KR102545576B1 - 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템 - Google Patents
초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템은 신경자극에 필요한 전류를 발생시키는 초음파 구동 마찰정전기 발전소자와, 마찰정전기 발전소자의 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩되는 제1 나노 캐리어와, 마찰정전기 발전소자와 연결되어 전류를 신경에 전달하는 시한성 커프 및 시한성 커프의 생분해성 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩되는 제2 나노 캐리어를 포함하고, 기설정 세기 이하의 초음파에 의해 전기 신호를 생성하고, 기설정 세기를 초과하는 초음파에 의해 생분해가 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템은 신경자극에 필요한 전류를 발생시키는 초음파 구동 마찰정전기 발전소자와, 마찰정전기 발전소자의 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩되는 제1 나노 캐리어와, 마찰정전기 발전소자와 연결되어 전류를 신경에 전달하는 시한성 커프 및 시한성 커프의 생분해성 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩되는 제2 나노 캐리어를 포함하고, 기설정 세기 이하의 초음파에 의해 전기 신호를 생성하고, 기설정 세기를 초과하는 초음파에 의해 생분해가 진행되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 2022년도 정부(과기정통부)의 재원으로 한국연구재단 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행된 연구 (No. 2022M3E5E9016662, 비만 치료를 위한 에너지마이닝 기술 기반 전자약 개발)로부터 도출된 것이다.
종래 기술에 따른 시한성 소재는 소재 자체의 생분해 특성에 따른 수동적 제어에 의존하므로, 의료기기를 체내에 삽입한 후에는 생분해를 제어할 수단이 없어 수명 제어가 어려운 문제점이 있다.
치료가 끝나기 전에 시한성 소재가 녹아 제 기능을 하지 못하는 문제점이 있고, 반면 치료가 끝난 후에도 장기간 동안 녹아 없어지지 않는 경우 재수술을 필요로 하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2348997호는 매트릭스 소재에 임베딩 또는 포함되어 집속 초음파 인가에 의해 분해되는 단일 크기의 나노 캐리어 소재를 제안하였다. 시한성 나노복합소재는 높은 세기(>3W/cm2)의 초음파 인가 시 나노캐리어 소재가 분해됨에 따라 매트릭스 소재가 다공성이 되어, 체액과 접촉면적이 넓어지며 생분해가 개시된다. 그러나, 생분해 개시 이후의 생분해 속도에 대한 고려를 하지 못하므로 정밀 제어가 어려운 한계가 있다. 또한, 발전소자 외 신경에 전기적 신호를 전달하기 위한 장치에 대한 고려가 없이 단편적으로 시한성 제어에 대해서만 제안하고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 매트릭스 소재 내에 임베딩 되는 나노캐리어의 크기를 조절함으로써, 인체에 무해한 전력원(비배터리)을 가지며 신경병증 치료가 끝난 후 원하는 시점에 생분해 개시가 가능하며 생분해 속도에 대한 정밀 제어가 가능한 시한성 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경 자극 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템은 신경자극에 필요한 전류를 발생시키는 초음파 구동 마찰정전기 발전소자와, 마찰정전기 발전소자의 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩되는 제1 나노 캐리어와, 마찰정전기 발전소자와 연결되어 전류를 신경에 전달하는 시한성 커프 및 시한성 커프의 생분해성 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩되는 제2 나노 캐리어를 포함하고, 기설정 세기 이하의 초음파에 의해 전기 신호를 생성하고, 기설정 세기를 초과하는 초음파에 의해 생분해가 진행되는 것을 특징으로 한다.
기설정 세기를 초과하는 초음파는 평면파 및 집속 초음파를 포함한다.
제1 나노 캐리어 및 제2 나노 캐리어는 PLA-b-PEG 또는 PCL-b-PEG 등의 시한성 블록 공중합체로 이루어져 있다.
제1 나노 캐리어의 직경은 제2 나노 캐리어의 직경보다 상대적으로 작게 구비되어, 시한성 커프의 생분해 속도가 마찰정전기 발전소자의 생분해 속도 대비 빠른 것을 특징으로 한다.
시한성 커프의 양단은 마찰정전기 발전소자의 전극 및 자극 대상 신경에 연결되고, 자극 대상 신경에 연결되는 시한성 커프의 일단 영역에는 매트릭스 상부가 배치되는 경계 영역 밖으로 매트릭스 하부가 더 연장되어 구비되며, 외부로 노출된 생분해성 전극이 신경에 감싸진다.
본 발명에 따르면, 인체에 무해한 에너지원을 이용한 체내 생분해 개시 시점 및 생분해 속도의 정밀 제어가 가능한 시한성 신경 자극 플랫폼을 제공하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 높은 세기(>3 W/cm2)의 초음파 인가 시 분해가 시작되는 나노캐리어의 크기 조절을 통해 나노복합소재로 제작된 마찰정전기 발전소자와 커프(Cuff)가 결합된 신경자극 시스템의 시한성 제어가 가능하므로, 인체에 무해한 전력원을 이용해 신경 자극 치료를 제공하고, 치료 종료 후 원하는 시점에 생분해를 개시할 수 있을 뿐 아니라 생분해 속도 제어가 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템의 상면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템의 측면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 높은 세기(>3 W/cm2)의 초음파 인가 시에, 나노캐리어의 크기에 따른 생분해 속도 제어를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템의 측면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 높은 세기(>3 W/cm2)의 초음파 인가 시에, 나노캐리어의 크기에 따른 생분해 속도 제어를 도시한다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템은 폴리머좀 나노복합소재 기반 encapsulation으로 구성되어 있는 시한성 마찰정전기 발전소자에 시한성 커프가 연결된 구조를 제안하며, 집속 초음파, 평면파를 포함한 높은 세기(>3 W/cm2) 초음파로 나노캐리어의 생분해가 개시되고, 폴리머좀 크기 조절을 통해 생분해 속도에 대한 정밀 제어가 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템의 상면도 및 측면도를 도시한다.
마찰정전기 발전소자(100) 및 신경에 전류를 전달하는 시한성 커프(200)는 시한성 소재 및 시한성 나노복합소재로 구성되며, 낮은 세기 초음파(<0.5 mW/cm2) 인가 시 전기적 신호를 발생시키고, 높은 세기(>3 W/cm2) 초음파에서는 생분해가 진행된다.
시한성 나노복합소재의 분해에 사용되는 높은 세기 초음파에는 평면파와 집속 초음파가 포함된다.
마찰정전기 발전소자(100, Bio-degradable TENG), 인캡슐레이션(encapsulation) 매트릭스(110, PLA, PLGA, PEG, PCL, PHB/V, PU, 하이드로젤, 콜라겐 등), 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩된 나노 캐리어(111)가 포함된다.
나노캐리어(111)는 PLA-b-PEG, PCL-b-PEG 등 시한성 블록 공중합체로 이루어져 있다.
멤브레인(120, PLGA, PEG, 시한성 공중합체 등)은 마찰정전기 발전소자 내에서 초음파에 의해 진동한다.
생분해성 전극(130, 마그네슘, 몰리브데넘, 아연, PEDOT-PSS 등)은 마찰정전기 발전소자를 구성한다.
스페이서(140, PLA, PLGA, PEG, PCL, PHB/V, PU, 하이드로겔, 콜라겐 등)는 멤브레인(120)과 전극 사이에 구비된다.
초음파가 인가되면, 멤브레인(120)이 진동함에 따라 멤브레인(120)과 전극이 마찰하여 마찰정전기가 발생되고, 정전유도 현상에 의해 전류가 발생한다.
멤브레인(120)은 체액과 접촉 시 빠른 생분해가 일어나는 물질(PLGA, PEG 등)로 구성된다. 다른 예로서, 멤브레인 구조가 생략되고, 나노복합소재와 전극이 직접 마찰하는 것이 가능하다.
시한성 커프(200, Bio-degradable Cuff)는 생분해성 전극(210, 발전소자 생분해성을 가지는 도전체로서 마그네슘, 몰리브데넘, 아연, PEDOT-PSS 등, Biodegradable electrode), 생분해성 인캡슐레이션 매트릭스를 구비하며, 220은 매트릭스의 상판을 도시하고, 221은 매트릭스의 하판을 도시한다. 시한성 커프(200)의 양단은 마찰정전기 발전소자의 전극 및 자극 대상 신경에 연결된다.
시한성 커프(200)는 목적에 따라 여러 개의 전극을 포함하는 도전체의 패턴으로 구성될 수 있다.
시한성 커프(200) 내의 전력 전달로 신경 자극이 가능한 생분해성 전극 중, 외부로 노출되어 신경에 감싸지는 영역(211)이 구비된다.
나노캐리어(111)는 높은 세기(>3 W/cm2) 초음파 인가에 따라 발생하는 기계적 스트레스가 분자에 가해지면, 분자 내의 약한 결합이 파괴되어 분해되는 특성을 가진다.
폴리머좀은 서로 다른 극성을 가지는 단량체 블록으로 구성된 블록 공중합체가 서로 다른 극성을 가지는 용매에 노출되었을 때, 자가조립에 의해 내부 외부 공간이 구별되어 내부 공간에 다른 분자를 담아 보관, 운반할 수 있는 나노캐리어(111)이다.
폴리머좀을 구성하는 블록 공중합체로 PLA-b-PEG, PCL-b-PEG 등 시한성소재 블록으로 이뤄진 모든 소재가 사용될 수 있다. 블록 공중합체의 용매 내 농도가 증가할수록 다른 극성을 가지는 용매에 노출되었을 때 블록 공중합체의 응집 특성도가 증가하여, 계면 에너지를 안정화하기 위해 폴리머좀의 크기가 증가하는 특성을 가진다. 블록 공중합체의 농도를 0.2 ~ 2 mg/ml 로 조절했을 때 폴리머좀의 크기를 500 nm ~ 5um로 조절할 수 있다.
높은 세기(>3 W/cm2) 초음파 인가에 의해 나노캐리어(111) 가 분해됨에 따라, 매트릭스 소재는 다공성이 되어 체액과 접촉면적이 넓어져 생분해가 개시된다.
매트릭스 소재에 임베딩되는 나노캐리어(111)의 크기를 증가시킬수록 체액과의 접촉면적이 증가되어, 생분해 속도를 가속화시킬 수 있으며, 나노캐리어(111) 크기 조절을 통해 시한성 나노복합소재의 생분해 개시 후 생분해 속도에 대한 제어가 가능하다.
매트릭스 소재는 나노캐리어(111)가 임베딩 되는 소재로서 PLA(Poly Lactic Acid), PLGA(PolyLactide-co-Glycolide Acid), PEG(PolyEthylene Glycol), PCL(Poly Caprolactone), PHB/V(Poly HydroxyButyrate-co-3-hydroxyValerate), PU(PolyUrethane), 하이드로젤(Hydrogel), 콜라겐(Collagen) 등 시한성 소재가 모두 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 높은 세기(>3 W/cm2)의 초음파 인가 시에, 나노캐리어의 크기에 따른 생분해 속도 제어를 도시한다.
나노캐리어의 크기가 증가함(300내지 500nm와, 3 내지 5um)에 따라 분해속도가 현저히 증가하게 되는 것을 확인할 수 있다. 마찰정전기 발전소자의 매트릭스에 임베딩되는 나노캐리어(제1 나노 캐리어) 및 시한성 커프의 매트릭스에 임베딩되는 나노캐리어(제2 나노 캐리어)의 직경의 비율은 기설정 비율에 의해 정해질 수 있다. 제1 나노 캐리어 및 제2 나노 캐리어는 시한성 커프 및 마찰정전기 발전소자에 가까워지는 영역에 배치되는 나노 캐리어 일 수록, 그 직경이 상대적으로 점점 더 커지거나, 점점 더 작아질 수 있다. 제1 나노 캐리어 및 제2 나노 캐리어는 시한성 커프 및 마찰정전기 발전소자에 가까워지는 영역에 배치되는 나노 캐리어 일 수록, 해당 영역 내의 농도가 상대적으로 점점 더 커지거나, 점점 더 작아질 수 있다. 제1 나노 캐리어 및 제2 나노 캐리어는 시한성 커프 및 마찰정전기 발전소자에 가까워지는 영역에 배치되는 나노 캐리어 일 수록, 그 형상이 순차적으로 기설정된 형상으로 변경될 수 있다.
상대적으로 작은 크기(300~500nm)의 나노캐리어가 임베딩된 encapsulation 매트릭스의 SEM 이미지(112)와, 상대적으로 큰 크기(3~5μm)의 나노캐리어가 임베딩된 인캡슐레이션(encapsulation) 매트릭스의 SEM 이미지(113)를 도시한다.
마찰정전기 발전소자 생분해가 가능한 높은 세기(>3 W/cm2)의 초음파(300)에 의해, 인캡슐레이션(Encapsulation) 매트릭스 내에 임베딩된 나노캐리어(111)가 높은 세기((>3W/cm2) 초음파로 인해 분해된 형상(400)을 도시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마찰정전기 발전소자 및 시한성 커프 내에 임베딩되는 나노캐리어의 크기, 농도, 형상을 상이하게 배치함으로써, 각각의 생분해 속도 제어가 가능하다.
시한성 커프의 생분해 속도를 더 빠르게 함으로써, 신경자극 신호의 전달을 원하는 시점에 바로 차단할 수 있고, 마찰정전기 발전소자의 생분해 도중 발생 가능한 설계와 다른 전기 신호의 전달을 방지하는 것이 가능하다.
Claims (5)
- 초음파에 의해 진동하여 생분해성 전극과 마찰하여 마찰정전기를 발생시키는 멤브레인을 포함하는 초음파 구동 마찰정전기 발전소자; 및
일단이 상기 초음파 구동 마찰정전기 발전소자의 생분해성 전극과 연결되고, 타단이 자극 대상 신경에 연결되어, 전류를 신경에 전달하는 시한성 커프를 포함하고,
상기 초음파 구동 마찰정전기 발전소자는 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩되고, PLA-b-PEG 또는 PCL-b-PEG의 시한성 블록 공중합체로 이루어져 기설정 세기를 초과하는 초음파의 인가 시 생분해가 개시되는 제1 나노 캐리어를 포함하고,
상기 시한성 커프는 생분해성 인캡슐레이션 매트릭스 내에 임베딩 되고, PLA-b-PEG 또는 PCL-b-PEG의 시한성 블록 공중합체로 이루어져 상기 기설정 세기를 초과하는 초음파의 인가 시 생분해가 개시되는 제2 나노 캐리어를 포함하고,
상기 제1 나노 캐리어의 직경은 상기 제2 나노 캐리어의 직경보다 상대적으로 작게 구비되어, 상기 시한성 커프의 생분해성 인캡슐레이션 매트릭스는 상기 나노 캐리어의 생분해에 의해 다공성이 되어 체액과 접촉 면적이 상대적으로 넓어져, 상기 마찰정전기 발전소자의 인캡슐레이션 매트릭스보다 상대적으로 빠른 속도로 생분해 속도가 제어되는 것
을 특징으로 하는 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 기설정 세기를 초과하는 초음파는 평면파 및 집속 초음파를 포함하는 것
인 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 시한성 커프의 양단은 상기 마찰정전기 발전소자의 전극 및 자극 대상 신경에 연결되고, 상기 자극 대상 신경에 연결되는 상기 시한성 커프의 일단 영역에는 매트릭스 상부가 배치되는 경계 영역 밖으로 매트릭스 하부가 더 연장되어 구비되며, 외부로 노출된 생분해성 전극이 신경에 감싸지는 것
인 초음파 선택적 반응 나노캐리어 크기 조절을 통한 나노복합소재 기반 마찰정전기 신경자극 시스템.
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| KR (1) | KR102545576B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102644219B1 (ko) * | 2023-07-21 | 2024-03-07 | 주식회사 에너지마이닝 | 신절단신경 재생 극대화를 위한 마찰전기 발전소자가 결합된 생분해성 하이드로겔 신경도관 |
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| JP2022527043A (ja) * | 2019-02-25 | 2022-05-30 | ヴィメックス スプウカ ス オルガニザツィーノン オトゥポビエジャルノシチョン（ヴィメックス） | 関節の治療的処置のための材料およびシステム |
-
2022
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