KR20090092548A - 셀룰로오스-키토산 필름을 기재로 사용하고 알에프아이디센서 및 바이오 센서를 포함하는 의학 치료용 밴드 및 이의제조방법 - Google Patents
셀룰로오스-키토산 필름을 기재로 사용하고 알에프아이디센서 및 바이오 센서를 포함하는 의학 치료용 밴드 및 이의제조방법Info
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Abstract
원격지에 있는 외상 환자를 응급처치하기 위해서, 출혈을 멈추게 하고, 환자의 상태 및 상처 부위를 탐지하며, 환자의 생리학적 데이터, 즉 혈압, 박동수, 혈액 상태, 감염 여부 등에 대한 데이터를 얻어내고, 환자에게 적절한 약물을 투여하기 위한 원격 조절 기능을 가진 의학적 치료용 밴드에 관한 것으로, 이는 셀룰로오스 및 키토산의 혼합 공중합체를 기재로 사용하고, 환자의 출혈을 막고 약물 전달을 가능하게 한 마이크로 및 나노 크기의 기공을 형성시킨 의학적 치료층; 환자의 혈압, 심박, 혈액 성분 및 감염을 포함하는 생리학적 데이터를 측정하고 환자의 상태와 상처 부위를 포함하는 정보를 전달하기 위한 RFID 센서 및 바이오센서를 포함하고 있는 센서층; 환자에 대한 데이터를 외부의 환자 감시장치로 전송하고, 센서층을 작동시키는데 필요한 전력을 공급하기 위한 안테나층; 및 상기한 3 개의 층을 고정시키고 환자의 상처 부위에 부착되는 기능을 가진 덮개층으로 이루어진 밴드를 개시한다.
Description
본 발명은 셀룰로오스-키토산의 생체 적합성 중합체를 기재로 사용하고 RFID 센서 및 바이오 센서를 포함하고 있는 의료용 밴드에 관한 것으로, 특히 원격지에 있는 외상 환자를 무선 장치에 의해서 실시간 치료 및 감시할 수 의학적 치료용 밴드에 관한 것이다.
비조절성 출혈은 외상으로 인한 주된 사망 원인이다. 따라서 환자의 신체 내에 혈액을 보존시키기고 정상적으로 순환토록 하는 방법이 연구되어 왔다. 신체는 약 5 리터의 혈액으로 채워져 있으며 전쟁이나 시위 외상 환자의 50 내지 70 %는 중출혈로 사망한다. 혈액 응고가 신체 내부로부터 시작되어 비활성 액체가 혈류를 압박하게 되면, 혈압이 상승하여 환자를 치명적 상태에 놓이게 한다.
종래의 지혈 방법으로는 몇 가지가 있는바, 그 중에는 넓은 패드 드레싱에 의한 직접적 침습성 압박을 먼저 행하고 혈액이 패드를 통과하여 솟구치면 지혈대를 후속으로 사용하는 방법이 있다. 이러한 방법은 일상적인 관절 수술 등에도 사용되고 있다. 최근에는 모든 전방 군인들에게 지혈대가 지급되고 있으며, 응고 촉진제를 사용하여 상처 부위의 출혈을 억제하고 있다. 드레싱에는 어느 정도의 문제점과 비효율성이 있지만 대체로 모든 병사들의 개인용 키트에서 중요한 부분을 차지한다. 활성 드레싱은 여러 원인에 의한 곤란한 환경에서 직접 압박을 수행하기가 어려울 경우에 상당히 유용하다. 원격지나 야전 지역, 동굴 등에서 임무를 수행하는 구조팀에게는 이러한 드레싱이 매우 유익하다.
이러한 치료 방법은 일반적으로 다음의 과정을 거친다:
트롬빈과 같은 천연 응고제를 사용하여 신체로 하여금 혈액 순환을 촉진토록 한다.
점착 작용을 통하여 상처를 밀봉하고 조절 압력을 가한다.
불활성의 생체 안정적인 밴드를 사용하여 인체 면역 체계의 부작용을 초래할 수 있는 감염이나 이물질의 유입을 막는다.
이때 사용하는 밴드는 키토산 분자를 이용한다(HemCon Medical Tech., Inc.). 여기에 사용되는 키토산은 새우 껍질로부터 추출한 것으로, 혈액과 접촉할 경우에 드레싱이 굳어지고 상처 응고 부위와 일체를 이루게 된다. 양전하를 띤 키토산 분자가 음전하를 가진 적혈 세포를 공격함으로써 1 내지 5 분 이내에 출혈을 멈추게 한다. 이러한 응집 작용은 키토산 반응의 뛰어나 부산물로서 플러그를 형성하는 상처를 활발히 밀폐한다. 미국 식품의약청은 이들 밴드를 인체에 사용하는 것을 허가하였으며 군인에 독점적으로 공급되고 있다.
한편으로, RFID 및 센서 기술은 많은 산업 분야에서 사용되는 기술로서, 점차 상호 연동되어 작동되고 있어서 제작자들은 물체의 위치 및 상태를 더욱 잘 감시할 수가 있게 되었다. 이들 센싱 및 해당 네트워크는 대상 물체의 보안, 품질 및 일체성을 향상시키는데 기여하고 있다.
치명적인 증세 및 운동의 실시간 감시, 온디맨드 약물 전달 체계 및 연속적 혈액 분석은 환자의 안전에 매우 중요하다. 이와 관련하여, 환자의 생명을 향상시키기 위한 관련 시장에서 POC(Point of Care) 기술의 필요성이 증대하고 있다. 현재의 원격 센서 기술은 실시간으로 신체 온도, 호흡률, 심장 박동률 및 EKG 신호를 비롯하여 혈압 및 혈액 기체 농도까지도 측정할 수가 있다.
본 발명은 환자의 출혈을 멈추게 하고, 환자의 의학적 상태를 감시하며 적절한 약물을 투입할 수 있는 밴드를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이 의학적 치료층(10), 센서층(20), 안테나층(30) 및 덮개층(40)으로 구성된 밴드를 제공한다.
각각의 층에 대한 간단한 설명은 다음과 같다:
의학적 치료층(10): 혈액과 직접 접촉하는 층으로 셀룰로오스-키토산 혼합 필름으로 만들어져서 출혈을 즉시 멈추게 하고, 혈액과 접촉함으로써 발생할 수 있는 감염을 예방하기 위한 약물을 방출한다.
센서층(20): 환자의 생리적인 상태를 감시하기 위한 층으로, 이는 혈액의 특성을 측정하기 위한 유기 중합체 기반의 센서, 및 체온, 박동수 및 혈압을 측정하기 위한 무선 SAW 센서를 포함한다. 이는 또한 리플렉터와 일체로 결합하는 RFID 태그로 사용되어 일반적인 수동형 RFID 시스템을 구성한다. RFID는 환자 및 상처 위치를 식별한다.
안테나층(30): 마이크로파를 수신하고 신체에서 감지된 신호를 송신하는 안테나가 매립된 층으로, 금속 스트립으로 만들어진다. 이 안테나는 신호를 송수신하고 데이터 플랫폼과 통신하는 송수신기(환자 모니터)와 통신한다. 수동형 센서에 대해서는, 패치형 안테나 통신이 적합하다. 그러나, 능동형 센서에 전력을 공급하기 위해서는, 유도성 커플링이나 다이폴 렉테나가 사용된다.
덮개층(40): 상기의 3 개 층을 고정시키고 환자의 상처 부위에 접착한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따라 구성된 밴드는 충분한 의료지원을 받을 수 없는 원격지 또는 전쟁터에 있는 외상 환자에 적용함으로써, 실시간으로 환자의 상태를 모니터링하여 환자에 적합한 치료를 수행할 수가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 밴드의 구조 및 실시예를 나타낸 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 셀룰로오스 및 키토산 공중합체 필름의 구조를 나타낸 사진,
도 3은 본 발명의 밴드에 적용되는 RFID 센서의 개략도,
도 4는 본 발명의 밴드에 적용되는 유기 중합체 기반의 센서 예시도,
도 5는 본 발명의 밴드를 적용한 정보 전달을 설명하고 있는 예시도, 및
도 6은 본 발명의 센서층에 이용되는 다이폴 렉테나 어레이를 나타낸 예시도이다.
의학적
치료층
(10)
이 치료층(10)은 본 발명에 따라 셀룰로오스-키토산 혼합 필름으로 만들어진다. 셀룰로오스는 상당히 바람직한 구조 및 특성을 가진 자연에 가장 많이 존재하는 중합체 천연 재료이다. 화학적으로, 셀룰로오스는 베타-D-글루코피나로스(b-D-glucopyranose) 분자가 반복되어 생성된 탄수화물 중합체이다. 각 글루코오스 단위체에 있는 3 개의 하이드록실 작용기로 인해서, 많은 수산기 결합이 가능하다. 이러한 고기능성의 선형 사슬 호모중합체는 친수성, 키랄성, 생체내분해성, 광범위한 화학적 변형성, 및 가전성 반결정 형태의 형성을 특징으로 한다.
셀룰로오스의 수많은 응용은 합성 중합체 및 바이오중합체와의 복합체 형성과 마찬가지로 좌우대칭성 분자의 분리에 대한 단백질 및 항체 고정의 생체 적합성과 키랄성을 이용한다. 한 예로서, 셀룰로오스 페이퍼를 센서로서 이용할 수 있는 것으로 발견되었다.
키토산은 1-4 글루코시드 결합에 의해 글루코사민과 N-아세티글루코사민이 결합한 공중합체이다. 이는 셀룰로오스 다음으로 가장 자연에서 많이 생산되는 바이오 중합체인 키틴으로부터 얻어진다. 키토산은 상당히 다양한 유용성 생물학적 특성을 갖는 것으로 보고되었다. 현재 키토산의 항박테리아성 및 항균성은 크게 관심을 불러일으키고 있다. 셀룰로오스 및 키토산의 분자 구조가 매우 유사하기 때문에 높은 호환성이 있지만, 셀룰로오스는 구조적으로 안정한 반면에 키토산은 혈세포와 반응한다. 또한 셀룰로오스는 본 발명에 따라 마이크로 및 나노 크기의 기공이 형성되어 있어서 약물 전달을 가능하게 한다.
상기한 바와 같은 셀룰로오스 및 키토산 각각의 특성에 의해서, 이들의 혼 합물은 유용한 밴드의 구성 요소가 될 수 있다.
셀룰로오스 및 키토산은 다음 방법으로 혼합한다:
코튼 셀룰로오스를 키토산 분말과 혼합하여 이중 극성 용매(적절하게는 트리플루오르아세트산이 포함됨)에 실온에서 녹인다. 이렇게 혼합된 용액을 웨이퍼상에 스핀 코팅하여 실온에서 건조한다. 더욱 건조시켜 남아 있는 용매를 완전히 제거한다. 웨이퍼로부터 투명한 필름을 벗겨낸다. 그런 다음, 필름을 실온에서 수산화나트륨에 담가 산을 완전히 제거한다. 이들을 흐르는 물에 씻어서 탈이온수에 침지한다. 필름을 염화수소 수용액에 침지한 다음 물 및 탈이온수로 세정하여 이온 분자를 완전히 제거한다.
상기한 바와 같이 만들어진 키토산-셀룰로오스 복합 필름은 지혈 작용을 한다.
셀룰로오스 물질은 박테리아 셀룰로오스, 개량 미결정질 셀룰로오스, 액정 임베디드 셀룰로오스 막, 셀룰로오스-폴리에틸렌글리콜 혼합된 산화 셀룰로오스의 형태로 약물 전달 시스템에 사용되고 있다. 약물 전달 시스템을 위해서는 자극 민감성 물질이 필요하다. 셀룰로오스는 전기적 자극이나 물리적 압력에 대해서 민감한 스마트 재료인 것으로 최근 알려졌다. 따라서, 셀룰로오스를 약물 전달 시스템에 적용하는 것이 매우 효과적이다. 도 2에 나타낸 사진에서 보는 바와 같이, 셀룰로오스의 다공성 구조는 약물 전달 기능에 매우 중요하다. 키토산-셀룰로오스 치료층(10)으로부터 약물을 투여하기 위해서는 복합 필름의 기공 크기를 조절하여 투과성을 조절할 수 있어야 한다. 이는 본 발명에 따른 이중 용매 시스템에 의해서 셀룰로오스의 기공 크기를 조절할 수가 있는바, 본 발명에 따라 트리플루오아세트산(trifluoactic acid)을 다른 극성 용매와 혼합한 다음, 이 이중 용매에 키토산과 셀룰로오스를 녹임으로써 키토산-셀룰로오스 필름의 기공 크기 및 체적을 조절할 수가 있다. 기공의 구조는 항감염제가 키토산-셀룰로오스 필름이 혈액과 접촉하면 자동적으로 투여될 수 있도록 최적 설계가 가능하다. 도 2는 본 발명의 한 양상에 따른 셀룰로오스-키토산 복합물의 다공 구조를 나타내고 있는 사진이다.
센서층
(20)
이 층은 환자의 체온, 혈압 심박, 혈액 특성 및 감염을 포함한 생리학적 감시를 위한 것이다. 이들을 측정하기 위하여 도 3에 나타낸 바와 같이, 셀룰로오스 압전 종이(1)에 다이폴 안테나(2)를 가진 IDT(Inter-Digit Transducer)(3)를 실장한다. IDT(3)은 온도가 변할 경우의 전기적 임피던스 편차를 감지할 수 있다. 이는 또한 RFID 태그로 사용될 수도 있다. 따라서, 환자 및 상처 위치를 식별할 수가 있다. 셀룰로오스로 만들어진 종이는 본 발명자들에 의해 센서로 사용하기에 매우 적합한 재료인 것으로 밝혀졌다(국내특허출원제2008-12634호). 도 3은 셀룰로오스 압전 종이(1)에 만들어진 RFID 태그를 개략적으로 설명하고 있다. SAW RFID 태그는 압전 종이를 기재로 하여 소정의 간격으로 리플렉터(4)를 포함하고 있고, 이 리플렉터(4)의 소정의 간격에 의해서 진폭, 시간 위상 및 여러 파라미터에서의 편차를 읽음으로써 태그의 데이터를 제공하게 된다. 수신 마이크로파 신호(5a)가 태그의 표면을 따라 전송될 때, 각각의 리플렉터는 신호를 되 반사한다. 이들 리플렉터(4)의 간격은 각 리플렉터의 위치 및 상대적 위치를 나타낸다. 따라서, 각 리플렉터(4)의 위치가 계산되고 데이터 값으로 전환된다. 혈압 및 박동수를 측정하기 위해서는 SAW RFID 태그로부터 반사된 신호(6b)가 사용될 수 있다. 혈류 박동으로 인해서, 반사된 신호의 진폭 및 시간 지연이 변할 수 있어서 이를 통해 혈압 및 박동수 정보를 알 수가 있다.
혈액의 특성을 측정하기 위해서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, IDT(4-1) 및 SAW RFID 태그(4-2)와 함께 유기 중합체 기반 센서(OPS) 탐침(4-3)이 이 센서층에 포함된다. OPS 탐침(4-3)은 다수의 센서 요소(4-5)가 탐침 선단에 매립되는 형태로 만들어진다. 탐침은 의학적 치료층(10)을 뚫고 환자의 혈액에 직접 접촉하게 된다. 탐침은 미세한 크기로 이루어져서 치료층(10)을 거의 손상시키지 않는다. 도 4는 OPS 탐침의 실시예를 잘 보여주고 있다. 4 개의 센서 요소는 혈액 산소량, 글루코오스 함량, 박테리아 및 감염 상태를 측정할 수가 있다. 이들은 셀룰로오스-키토산 층에 박힘으로써 혈액과 반응한 후의 이 층에서의 변화를 감지할 수가 있다. OPS 탐침상의 센서 요소는 특별 제작되어 각각의 임상 변화를 감지할 수가 있다. 예를 들어, 글루코오스 함량을 측정하기 위해서는, 글루코오스 산화 분자를 폴리피롤 매트릭스에 함몰시키고 이 매트릭스를 센서 전극에 부착함으로써 혈액의 글루코오스 함량을 측정할 수가 있다. OPS의 전기적 신호는 매우 낮기 때문에 인터페이스 전기회로를 제공함으로써 신호를 증폭 및 정제할 수가 있다. OPS 탐침과 함께 이러한 전기회로는 전력을 필요로 한다.
수동형 RFID 센서는 많은 장점이 있지만 이의 기능이 제한적이기 때문에, 능동형 RFID가 또한 추가적으로 사용될 수 있다. 능동형 RFID는 메모리 기능을 가지고 있어서 측정된 데이터를 저장할 수가 있고, 또한 외부 송수신기가 이를 작동시킬 경우에 데이터를 탐색할 수가 있다. 그러나, 연속적인 실시간 측정을 위해서는 백업용 배터리를 필요로 한다. 또 다른 형태로는 웨이크-업 모드가 있다. 능동형 RFID 센서가 외부 신호를 수신하는 경우에만 작동되는 것이다. 작동 모드에 따라서, 측정 신호는 다를 수 있다. 예를 들어, EKG 또는 ECG 신호를 원할 경우에는 능동형 모드(연속 실시간 측정)가 필요하다. 도 6은 본 발명에 따른 밴드의 데이터 흐름을 보여주고 있다. 전장에서의 환자 측정 데이터가 환자 감시장치로 보내지면, 중앙 수신 원격 통신 장치와 통신이 된다. 이 장치는 의사가 데이터를 탐색하고 환자의 상태를 감시할 수 있는 병원으로 환자의 데이터를 송신한다.
안테나층
(30)
센서 데이터를 환자 감시장치로 보내기 위해서 안테나층이 형성된다. 이 안테나층은 센서 데이터를 전송할 뿐만 아니라 RFID 센서가 작동되도록 전력을 공급한다. 안테나를 통한 전력 공급에는 여러 방법이 있다. 그 중에 하나는 코일로 만들어진 유도 커플링이다. 이 유도 커플링은 간단하고 쉽게 전력을 전송할 수 있지만 거리가 짧다. 최근 본 발명자는 다이폴 렉테나를 이용한 마이크로파 전력 전송 기술을 개발하였다(국내출원번호제2006-28997호). 도 6에 나타낸 바와 같이, 일단 마이크로파가 금속 박막으로 만들어진 다이폴 렉테나 요소(6-2)에 수신되면 전류가 쇼키다이오드(6-4)를 통해 직류로 전환한다. 도 6은 전력과 마찬가지로 데이터를 전송할 수 있는 다이폴 렉테나 어레이(6-1)를 보여주고 있다. 다이폴 렉테나(6-2)는 금속 박막으로 만들어지고 쇼키다이오드(6-4)가 반도체 폴리머(6-3)로 만들어질 수 있기 때문에, 이들은 안테나층(3)에 집적될 수가 있다. 제어신호는 마이크로파를 통해 전송되고 센서 신호는 렉테나 어레이로부터 반사된 신호를 감지함으로써 환지 감시장치로 전송될 수가 있다. 전력을 계속하여 유지하기 위해서는, 백업 배터리가 필요할 수도 있다. 본 발명자는 필름 형태의 렉테나 어레이를 개발하여 1와트 전력을 100 개의 다이폴 렉테나로 이루어진 어레이(6-1)를 통해 1.5 m까지 전송할 수가 있게 되었다. 다이폴 렉테나의 크기는 마이크로파 주파수에 의존한다. 예를 들어, 10 GHz에서, 다이폴 렉테나의 길이는 약 15 mm이다. 주파수를 증가시킴으로써 렉테나의 크기를 감소시킬 수 있고 렉테나의 요소는 제한된 크기에서 증가시킬 수가 있다.
덮개층
(40)
이 층은 상기한 치료층(1), 센서층(2) 및 안테나층(3)을 고정시키고 환자의 상처 부위에 부착시키기 위한 것이다.
상기한 모든 층은 탄력성의 셀룰로오스 종이 및 생체 적합성 중합체로 이루어져 있어서 본 발명에 따라 제조된 밴드는 유연하고, 생분해성을 가지며, 또한 생체 적합성을 가지게 된다.
Claims (7)
- 원격지에 있는 환자를 응급처치하기 위해서, 출혈을 멈추게 하고, 환자의 상태 및 상처 부위를 탐지하며, 환자의 생리학적 데이터, 즉 혈압, 박동수, 혈액 상태, 감염 여부 등에 대한 데이터를 얻어내고, 환자에게 적절한 약물을 투여하기 위한 원격 조절 기능을 가진 밴드에 있어서 다음의 4 개의 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 의학 치료용 밴드:셀룰로오스 및 키토산의 혼합 공중합체의 필름으로 이루어진 의학적 치료층으로서, 환자의 출혈을 막고 약물 전달을 가능하게 한 마이크로 및 나노 크기의 기공을 형성시킨 제 1층;환자의 혈액 성분 및 감염을 포함하는 생리학적 데이터를 측정하기 위한 바이오 센서 및 환자의 혈압 및 박동수를 포함하는 환자의 상태 및 상처 부위를 포함하는 정보를 전달하기 위한 RFID 센서를 포함하고 있는 제 2 층;환자에 대한 데이터를 외부의 환자 감시장치로 전송하고, 제 2 층을 작동시키는데 필요한 전력을 공급하기 위한 안테나를 포함하고 있는 제 3 층; 및상기한 3 개의 층을 고정시키고 환자의 상처 부위에 부착되는 기능을 가진 덮개 기능의 제 4 층.
- 제 1 항에 있어서, 제 1 층의 키토산 및 셀룰로오스의 혼합 중합체로 이루어진 필름은 하나의 극성 용매 및 이와 다른 극성 용매의 혼합으로 이루어진 이중 용매에 키토산과 셀룰로오스를 녹임으로써 기공의 크기를 조절시킨 의학 치료용 밴드.
- 제 1 항에 있어서, 제 2 층은 셀룰로오스로 이루어진 압전 종이에 IDT(Inter-Digit Transducer) 및 SAW RFID 태그를 실장하여 혈압 및 박동수 등의 정보를 얻을 수 있도록 하고 유기 중합체 기반 센서(OPS)를 다수의 팀침에 실장하여 혈액의 상태를 측정할 수 있도록 한 의학 치료용 밴드.
- 제 1 항에 있어서, 제 3 층은 다이폴 렉테나 어레이를 포함하고 있어서 제 2 층으로부터의 신호를 외부로 전송하고 또한 외부로부터 마이크로파를 수신하도록 한 의학 치료용 밴드.
- 다음의 단계를 포함하는 의학 치료용 밴드의 제 1층을 이루는 셀룰로오스-키토산 필름 제조방법:코튼 셀룰로오스를 키토산 분말과 혼합하여 이중 극성용매에 실온에서 녹이는 단계;상기 혼합된 용액을 웨이퍼상에 스핀 코팅하여 실온에서 건조하여 남아 있는 용매를 완전히 제거한 후 웨이퍼로부터 투명한 필름을 벗겨내는 단계;상기 필름을 실온에서 수산화나트륨에 담가 산을 완전히 제거한 후 이들을 흐르는 물에 씻어서 탈이온수에 침지하는 단계; 및상기 필름을 염화수소 수용액에 침지한 다음 물 및 탈이온수로 세정하여 이온 분자를 완전히 제거하는 단계.
- 제 5 항에 있어서, 하나의 극성 용매는 트리플루오르아세트산을 포함하고 있는 의학 치료용 밴드의 제조방법.
- 원격지의 환자로부터 측정된 데이터를 환자 모니터링 장치로 전송하고 중앙 수신 및 원격통신장치에 의해서 의료센터 등으로 전송하는 시스템에 이용되는 상기 제 1 항 내지 제 6 항의 어느 한 항에 따른 의학 치료용 밴드.
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