KR20100072430A

KR20100072430A - 고분자 섬유 주입용 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100072430A
Application number: KR1020080130840A
Authority: KR
Inventors: 이승재
Original assignee: 이승재
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-07-01

Abstract

분 발명은 생체적합형 고분자 섬유를 피하 및 인체의 연부 조직에 주입할 수 있도록 고안된 장치 및 방법에 관한 것이다. 주입된 섬유는 인체의 조직 내에서 섬유소간의 적당한 간격을 형성하여 세포의 성장 공간을 제공하며 연부 조직이 재건되도록 하는 지지체(Scaffold)의 역할을 감당하게 된다. 상기의 고분자 섬유는 손실된 인체 조직의 재건이나 연부조직의 부피를 채워주기 위한 목적으로 사용될 수 있다.

생체적합성 고분자, 섬유 주입용 주사기, 세포지지체, 재생의학

Description

고분자 섬유 주입용 장치 및 방법 {Method and device for injecting polymer fiber}

본 발명은 고분자 섬유 주입용 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암 치료나 외상에 의해 손상되는 인체 조직을 재건하거나 또는 주름살과 같은 연부조직의 결손을 보충하고 유방 및 음경 확대수술과 같이 연부조직의 부피를 채워주기 위한 방법으로 생체고분자 섬유(Biocompatible polymer fiber)을 인체에 주입하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

당뇨성 궤양이나 암치료로 인해 발생하는 장기의 손실이나 화상과 같은 물리적인 외상에 의해 발생하는 조직의 손실에 대응하여 인체의 장기 및 조직을 재건하는 생체조직공학(Bio tissue engineering) 분야는 생체 고분자(Biocompatable polymer)의 기술과 함께 날로 발전해 왔으며 응용범위 또한 광범위하게 증가하고 있다. 예를 들면 PMMA(Poly methyl meta Acrylate)를 이용한 뼈 시멘트를 들 수 있고 HDPE(High Density Polyethylene)나 PTFE(Poly Tetrafluoroethylene)는 임플란트 재료 혹은 인공보형물의 용도로 성형외과뿐 아니라 정형외과적으로도 광범위하게 이용되고 있다. 또 다른 한편으로는 생분해성 고분자(Biodegradable polymer)를 들 수 있는데 폴리글리콜산(Poly glycolic acid)과 같은 지방성 폴리에스테르(Aliphatic Polyester)와 폴리락트산(Poly lactic acid), 폴리락트글리콜산(Poly DL-lactic-co-glycolic acid), 폴리카프로락톤(Poly caprolactone), 키토산(Chitosan)은 현재 수술용 봉합사나 인공피부용 스펀지와 같이 인체의 조직을 재건하기 위한 세포치료용 지지체(scaffold)의 용도로 널리 응용되고 있다. [1-4] 또한, 피부의 주름살과 같은 연부조직의 결손을 보충하기 위해 콜라겐과 히알루론산과 같은 천연고분자를 직접 주입하거나 특정 연부조직을 증대시키기 위해 상기의 지방성 폴리에스테르계 합성고분자 스펀지를 연부조직에 주입 또는 삽입하는 제품도 개발되었다.

이러하듯, 인체의 조직을 재건하거나 보충하기 위해 필요한 중요한 요소는 연부조직 내에서 세포를 안착시켜 줄 수 있는 지지체(scaffold)라 할 수 있는데 이 지지체는 주로 다공성 스펀지나 섬유의 형태로 응용하게 된다. 하지만 이러한 지지체를 환부에 삽입하기 위해서는 외과수술적인 절개가 필요하고 경우에 따라서는 절개흉이 크게 남게 되는 등 미용적으로 적합하지 못하여 사용하는데 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 하이드로겔(Hydrogel)이나 자기구조형성물질(Self-assembling materials)을 이용하는 주입형 지지체(Injectable scaffold)[5-6]가 개발 되어 왔지만 생체내에서 발생하는 물리화학적인 반응에 의한 부작용의 우려가 존재하고 분말에 세포를 혼합하여 주입하는 등의 방법도 고안 (대한민국 특허 출원 10-2002-0025375, 10-2002-0061701, 10-2002-0064189)되었지만 이러한 노력은 지지체의 대용 물질을 주입하고자 하는 목적에 의한 것으로 이러한 지지체의 형태가 연부조직의 재건에 적절하다고 할 수는 없다. 왜냐하면, 분말로 형성된 지지체는 일단 스펀지형태나 섬유형태에 비교하여 표면적이 작아 세포의 안착에 불리하며 분해하는데 걸리는 시간 또한 오래 걸리고 미립자 간의 결합이 없는 이유로 일정한 형태를 유지하기는 더욱 힘들기 때문이다.

연부조직의 재건에 가장 적합한 형태는 바로 일반화되어 있는 다공성 스펀지형이나 섬유형이라는 것은 당업자에게 자명한 상식으로 알려져 있다. 하지만 이러한 형태는 기존 형태의 주사기로는 주입이 불가능하며 주입을 위해서는 결국 환부를 절개해야 한다는 단점이 남아 있었다.

[참고문헌]

[1] Patrick JC, Mikos AG, Mclntire VL. Frontiers in tissue engineering. New

York: Pergamon; 1998.

[2] Freed LE, Vunjak-Novakovic G, Biron RJ, Eagles DB, Lesnoy DC, Barlow SK,

Langer R. Biodegradable polymer scaffolds for tissue engineering. Biotechnology 1994;12:68993.

[3] Masaki H, Toshikazu Y, Minoru U, Koji K. Cartilage formation by cultured

chondrocytes in a new scaffold made of poly(l-lactide-e-caprolactone) sponge.

J Oral Maxillofac Surg 2000;58:76775.

[4] S.I. Jeong et al. Biomaterials 25 (2004) 59395946 5945 poly(l-lactide-ecaprolactone) scaffolds. Biomaterials 2003; 24:35119.

[5] Injectable matrices and scaffolds for drug delivery in tissue engineering

Advanced Drug Delivery Reviews, Volume 59, Issues 4-5, 30 May 2007, Pages 263-273 James D. Kretlow, Leda Klouda, Antonios G. Mikos

[6] Self-assembling materials for therapeutic delivery Acta Biomaterialia, In Press, Corrected Proof, Available online 10 October 2008

Monica C. Branco, Joel P. Schneider

본 발명은 손실된 조직의 재건 및 연부조직의 보충을 위해 섬유 형태의 지지체를 환부에 직접 주입하는 장치 또는 방법을 제공하는 목적을 갖는다. 이러한 섬유주입형 주사기를 이용하면 생체고분자로 이루어진 섬유형 지지체를 환부에 주입하여 조직을 재건 및 보충하는데 유용한 재생의학적 수단이 될 것이다.

기존의 주사기는 액체나 겔(Gel) 또는 미립자(Micro particle), 미립구슬(Micro bead)과 같은 유동성이 양호한 형태의 물질만을 주입할 수 있었다. 따라서, 섬유형 지지체를 환부에 삽입하기 위해서는 부득이 외과적인 절개가 수반될 수밖에 없었다. 만약 기존의 주사기를 이용하여 섬유형 지지체를 주입하면 안지름이 작은 탐침을 통과하기 전에 막히는 현상이 발생할 것이라는 것은 상식적으로도 이해할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 점도가 있는 액체에 혼합하여 높은 압력으로 주입하는 것도 본 발명자가 시도해 보았으나 여전히 탐침을 통과하지 못한 섬유가 엉키게 되고 결국 막히는 현상이 발생하였다. 따라서, 본 발명자는 섬유와 같은 형태도 탐침을 통과할 수 있도록 안내침(Guide needle)이라는 부가적인 장치를 주사기의 피스톤에 장착하여 기존의 주사기에서 발생하는 문제점을 해결하고자 한다.

본 발명은 도 1에 있어j서, 탐침(1)과 내용물을 담는 용기(2) 그리고 압력을 가하는 피스톤(5)으로 구성된 일반적인 주사기의 구성에 피스톤을 기반으로 하는 안내 침(Guide Needle)(4)과 이것을 지지하는 스프링(6) 그리고 피스톤과 안내침과의 유격을 막아 내용물의 누수를 억제하는 패킹고무(7)가 추가로 구성되어 있다. [도1]

상기의 안내침은 주사기의 내부에서 피스톤을 기반으로 왕복운동을 하도록 구성되어 있으며 고분자섬유를 전방으로 밀어내고 피스톤의 외부에 장착된 스프링에 의해서 다시 원위치로 복귀하는 과정의 반복을 통하여 섬유가 엉키기 전에 강제적으로 밀어내어 탐침을 통과하여 체내에 주입되도록 하는 기능을 담당하게 된다.

안내침은 그 말단 부분이 뾰족하지 않은 원기둥의 형태이거나 바람직하게는 닻(anchor) 또는 돌기(protrusion)(8)가 형성되어 있어 섬유를 부착하여 탐침 안으로 인도하는데 유리한 구조로 되어 있다. 이러한 안내침의 직경은 탐침의 내경비율로 0.3 내지 0.7배가 적절하며 너무 작으면 섬유를 부착하는데 불리하게 되고 너무 크면 섬유를 탐침으로 밀어내는데 불리하게 작용한다. 이러한 안내침은 피스톤을 관통하여 후방에까지 돌출되어 있으며 안내침과 피스톤과의 유격을 막는 패킹은 안내침이 전후방의 왕복운동을 하면서도 내용물의 누수를 억제하는 기능을 한다. 피스톤의 후방에 돌출된 안내침은 스프링과 연결되어 있어 전방으로 움직인 안내침을 원상태로 복귀하도록 하는 역할과 피스톤에 지속적으로 압력을 가하여 섬유와 함께 내용물을 일정하게 주입하는 기능을 한다.

상기, 고분자 섬유로 적용 가능한 소재로는 키토산(Chitosan), 폴리에틸렌(polyethylene), PTFT (Poly tetrafluoroethyelene), 폴리락트글리콜산(Poly D,L-lactic-co-glycolic acid), 폴리락트산(Poly lacticacid), 폴리글리콜산(Poly glycolicacid), 폴리카프로락톤(Poly caprolactone), 폴리발레로락톤(Poly valerolactone), 폴리하이드록시부틸레이트(Poly hydroxybutylate), 폴리하이드록시발러레이트(Poly hydroxyvalerate) 및 이의 공중합체가 있다.

상기, 고분자 섬유를 포함하는 내용물은 섬유의 원활한 주입과 증점(增粘) 효과를 위해 인산완충식염수, 콜라겐용액, 히알루론산 용액을 첨가할 수 있으며 조직 재건능력을 더욱 증대하기 위하여 인체의 세포(섬유아세포,지방전구세포,연골모세포,골모세포등)및 세포배양액을 함께 혼합할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지는 않는다.

본 발명은 물리화학적으로 안정되고 인체에 해가 없다고 입증된 합성고분자 섬유를 용액과 혼합하여 본 발명에서 고안된 주사기를 이용하여 체내에 주입하여 연부조직의 재건 및 부피 대체가 가능하도록 하는 특징이 있다.

본 발명에 의한 고분자 섬유는 암 수술이나 외상에 의해 발생하는 조직의 손실을 재건하는지지체의 역할을 하며, 피부의 주름살과 같은 연부조직의 결손을 보충하기 위한 성형외과적 도구로 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 주사기를 사용할 경우 외과수술적인 절개 없이 조직의 재건을 위해 필요한 지지체를 인체에 주입할 수 있는 장점이 있어 조직공학 및 재생의학에 유용한 도구로 사용될 수 있다.

[실시예 1]

폴리락트산(PLA)섬유(분자량 10,000-500,000 ; 고려합섬주식회사)를 약 0.01g씩 포셉으로 분리(초핑; Chopping)하여 섬유절편을 제조한다. PBS에 용해시킨 1%(w/v) 히알루론산(Sigma) 용액을 준비하고 상기의 섬유절편을 중량비 1:10(섬유절편:히알루론산용액)으로 혼합한다. 기포가 포함될 경우 충분히 많은 히알루론산용액에 혼합한 후 용액을 제거하여 중량비를 맞추는 것도 좋은 방법이다. 이러한 섬유혼합용액을 본 발명에서 고안된 주사기의 용기에 1ml 주입한 후 피스톤을 장착하여 기포를 제거한다.

섬유 혼합용액이 포함된 주사기의 탐침을 PBS용액에 절반 담근 후 주사기의 후방에 위치한 안내침을 반복하여 눌러 탐침을 통하여 섬유절편과 혼합용액이 분출 되는 것을 육안으로 확인한다.

실험 결과, 기존의 주사기로는 불가능하였던 고분자섬유가 내용물과 함께 균일하게 분출되는 것을 확인하였다.

[실시예 2]

실시예 1의 과정과 동일하게 섬유 내용물이 포함된 주사기를 완성한 후 탐침을 누드마우스(6주령) 피하에 1마리당 척추를 기준으로 좌우 2 site에 0.1 ml씩 주사하였다. 4마리씩 각각 2주, 1달, 2달 후 누드마우스를 도살한 다음 주사한 부위를 펀칭(Biopsy, 6mm)하여 일반적인 H&E 염색(Hematoxylin and Eosin staining)의 과정 을 이용하여 조직염색을 하였다.

실험 결과, 초기 2주까지 섬유소 간의 공간으로 염증세포가 많이 관찰되었으나 2주가 지난 후부터 섬유세포들이 유입되는 것이 관찰되어 연부조직이 재건되는 것을 확인하였다.

섬유주입형 주사기의 구조이며 각 부위의 명칭은 다음과 같다.

1. 주사기 탐침(Needle)

2. 주사 용기(容器)

3. 고분자 섬유 및 혼합용액

4. 안내침(Guide needle)

5. 피스톤

6. 스프링

7. 고무패킹

8. 닻(Anchor) 혹은 돌기(protrusion)

Claims

도 1에 있어서 탐침(1), 주사용기(2), 피스톤(5),피스톤을 관통하는 안내침(4), 피스톤과 안내침과의 유격을 막는 패킹(7), 안내침을 지지하는 스프링(6)으로 구성되어 고분자 섬유를 혼합용액과 함께 주입하는 주사장치.
제 1항에 있어서, 고분자 섬유는 인체에 해를 주지 않는 생체적합성 물질로써 키토산(Chitosan), 폴리에틸렌(polyethylene), PTFT (Poly tetrafluoroethyelene), 폴리락트글리콜산(Poly D,L-lactic-co-glycolic acid), 폴리락트산(Poly lactic acid), 폴리글리콜산(Poly glycolic acid), 폴리카프로락톤(Poly caprolactone), 폴리발레로락톤(Poly valerolactone), 폴리하이드록시부틸레이트(Poly hydroxybutylate), 폴리하이드록시발러레이트(Poly hydroxyvalerate) 및 이들의 공중합체로 이루어진 물질이며 섬유소의 직경은 0.01um 내지 100um 이내이고 섬유소간의 물리적인 접촉에 의해 임의의 방향으로 서로 엉켜있는 다발을 특징으로 하는 것.
제 1항에 있어서, 혼합용액은 고분자 섬유의 원활한 주입과 조직 재건 효과를 증대하기 위해 PBS(인산완충식염수), 콜라겐(Collagen), 히알루론산(Hyaluronic acid),인체세포, 세포배양액 및 이들의 혼합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 것.
제 1항에 있어서, 안내침은 말단 부분이 뾰족하지 않은 원기둥의 형태이거나 닻(anchor) 또는 돌기(protrusion)가 형성되어 있어 왕복운동을 통해 고분자 섬유를 효과적으로 밀어내는 기능을 특징으로 하는 것
제 1항에 있어서, 스프링은 피스톤을 기반으로 하여 안내침을 지지하는 구조로 안내침을 복귀하도록 하는 기능과 피스톤에 압력을 지속적으로 가하는 기능을 특징으로 하는 것