KR102672730B1 - 체외 피부 탄성 측정을 위한 피부 팬텀의 제조방법 및 피부 팬텀의 탄성 평가 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 체외 피부 탄성을 측정하기 위한 피부 팬텀의 제조방법 및 탄성 평가방법에 관한 발명이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법은 유도 단백질을 포함하는 진피 원료로부터 하이드로젤을 형성하여 진피부를 제조하는 단계, 탄성체인 표피 원료로부터 표피부를 제조하는 단계, 상기 표피부와 상기 진피부를 결합하는 단계 및 상기 진피부에 유체를 주입하는 단계를 포함한다.

Description

체외 피부 탄성 측정을 위한 피부 팬텀의 제조방법 및 피부 팬텀의 탄성 평가 방법{Manufacturing method for skin phantom for measuring in vitro skin elasticity and evaluating method for elasticity of skin phantom}

본 발명은 피부 팬텀의 제조방법 및 평가방법에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 체외에서 피부의 탄력을 측정할 수 있는 피부 팬텀의 제조방법 및 탄성 평가방법에 관한 발명이다.

팬텀(Phantom)은 외부 자극이나 환경 등이 인체에 미치는 영향을 분석 및 연구하기 위해 제작된 객체이다. 실제 인체를 대상으로는 윤리적인 문제 등으로 다양한 연구와 분석이 어렵기 때문에 실험 목적에 따라 인체 조직과 신체적 및 생물학적 특성을 유사하게 제작한 팬텀으로 연구를 진행하고 있다.

팬텀은 실험 내용에 따라 인체의 다양한 부위를 모사하는데, 예를 들어 피부 질환 등을 치료하기 위한 실험에서는 인체의 피부의 탄성을 모사하는 팬텀을 제작하여 이용한다.

그러나 종래에는 체외에서 피부의 탄성 등 탄성을 제대로 모사하는 팬텀이 없어, 실제 인체 피부의 탄성과 유사한 상황에서 실험을 진행하기 어려웠다.

이와 같은 선행기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.

일본등록특허공보 JP 2852954 B2

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 발명으로, 실제 인체의 피부의 탄성과 유사한 탄성을 갖는 피부 팬텀의 제조방법 및 탄성 평가방법을 제공한다.

다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법은 유도 단백질을 포함하는 진피 원료로부터 하이드로젤을 형성하여 진피부를 제조하는 단계, 탄성체인 표피 원료로부터 표피부를 제조하는 단계, 상기 표피부와 상기 진피부를 결합하는 단계 및 상기 진피부에 유체를 주입하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 진피부를 제조하는 단계는 상기 유도 단백질로서 젤라틴을 이용해 하이드로젤을 제조하는 단계, 상기 하이드로젤을 가교(cross-link)하는 단계 및 상기 하이드로젤을 동결 건조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 하이드로젤을 제조하는 단계는 챔버에 젤라틴 5 wt%을 만족하도록 증류수와 젤라틴을 채워넣고, 상기 젤라틴을 용해시킨 후 진피부 몰드에 젤라틴 용액을 주입하여 건조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 하이드로젤을 가교하는 단계는 챔버에 1 wt%의 GTA(Glutaraldehyde) 용액을 채워넣고, 상기 하이드로젤을 상기 GTA 용액에 침지시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 하이드로젤을 가교하는 단계는 상기 하이드로젤을 진피부 몰드와 함께 상기 GTA 용액에 침지시킨 후 6 내지 12 시간 후에 상기 진피부 몰드를 제거한 다음 상기 하이드로젤을 다시 상기 GTA 용액에 침지시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 하이드로젤을 동결 건조하는 단계는 상기 하이드로젤을 냉동 장치에 투입하여 동결시킨 다음, 콜드 트랩이 연결된 데시케이터(desiccator)에 투입하여 건조시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 하이드로젤을 동결 건조하는 단계는 상기 냉동 장치를 물의 삼중점 이하의 압력으로 유지하여, 얼음을 승화시켜 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 진피부의 표면을 평탄화하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 표피부를 제조하는 단계는 상기 탄성체로서 실리콘과 실리콘 희석제를 포함하는 폴리머를 이용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법에 있어서, 상기 표피부를 제조하는 단계는 상기 폴리머가 경화되기 전에 상기 폴리머를 스핀 코터로 회전시켜 소정의 두께를 갖도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 탄성 평가방법은 프로브를 피부 팬텀 상에 소정의 깊이만큼 가압한 상태에서 일정 시간 유지하여, 상기 피부 팬텀이 시간에 따라 받는 힘을 측정하는 단계, 상기 피부 팬텀이 시간에 따라 받는 힘을 지수적 감쇠 함수인 수학식 1로 피팅하여, 상기 피부 팬텀에 가해지는 힘에 대한 응답으로 시상수를 계산하는 단계 및 상기 피부 팬텀이 시간에 따라 받는 힘을 수학식 2에 대입하여 탄성 계수를 계산하는 단계를 포함한다.

…… 수학식 1, F는 피부 팬텀이 받는 힘, a 및 b는 상수, t는 시간, τ₁ 및 τ₂는 시상수는 시상수, …… 수학식 2, F_s는 정상 상태에서 피부 팬텀이 받는 힘, E는 Young's modulus(MPa)이며, R은 프로브(P)의 반지름(mm), d는 프로브(P)의 깊이(mm), υ는 푸아송비.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법 및 탄성 평가방법은 인체에서 유래되지 않은 물질을 이용해 체외에서 실제 피부와 유사한 탄성을 갖는 피부 팬텀을 제조 및 평가할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표피부를 제조하는 단계를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진피부 몰드에 젤라틴 용액이 주입된 상태를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동결 건조 과정을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 응력 완화 시험을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로브의 지름에 따른 응력 완화 시험을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로브의 깊이에 따른 응력 완화 시험을 나타낸다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 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.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀(10)의 제조방법을 나타내고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표피부(200)를 제조하는 단계를 나타내고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진피부 몰드(300)에 젤라틴 용액이 주입된 상태를 나타내고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동결 건조 과정을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀(10)은 인체의 피부의 탄성을 모사하는 대상체일 수 있다. 예를 들어 피부 팬텀(10)은 피부의 진피부와 표피부의 탄성을 모사할 수 있으며, 실제 인체 대신 각종 실험 등에 이용될 수 있다. 일 실시예로 피부 팬텀(10)은 세포 등과 같이 인체에서 유래한 물질을 포함하지 않을 수 있다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법은 유도 단백질을 포함하는 진피 원료로부터 하이드로젤(110)을 형성하여 진피부(100)를 제조하는 단계, 탄성체인 표피 원료로부터 표피부(200)를 제조하는 단계, 표피부(200)와 진피부(100)를 결합하는 단계 및 진피부(100)에 유체를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예로 진피부(100)를 제조하는 단계는 유도 단백질로서 젤라틴을 이용해 하이드로젤(110)을 제조하는 단계, 하이드로젤(110)을 가교(cross-link)하는 단계 및 하이드로젤(110)을 동결 건조하는 단계를 포함할 수 있다.

먼저 유도 단백질을 포함하는 진피 원료로부터 하이드로젤(110)을 형성하여 진피부(100)를 제조한다. 일 실시예로 진피 원료는 유도 단백질 중 젤라틴을 포함할 수 있다. 젤라틴은 동물, 특히 포유 동물의 조직에서 흔히 발견되는 섬유 단백질인 콜라겐을 작은 체인으로 분해한 물질로서 피부 모사 재료에 적합하다. 예를 들어 소정의 젤라틴 파우더와 증류수를 이용해 하이드로젤(110)을 제조할 수 있다.

보다 구체적으로 하이드로젤(110)을 제조하는 단계는 챔버에 증류수와 젤라틴을 채워넣고, 젤라틴을 용해시킨 후 진피부 몰드(300)에 젤라틴 용액을 주입하여 건조할 수 있다.

일 실시예로 젤라틴의 질량비는 4% 내지 16%일 수 있다. 이 수치범위에서 후술하는 바와 같이, 응력 완화 시험 결과를 지수적 감쇠 함수 로 나타냈을 때, 탄성계수 G_∞, G₁, G₂를 합한 값인 G₀가 0.5 내지 1.5의 값을 만족한다.

예를 들어 60 ml 용량의 챔버에 젤라틴 5 wt%를 만족하도록 증류수와 젤라틴을 채워넣고, 챔버를 비커 등에 넣은 후 챔버와 비커 사이에 증류수를 넣어 중탕한다. 여기서 중탕을 위해 핫 플레이트(hot plate)를 이용할 수 있다. 핫 플레이트의 작동 조건은 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어 130 ℃, 120 rpm 및 1 시간일 수 있다. 젤라틴이 완전히 녹아 젤라틴 용액을 형성하면 챔버를 꺼낸다.

다음 챔버에서 젤라틴 용액을 진피부 몰드(300)에 주입한다. 예를 들어 도 4에 나타낸 바와 같이, 진피부 몰드(300)는 베이스(310), 웰(320) 및 커버(330)를 포함할 수 있다. 베이스(310)는 진피부 몰드(300)의 다른 부재를 수용 및 지지하는 부재로서, 내부가 비어있는 직육면체 형상을 가질 수 있다. 베이스(310)의 내부에는 복수 개의 웰(320)이 배치될 수 있다. 웰(320)은 내부에 젤라틴 용액이 수용되도록 내부가 비어있는 우물 형상을 가질 수 있다. 웰(320)의 형상과 크기, 배치 등은 특별히 한정하지 않으며 제조하고자 하는 하이드로젤(110)에 따라 적절히 선택될 수 있다. 커버(330)는 복수 개의 웰(320)이 완전히 덮이도록 베이스(310)의 상부에 배치될 수 있다.

일 실시예로 진피부 몰드(300)를 구성하는 모든 부재는 투명한 재질로 이루어져, 외부에서도 육안으로 내부를 관찰할 수 있다.

스포이드 등을 이용하여 진피부 몰드(300)의 웰(320)에 젤라틴 용액을 주입한 다음, 커버(330)를 덮고 나서 이를 고형화함으로써 하이드로젤(110)을 얻을 수 있다. 예를 들어 냉장고 등의 냉동 장치에 진피부 몰드(300)를 넣어 젤라틴 용액을 굳힘으로써 하이드로젤(110)을 얻을 수 있다(도 2의 (a)).

다음 하이드로젤(110)을 가교하는 단계는 챔버에 침지액을 채워넣고, 하이드로젤(110)을 침지액에 침지시킬 수 있다. 예를 들어 챔버에 1 wt%의 침지액으로서 GTA(Glutaraldehyde) 용액을 채워넣고, 하이드로젤(110)을 GTA 용액에 침지시킬 수 있다. 이에 따라 GTA 용액이 하이드로젤(110)의 내부에 형성되어 있는 기공으로 확산될 수 있다.

GTA 용액의 카르보닐기는 하이드로젤(110)을 이루는 젤라틴 사슬의 아민과 화학적으로 결합함으로써, 보다 강하고 긴 가교화된 사슬을 형성할 수 있다. 이에 따라 젤라틴 등으로 이루어지는 하이드로젤(110)의 강도를 높일 수 있으며, 특히 후술하는 바와 같이, 피부 팬텀(10)에 유체를 주입하더라도 그 형태를 유지할 수 있다.

이를 통해 이후 동결 건조 과정 후에 피부 팬텀(10)에 유체를 주입하는 과정에서 진피부(100)의 기공(pore)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

일 실시예로 하이드로젤(110)을 가교하는 단계는 하이드로젤(110)을 진피부 몰드(300)와 함께 GTA 용액에 침지시킨 후 6 내지 12 시간 후에 진피부 몰드(300)를 제거한 다음, 하이드로젤(110)을 다시 GTA 용액에 침지시킬 수 있다.

하이드로젤(110)이 완전히 가교화되지 않은 상태에서 하이드로젤(110)을 진피부 몰드(300)에서 분리시킬 경우, 분리 과정에서 하이드로젤(110)이 손상될 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 GTA 용액에 하이드로젤(110)을 소정의 시간(예를 들어 6 내지 12 시간) 동안 침지시켜, 가교화를 완료한 후에 분리 과정을 진행할 수 있다.

이를 통해 하이드로젤(110)이 진피부 몰드(300)의 웰(320)에 삽입되어 형상을 유지하면서 GTA 용액을 내부 기공으로 확산시킬 수 있다. 또한 진피부 몰드(300)를 제거한 다음 재차 GTA 용액에 하이드로젤(110)을 침지시켜, 웰(320)의 내주면 및 바닥면과 접촉하고 있던 하이드로젤(110)의 외주면의 기공에도 GTA 용액을 충분히 확산시킬 수 있다(도 2의 (b)).

다음 하이드로젤(110)을 동결 건조한다. 일 실시예로 하이드로젤(110)을 냉동 장치에 투입하여 하이드로젤(110)을 동결한다. 냉동 장치의 온도는 -20 ℃, 동결 시간은 6 시간일 수 있다. 일 실시예로 하이드로젤(110)을 1차 동결한 다음, 하이드로젤(110)을 냉동 장치에서 꺼내 표면에 형성된 성에를 제거한 다음 소정의 시간 동안 재차 동결시킬 수 있다. 여기서 2차 동결 시간은 1차 동결 시간보다 짧으며, 예를 들어 15분 내지 30분일 수 있다(도 2의 (c)).

보다 구체적으로 1차 동결 과정에서 하이드로젤(110)의 표면에 물로 이루어진 성에가 불가피하게 발생하게 되는데, 이 상태에서 그대로 건조 과정을 진행할 경우, 성에를 건조시키기 위해 불필요한 시간이 소요될 수 있다. 이를 방지하기 위해 1차 동결 과정 후 성에를 제거하고, 성에를 제거하는 과정에서 내부에 포함된 얼음이 일부 녹을 경우를 대비하여 2차 동결 과정을 거친다.

동결 과정을 거치면서 하이드로젤(110)의 기공에 확산되어 있던 GTA 용액과 물이 얼면서 기공의 크기를 증가시켜, 인체의 피부의 탄성과 유사한 탄성을 모사할 수 있다. 보다 구체적으로 하이드로젤(110)을 동결하게 되면 내부 기공에 얼음 결정이 생기게 되고, 이로 인해 나노스케일의 기공이 마이크로스케일의 기공으로 변하게 된다. 이를 통해 마이크로스케일을 갖는 실제 인체의 피부의 기공을 잘 모사할 수 있다.

일 실시예로 하이드로젤(110)을 동결하는 단계는 냉동 장치의 압력을 물의 삼중점 이하로 유지하여, 하이드로젤(110)에 포함되어 있는 얼음을 승화시켜 제거할 수 있다. 즉 동결 과정을 거치게 되면서 마이크로스케일의 얼음 결정이 하이드로젤(110) 내부에 형성되는데, 이를 승화시켜 제거함으로써 빈 공간을 갖는 스펀지 구조를 형성할 수 있다. 이후 후술하는 바와 같이, 빈 공간에 유체를 주입함으로써 피부 팬텀(10)을 완성할 수 있다.

다음 동결된 하이드로젤(110)을 건조시킨다. 예를 들어 도 5에 나타낸 바와 같이, 냉동 장치에서 꺼낸 하이드로젤(110)을 데시케이터(400, desiccator)에 투입한다. 데시케이터(400)의 내부에는 실리카젤, 산화칼슘, 황산칼슘 또는 염화칼슘과 같은 건조제가 포함되어 있으며, 하이드로젤(110)은 건조제 근처에 배치될 수 있다(도 2의 (d)).

일 실시예로 데시케이터(400)의 일측은 콜드 트랩(500)과 연결되어 내부를 저온으로 유지할 수 있으며, 콜드 트랩(500)의 일측은 진공 펌프(600)와 연결되어 데시케이터(400)의 내부를 진공으로 유지할 수 있다. 이를 통해 저온 진공 상태에서 하이드로젤(110)을 건조시킬 수 있다.

일 실시예로 진피부(100)의 표면을 평탄화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 동결 건조하는 단계 후에 얻은 복수 개의 진피부(100)는 진피부 몰드(300) 상에 안착된 상태일 수 있다. 이 상태에서 평탄화를 위한 블레이드를 이용해 복수 개의 진피부(100)의 상면을 평탄화하여, 두께를 균일하게 할 수 있다.

표피부(200)를 제조하는 단계는 탄성체로서 실리콘과 실리콘 희석제를 포함하는 폴리머를 이용할 수 있다. 표피부(200)를 제조하는 단계는 반드시 진피부(100)를 제조하는 단계 후에 진행되는 것은 아니며, 진피부(100)를 제조하는 단계보다 먼저 진행되거나 동시에 진행될 수도 있다.

일 실시예로 실리콘으로서 부가형 실리콘(addition cure silicone)에 실리콘 희석제(silicone thinner)를 혼합(예를 들어 실리콘 희석제 10w%)하여 폴리머를 제조할 수 있다. 여기서 부가형 실리콘은 시판 중인 smooth-sil 960일 수 있다. 이를 통해 인체의 표피의 탄성 계수와 유사 또는 동일한 탄성 계수를 갖는 표피부(200)를 제조할 수 있다. 즉 인체의 표피의 탄성 계수는 일반적으로 1 MPa이며, 이와 같이 제조된 표피부(200)의 탄성 계수도 1 MPa 또는 이와 근접한 값을 가질 수 있다(도 2의 (e)).

다음 폴리머를 소정의 두께를 갖도록 한다. 예를 들어 폴리머가 경화되기 전에 스핀 코터를 이용해 폴리머를 회전시켜, 폴리머가 실제 피부의 표피 두께인 0.1 mm의 두께를 갖도록 할 수 있다(도 2의 (f)). 이에 따라 표피부(200)가 형상을 갖추게 된다.

다음 진피부(100)와 표피부(200)를 결합한다. 예를 들어 도 2에 나타낸 바와 같이, 표피부(200)는 진피부(100)의 상면에 배치될 수 있다(도 2의 (g)). 보다 구체적으로 스핀 코팅이 완료된 표피부(200)는 완전히 경화되기 전이며, 이 상태의 표피부(200)를 건조 과정이 완료된 진피부(100) 상에 올려놓으면 실리콘이 경화되면서 자연스럽게 표피부(200)가 진피부(100)와 결합된다.

다음 진피부(100)에 유체를 주입할 수 있다. 예를 들어, 동결 건조가 완료된 진피부(100)를 물 또는 글리세린 수용액에 30분 이상 침지시켜 기공에 유체가 충분히 주입되도록 할 수 있다. 또는 스포이드 등을 통해 진피부(100)에 유체를 주입할 수 있다(도 2의 (h)).

보다 구체적으로 실제 피부는 마이크로스케일의 기공을 가지며, 기공 내부에는 세포외액(ECF, Extracellular fluid)으로 채워져 있다. 이를 모사하기 위해, 본 발명에서는 진피부(100)에 유체를 주입함으로써 피부의 점탄성을 잘 모사할 수 있다.

유체를 주입하는 단계가 완료되면 진피부(100)의 기공에 유체가 충분히 확산되고, 최종적으로 피부 팬텀(10)이 완성된다.

일 실시예로 제조된 피부 팬텀(10)의 성분비는 질량 기준으로 진피부(100):표피부(200):유체 = 1:1:2.5일 수 있다. 즉 질량 기준으로 폴리머:젤라틴:유체 = 1:1:2.5일 수 있다. 일 실시예로 진피부와 유체의 질량비는 1:1 내지 1:10일 수 있다.

일 실시예로 피부 팬텀(10)의 진피부(100)의 높이는 2 mm, 표피부(200)의 높이는 0.10 mm일 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 제조방법은 인체에서 유래되는 물질을 포함하지 않고, 체외에서 실제 피부의 탄성을 모사할 수 있는 피부 팬텀(10)을 제조할 수 있다.

실시예

도 6a 내지 도 6f는 응력 완화 시험을 나타내고, 도 7은 프로브(P)의 지름에 따른 응력 완화 시험을 나타내고, 도 8은 프로브(P)의 깊이에 따른 응력 완화 시험을 나타낸다.

먼저 본 발명의 발명자들은 피부의 탄성을 측정하기 위한 실험을 고안했다. 피부의 탄성을 측정하는 시험은 응력 완화 시험(stress relaxation test)을 통해 진행했다. 보다 구체적으로 도 6a에 나타낸 바와 같이, 돈피(pigskin)인 샘플(S)을 프로브(P)로 빠르게 소정의 깊이(H)만큼 누른 후 해당 깊이를 유지한 상태에서 샘플(S)이 받는 힘의 변화를 시간에 따라 측정했다(도 6b 및 도 6c 참조).

실험 결과는 도 6d에 나타낸 바와 같이, 소정의 깊이(H)이 이를 때까지는 프로프(P)가 샘플(S)에 가하는 힘의 크기가 가장 컸고, 이후 시간에 따라 샘플(S)이 받는 힘의 크기가 지수적으로 감소하는 것을 알 수 있었다.

즉 피부에 대한 응력 완화 시험을 통해 피부에 가해지는 힘은 일정 깊이에 도달하면 시간에 따라 지수적으로 감소함을 알 수 있었으며, 이를 지수적 감쇠 함수로 표현할 수 있음을 확인했다. 따라서 피부 팬텀(10)에 대한 응력 완화 시험 결과가 지수적 감쇠 함수로 표현될 수 있도록 피부 팬텀(10)을 제조함으로써 인체의 피부의 탄성을 모사할 수 있음을 확인했다.

한편 본 발명자들은 피부 팬텀(10)에 대한 응력 완화 시험 결과를 하나의 시상수를 이용한 지수적 감쇠 함수로 표현했을 때, 피부 팬텀(10)에 대한 응력 완화 시험 결과를 제대로 나타내기 어려움을 발견했다.

이에 따라 피부 팬텀(10)에 대한 응력 완화 시험을 도 6e에 나타낸 바와 같이 모델링하고, 이를 아래 수학식에 따른 지수적 감쇠 함수로 나타냈다.

즉 본 발명에서는 지수적 감쇠 함수 2개를 서로 결합하여, 시상수 2개를 이용한 모델을 활용했다. 그 결과는 도 6f에 나타낸 바와 같이, 시상수 1개를 이용한 모델에 비해, 시상수 2개를 이용한 모델이 실제 측정 데이터(도 6f의 검정색 점)를 훨씬 잘 모사함을 알 수 있었다. 위 식에서 시상수 중 τ₁이 τ₂보다 작다.

다음 표피, 진피 및 피하지방의 탄성에 기초하여 모델링 프로그램(ABAQUS)를 이용하여 압입(indentation) 시뮬레이션을 진행했다. 구체적으로 표피, 진피 및 피하지방의 두께와 탄성계수는 각각 100㎛, 2mm, 2mm 및 1MPa, 35kPa, 2kPa로 설정하고, 표피에 대해서는 이방성 탄성 모델을 적용하고, 진피 및 피하지방에 대해서는 등방성 점탄성 모델을 적용했다.

그리고 프로브(P)의 지름과 깊이를 달리하여 시뮬레이션으로 구현한 피부 모델에 대해 응력 완화 시험을 실시했다. 보다 구체적으로 도 7에 나타낸 바와 같이, 응력 완화 시험은 전술한 것처럼 지수적 감쇠 함수로 나타낼 수 있었으며, 프로브(P)의 직경에 따라 피부 모델이 받는 힘의 초기값과 정상 상태값은 달랐으나, 시상수는 거의 동일한 값을 가짐을 알 수 있었다(프로브의 직경이 5mm, 1mm, 0.2mm인 경우, 시상수는 각각 0.3384s, 0.3343s, 0.3610s).

또한 도 8에 나타낸 바와 같이, 프로브(P)의 깊이에 따라 피부 모델이 받는 힘의 초기값과 정상 상태값은 달랐으나, 마찬가지로 시상수는 거의 동일한 값을 가짐을 알 수 있었다(프로브의 깊이가 1000㎛, 250㎛, 50㎛인 경우, 시상수는 각각 0.3653s, 0.3717s, 0.3610s).

즉 응력 완화 시험에 있어서, 프로브(P)의 직경이나 프로브(P)의 깊이와 같이, 실험의 구체적인 조건이 달라지더라도 응력 완화 시험에 있어서 피부 모델의 시상수의 값은 일정함을 알 수 있었다. 이를 통해 표피 팬텀(10)의 탄성을 구현하는데 있어서 시상수가 중요한 인자이며, 표피 팬텀(10)이 실제 피부와 유사한 시상수를 갖도록 제조하는 것이 중요함을 확인하였다.

다음 전술한 제조방법에 따라 제조한 표피 팬텀(10)에 대해 응력 완화 시험을 실시했다. 즉 표피 팬텀(10)에 프로브(P)을 일정 깊이까지 가압한 후 소정의 시간 동안 유지하여 피부 팬텀(10)이 시간에 따라 받는 힘을 측정했다. 그리고 측정 결과를 지수적 감쇠 함수인 로 피팅하여 시상수 τ₁ 및 τ₂를 계산했다. 구체적으로, 피팅한 결과 로 나타났으며, 2개의 시상수 중 τ₁은 0.12s로 계산됐다.

또한 측정 결과를 Hertz 접촉 역학식에 대입하여 피부 팬텀(10)의 탄성 계수를 계산했다(여기서 힘 F는 정상 상태값).

여기서 F_s는 정상 상태값이고, E는 Young's modulus(MPa)이며, R은 프로브(P)의 반지름(mm), d는 프로브(P)의 깊이(mm), υ는 푸아송비(0.495)이다.

최종 결과, 피부 팬텀(10)의 탄성 계수는 53.4kPa였고 이는 실제 인체 피부의 탄성 계수인 49.9kPa와 유사한 값을 가졌다. 또한 피부 팬텀(10)의 시상수 0.12s도 실제 피부의 시상수의 범위인 0.088 내지 0.877의 범위에 포함됨을 알 수 있었다(Reference: S. J. M. Yazdi, K.-S. Cho, and N. Kang. "Characterization of the viscoelastic model of in vivo human posterior thigh skin using ramp-relaxation indentation test."　Korea-Australia Rheology Journal　30.4 293-307 (2018)).

이와 같은 구성을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 팬텀의 탄성 평가방법은 피부 팬텀(10)의 응력 완화 시험을 지수적 감쇠 함수로 피팅한 후 실제 피부의 탄성을 모사하는데 필요한 인자(특히 시상수)를 설정할 수 있다. 이를 통해 실제 피부의 탄성과 유사한 값을 갖도록 피부 팬텀(10)을 제조할 수 있다.

이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.

실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

10: 피부 팬텀
100: 진피부
200: 표피부
300: 진피부 몰드

Claims (11)

1. 유도 단백질을 포함하는 진피 원료로부터 하이드로젤을 형성하여 진피부를 제조하는 단계;
   탄성체인 표피 원료로부터 표피부를 제조하는 단계;
   상기 표피부와 상기 진피부를 결합하는 단계; 및
   상기 진피부에 유체를 주입하는 단계;를 포함하고,
   상기 진피부를 제조하는 단계는 상기 하이드로젤을 동결 건조하는 단계를 포함하고,
   상기 하이드로젤을 동결 건조하는 단계는 상기 하이드로젤을 냉동 장치에 투입하여 동결시킨 다음, 콜드 트랩이 연결된 데시케이터(desiccator)에 투입하여 건조시키는, 피부 팬텀 제조방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 진피부를 제조하는 단계는
   상기 유도 단백질로서 젤라틴을 이용해 하이드로젤을 제조하는 단계; 및
   상기 하이드로젤을 가교(cross-link)하는 단계;를 포함하는, 피부 팬텀 제조방법.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 하이드로젤을 제조하는 단계는 챔버에 젤라틴 5 wt%을 만족하도록 증류수와 젤라틴을 채워넣고, 상기 젤라틴을 용해시킨 후 진피부 몰드에 젤라틴 용액을 주입하여 고형화하는, 피부 팬텀 제조방법.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 하이드로젤을 가교하는 단계는 챔버에 1 wt%의 GTA(Glutaraldehyde) 용액을 채워넣고, 상기 하이드로젤을 상기 GTA 용액에 침지시키는, 피부 팬텀 제조방법.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 하이드로젤을 가교하는 단계는 상기 하이드로젤을 진피부 몰드와 함께 상기 GTA 용액에 침지시킨 후 6 내지 12 시간 후에 상기 진피부 몰드를 제거한 다음 상기 하이드로젤을 다시 상기 GTA 용액에 침지시키는, 피부 팬텀 제조방법.
6. 삭제
7. 제1 항에 있어서,
   상기 하이드로젤을 동결 건조하는 단계는 상기 냉동 장치를 물의 삼중점 이하의 압력으로 유지하여, 얼음을 승화시켜 제거하는, 피부 팬텀 제조방법.
8. 제2 항에 있어서,
   상기 진피부의 표면을 평탄화하는 단계를 더 포함하는, 피부 팬텀 제조방법.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 표피부를 제조하는 단계는 상기 탄성체로서 실리콘과 실리콘 희석제를 포함하는 폴리머를 이용하는, 피부 팬텀 제조방법.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 표피부를 제조하는 단계는 상기 폴리머가 경화되기 전에 상기 폴리머를 스핀 코터로 회전시켜 소정의 두께를 갖도록 하는, 피부 팬텀 제조방법.
11. 프로브를 피부 팬텀 상에 소정의 깊이만큼 가압한 상태에서 일정 시간 유지하여, 상기 피부 팬텀이 시간에 따라 받는 힘을 측정하는 단계;
    상기 피부 팬텀이 시간에 따라 받는 힘을 지수적 감쇠 함수인 수학식 1로 피팅하여, 상기 피부 팬텀에 가해지는 힘에 대한 응답으로 시상수를 계산하는 단계; 및
    상기 피부 팬텀이 시간에 따라 받는 힘을 수학식 2에 대입하여 탄성 계수를 계산하는 단계;를 포함하는, 피부 팬텀의 탄성 평가방법.
    …… 수학식 1, F는 피부 팬텀이 받는 힘, a 및 b는 상수, t는 시간, τ₁ 및 τ₂는 시상수
    …… 수학식 2, F_s는 정상 상태에서 피부 팬텀이 받는 힘, E는 Young's modulus(MPa)이며, R은 프로브(P)의 반지름(mm), d는 프로브(P)의 깊이(mm), υ는 푸아송비.

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