KR20140073353A - 기체용매를 사용하고 인체에 삽입 가능한 인공 폐 - Google Patents

기체용매를 사용하고 인체에 삽입 가능한 인공 폐 Download PDF

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Abstract

폐암이나 만성 폐질환으로 인해 생체폐가 기능을 잃은 경우에 인공폐를 이용하여 이를 대체할 수 있다. 지금까지 생체에 이식 가능한 인공폐에 관한 많은 연구가 있었으나 상용화하지 못하였다. 이에 본 발명에서는 기체용매를 이용하여 장치의 크기를 줄이고 혈액응고를 최소화함으로써 인체에 삽입 가능한 인공폐를 설계하였다. 본 연구에서 제안한 인공폐는 기체용매, 펌프, 두 개의 기체교환기로 구성되어 있다. 기체용매는 많은 양의 산소분자를 운반하고 능동적으로 전달할 수 있는 특성을 가지고 있어 이를 사용할 경우 인공폐를 인체에 삽입 가능한 크기로 만들 수 있으며, 내부 관 구조를 간단하게 하여 혈액응고 발생을 줄일 수 있다.

Description

기체용매를 사용하고 인체에 삽입 가능한 인공 폐 {Implantable artificial lung unsing gas solvent}
본 발명은 인체에 삽입 가능한 인공 폐에 대한 것이다. 인공폐(artificial lung)는 생체폐를 대체하기 위해 몸 안에 삽입되는 기구이다. 이것은 폐암이나 만성 폐질환으로 인해 생체폐가 기능을 잃은 경우에 생체폐를 대체하여 사용될 수 있다.
생체에 이식 가능한 인공폐에 대한 많은 연구와 동물실험이 진행되었는데 지금까지 개발된 인공폐는 크게 intravascular lung assist device (ILAD)와 intrathoracic artificial lung (ITAL) 두 가지 방식으로 나뉜다. Intravascular lung assist device (ILAD)는 혈관에 장치를 삽입하는 방식으로 크기에 제한이 있고, 기체교환 능력이 충분하지 않아서 생체폐를 대체하지 못하였다. Intrathoracic artificial lung (ITAL)은 흉곽 내에 장치를 삽입하는 방식으로 ILAD에 비해 크기에 제한이 적은 장점이 있다. 그러나 ILAD과 마찬가지로 폐를 완전히 대체할 만큼 충분한 산소교환 능력을 가지지 못하였다.
없음
1. Steven N. Vaslef, implantable artificial lungs: Fantasy or Feasibility,Eurekah Bioscience, vol. 1, no. 1, pp. 92-101, May, 2005. 2. Hitoshi Satoa, Ichiro Tagab, Takahiro Kinoshitaa, Akio Funakuboc, Shingo Ichibad, and Nobuyoshi Shimizua, in Vitro Evaluation of a Newly Developed Implantable Artifi cial Lung,Acta Med, Vol. 60, No. 2, pp. 113-119, 2006. 3.Australian Safety and Efficacy Register of New Interventional Procedures Surgical, implantable Artificial Lungs, New and Emerging Techniques Surgical, November, 2002
생체폐는 작은 부피로 100m2에 해당하는 넓은 표면적을 가지고 있는데 그 이유는 생체폐가 미세혈관으로 되어 있기 때문이다. 하지만 인공폐의 혈관 역할을 해 주는 관의 굵기는 적혈구가 통과할 수 있는 크기 즉, 적혈구의 크기보다 커야 되고 동시에 충분한 기체교환을 해줄 수 있는 교환면적을 가져야 하므로 인체에 삽입할 수 있을 만큼 작은 크기로 만드는데 어려움이 있다. 또한 관의 굵기를 최소화할 경우 저항이 커서 와류를 일으키게 되고 이로 인해 혈액이 응고되는 현상이 발생한다. 따라서 이를 억제할 수 있는 약물을 지속적으로 투여해야만 하는 문제가 발생한다. 이에 본 논문에서는 인체에 삽입할 수 있고, 혈액응고를 최소화할 수 있는 인공폐를 설계하고 이의 실현가능성을 증명하고자 하였다.
Figure 1은 본 논문에서 제안한 인공폐의 개념도이다. 인공폐는 기체용매와 기체용매펌프, 두 개의 기체교환기가 있는 구조이다. ①, ②번 기체교환기는 각각 기도와 폐혈관에 연결되어 있으며 기체용매는 펌프에 의해서 두 개의 기체교환기를 순환한다. ①번 기체교환기에서는 공기와 기체용매 사이에서 기체교환이 이루어지고 ②번 기체교환기에서는 기체용매와 혈액 사이에서 기체교환이 이루어진다.
1) 공기-기체용매 기체교환기
공기-기체용매 기체교환기 내부에는 그림 2와 같은 구조의 관으로 구성되어 있다. 이 관은 막 구조로 되어 있어 공기 내의 산소가 기체용매로 흡수되고 기체용매의 이산화탄소가 공기로 배출된다. 기체용매는 혈액과 달리 응고하는 성질이 없기 때문에 관의 굵기를 최소화함으로써 생체폐와 같이 좁은 공간에 미세한 구조의 관을 밀집할 수 있다. 따라서 이 기체교환기는 넓은 표면적을 통해 충분한 산소 교환을 할 수 있고, 기체교환기의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.
2) 기체용매-혈액 기체교환기
기체용매-혈액 기체교환기 내부는 그림 3과 같은 관 구조로 되어 있다. 이 관 역시 막 구조로 되어 있어 기체용매의 산소가 혈액으로 흡수되고 혈액의 이산화탄소가 기체용매로 배출된다. 기체용매는 많은 양의 산소 분자를 함유하고 있고, 능동적으로 산소 분자를 방출하는 성질이 있기 때문에 좁은 기체 교환 면적으로도 많은 양의 산소를 전달할 수 있다. 따라서 기체교환기의 부피를 줄일 수 있고, 혈액과 내부 관 사이에 발생하는 저항을 줄임으로써 혈액 응고의 발생을 줄일 수 있다.
공기-기체용매 기체교환기의 부피가 줄어들고 기체용매-혈액 기체교환기의 부피도 줄어든다 따라서 인공 폐의 전체 크기는 줄어들어 인체에 삽입가능한 크기로 만들 수 있다. 또한 기체용매-혈액 기체교환기에서 혈액과 내부 관 사이에 발생하는 저항을 줄임으로써 혈액 응고의 발생을 줄일 수 있다
도 1은 전체 구성 요소를 표시한 모식도
도 2는 부분도로서 도1에서 공기-기체용매 기체교환기(7) 만을 자세히 도시한 것
도 3은 부분도로서 도1에서 기체용매-혈액 기체교환기(8) 만을 자세히 도시한 것
이하 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다
도면 1은 전체 구성 요소를 표시한 모식도이다
대기중의 공기는 공기를 움직이는 피스톤(11)의 동력에 의해 기도(1)을 통하여 들어와 공기가 흐르는 파이프(3)를 거쳐 공기-기체용매 기체교환기(7) 내부로 들어가 기체교환을 한 다음 다시 기도(1) 을 통해 나간다. 단방향 흐름 밸브(2)는 공기-기체용매 기체교환기(7) 내부에서 공기가 항상 일정한 방향으로 흐르도록 한다.
기체용매 펌프(5)는 기체용매가 흐르는 파이프(4)와 연결되어 공기-기체용매 기체교환기(7) 과 기체용매-혈액 기체교환기(8)를 순환하는 기체용매의 흐름을 만든다.
심장으로부터 폐동맥에서 나오는 혈액(9)은 혈액이 흐르는 파이프(6)를 거쳐 기체용매-혈액 기체교환기(8) 로 들어가 기체교환을 한 다음 다시 폐정맥으로 들어가는 혈액(10) 이 된다.
공기-기체용매 기체교환기(7) 내부에는 도2에 도시되어 있는 바와 같이 기체교환막으로 이루어진 미세관(13)이 존재한다. 공기-기체용매 기체교환기(7) 내부에서 일어나는 기체교환을 설명하면 다음과 같다. 미세관 바깥 공간을 흐르는 공기(14)에 포함된 산소는 미세관 안쪽 공간을 흐르는 기체용매(15)로 이동하고 미세관 안쪽 공간을 흐르는 기체용매(15)에 포함된 이산화탄소는 미세관 바깥 공간을 흐르는 공기(14) 로 이동한다.
기체용매-혈액 기체교환기(8) 내부에는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이
기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 이 존재한다. 기체용매-혈액 기체교환기(8) 내부에서 일어나는 기체교환을 설명하면 다음과 같다. 미세관 바깥 공간을 흐르는 기체용매(16)에 포함된 산소는 미세관 안쪽 공간을 흐르는 혈액(17) 으로 이동하고 미세관 안쪽 공간을 흐르는 혈액(17)에 포함된 이산화탄소는 미세관 바깥 공간을 흐르는 기체용매(16)로 이동한다.
1: 기도
2: 단방향 흐름 밸브
3: 공기가 흐르는 파이프
4: 기체용매가 흐르는 파이프
5: 기체용매 펌프
6: 혈액이 흐르는 파이프
7: 공기-기체용매 기체교환기
8: 기체용매-혈액 기체교환기
9: 폐동맥에서 나온 혈액
10: 폐정맥으로 들어가는 혈액
11: 공기를 움직이는 피스톤
12: 심장
13: 기체교환막으로 이루어진 미세관
14: 미세관 바깥 공간을 흐르는 공기
15: 미세관 안쪽 공간을 흐르는 기체용매
16: 미세관 바깥 공간을 흐르는 기체용매
17: 미세관 안쪽 공간을 흐르는 혈액

Claims (9)

  1. 내부에 기체교환막으로 이루어진 미세관(13)이 존재하는 공기-기체용매 기체교환기(7)와;

    내부에 기체교환막으로 이루어진 미세관(13)이 존재하는 기체용매-혈액 기체교환기(8)와;

    대기의 공기가 공기-기체용매 기체교환기(7)로 순환할 때 필요한 동력을 제공하는 공기를 움직이는 피스톤(11)과;

    기체용매가 공기-기체용매 기체교환기(7)와 기체용매-혈액 기체교환기(8) 사이를 순환할 때 필요한 동력을 제공하는 기체용매 펌프(5);

    를 기본 구성 요소로 하고,

    공기가 흐르는 파이프(3)는 대기중의 공기를 기도내강과 공기-기체용매 기체교환기(7)의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 바깥 공간으로 보내고 또한 공기-기체용매 기체교환기(7) 에서 나오는 공기를 대기로 보내고;

    기체용매가 흐르는 파이프(4)는 공기-기체용매 기체교환기(7)의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 안쪽 공간과 기체용매-혈액 기체교환기(8)의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 바깥 공간을 연결하여 두 기체교환기(7,8) 사이에서 기체용매가 순환하도록 하고;

    혈액이 흐르는 파이프(6)는 심장의 폐동맥에서 나오는 혈액을 기체용매-혈액 기체교환기(8)의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 안쪽 공간으로 보내고 기체용매-혈액 기체교환기(8) 에서 나오는 혈액을 심장의 폐정맥으로 보내며,

    공기-기체용매 기체교환기(7)안의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 에서는 공기에 포함된 산소가 기체용매로 이동하고 기체용매에 포함된 이산화탄소가 공기로 이동하고;

    기체용매-혈액 기체교환기(8)안의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 에서는 기체용매에 포함된 산소가 혈액으로 이동하고 혈액에 포함된 이산화탄소가 기체용매로 이동하는 것을 특징으로 하는 인체에 삽입할 수 있는 인공 폐.
  2. 제 1항에 있어서 공기를 움직이는 피스톤(11)의 동력으로 전기모터, 가솔린모터, 인공근육, 횡격막과 같은 생체근육의 동력을 사용하는 것을 특징으로 하는 인공 폐.
  3. 제 1항에 있어서 기체용매 펌프(5)의 동력으로 전기모터, 가솔린모터, 인공근육, 횡격막과 같은 생체근육의 동력을 사용하는 것을 특징으로 하는 인공 폐.
  4. 제 1항에 있어서 사용되는 기체용매의 성분으로 perfluorocarbon 계열의 성분이 포함된 것을 특징으로 하는 인공 폐.
  5. 제 1항에 있어서 사용되는 기체용매의 성분으로 적혈구가 포함된 것을 특징으로 하는 인공 폐.
  6. 제 1항에 있어서 사용되는 기체용매의 성분으로 헤모글로빈 또는 헤모글로빈을 변형하여 산소를 포함할 수 있는 단백질이 포함된 것을 특징으로 하는 인공 폐
  7. 제 1항에 있어서 사용되는 기체용매의 성분으로 마이오글로빈 또는 마이오글로빈을 변형하여 산소를 포함할 수 있는 단백질이 포함된 것을 특징으로 하는 인공 폐.
  8. 제 1항에 있어서 사용되는 기체용매의 성분으로 생물의 혈액 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 폐
  9. 제 1항에 있어서 공기를 움직이는 피스톤(11) 과 기체용매 펌프(5)는 외부에서 타인의 신체를 이용한 기계적인 조작으로 동력전달이 가능하도록 설계되어 심폐소생술을 시행할 수 있는 것을 특징으로 하는 인공 폐.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016064715A1 (en) * 2014-10-20 2016-04-28 The Regents Of The University Of Michigan Gated-concentric artificial lung
KR20180039381A (ko) * 2016-10-10 2018-04-18 김기정 인체에 삽입 가능한 인공 폐
WO2019246057A1 (en) * 2018-06-20 2019-12-26 The Regents Of The University Of Michigan Smart artificial lung and perfusion systems

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WO2016064715A1 (en) * 2014-10-20 2016-04-28 The Regents Of The University Of Michigan Gated-concentric artificial lung
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