KR102679692B1 - 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법 - Google Patents
효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102679692B1 KR102679692B1 KR1020220047700A KR20220047700A KR102679692B1 KR 102679692 B1 KR102679692 B1 KR 102679692B1 KR 1020220047700 A KR1020220047700 A KR 1020220047700A KR 20220047700 A KR20220047700 A KR 20220047700A KR 102679692 B1 KR102679692 B1 KR 102679692B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- glucose
- enzyme
- powered
- regulator
- self
- Prior art date
Links
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 title claims abstract description 187
- 239000008103 glucose Substances 0.000 title claims abstract description 187
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 title claims abstract description 77
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 title claims abstract description 77
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 33
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 29
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000012466 permeate Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000026280 response to electrical stimulus Effects 0.000 claims abstract description 5
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 claims description 180
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 claims description 74
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims description 58
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims description 58
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 108010050375 Glucose 1-Dehydrogenase Proteins 0.000 claims description 9
- 108010015776 Glucose oxidase Proteins 0.000 claims description 9
- 239000004366 Glucose oxidase Substances 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 229940116332 glucose oxidase Drugs 0.000 claims description 9
- 235000019420 glucose oxidase Nutrition 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 108010021582 Glucokinase Proteins 0.000 claims description 7
- 102000030595 Glucokinase Human genes 0.000 claims description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 4
- NOESYZHRGYRDHS-UHFFFAOYSA-N insulin Chemical compound N1C(=O)C(NC(=O)C(CCC(N)=O)NC(=O)C(CCC(O)=O)NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(NC(=O)CN)C(C)CC)CSSCC(C(NC(CO)C(=O)NC(CC(C)C)C(=O)NC(CC=2C=CC(O)=CC=2)C(=O)NC(CCC(N)=O)C(=O)NC(CC(C)C)C(=O)NC(CCC(O)=O)C(=O)NC(CC(N)=O)C(=O)NC(CC=2C=CC(O)=CC=2)C(=O)NC(CSSCC(NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(CC=2C=CC(O)=CC=2)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(C)NC(=O)C(CCC(O)=O)NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(CC=2NC=NC=2)NC(=O)C(CO)NC(=O)CNC2=O)C(=O)NCC(=O)NC(CCC(O)=O)C(=O)NC(CCCNC(N)=N)C(=O)NCC(=O)NC(CC=3C=CC=CC=3)C(=O)NC(CC=3C=CC=CC=3)C(=O)NC(CC=3C=CC(O)=CC=3)C(=O)NC(C(C)O)C(=O)N3C(CCC3)C(=O)NC(CCCCN)C(=O)NC(C)C(O)=O)C(=O)NC(CC(N)=O)C(O)=O)=O)NC(=O)C(C(C)CC)NC(=O)C(CO)NC(=O)C(C(C)O)NC(=O)C1CSSCC2NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(NC(=O)C(CCC(N)=O)NC(=O)C(CC(N)=O)NC(=O)C(NC(=O)C(N)CC=1C=CC=CC=1)C(C)C)CC1=CN=CN1 NOESYZHRGYRDHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 44
- 102000004877 Insulin Human genes 0.000 description 22
- 108090001061 Insulin Proteins 0.000 description 22
- 229940125396 insulin Drugs 0.000 description 22
- 239000010408 film Substances 0.000 description 16
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 13
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 13
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 9
- 206010012601 diabetes mellitus Diseases 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 4
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 4
- MMXZSJMASHPLLR-UHFFFAOYSA-N pyrroloquinoline quinone Chemical compound C12=C(C(O)=O)C=C(C(O)=O)N=C2C(=O)C(=O)C2=C1NC(C(=O)O)=C2 MMXZSJMASHPLLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 108010015428 Bilirubin oxidase Proteins 0.000 description 3
- 108010073997 Bromide peroxidase Proteins 0.000 description 3
- 102000016938 Catalase Human genes 0.000 description 3
- 108010053835 Catalase Proteins 0.000 description 3
- 102000003992 Peroxidases Human genes 0.000 description 3
- 206010040576 Shock hypoglycaemic Diseases 0.000 description 3
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 3
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 3
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 3
- -1 insulin Chemical compound 0.000 description 3
- NBSCHQHZLSJFNQ-GASJEMHNSA-N D-Glucose 6-phosphate Chemical compound OC1O[C@H](COP(O)(O)=O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H]1O NBSCHQHZLSJFNQ-GASJEMHNSA-N 0.000 description 2
- VFRROHXSMXFLSN-UHFFFAOYSA-N Glc6P Natural products OP(=O)(O)OCC(O)C(O)C(O)C(O)C=O VFRROHXSMXFLSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102000006587 Glutathione peroxidase Human genes 0.000 description 2
- 108700016172 Glutathione peroxidases Proteins 0.000 description 2
- 108010001336 Horseradish Peroxidase Proteins 0.000 description 2
- 102000011845 Iodide peroxidase Human genes 0.000 description 2
- 108010023244 Lactoperoxidase Proteins 0.000 description 2
- 102000045576 Lactoperoxidases Human genes 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 102000003896 Myeloperoxidases Human genes 0.000 description 2
- 108090000235 Myeloperoxidases Proteins 0.000 description 2
- 102000004316 Oxidoreductases Human genes 0.000 description 2
- 108090000854 Oxidoreductases Proteins 0.000 description 2
- 102000007456 Peroxiredoxin Human genes 0.000 description 2
- 239000002473 artificial blood Substances 0.000 description 2
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 2
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 239000003623 enhancer Substances 0.000 description 2
- 150000003278 haem Chemical class 0.000 description 2
- 229940057428 lactoperoxidase Drugs 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000003538 oral antidiabetic agent Substances 0.000 description 2
- 229940127209 oral hypoglycaemic agent Drugs 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 210000000496 pancreas Anatomy 0.000 description 2
- 108040007629 peroxidase activity proteins Proteins 0.000 description 2
- 150000002978 peroxides Chemical class 0.000 description 2
- 108030002458 peroxiredoxin Proteins 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- MNIQECRMTVGZBM-UHFFFAOYSA-N 3-(1-methylpyrrolidin-2-yl)pyridine;7h-purin-6-amine Chemical compound NC1=NC=NC2=C1NC=N2.CN1CCCC1C1=CC=CN=C1 MNIQECRMTVGZBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930024421 Adenine Natural products 0.000 description 1
- GFFGJBXGBJISGV-UHFFFAOYSA-N Adenine Chemical compound NC1=NC=NC2=C1N=CN2 GFFGJBXGBJISGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000003291 Armoracia rusticana Species 0.000 description 1
- 235000011330 Armoracia rusticana Nutrition 0.000 description 1
- 108010024957 Ascorbate Oxidase Proteins 0.000 description 1
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Natural products OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 1
- 208000024172 Cardiovascular disease Diseases 0.000 description 1
- 108010031396 Catechol oxidase Proteins 0.000 description 1
- 102000030523 Catechol oxidase Human genes 0.000 description 1
- 102000000587 Glycerolphosphate Dehydrogenase Human genes 0.000 description 1
- 108010041921 Glycerolphosphate Dehydrogenase Proteins 0.000 description 1
- 244000068988 Glycine max Species 0.000 description 1
- 235000010469 Glycine max Nutrition 0.000 description 1
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 1
- 208000013016 Hypoglycemia Diseases 0.000 description 1
- 108010036012 Iodide peroxidase Proteins 0.000 description 1
- 108010029541 Laccase Proteins 0.000 description 1
- 206010049287 Lipodystrophy acquired Diseases 0.000 description 1
- 108700020962 Peroxidase Proteins 0.000 description 1
- 208000001647 Renal Insufficiency Diseases 0.000 description 1
- 208000017442 Retinal disease Diseases 0.000 description 1
- 206010038923 Retinopathy Diseases 0.000 description 1
- AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N Riboflavin Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N 0.000 description 1
- 206010067584 Type 1 diabetes mellitus Diseases 0.000 description 1
- 108060008724 Tyrosinase Proteins 0.000 description 1
- 102000003425 Tyrosinase Human genes 0.000 description 1
- 229960000643 adenine Drugs 0.000 description 1
- 239000003472 antidiabetic agent Substances 0.000 description 1
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 1
- 229940072107 ascorbate Drugs 0.000 description 1
- 235000010323 ascorbic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000011668 ascorbic acid Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 235000005911 diet Nutrition 0.000 description 1
- 230000037213 diet Effects 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 1
- 238000009207 exercise therapy Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 210000002216 heart Anatomy 0.000 description 1
- 229940126904 hypoglycaemic agent Drugs 0.000 description 1
- 230000002218 hypoglycaemic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 230000003914 insulin secretion Effects 0.000 description 1
- 210000003734 kidney Anatomy 0.000 description 1
- 201000006370 kidney failure Diseases 0.000 description 1
- 208000006132 lipodystrophy Diseases 0.000 description 1
- 210000004185 liver Anatomy 0.000 description 1
- 210000005228 liver tissue Anatomy 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 235000012054 meals Nutrition 0.000 description 1
- 208000030159 metabolic disease Diseases 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 210000004923 pancreatic tissue Anatomy 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003389 potentiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000003248 secreting effect Effects 0.000 description 1
- 230000028327 secretion Effects 0.000 description 1
- 210000002784 stomach Anatomy 0.000 description 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
- A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
- A61M5/142—Pressure infusion, e.g. using pumps
- A61M5/14244—Pressure infusion, e.g. using pumps adapted to be carried by the patient, e.g. portable on the body
- A61M5/14276—Pressure infusion, e.g. using pumps adapted to be carried by the patient, e.g. portable on the body specially adapted for implantation
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
- A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
- A61M5/165—Filtering accessories, e.g. blood filters, filters for infusion liquids
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
- A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
- A61M5/168—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body
- A61M5/172—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body electrical or electronic
- A61M5/1723—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body electrical or electronic using feedback of body parameters, e.g. blood-sugar, pressure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
- A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
- A61M5/168—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body
- A61M5/172—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body electrical or electronic
- A61M5/1723—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body electrical or electronic using feedback of body parameters, e.g. blood-sugar, pressure
- A61M2005/1726—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body electrical or electronic using feedback of body parameters, e.g. blood-sugar, pressure the body parameters being measured at, or proximate to, the infusion site
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
- A61M2205/04—General characteristics of the apparatus implanted
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
- A61M2205/35—Communication
- A61M2205/3576—Communication with non implanted data transmission devices, e.g. using external transmitter or receiver
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
- A61M2205/82—Internal energy supply devices
- A61M2205/8237—Charging means
- A61M2205/8256—Charging means being integrated in the case or housing of the apparatus
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M2230/00—Measuring parameters of the user
- A61M2230/20—Blood composition characteristics
- A61M2230/201—Glucose concentration
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Hematology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Anesthesiology (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Diabetes (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
본 발명은, 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 수분 함유 환경 내 포도당을 선택적으로 투과하는 포도당 선택적 투과막; 상기 투과막을 통과한 포도당과 반응하여 전기를 생산하고, 포도당 농도를 감지하는 자가전력 포도당 센서부; 및 상기 센서부로부터 공급된 전기에 반응하여 입구를 개방하는 자동개폐 액추에이터부; 및 상기 입구를 통과하는 포도당을 처리하는 바이오리액터층 및 부생물 제거층을 포함하는 포도당 조절부; 를 포함하는, 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법에 관한 것이다.
당뇨병은 높은 혈당 (Blood sugar) 수치가 지속되는 대사 질환군으로, 체내에서 인슐린을 생성하지 못하거나 세포가 포도당을 효과적으로 연소하지 못해 발생한다. 당뇨병은 완치가 어렵고, 신부전증, 심혈관질환, 망막병증과 같은 치명적인 합병증을 유발할 수 있어 지속적 관리가 필요한 질병이며, 당뇨병 종류에 따라 주기적으로 인슐린 주사 또는 혈당강하제를 통한 혈당 조절이 필수적이다.
당뇨병 환자는 기존 침습식 주사를 통해 인슐린을 주입해야하는데, 이에 따른 고통 및 인슐린과 주사기를 소지해야 된다는 불편함이 있다. 또한, 인슐린 주사를 맞기 시작하는 순간 회복 불가능한 심각한 상태라는 것을 인식하는 환자들의 '심리적 저항성'이 치료의 결정적 걸림돌이 되고 있는 추세이다. 이러한 두려움 때문에 인슐린 주사를 피하려고 할 때 췌장은 더 빨리 손상되고 합병증 발생 가능성이 크게 증가한다. 기존 인슐린 주사는 열과 직사광선에 약해 여름철에는 변질의 우려가 높아 보관이 어렵다는 단점이 있다. 또한 같은 곳에 반복 침습 시 지방이상증과 같은 부작용이 발생할 수 있어서 중복되지 않게 순환해야하며, 바늘로 매번 피부를 찌르는 불편함과 고통을 감수해야 한다.
더욱이, 현재 당뇨병 치료를 위해 식이 및 운동요법을 기본으로 하며, 경구용 혈당강하제 복용 또는 주사 및 펌프를 이용한 인슐린 주입이라는 방법이 있으며, 경구용 혈당강하제의 경우, 인슐린 분비기능이 거의 없는 제1 형 당뇨병 환자나, 분비기능이 떨어진 제2 형 당뇨병 환자에게는 효과가 없어 주기적인 인슐린 주입이 필수적이다. 하지만, 인슐린 치료의 부작용으로는 저혈당 및 인슐린 알레르기 반응이 빈번하게 발생한다.
본 발명은, 상기 언급한 문제점을 해결하기 위해서, 포도당 조절을 위한 화학물질 (예: 인슐린 및 혈당강화제)의 추가 없이 수분 함유 환경 (예: 혈중)에서 포도당 조절 (예: 혈당 강하)이 가능한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 제공하는 것이다.
본 발명은, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 이용하고, 포도당 조절을 위한 화학물질 (예: 인슐린 및 혈당강화제)의 추가 없이 수분 함유 환경 (예: 혈중)에서 포도당 조절 (예: 혈당 강하)이 가능한 수분환경 내 포도당 조절 방법에 관한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 수분 함유 환경 내 포도당을 선택적으로 투과하는 포도당 선택적 투과막; 상기 투과막을 통과한 포도당과 반응하여 전기를 생산하고, 포도당 농도를 감지하는 자가전력 포도당 센서부; 상기 센서부로부터 공급된 전기에 반응하여 입구를 개방하는 자동개폐 액추에이터부; 및 상기 입구를 통과하는 포도당을 처리하는 바이오리액터층 및 부생물 제거층을 포함하는 포도당 조절부; 를 포함하는, 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 자가전력 포도당 센서부는, 포도당 산화효소, 포도당 탈수소효소 또는 이 둘을 포함하는 음극; 및 산소 또는 과산화 수소 반응 효소를 포함하는 양극; 을 포함하고, 상기 자가전력 포도당 센서부는, 전력 변화 정보를 외부에 전달하는 통신부; 더 포함하고, 상기 전력 변화에 의해 포도당 농도를 감지하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는, 혈당 조절을 위한 체내 삽입형 및 반영구 장치인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바이오리액터층은 상기 액추에이터에 근접하게 배치되고, 포도당과 효과적으로 반응하는 포도당 산화효소, 포도당 탈수소효소, 글루코키나아제를 후보로 하는 포도당과 반응하는 효소를 포함하여 효소가 통과한 포도당과 반응하여 포도당의 농도를 낮출 수 있다. 상기 바이오리액터층 하부에 부생물 제거층이 배치되고, 상기 부생물 제거층은, 과산화수소를 물과 산소로 바꾸는 효소, 과산화수소 분해 효소 또는 이 둘을 포함하고, 상기 바이오리액터층 및 부생물 제거층은, 각각, 내벽을 둘러싸거나 격자 형태로 배열된 복수개의 막을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 수분 함유 환경 내에서 포도당을 투과막을 통해 선택적으로 투과시키는 단계; 상기 투과된 포도당과 효소 촉매 반응으로 전기를 생산하여 전력 변화 정보로 혈당을 감지하는 단계; 액추에이터가 상기 전기에 반응하고 수축하여 입구를 여는 단계; 및 상기 입구를 통과하는 포도당을 분해 처리하여 포도당 농도를 제어하는 단계; 를 포함하는, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 이용한, 포도당 조절 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은 생체 외 또는 생체 내에서 수분 함유 환경 내에 포도당 농도를 조절할 수 있는 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는, 예를 들어, 인슐린 및 혈당강화제 없이 혈당 조절 (예: 혈당 강하)이 가능하고, 체내 삽입형인 효소 기반 자가전력 인공 혈당 조절기로 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는, 예를 들어, 포도당을 기질로 하는 효소를 기반으로 하고, 효소가 혈액 내 포도당과 반응하여 혈당 농도를 자발적으로 낮출 수 있고, 반영구적인 효소기반 인공 혈당조절 장기로 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는, 예를 들어, 기존의 인슐린 주사, 관련 시스템에 대한 기존 한계를 극복하기 위해, 인슐린 주사와 같은 치료방법을 대체할 수 있는, 반영구적 체내삽입형 혈당강하장치로 활용되고, 이는 한번의 혈당강하장치의 삽입을 통해 인슐린 주입 없이 혈당 조절이 가능하므로, 당뇨병 환자들의 고통을 덜어줄 뿐만 아니라 삶의 질 또한 크게 개선시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 자가전력 센서부의 전극 관련 반응 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 자가전력 센서부의 전극 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 글루코키나아제의 반응 메커니즘을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 포도당 조절부의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 포도당 조절부의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 이용한 혈중 포도당 조절공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 자가전력 센서부의 전극 관련 반응 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 자가전력 센서부의 전극 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 글루코키나아제의 반응 메커니즘을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 포도당 조절부의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 포도당 조절부의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 이용한 혈중 포도당 조절공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 활용에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 인공 포도당 조절기는 수분 함유 환경 내에서 포도당을 선택적으로 통과시키는 투과막 영역, 포도당과 자발적으로 반응하는 효소 기반 센서 및 자가전력 생산 영역, 및 포도당 처리 영역을 포함할 수 있다. 이는 유입된 포도당의 농도 감지, 포도당 농도에 따라 자가전력 생산 및 일정 전력에 이르면 포도당 처리 영역의 입구가 자동으로 열리고, 입구를 통과하여 유입된 포도당의 제거 공정이 이루어질 수 있다. 이는 수분 함유 환경 (예: 혈액 내)에서 인슐린과 같은 포도당 제거를 위한 추가 화학성분의 투입 없이 포도당 농도 (예: 혈당 농도)의 제어가 가능할 수 있다. 어떤 예에서, 이는 체내 또는 체외에서 활용될 수 있으며, 예를 들어, 인체 내 포도당 농도 (예: 혈당 농도)의 제어(예: 혈당 강하)에 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하면, 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는 포도당 선택적 투과막 (100), 자가전력 포도당 센서부 (200), 자동개폐 액추에이터부 (300) 및 포도당 조절부 (400)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 포도당 선택적 투과막 (100)은 수분 함유 환경 내에 포함된 포도당을 선택적으로 투과시켜 상기 인공 포도당 조절기 내에 포도당을 유입시키는 입구 영역일 수 있다. 이는 수분 함유 환경 (예: 혈액) 내 다른 물질에 의한 부반응을 방지하고 포도당만 선택적으로 통과시키기 위해서 상기 인공 포도당 조절기의 앞단에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 포도당 선택적 투과막 (100)은 포도당만 선택적으로 투과시키는 막이며, 이는 본 발명의 기술 분야에서 알려진 생체 또는 인체 삽입 가능한 투과막 (예: 포도당 선택적 반투과성 막) 이라면 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들어, 포도당 선택적 투과막 (100)은 생체유래 물질을 이용해 합성된 분리막을 포함할 수 있다. 이러한 분리막을 통해 수분 함유 환경 (예: 혈액) 내 다른 물질과의 부반응을 차단할 수 있다. 어떤 예에서, 적혈구를 이용해 제작된 분리막일 수 있고, 이는 인체 삽입에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 포도당 선택적 투과막 (100)의 두께는 약 50 ㎛ 이하; 약 40 ㎛ 이하; 약 30 ㎛ 이하; 약 20 ㎛ 이하; 약 10 ㎛ 이하; 약 1 ㎛ 이하; 약 500 nm 이하; 약 300 nm 이하; 약 200 nm 이하; 또는 약 150 nm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 자가전력 포도당 센서부 (200)는 포도당 선택적 투과막 (100)을 통해 유입되는 포도당과 반응하여 전기를 생산하고, 포도당 농도를 감지하는 것으로, 외부 전력 없이 수분 함유 환경 내 포도당 농도 (예: 혈당 농도)를 감지할 수 있다. 예를 들어, 자가전력 포도당 센서부 (200)는 전기 생산과 혈당 농도를 감지하는 혈당 센서의 기능을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 자가전력 포도당 센서부 (200)는 포도당과 반응하는 효소 기반 촉매로 구성된 자가전력 센서를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 예로, 상기 자가전력 센서는 음극 (210)과 양극 (220)으로 구성되고, 음극(210)은 포도당과 반응하는 효소기반 촉매를 포함하고, 양극 (220)은 산소, 과산화수소 또는 이 둘과 반응하는 효소 기반 촉매를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 자가전력 포도당 센서부 (200)의 자가전력 센서의 구성 및 반응 메커니즘을 나타낸 것으로, 예를 들어, 혈당농도를 감지하는 혈당센서이며, 포도당과 반응하는 효소 기반 촉매로 구성된 자가전력 센서일 수 있다. 즉, 포도당과 자발적으로 반응하는 효소를 이용해 인슐린 주사 없이 혈당농도를 낮추는 반영구적 효소기반 체내삽입형 장치를 실현시킬 수 있다. 이를 통해 인슐린 주사에 대한 거부감 없이 혈당을 낮출 수 있고, 효소의 가역적 반응에 의해 반영구적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 도 2를 참조하면, 음극 (210)에서 투과막(100)을 투과한 포도당과 효소와의 산화 반응이 발생하고, 양극 (220)은 산소 및/또는 과산화수소와 효소와의 환원 반응으로 전기를 생산할 수 있다. 또한, 생산된 전기량 변화에 의해서 포도당 농도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 혈당이 정상범위를 초과할 경우에 전기 생산이 증가하고 일정 수준 이상의 전력량에서 전기와 반응에 의해 수축하는 전기반응성 액츄에이터에 의한 자동 개방을 실현시킬 수 있다. 이를 통해 혈당 수치가 증가할 경우에 초과 생산 전기에 의해 액츄에이터가 자동으로 개방될 수 있다. 어떤 예에서, 초과 생산 전기에 의해 개방 비율 (예: 도 1에서 개방된 영역의 직경 (A))이 조절되고, 포도당 조절부 (400)로 내로 유입되는 포도당의 양 및/또는 유입 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 음극 (210)은 포도당 산화효소, 포도당 탈수소효소 또는 이 둘을 포함할 수 있다. 포도당과 반응하는 효소이며, 혈당 측정을 위한 신호를 제공할 수 있는 것이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 포도당 산화효소 (glucose oxidase, GOx), 포도당 PQQ탈수소효소 (glucose dehydrogenase pyrroloquinoline quinone, GDH-PQQ), 포도당NAD탈수소효소 (glucose dehydrogenase nicotine adenine dinucleotide, GDH-NAD), 및 포도당FAD탈수소효소 (glucose dehydrogenase flavin adenine dlinucleotide, GDH-FAD)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 양극 (220)은 산소 반응하는 효소, 과산화수소 반응하는 효소 또는 이 둘을 포함할 수 있다. 상기 산소와 반응하는 효소는, 예를 들어, 라케이즈 (laccase, Lac), 빌리루빈 산화효소 (bilirubin oxidase, BOD), 글리세롤-3-포스페이트 디하이드로지네이즈 (glycerol 3-phosphate dehydrogenase), 아스코베이트 옥시데이즈 (ascorbate oxidase), 호스래디쉬 옥시데이즈 (horseradish oxidase), 소이빈 옥시데이즈 (soybean oxidase), 빌리루빈 옥시데이즈 (bilirubin oxidase), 티로시네이즈 (tyrosinase) 및 카테콜 옥시데이즈 (catechol oxidase)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 양극 (220)에서 과산화수소와 반응하는 효소 (예: 과산화효소)는, 예를 들어, 겨자무과산화효소 (horseradish peroxidase), 글루타치온 퍼록시데이즈 (glutathione peroxidase), 할로퍼록시데이즈 (haloperoxidase), 미엘로퍼옥시데이즈 (myeloperoxidase), 카탈라아제 (catalase), 헤모프로틴 (hemoprotein), 퍼록사이드 (peroxide), 퍼록시레독신 (peroxiredoxin), 동물 헴-의존적 퍼록시데이즈 (animal heme-dependent peroxidases), 티로이드 퍼록시데이즈 (thyroid peroxidase), 바나듐 브로모퍼록시데이즈 (vanadium bromoperoxidase) 및 락토퍼록시데이즈 (lactoperoxidase)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 자가전력 포도당 센서부 (200)는 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기의 내벽의 적어도 일부분을 둘러싸는 단일 또는 복수개의 막 (예: 박막)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 음극막 (예: 박막) 및 양극막 (예: 박막)을 포함할 수 있다. 어떤 예에서, 상기 음극막 및 상기 양극막은 유연한 막 (예: 필름 또는 박막) 형태일 수 있다. 어떤 예에서, 상기 음극막 및 상기 양극막이 서로 마주보도록 상기 내벽에 부착될 수 있다. 어떤 예에서, 상기 음극믹 및 상기 양극막은 서로 접촉하거나 또는 이격 되어 연속적으로 내벽을 둘러싸도록 부착될 수 있다. 어떤 예에서, 상기 음극막 및 상기 양극막은 서로 마주보도록 내부 공간에 끼워지거나 고정될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 자가전력 포도당 센서부 (200)에서 음극 및 양극은 일면 또는 양면에 상기 언급한 효소가 도입되어 포도당과 반응하고 전기를 생산할 수 있다. 어떤 예에서, 도 3을 참조하면, 상기 음극 및 상기 양극의 양면에 효소 (210a, 210b, 220a, 220b) (예: 이중 전극구조)가 도입되고, 포도당과 반응하고 전기를 생산하도록 내벽과 접촉을 최소화하거나 미접촉된 상태로 서로 마주보도록 상기 조절기의 내부 공간에 끼워지거나 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 자동개폐 액추에이터부 (300)는 포도당 조절부 (400)의 입구 영역에 해당되며, 자가전력 포도당 센서부 (200)로부터 공급된 전기에 반응하여 입구를 자동으로 개방할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 자동개폐 액추에이터부 (300)는 전기에 반응 및 수축하는 전기반응성 액츄에이터를 포함하고, 이는 자가전력 포도당 센서부 (200)에서 발생한 전기에 반응하여 액츄에이터가 수축함으로써, 개방 영역을 형성할 수 있다. 예를 들어, 혈당수치 증가에 따른 초과 생산 전기에 의해 액츄에이터가 자동으로 개방되며, 개방 비율 (예: 도 1에서 개방 영역의 직경 (A))에 따라 자동으로 혈당 조절이 가능할 수 있다. 즉, 저혈당일 경우 전기 생산량이 적기 때문에 개방되지 않아 저혈당 쇼크가 발생할 가능성을 낮출 수 있다. 반면에, 혈당이 정상범위를 초과할 경우 자가전력 포도당 센서부 (200)에서 전기 생산이 증가하므로, 전기와 반응에 의한 수축이 증가되어 개방 비율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 포도당 조절부 (400)는 자동개폐 액추에이터부 (300)를 통과한 포도당을 제거하여 수분 함유 환경 내 (예: 혈액)의 포도당 농도 (예: 혈당 농도)를 낮추는 것으로, 자동개폐 액추에이터부 (300)를 통과한 포도당을 처리하는 바이오리액터층 (410) 및 부생물 제거층 (420)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 바이오리액터층 (410)은 자동개폐 액추에이터부 (300)에 근접하게 배치되고 다음으로 부생물 제거층 (420)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 포도당 조절부 (400)의 상단 영역에 바이오리액터층 (410)이 배치되고 하단 영역에 부생물 제거층 (420)이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 바이오리액터층 (410)은 포도당을 효과적으로 분해하는 효소를 포함하고, 예를 들어, 포도당 산화효소, 포도당 탈수소효소, 글루코키나아제 (Glucokinase) 등을 포함하고, 보다 구체적으로 GOx, GDH-PQQ, GDH-NAD, GDH-FAD 및 글루코키나아제 (Glucokinase) 중 적어도 하나 이상의 효소를 기반으로 구성된 바이오리액터일 수 있다. 예를 들어, 글루코키나아제는 간이나 췌장조직의 특정 세포에서 발견되는 효소로 ATP가 ADP로 전환되면서 포도당-6-인산으로 반응시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4는 글루코키나아제의 반응 메커니즘을 나타낸 것으로, 이 반응에서 발생한 ADP는 다시 ATP로 전환하기 위해 에너지인 포도당을 사용하기 때문에 포도당의 농도를 효과적으로 낮출 수 있고, 포도당과의 반응속도가 빠르며 선택성이 높고, 생성물인 포도당-6-인산의 농도가 증가해도 반응성에 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 일 예로, 바이오리액터층 (410) 및 부생물 제거층 (420)은 각각 상기 조절기 내벽을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 바이오리액터층 (410)은 양면에서 포도당 분해 반응을 유도하기 위해서 복수개의 막(예: 박막)이 배치될 수 있다. 어떤 예에서 바이오리액터층 (410)은 단일 또는 복수개가 포도당 조절부 (400) 내부에 끼워진 형태될 수 있다. 어떤 예에서 바이오리액터층 (410)은 내벽에 부착된 제1 막 및 격자 형태의 배열이 혼용될 수 있다. 도 5에서 나타낸 바와 같이, 어떤 예에서, 도 5의 (a) 및 (b)에서 상기 복수개의 막은 포도당 조절부 (400)의 내벽을 둘러싸는 제1 막 (410b) (예: 박막) 및 내부 공간에 끼워지고 서로 이격되고 서로 마주보도록 배열된 복수개의 막 (410a) (예: 박막)을 포함할 수 있다. 어떤 예에서, 도 5의 (c)에서 격자 형태로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 바이오리액터층 (410)은 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 메쉬 구조를 갖는 그물망 형태일 수 있다. 도 6의 (b)에서 나타낸 바와 같이, 수개의 막 (예: 박막, 필름 또는 시트)이 격자 형태(410b)로 배열되고 내벽을 둘러싸복는 형태(410a)일 수 있다. 예를들어, 상기 메쉬 구조의 선두께는 50 nm 내지 200 마이크로미터 (μm); 100 nm 내지 100 마이크로미터; 또는 500 nm 내지 10 마이크로미터일 수 있다. 예를 들어, 상기 메쉬 구조의 메쉬 홀 직경은 1 mm 이하; 800 마이크로미터 이하; 500 마이크로미터 이하; 300 마이크로미터 이하; 200 마이크로미터 이하; 또는 100 마이크로미터 이하일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 부생물 제거층 (420)은 바이오리액터층 (410) 다운스트림 방향으로 연속적으로 배치되므로, 생체적합성을 향상시킬 수 있다. 또한, 부생물들 (예: 과산화수소)을 제거하기 위해 바이오리액터층 (410)의 하부에 부생물 제거층이 배치될 수 있다. 부생물 제거층 (420)은 잔여 과산화수소를 물과 산소로 바꾸는 효소 (카탈레이스, Catalase), 과산화수소 분해 효소 (예: 과산화 효소 peroxidase) 등과 같은 물질을 포함하고, 이는 바이오리액터층 (410)에서 발생한 부생 가능한 물질의 혈액 내 유입을 방지할 수 있다. 예를 들어, 과산화수소 분해 효소는, 겨자무과산화효소 (horseradish peroxidase), 글루타치온 퍼록시데이즈 (glutathione peroxidase), 할로퍼록시데이즈 (haloperoxidase), 미엘로퍼옥시데이즈 (myeloperoxidase), 카탈라아제 (catalase), 헤모프로틴 (hemoprotein), 퍼록사이드 (peroxide), 퍼록시레독신 (peroxiredoxin), 동물 헴-의존적 퍼록시데이즈 (animal heme-dependent peroxidases), 티로이드 퍼록시데이즈 (thyroid peroxidase), 바나듐 브로모퍼록시데이즈 (vanadium bromoperoxidase) 및 락토퍼록시데이즈 (lactoperoxidase)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 부생물 제거층 (420)은 바이오리액터층 (410) 및 도 5 및 도 6에서 설명된 바와 같이, 막 (예: 박막) 형태, 격자 형태로 배열될 수 있고, 바이오리액터층 (410)과 동일하거나 또는 상이한 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 수분 함유 환경은 체액, 분비액 또는 이 둘 모두를 포함할 수 있으며, 상기 체액은 혈액일 수 있다. 상기 수분 함유 환경은 생체 외, 생체 내 또는 이 둘 모두에 존재할 수 있다. 예를 들어, 혈관 내에 이식되어 혈당 농도를 측정하고 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 포도당 조절기는 생체 안정성 및 장기 안정성을 갖는 물질로 구성되며, 각 구성에 대해서는 본 문서에서 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 포도당 조절기는 포도당과 자발적으로 반응하는 효소를 이용해 인슐린 주사 없이 혈당농도를 낮추고, 자가전력 생산이 가능한 반영구적 효소기반 체내 삽입형 장치 또는 체내 삽입형 이식 장기일 수 있다. 어떤 예에서, 상기 포도당 조절기는 10 mm 이하; 8 mm 이하; 5 mm 이하; 1 mm 이하; 0.8 mm 이하; 0.5 mm 이하; 0.2 mm 이하; 또는 0.1 mm 이하의 크기를 갖는 마이크로 장치일 수 있다. 상기 크기는 직경, 길이, 두께 등에 해당될 수 있다. 어떤 예에서, 상기 크기는 인체 삽입 위치에 따라 조절될 수 있다. 어떤 예에서, 상기 포도당 조절기는 혈관 (예: 동맥, 정맥 등), 근육, 장기 (예: 심장, 간, 신장, 위, 췌장 등) 등에 이식될 수 있다. 어떤 예에서, 상기 포도당 조절기는 혈관에 이식될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는 중공관 형태 (예: 튜브 또는 파이프)이며, 예를 들어, 단면이 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 (예: 직사각형, 정사각형), 오각형, 육각형 등의 다각형일 수 있다. 어떤 예에서, 중공 영역의 단면이 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 (예: 직사각형, 정사각형), 오각형, 육각형 등의 다각형일 수 있다. 예를 들어, 상기 중공관 형태는 하단 방향으로 직경이 좁아지는 테이퍼진 끝단을 가질 수 있다. 어떤 예에서, 상기 중공관 형태의 길이 중 적어도 일부분에서부터 점진적으로 테이퍼진 끝단을 가질 수 있다. 어떤 예에서, 포도당 조절부 (300) 영역에서부터 테이퍼진 형태일 수 있다. 어떤 예에서 포도당 선택적 투과막 (100)에서부터 테이퍼진 형태일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 중공관 형태에서 두께 (예: 전체 직경에서 내경 크기를 제외)는 1 μm 내지 20 μm일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는 필요 시 말단에 출구가 구성될 수 있다. 예를 들어, 포도당 조절부 (400)의 말단에 형성될 수 있다. 어떤 예에서, 부생물 제거층 (420)의 하단 영역에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는 외부와 통신할 수 있는 통신부 (예: 체내 삽입형 안테나 또는 무선 전송기)를 더 포함할 수 있다. 이는 센서를 통해 측정된 혈당 정보를 외부 장치에 무선으로 전달하고 저장할 수 있다. 이를 통해 혈당 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 어떤 예에서 센서에서 발생된 전력 변화 정보를 외부에 전달하고 저장할 수 있는 통신부; 더 포함하고, 상기 전력 변화에 의해 포도당 농도를 감지하고 모니터링할 수 있다. 상기 신호는 외부의 네트워크를 통해 수신기 및 정보 처리 시스템에 전달될 수 있다. 어떤 예에서 상기 통신부는 센서부 (200)에 장착되고 전력량 변화 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기에 의한 효소기반 체내 삽입형 장치를 제안할 수 있으며, 이는 효소 기반의 가역적 특성에 의해 반영구적으로 구동이 가능하고, 주기적인 관리가 필요치 않고, 혈당농도가 정상범위일 때 바이오리액터 입구가 열리지 않기 때문에 저혈당 쇼크 발생 위험을 낮출 수 있다. 또한, 자가전력센서로 구성되기 때문에 외부전원을 삽입할 필요가 없다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은 인슐린 주사와 같은 치료방법을 대체할 수 있는 반영구적 체내삽입형 장치를 제공하고, 이는 포도당을 기질로 하는 효소를 기반으로 하며, 효소가 혈액 내 포도당과 반응해 혈당농도를 자발적으로 낮출 수 있는 효소기반 인공 혈당조절 장기로 활용될 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 의한 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 이용하여 수분 함유 환경 내에서 포도당의 조절 방법을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 수분 함유 환경 내에서 포도당을 투과막을 통해 선택적으로 투과시키는 단계; 투과된 포도당과 효소 촉매 반응으로 전기를 생산하는 단계; 생산된 전기에 반응하는 액추에이터에 의해 입구를 개방하는 단계; 입구를 통과하는 포도당을 분해 처리하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 수분 함유 환경 내에서 포도당을 투과막을 통해 선택적으로 투과시키는 단계는 수분 함유 환경과 접촉하거나 수분 함유 환경 내에 배치된 인공 포도당 조절기 내에 포도당을 선택적으로 투과시키는 투과막을 이용하여 장치 내로 포도당을 투과시키는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 투과된 포도당과 효소 촉매 반응으로 전기를 생산하는 단계는 포도당과 반응하는 산화반응 및 환원반응 메커니즘으로 전기를 생산하는 전극을 이용하고, 포도당의 농도에 따라 전기 생산량 (예: 전력량) 변화 정보를 획득하고, 생산된 전기는 액추에이터 구동에 이용될 수 있다. 또한, 이는 전력 변화 정보로 포도당의 농도를 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 생산된 전기에 반응하는 액추에이터에 의해 입구를 개방하는 단계는, 생산된 전기량에 따라 전기와 반응하는 액추에이터의 수축 정도에 따른 입구의 개방을 유도하거나 닫힌 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 입구를 통과하는 포도당을 분해 처리하는 단계는 상기 입구를 통과하는 포도당을 분해 처리하고 이는 상기 수분 함유 환경 내의 포도당의 농도를 제어할 수 있다. 더욱이, 포도당 분해에 따른 과산화수소 등과 같은 부생성물을 제거하는 공정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 이용하여 수분 함유 환경 내에서 포도당의 조절 방법은, 체외 및/또는 체내에서 포도당 농도의 제어에 이용될 수 있다. 본 발명의 일 예로, 상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기를 체내삽입하여 생체 내 혈당 조절 (예: 혈당 강하)에 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 혈당이 식후 정상범위인 200mg/dl을 초과하는지 감지할 수 있고, 이러한 혈당 농도를 감지하는 역할뿐만 아니라 포도당과 반응하는 효소가 포도당과 반응하는 과정에서 1차로 혈당의 농도를 낮춰주는 효과도 있다. 혈당이 정상범위를 초과할 경우 전기 생산이 증가하고 이 전기에 반응 및 수축하는 전기반응성 액츄에이터에 의해서 입구를 개방시켜 포도당을 제거함으로써, 혈당을 낮출 수 있다. 또한, 일정 수준 이상의 전기량에 의한 액츄에이터가 개방되므로, 정상 혈당 또는 저혈당에서 포도당 제거 기능이 일어나지 않아 저혈당 쇼크를 방지할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (5)
- 수분 함유 환경 내 포도당을 선택적으로 투과하는 포도당 선택적 투과막;
상기 투과막을 통과한 포도당과 반응하여 전기를 생산하고, 포도당 농도를 감지하는 자가전력 포도당 센서부;
상기 센서부로부터 공급된 전기에 반응하여 입구를 개방하는 자동개폐 액추에이터부; 및
상기 입구를 통과하는 포도당을 처리하는 바이오리액터층 및 부생물 제거층을 포함하는 포도당 조절부;
를 포함하는,
효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기.
- 제1항에 있어서,
상기 자가전력 포도당 센서부는, 포도당 산화효소, 포도당 탈수소효소 또는 이 둘을 포함하는 음극; 및 산소 또는 과산화 수소 반응 효소를 포함하는 양극;
을 포함하고,
상기 자가전력 포도당 센서부는, 전력 변화 정보를 외부에 전달하는 통신부; 더 포함하고, 상기 전력 변화에 의해 포도당 농도를 감지하는 것인,
효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기.
- 제1항에 있어서,
상기 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기는, 혈당 조절을 위한 체내 삽입형 및 반영구 장치인 것인,
효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기.
- 제1항에 있어서,
상기 바이오리액터층은 상기 액추에이터부에 근접하게 배치되고, 상기 바이오리액터층 하부에 부생물 제거층이 배치되고,
상기 바이오리액터층은, 포도당 산화효소, 포도당 탈수소효소 및 글루코키나아제 중 적어도 하나 이상을 포함하고,
상기 부생물 제거층은, 과산화수소를 물과 산소로 바꾸는 효소, 과산화수소 분해 효소 또는 이 둘을 포함하고,
상기 바이오리액터층 및 부생물 제거층은, 각각, 내벽을 둘러싸거나 격자 형태로 배열된 복수개의 막을 포함하는 것인,
효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기. - 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220047700A KR102679692B1 (ko) | 2022-04-18 | 2022-04-18 | 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220047700A KR102679692B1 (ko) | 2022-04-18 | 2022-04-18 | 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230148645A KR20230148645A (ko) | 2023-10-25 |
| KR102679692B1 true KR102679692B1 (ko) | 2024-07-01 |
Family
ID=88515774
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220047700A KR102679692B1 (ko) | 2022-04-18 | 2022-04-18 | 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102679692B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5298022A (en) | 1989-05-29 | 1994-03-29 | Amplifon Spa | Wearable artificial pancreas |
| JP2018019826A (ja) | 2016-08-02 | 2018-02-08 | セイコーエプソン株式会社 | 検出素子、測定装置、薬剤供給装置および検出素子の製造方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003517588A (ja) | 1999-08-27 | 2003-05-27 | エム−バイオテック インコーポレイテッド | グルコースバイオセンサ |
| KR101868015B1 (ko) * | 2016-05-17 | 2018-06-15 | 주식회사 아이센스 | 인슐린 자동 공급장치 및 이를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템 |
| FR3059553B1 (fr) * | 2016-12-07 | 2021-04-23 | Univ Grenoble Alpes | Dispositif implantable |
| KR102330758B1 (ko) * | 2020-01-13 | 2021-11-25 | (주)오상헬스케어 | 연속 혈당 측정 장치 |
-
2022
- 2022-04-18 KR KR1020220047700A patent/KR102679692B1/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5298022A (en) | 1989-05-29 | 1994-03-29 | Amplifon Spa | Wearable artificial pancreas |
| JP2018019826A (ja) | 2016-08-02 | 2018-02-08 | セイコーエプソン株式会社 | 検出素子、測定装置、薬剤供給装置および検出素子の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230148645A (ko) | 2023-10-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Atanasov et al. | Implantation of a refillable glucose monitoring-telemetry device | |
| US6001067A (en) | Device and method for determining analyte levels | |
| US20180317827A1 (en) | Membrane for use with implantable devices | |
| Heller | Implanted electrochemical glucose sensors for the management of diabetes | |
| US5174291A (en) | Process for using a measuring cell assembly for glucose determination | |
| Rebrin et al. | Automated feedback control of subcutaneous glucose concentration in diabetic dogs | |
| DK2997988T3 (en) | Single needle integrated artificial pancreas | |
| US7110803B2 (en) | Device and method for determining analyte levels | |
| EP0024155B1 (en) | Apparatus for measurement of body substances and enzyme implants for use therein | |
| DK2104492T3 (en) | Oxygen supply for cell graft and vascularization | |
| EP3478171A1 (en) | Bio-adaptable implantable sensor apparatus and methods | |
| Singh et al. | Bio-compatible bio-fuel cells for medical devices | |
| KR102679692B1 (ko) | 효소 기반 자가전력 인공 포도당 조절기 및 이를 이용한 포도당 조절 방법 | |
| Bettin | Applicability and feasibility of incorporating microbial fuel cell technology into implantable biomedical devices | |
| Velho et al. | The design and development of in vivo glucose sensors for an artificial endocrine pancreas | |
| Atanasov et al. | In vivo rechargeable glucose biosensors | |
| JP2017093939A (ja) | 検出素子、分析装置およびインスリン供給装置 | |
| Diouri et al. | Invasive and Implantable Glucose Sensors: Perspective for the Artificial Pancreas | |
| THÉVENOT | The design and development of in vivo glucose | |
| SHICHIRI et al. | Medical Applications of | |
| Leitao et al. | Minimally invasive glucose and lactate sensors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |