KR20100076592A

KR20100076592A - 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치 및 그제조 방법

Info

Publication number: KR20100076592A
Application number: KR1020080134696A
Authority: KR
Inventors: 박세완; 전국진
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-06
Also published as: KR101044661B1

Abstract

본 발명의 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치는, 약물을 저장하기 위한 저장부와, 상기 저장부에 저장된 약물을 채널을 통하여 전달하는 마이크로 펌프와, 외부 장치와 연결하기 위한 본딩 패드를 구비하는 캐리어; 조직에 삽입할 수 있도록 상기 캐리어에 대해 연장되는 탐침; 상기 탐침 내에 형성되어 상기 마이크로 펌프로부터 약물을 탐침의 끝부분으로 전달하는 미세 채널; 및 상기 탐침의 측면에 4개의 전극이 마름모 꼴로 배치되며 상기 캐리어의 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 테트로드 전극;을 포함하는 점에 특징이 있다.

Description

마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치 및 그 제조 방법{DRUG DELIVERY DEVICE WITH MICROPUMP FOR NEURAL PROBE AND METHO OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치와 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 뇌신경세포 등에 탐침을 꽂아 약물에 의한 화학적 자극과 전기적 자극에 의한 신경세포의 반응을 감지하는데 사용되는 신경 탐침용 약물 전달 장치와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

신체의 기능을 제어하는 신경계의 작용을 이해하기 위해 신경계에 전기 화학적 자극을 주고 그에 따른 반응을 감지하는 연구가 진행되고 있다.

전기적 자극을 위해서는 와이어 전극 등을 이용해 신경계에 전기적 자극을 전달하고, 별도의 전극을 이용하여 신경계의 반응을 감지하여 연구에 활용하여 왔다.

이와 별도로 신경계의 화학적 반응을 파악하기 위해서, 시린지 펌프와 같은 약물 펌프를 이용하여 신경계에 약물을 주입한 후, 신경계의 생체신호를 기록하는 방식도 사용되었다.

그런데, 종래의 신경 탐침은 약물을 전달하는 시린지 펌프와 별도로 제작되어 약물의 화학적 자극에 따른 신경계의 반응을 효과적으로 감지하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 이와 같은 신경 자극 실험은 동물을 이용하여 수행되는 것이 일반적인데, 움직이는 동물에 비교적 부피가 큰 시린지 펌프를 연결하여 일정 시간 동안 약물을 주입하고 그와 별도로 설치된 신경 탐침을 통해 생체 신호를 파악하거나 전기적 자극을 전달하는 것은 매우 번거롭고 불편한 문제점이 있다.

따라서, 신경계에 전기적 자극을 전달하고 생체신호를 감지하는 탐침과 약물을 주입하는 펌프를 반도체 공정에 의해 작은 크기로 제작하고 약물의 유량 등을 효과적으로 조절할 수 있는 신경 탐침이 필요하게 되었다.

본 발명은 위와 같은 필요성을 해결하기 위해 안출된 것으로, 신경 탐침을 통하여 전기적 자극을 전달하고 생체 신호를 감지하면서 마이크로 펌프를 이용하여 약물을 신경에 전달할 수 있는 구조를 가진 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치와 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 움직이는 동물에도 용이하게 신경 탐침을 설치한 상태에서 약물을 주입하고 그 유량을 조절할 수 있는 장점이 있으며, 그에 따라 신경 생체 신호를 분석을 더욱 쉽게 할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치는 캐리어(10)와 탐침(20)과 미세 채널(30)과 테트로드 전극(40; tetrode electrode)을 포함하여 이루어 진다.

캐리어(10)는 외부 장치와 전기적으로 연결되고 약물을 저장하기 위한 것으로, 저장부(11)와 마이크로 펌프(12)와 본딩 패드(13)를 구비한다.

저장부(11)는 캐리어(10)의 내부의 공간에 형성되고 약물이 채워져 있다. 저장부(11)는 마이크로 펌프(12)와 연결되어 있어서, 약물을 마이크로 펌프(12)로 공급한다.

마이크로 펌프(12)는 저장부(11) 내에 저장되어 있는 약물을 사람 또는 동물의 조직으로 전달하도록 펌핑하는 역할을 한다. 본 실시예의 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치에 있어서, 마이크로 펌프(12)는 저장 공간(121)과 하부 전극(122)과 멤브레인(123)과 상부 전극(124)과 보호막(125)을 포함한다.

저장 공간(121)은 실리콘 기판에 형성되고 저장부(11)와 연결되어 약물을 저장부(11)로부터 전달 받는다. 저장 공간(121)의 하부에는 하부 전극(122)이 형성된다. 저장 공간(121)의 상부는 PDMS(polydimethylsiloxane)로 된 멤브레인(123)이 덮게 된다. 멤브레인(123)의 상측에는 상부 전극(124)이 형성된다. 상부 전극(124) 은 다시 PDMS로 된 보호막(125)으로 덮어서 상부 전극(124)을 외부와 절연시킨다.

이와 같이, 멤브레인(123)과 보호막(125)을 생체 적합성이 좋은 PDMS를 사용함으로써 생체에 악영향을 미치지 않으면서 약물에 따른 생체의 반응을 살필 수 있다.

상부 전극(124)와 하부 전극(122)은 각각 본딩 패드(13)에 연결되어 외부로부터 전압을 인가 받는다. 상부 전극(124)과 하부 전극(122) 사이에 형성되는 전위차로 인해 정전기력이 발생하여 마이크로 펌프(12)를 구동하게 된다.

상술한 바와 같은 캐리어(10)에는 탐침(20)이 길게 연장되어 형성된다. 탐침(20)은 사람 또는 동물의 조직 내에 삽입되어 전기 신호을 전달하거나 약물을 주입하거나 신경 신호를 감지한다.

미세 채널(30)은 탐침(20) 내에 탐침(20)의 길이 방향을 따라 연장되도록 형성되어 마이크로 펌프(12)와 탐침(20)의 끝부분을 연결한다. 마이크로 펌프(12)로부터 펌핑된 약물을 미세 채널(30)을 거쳐서 탐침(20)의 끝부분으로 전달된다.

탐침(20)의 끝부분은 조직에 쉽게 찔러 넣을 수 있도록 날카롭게 형성된다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 끝부분의 측면을 경사지게 하여 경사면(21)이 형성되도록 함으로써, 탐침(20)의 끝부분을 날카롭게 하였다.

탐침(20)의 경사면(21)에는 테트로드 전극(40)이 배치된다. 테트로드 전극(40)이란 4개의 전극(41, 42, 43, 44)이 마름모 꼴로 배치되도록 한 것이다. 이와 같이 테트로드 형태을 구비하는 경우 삼각법(triangulation)에 의해 신경 신호의 전달 위치를 더욱 정확하게 파악할 수 있는 장점이 있다. 테트로드 전극(40)은 캐리어(10)의 본딩 패드(13)에 각각 연결된다.

또한, 이와 같은 테트로드 전극(40)을 탐침(20)의 허리부분 등 기타 위치가 아니라 탐침(20) 끝부분의 경사면(21)에 위치하도록 함으로서, 탐침(20)을 찔러 넣은 정확한 위치의 신경 반응을 감지할 수 있는 장점이 있다.

이 경우, 미세 채널(30)은 도 1에 도시한 바와 같이, 경사면(21)까지 연장되어 신경 세포의 반응을 살피고자 하는 근접한 위치에 약물을 주입할 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 10을 참조하여 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예의 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치를 제조하는 방법의 일례를 설명한다.

먼저 도 2에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(201)을 식각하여 약물을 저장하기 위한 저장부(11)를 형성하는 단계와 마이크로 펌프(12)의 저장 공간(121)을 형성하는 단계와 마이크로 펌프(12)로부터 외부로 약물을 전달하기 위한 미세 채널(30)을 형성하는 단계를 각각 수행한다. 도 3에는 저장 공간(121)과 미세 채널(30)이 도시되어 있다. 포토레지스트를 패터닝하고 실리콘 건식 식각을 하여 도 3과 같은 형태를 형성할 수 있다.

다음으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(201)의 상면에 절연막(202)을 형성하는 단계를 수행한다. 절연물질을 증착하여 절연막(202)을 형성한다.

이와 같이 절연막(202)이 형성된 상태에서 도 5에 도시한 바와 같이 마이크로 펌프(12)의 저장 공간(121)의 하면에 하부 전극(122)을 형성하는 단계를 수행한 다. 이때 하부 전극(122)과 본딩 패드(13)를 연결할 연결선(203)을 함께 패터닝한다.

다음으로 도 6에 도시한 바와 같이 실리콘 기판의 상면에 유전체 멤브레인(123)을 부착하는 단계를 수행한다. 멤브레인(123)은 상술한 바와 같이 생체적합성이 높은 PDMS를 사용한다

이와 같은 상태에서 도 7에 도시한 바와 같이, 유전체 멤브레인(123)에 마이크로 펌프(12)의 상부 전극(124)을 형성하는 단계를 수행한다. 이때 상부 전극(124)과 본딩 패드(13)를 연결할 연결선(204)을 함께 패터닝한다.

다음으로 도 8에 도시한 바와 같이, 상부 전극(124)에 PDMS로 된 절연체 보호막(125)을 덮는 단계를 수행하여 상부 전극(124)을 외부에 대해 절연시키고 본딩 패드(13)를 통해서만 전기가 통하도록 한다.

한편, 상부 전극(124)과 보호막(125)을 형성하는 단계를 수행하면서, 탐침(20)에 금속 패턴(41, 42, 43, 44)과 보호막(125, 136, 137)을 반복적으로 적층하여 테트로드 전극(40)을 형성하는 단계를 수행한다. 테트로드 전극(40)을 형성하는 과정을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, PDMS 박막(123) 위에 테트로드 전극(40) 중 하나에 해당하는 패턴(41)을 형성하고 도 8에 도시된 바와 같이 다시 PDMS 박막(125)을 형성한다. 그 위에 도 9에 도시한 바와 같이 테트로드 전극(40) 중 두개의 전극(42, 43)에 해당하는 패턴을 형성하고, 다시 PDMS 박막(126)을 덮은 후, 테트로드 전극(40)의 나머지 하나의 전극 패턴(44)을 형성하고 그 위에 PDMS 박막(127)을 덮는다.

이와 같은 상태에서 도 9에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(201)의 하면에 식각 마스크(205)를 형성하고, 실리콘 기판의 하면을 식각하여 본 실시예의 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치가 실리콘 기판으로부터 이탈되도록 한다.

이때 도 1에 도시된 바와 같이, 탐침(20)의 끝부분이 경사면(21)을 갖도록 탐침(20)을 절단하면 그 경사면(21)에 상술한 바와 같이 4개의 전극이 마름모 꼴로 배치된 테트로드 구조의 전극이 형성된다.

이상, 본 발명에 따른 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치와 그 제조 방법을 바람직한 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치와 그 제조 방법이 앞에서 설명되고 도시된 구조로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 앞에서 테트로드 전극(40)은 탐침(20)의 경사면(21)에 형성되는 것으로 설명하였으나, 경우에 따라서는 경사면이 아닌 측면에 형성될 수도 있다.

또한, 앞에서 마이크로 펌프(12)는 정전기방식에 구동되는 구조로 설명하였으나, 다른 구조에 의해 저장부의 약물을 미세 채널로 공급하는 마이크로 펌프를 구성할 수도 있다. 예를 들어, 압전체를 이용하여 약물을 펌핑하는 마이크로 펌프를 구성할 수도 있다.

도 2 내지 도 10은 도 1에 도시된 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치를 제조하는 과정을 설명하기 위하여 도 1의 A-A선과 B-B선의 단면도를 도시한 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

캐리어 : 10 저장부 : 11

마이크로 펌프 : 12 본딩 패드 : 13

저장 공간 : 121 하부 전극 : 122

멤브레인 : 123 상부 전극 : 124

보호막 : 125 탐침 : 20

경사면 : 21 마이크로 채널 : 30

테트로드 전극 : 40

Claims

약물을 저장하기 위한 저장부와, 상기 저장부에 저장된 약물을 채널을 통하여 전달하는 마이크로 펌프와, 외부 장치와 연결하기 위한 본딩 패드를 구비하는 캐리어;

조직에 삽입할 수 있도록 상기 캐리어에 대해 연장되는 탐침;

상기 탐침 내에 형성되어 상기 마이크로 펌프로부터 약물을 탐침의 끝부분으로 전달하는 미세 채널; 및

상기 탐침의 측면에 4개의 전극이 마름모 꼴로 배치되며 상기 캐리어의 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 테트로드 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경탐침용 약물 전달 장치.
제1항에 있어서,

상기 탐침의 끝부분에는 경사면이 형성되며, 상기 테트로드 전극은 상기 경사면에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치.
제2항에 있어서,

상기 미세 채널은 상기 탐침의 경사면까지 연장되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치.
제1항 내지 제3항에 있어서,

상기 마이크로 펌프는,

실리콘 기판에 형성된 저장 공간;

상기 저장 공간의 하부에 형성된 하부 전극;

상기 저장 공간의 상부를 덮는 멤브레인;

상기 멤브레인에 형성되는 상부 전극; 및

상기 상부 전극을 덮어서 그 상부 전극을 외부에 대해 절연하는 보호막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치.
제4항에 있어서,

생체 적합성이 향상되도록 상기 멤브레인과 보호막은 PDMS로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치.
MEMS 공정에 의해 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치를 제조하는 방법에 있어서,

(a) 실리콘 기판을 식각하여 약물을 저장하기 위한 저장부를 형성하는 단계;

(b) 상기 실리콘 기판을 식각하여 상기 저장부에 저장된 약물을 전달하기 위한 마이크로 펌프의 저장 공간을 형성하는 단계;

(c) 상기 실리콘 기판을 식각하여 상기 마이크로 펌프로부터 외부로 약물을 전달하기 위한 미세 채널을 형성하는 단계;

(d) 상기 (a), (b), (c)단계를 완료한 후, 상기 실리콘 기판의 상면에 절연막을 형성하는 단계;

(e) 상기 저장 공간의 하면에 하부 전극을 형성하는 단계;

(f) 상기 실리콘 기판의 상면에 유전체 멤브레인을 부착하는 단계;

(g) 상기 유전체 유전체 멤브레인에 상기 마이크로 펌프의 상부 전극을 형성하는 단계;

(h) 상기 상부 전극에 절연체절연체을 덮는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치의 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 (f) 단계의 멤브레인과 상기 (h) 단계의 보호막은 PDMS를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치의 제조 방법.
제6항에 있어서,

(i) 상기 저장부와 마이크로 펌프를 구비하는 캐리어에서 상기 미세 채널을 따라 연장되는 탐침에 금속 패턴과 보호막을 적층하여 상기 탐침의 측면에 4개의 전극이 마름모 꼴로 배치되는 테트로드 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치의 제조 방법.
제8항에 있어서,

상기 탐침의 끝부분에는 경사면이 형성되며,

상기 (i) 단계에서, 상기 테트로드 전극은 상기 경사면에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프를 가지는 신경 탐침용 약물 전달 장치의 제조 방법.