 형성되어 있으며, 상기 전극 패턴은 상기 천공을 감싸는 것인 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    약물 웰에 포함되는 약물은 안구건조증을 치료하는 약물이거나, 또는 상기 안구건조증을 치료할 수 있는 약물을 방출할 수 있는 약물 전달체 및 약물 방출 제어 물질로 구성되는 것인 안구건조증 진단 및 치료용 콘택트렌즈.
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