KR20170129362A - 인슐린 자동 공급장치 및 이를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템 - Google Patents

인슐린 자동 공급장치 및 이를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 자동 공급장치는 인슐린이 저장되는 인슐린 탱크 상기 인슐린 탱크에 저장된 인슐린을 공급하기 위한 동력을 제공하는 인슐린 펌프; 및 체내 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정하고, 상기 인슐린 펌프 및 상기 인슐린 펌프의 제어에 의하여 인슐린을 0.005μL/min 내지 10μL/min의 유속으로 체내에 투여 가능한 센싱 및 투여부;를 포함하되, 상기 센싱 및 투여부는, 상기 인슐린 펌프와 연결되어 체내에 인슐린을 직접 투여하는 인슐린 튜브; 및 상기 인슐린 펌프가 양이온의 이동에 의해 제어되도록 상기 인슐린 펌프와 전기적으로 연동하며 상기 인슐린 튜브의 외주면을 감싸도록 다층 형성되어 상기 체내 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정하는 센서부;를 포함하며, 상기 센서부는, 상기 인슐린 튜브의 외주면을 감싸도록 형성되는 제 1 작용전극; 상기 제 1 작용전극을 외주면을 두르도록 형성되는 제 2 작용전극; 상기 제 2 작용전극의 외주면을 두르도록 형성되는 하나의 기준전극; 및 상기 제 1 및 제 2 작용전극의 외주면 일측에 형성되어 각각 체내 포도당 및 체내 베타-히드록시부틸레이트, 또는 체내 베타-히드록시부틸레이트 및 체내 포도당과 산화환원반응을 일으키는 제 1 반응부 및 제 2 반응부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인슐린 자동 공급장치 및 이를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템{Device of Auto-Supplying Insulin and Diabetic Management System Using the Same}
본 발명은 인슐린 자동 공급장치 및 이를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피하조직 내 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 산화로인한 전기적 신호에 의하여 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 실시간으로 측정함과 동시에, 인슐린을 사용자에게 정밀하게 직접 주사할 수 있는 인슐린 자동 공급장치와, 고혈당및 저혈당 환자의 정보를 병원의 통신서버로 전달하여 의사의 검진을 통한 적정량의 인슐린을 환자에게 공급할 수 있는 당뇨 환자 관리 시스템에 관한 것이다.
최근 혈당 측정기 시장은 그 측정 및 관리 시스템의 패러다임이 변하는 시기에 속해있다. 이는 연속 혈당 측정 시스템 (CGMS: Continuous Glucose Monitoring System)이 실험실 수준에서의 기술에서 벗어나 실제로 제품으로 개발되고 시장에 진입하면서 가속화되는 추세이다. 현재 미국 및 유럽의 주요 시장에서 제조되고 있는 연속 혈당 측정 시스템의 센서는 인체 피부 표피 밑의 피하조직(subcutaneous tissue) 층에 삽입되어 세포간질액(interstitial fluid)의 포도당을 정량 측정하며, 세포간질액의 포도당 수치는 혈당수치와 상관관계가 있음이 밝혀져 왔으므로 이 둘간의 보정 작업 등을 적용하여 체내 혈당의 실시간 측정을 실시한다. 이는 당뇨병 환자로 하여금 바늘로 손끝을 찔러 혈액을 채취하여 혈당관리를 해야 했던 채혈식 혈당 측정 시스템(Finger-prick Method)의 불편함에서 벗어나 한번의 센서 체내 삽입을 통해 1 내지 2주간 혈당 측정을 지속할 수 있으며, 혈당 수치 변화를 실시간으로 관찰할 수 있기 때문에 환자의 고혈당 및 저혈당 상태에 즉각적으로 대응이 가능해져 체계적 혈당 관리가 이루어질 수 있다.
이와 더불어, 제 1형 당뇨병 환자와 고혈당을 가지는 당뇨병 환자들은 주기적으로 혈당을 측정함과 동시에 혈중 케톤체(ketone body)의 농도를 측정하여 당뇨병성 케톤산증(Diabetic Ketoacidosis)을 예방하도록 권장하고 있다. 당뇨병성 케톤산증은 인슐린에 대한 저항이나 인슐린 부재로 인해 발생한다. 인슐린이 적으면 포도당이 세포 내로 들어갈 수 없어 혈중에 축적된다. 그 결과 세포는 포도당을 공급받지 못하여 에너지원으로 지방을 사용하게 된다. 지방대사는 글리세롤과 지방산을 만드는데, 글리세롤은 세포에 약간의 에너지를 공급하지만 지방산은 케톤산으로 대사되어 결과적으로 산독증을 일으킨다. 산독증은 세포 안에서 혈관 내로 칼륨 이동을 증가시키게 되고, 이뇨작용에 의하여 과칼륨뇨증을 초래하여 전신의 칼륨 고갈상태를 초래한다. 지방을 연소하는 과정에서 생성되는 케톤체에는 베타-히드록시부티르산(β-hydroxybutyrate), 아세토아세트산(acetoacetate) 및 아세톤(acetone)이 있는데, 종래 케톤체를 측정하는 방식은 뇨의 아세토아세트산(acetoacetate)의 양을 측정하는 방식이 사용되고 있다. 그러나 뇨의 아세토아세트산은 시간이 경과할수록 그 농도가 변하게 되어 샘플 채취 후, 측정 시기에 따라 다른 결과 값을 나타낼 수 있는 단점을 가진다. 혈액 중 케톤산증의 주요 원인인 베타-히드록시부티르산 또는 베타-히드록시부틸레이트를 측정하는 경우에는 검사시점의 몸상태를 그대로 반영하기 때문에 자가 모니터링을 통해 몸상태를 확인하는데 매우 유용하다.
췌장의 랑게르한스 섬 베타세포에서 분비되는 인슐린은 체내 혈당을 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 혈당량이 음식 섭취 등으로 일정 이상 높아지게 되면 인슐린이 분비되어 혈중 포도당을 세포 내로 유입해 다시 글리코겐의 형태로 저장되도록 촉진시킨다. 따라서 인슐린이 기능하지 못하거나 췌장에서의 인슐린 생산이 되지 않는 제 1형 당뇨병 환자들은 인위적인 인슐린 투여 없이는 체내 혈당 관리가 되지 않는다.
인슐린 펌프는 인슐린 의존형 당뇨병 환자들에게 사용되는 기술이며, 인슐린 펌프 기술은 소형화 및 투여의 정밀화가 필요한 문제가 있으며, 현재 이를 해결하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
연속 혈당 측정 시스템의 기술들이 실시되면서 인슐린 펌프 기술과 함께 인공 췌장 장치 시스템 (APDS: Artificial Pancreas Device System)을 구현하려는 시도들이 이루어지고 있으며, 연속 혈당 측정 시스템에서 혈당을 실시간으로 측정하면서 체내에 필요한 인슐린 양을 계산하여 인슐린 펌프를 통하여 체내 주입하는 폐쇄 회로(Closed-Loop)의 구성 가능성을 열어주어 제 1형 당뇨병 환자들에게도 정상인의 췌장에서의 인슐린 분비와 유사하도록 모방할 수 있게 된다.
또한, 체내 베타-히드록시부틸레이트의 실시간 검출이 가능해 진다면 환자의 인슐린 투여를 위한 좀 더 풍부한 정보를 얻을 수 있게 된다. 이와 같은 시스템의 개발은 체내 측정 센서와 인슐린 펌프의 두 가지의 동시 삽입 및 콘트롤이 가장 중요한 부분을 차지한다.
본 발명은 이러한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 피하조직 내 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 산화로 인한 전기적신호에 의하여 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 실시간으로 측정함과 동시에, 인슐린을 사용자에게 정밀하게 직접 주사할 수 있는 인슐린 자동 공급장치와, 고혈당및 저혈당 환자의 정보를 병원의통신서버로 전달하여 의사의검진을 통한 적정량의 인슐린을 환자에게 공급할 수 있는 당뇨 환자 관리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 자동 공급장치는 인슐린이 저장되는 인슐린 탱크 상기 인슐린 탱크에 저장된 인슐린을 공급하기 위한 동력을 제공하는 인슐린 펌프; 및 체내 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정하고, 상기 인슐린 펌프 및 상기 인슐린 펌프의 제어에 의하여 인슐린을 0.005μL/min 내지 10μL/min의 유속으로 체내에 투여 가능한 센싱 및 투여부;를 포함하되, 상기 센싱 및 투여부는, 상기 인슐린 펌프와 연결되어 체내에 인슐린을 직접 투여하는 인슐린 튜브; 및 상기 인슐린 펌프가 양이온의 이동에 의해 제어되도록 상기 인슐린 펌프와 전기적으로 연동하며 상기 인슐린 튜브의 외주면을 감싸도록 다층 형성되어 상기 체내 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정하는 센서부;를 포함하며, 상기 센서부는, 상기 인슐린 튜브의 외주면을 감싸도록 형성되는 제 1 작용전극; 상기 제 1 작용전극을 외주면을 두르도록 형성되는 제 2 작용전극; 상기 제 2 작용전극의 외주면을 두르도록 형성되는 하나의 기준전극; 및 상기 제 1 및 제 2 작용전극의 외주면 일측에 형성되어 각각 체내 포도당 및 체내 베타-히드록시부틸레이트, 또는 체내 베타-히드록시부틸레이트 및 체내 포도당과 산화환원반응을 일으키는 제 1 반응부 및 제 2 반응부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 작용전극과 상기 제 2작용전극 사이 및, 상기 제 2 작용전극과 상기 기준전극 사이에는 각각 제 1 및 제 2 절연부가 형성될 수 있다.
제 1 반응부 및 제 2 반응부는, 각각 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트, 또는 베타-히드록시부틸레이트 및 포도당과 산화환원반응을 하는 효소가 포함되는 전도성 막일 수 있다.
상기 인슐린 튜브는 캐뉼라(cannula), 니들(needle) 또는 마이크로 투석 튜브(Microdiatysis Tubing)일 수 있다.
상기 인슐린 펌프는 전기삼투펌프를 포함하고, 상기 전기삼투펌프는, 유체의 이동을 허용하는 멤브레인 및 상기 멤브레인의 양측에 각각 마련되고, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극의 전기화학 반응은 전하균형이 맞추어지는 방향으로 양이온이 이동됨으로써 일어날 수 있다.
상기 인슐린 펌프는, 상기 전기삼투펌프의 적어도 일단에 설치되어 상기 유체와 인슐린을 분리하는 격리재를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 당뇨 환자 관리 시스템은 인슐린 자동 공급장치 및 상기 인슐린 자동 공급장치와 정보를 송수신할 수 있도록 형성되어 외부 단말기를 포함하되, 상기 인슐린 자동 공급장치는 사용자의 체내 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 값을 계산하여 상기 외부 단말기에 송신하고, 상기 외부 단말기는 상기 값을 병원의 통신 서버로 송신하여, 상기 값이 사용자의 상태를 모니터링하기 위한 자료로 이용 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 외부단말기는, 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 값을 출력하는 출력부, 및 사용자에게의 인슐린 투입을 조작할 수 있는 조작부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 피하조직 내 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 산화로 인한 전기적신호에 의하여 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 실시간으로 측정함과 동시에, 인슐린을 사용자에게 정밀하게 직접 주사할 수 있는 인슐린 자동 공급장치와, 고혈당및 저혈당 환자의 정보를 병원의통신서버로 전달하여 의사의검진을 통한 적정량의 인슐린을 환자에게 공급할 수 있는 당뇨 환자 관리 시스템을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 자동 공급장치 및 이를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다..
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 자동 공급장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 및 투여부의 종단면도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 펌프의 구성도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 구성도이다.
도 6 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 은 인슐린의 체내 주입을 위하여 전기삼투펌프에 가해지는 기본 펄스를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 자동 공급장치 및 이를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 자동 공급장치 및 이를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명에 따른 인슐린 자동 공급장치를 이용한 당뇨 환자 관리 시스템(1)은 인슐린 자동 공급장치(100) 및 외부 단말기(300)를 포함한다.
상기 인슐린 자동 공급장치(100)는 사용자의 신체 표면 일부에 부착되어 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정함과 동시에 사용자에게 인슐린을 공급한다. 상기 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정하기 위하여, 상기 인슐린 자동 공급장치(100)는 사용자 체내 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트를 산화시켜 얻은 전기신호를 실시간으로 받아들여 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 값을 계산한다. 상기 인슐린 자동 공급장치(100)에서 계산된 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 값은 상기 외부 단말기(300)로 송신된다.
상기 외부 단말기(300)는, 상기 인슐린 자동 공급장치(100)와 정보를 송수신 할 수 있도록 형성된다. 상기 외부 단말기(300)는 상기 인슐린 자동 공급장치(100)의 센서부에서 측정된 신호를 통해 계산된 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트 값을 출력할 수 있는 출력부(310)와 사용자에게의 인슐린 투입량 또는 투입여부 등을 조작할 수 있는 조작버튼 등을 포함하는 조작부(320)를 포함할 수 있다.
상기 외부 단말기(300)는 상기 출력부(310)에 의하여 사용자로 하여금 자신의 상태를 관찰할 수 있도록 함과 동시에, 병원의 통신 서버(500)와 연결되어 병원으로 사용자의 정보를 송신할 수 있다. 병원으로 송신된 사용자의 정보는 사용자의 상태를 모니터링하기 위한 자료로 이용될 수 있다.
또한, 상기 외부 단말기(300)는 병원으로부터 일정 처치 데이터를 수신하여 상기 인슐린 자동 공급장치(100)에 송신할 수 있고, 상기 인슐린 자동 공급장치(100)는 상기 처치 데이터에 기초하여 사용자에게 인슐린을 공급할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 자동 공급장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2 를 참조하면, 상기 인슐린 자동 공급장치(100)는 인슐린 탱크(110), 인슐린 펌프(130), 및 센싱 및 투여부(150)를 포함한다.
상기 인슐린 탱크(110)에는 인슐린이 저장된다. 상기 인슐린 펌프(130)는 인슐린을 공급하기 위한 동력을 제공한다. 상기 센싱 및 투여부(150)는 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정함과 동시 인체에 인슐린을 직접 주사하는 통로 역할을 한다.
상기 인슐린 탱크(110)와 상기 인슐린 펌프(130)는 미세관(112) 등으로 연결될 수 있으며, 상기 미세관(112)을 통하여 상기 인슐린 탱크(110)에 저장된 인슐린이 상기 인슐린 펌프(130)에 전달될 수 있다. 상기 인슐린 펌프(130)에 전달된 인슐린은 상기 센싱 및 투여부(150)를 통하여 인체에 투여되게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 및 투여부의 종단면도이다.
상기 센싱 및 투여부(150)는 인슐린 펌프(130)와 연결되어 체내에 인슐린을 직접 주사하는 인슐린 튜브(152), 상기 인슐린 튜브(152)의 외주면을 감싸도록 다층 형성되어 체내 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정하는 센서부(160), 및 기준전극(166)을 기준으로 작용전극(162, 164)에 전위를 인가하기 위하여 외부 전력과 연결되는 전위물림부(161)를 포함한다.
상기 인슐린 튜브(152)는 캐뉼라(cannula), 니들(needle) 또는 마이크로 투석 튜브(Microdialysis Tubing) 등 체내에 삽입될 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 형태를 모두 통칭하여 인슐린 튜브(152)라 할 수 있다. 다만, 상기 인슐린 튜브(152)는 전기적으로 절연체일 것을 요한다.
상기 센서부(160)는 체내에 삽입되는 구간으로, 제 1 작용전극(162), 제 2 작용전극(164) 및 기준전극(166)과 제 1 반응부(168) 및 제 2 반응부(170)를 포함한다.
상기 제 1 작용전극(162)은 상기 인슐린 튜브(152)의 외주면을 감싸도록 형성되고, 상기 제 1 작용전극(162)의 외주면 일측에는 제 1 반응부(168)가 형성된다. 상기 제 1 반응부(168)에서는 체내 포도당의 산화환원 반응이 일어난다.
상기 제 2 작용전극(164)은 상기 제 1 작용전극(162)의 외주면을 두르도록 형성되고, 상기 제 2 작용전극(164)의 외주면 일측에는 제 2 반응부(170)가 형성된다. 상기 제 2 반응부(170)에서는 체내 베타-히드록시부틸레이트의 산화환원 반응이 일어난다. 상기 제 1 및 제 2 작용전극(162, 164) 사이에는 제 1 절연부(172)가 형성될 수 있으며, 상기 제 1 절연부에 의하여 상기 제 1 및 제 2 작용전극(162, 164)이 전기적으로 분리된다.
상기 제 1 및 제 2 반응부(168, 170)는 각각 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 산화를 일으키는 효소 등이 포함되는 전도성 막일 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 작용전극(162, 164)의 소재는 상기 산화 의하여 발생하는 신호 전류가 흐를 수 있는 백금, 금, 탄소 등의 전도성 물질일 수 있다.
상기 기준전극(166)은 상기 제 2 작용전극(164)의 외주면을 두르도록 형성된다. 상기 제 2 작용전극(164)과 상기 기준전극(166) 사이에는 제 2 절연부(174)가 형성될 수 있으며, 상기 제 2 절연부에 의하여 상기 제 2 작용전극(164)과 기준전극(166)이 전기적으로 분리된다. 상기 기준전극(166)은 대체로 은/염화은으로 구성될 수 있다.
하나의 상기 센싱 및 투여부(150)가 체내에 삽입되는 경우, 제 1 및 제 2 반응부(168, 170)에서 각각 일어나는 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 산화로 인한 전류 신호를 통해 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정함과 동시에, 인슐린 튜브(152)를 통하여 인슐린을 체내에 투여할 수 있다. 따라서 사용자는 혈당 등을 측정하기 위한 측정기와 체내에 인슐린을 투여하기 위한 인슐린 펌프 등을 신체 표면에 별도로 부착하여야 하는 등의 번거로움을 피할 수 있다.
한편, 상기 센싱 및 투여부(150)를 체내에 삽입하는 경우에 상기 제 1 및 제 2 반응부(168, 170)가 벗겨지거나 손상되는 것을 방지하기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 반응부가 상기 센싱 및 투여부(150)의 체내 삽입 방향 상에 직접 노출되지 않도록 상기 제 1 및 제 2 반응부(168, 170) 각각에 인접하여 제 1 및 제 2 반응부 보호부(176, 178)가 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 반응부 보호부(176, 178)은 상기 제 1 및 제 2 절연부(172, 174)와 동일한 소재에 의하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 전위물림부(161)에는 외부 전력이 공급된다. 상기 외부 전력은 측정하고자 하는 물질을 정량 측정하기 위하여 전류법 측정 메커니즘을 적용시키기 위한 것이다. 상기 제 1 및 제 2 반응부(168, 170) 각각에 포함되는 효소에 의하여 산화환원되는 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 생성물을 산화시킬 수 있는 산화전위가 상기 외부전력에 의하여 기준전극(166)을 기준으로 각각의 작용전극(162, 164)에 인가된다. 즉, 제 1 작용전극(162)의 외주면 일측에 형성되는 제 1 반응부(168)는 포도당을 산화시키는 포도당 산화효소(Glucose Oxidase)를 포함할 수 있고, 상기 포도당 산화효소(Glucose Oxidase)에 의하여 포도당이 산화되어 과산화수소(Hydrogen peroxide)가 생성될 수 있으며, 상기 과산화수소(Hydrogen peroxide)를 산화시키기 위한 산화전위가 상기 외부전력에 의하여 기준전극(166)을 기준으로 제 1 작용전극(162)에 인가될 수 있다.
또한, 제 2 작용전극(164)의 외주면 일측에 형성되는 제 2 반응부(170)는 베타-히드록시부틸레이트를 산화환원시키는 히드록시부틸레이트탈수소효소(Hydroxyl Butyrate Deydrogenase) 및 조효소 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(Nicotinamide Adenine Dinucleotide)를 포함할 수 있고, 상기 히드록시부틸레이트탈수소효소(Hydroxyl Butyrate Deydrogenase) 및 조효소 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(Nicotinamide Adenine Dinucleotide)에 의하여 베타-히드록시부틸레이트가 산화환원되어 다이하이드로니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(Digydronicotinamide Adenine Dinucleotide)가 생성될 수 있으며, 상기 다이하이드로니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(Digydronicotinamide Adenine Dinucleotide)를 산화시키기 위한 산화전위가 상기 외부 전력에 의하여 기준전극(166)을 기준으로 제 2 작용전극(164)에 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하는 경우 상기한 바와 같이 제 1 및 제 2 반응부(168, 170)는 각각 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트를 산화하기 위한 것으로 설명되었으나, 본 발명의 다른 실시예에 의하는 경우 상기 설명한 바와 달리 제 1 및 제 2 반응부(168, 170)는 각각 베타-히드록시부틸레이트 및 포도당을 산화하기 위한 것일 수 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐린 펌프의 구성도이다.
상기 인슐린 펌프(130)는 본 전기삼투펌프(132)를 포함한다. 인슐린 펌프(130)는 본 전기삼투펌프(132)로부터 발생되는 펌핑력을 통해 인슐린을 인슐린 탱크(110)로부터 센싱 및 투여부(150)로 이송시킬 수 있다.
상기 인슐린 펌프(130)는 격리재(143)를 포함한다. 상기 격리재(143)는 전기삼투펌프(132)의 일단에 설치되어 유체와 인슐린을 분리한다. 즉, 격리재(143)는 유체와 인슐린이 섞이는 것이 방지되도록 유체가 들어있는 공간과 인슐린이 들어있는 공간을 구획하면서, 유체의 이동에 의해 발생되는 펌핑력을 인슐린에 전달하는 역할을 한다.
이와 같은 격리재(143)는, 오일 갭(oil gap)을 형성하도록 하는 오일, 탄성을 가진 얇은 막으로 이루어지는 고무나 금속판 등의 다이아프램, 고분자막, 슬라이더 등을 포함하는 것일 수 있다.
상기 전기삼투펌프(132)는 전압의 극성을 교번하여 유체의 반복적인 왕복 이동에 의한 펌핑력을 발생시킬 수 있다.
전기삼투펌프(132)는 격리재(143)를 통해 인슐린에 흡입력과 배출력을 반복적으로 전달할 수 있다. 인슐린에 흡입력이 전달되는 경우, 인슐린은 인슐린 탱크(110)로부터 이송라인(145)으로 유출될 수 있고, 인슐린에 배출력이 전달되는 경우, 인슐린은 이송라인(145)에서 외부로 유출될 수 있다. 즉, 전기삼투펌프(132)가 발생시키는 펌핑력은 흡입력 및 배출력일 수 있다.
인슐린 펌프(130)는 전기삼투펌프(132)로부터의 펌핑력을 전달받아 인슐린을 이송시키기 위한 경로를 제공하는 이송라인(145)을 포함할 수 있다.
상기 이송라인(145)은 일단이 인슐린 탱크(110)에 연결되고, 타단이 센싱 및 투여부(150)와 연결됨으로써, 인슐린이 이송되는 경로를 제공할 수 있다. 상기 이송라인(145)은 파이프나 호스 또는 인슐린의 특성에 따른 적절한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 인슐린 펌프(130)는 이송라인(145)의 양단에 구비되어 인슐린의 흐름을 허용하거나 제한하도록 개폐되는 제1 체크밸브(142) 및 제2 체크밸브(144)를 포함한다. 제1 체크밸브(142) 및 제2 체크밸브(144)는 각각 인슐린이 흐를 수 있도록 열리거나 인슐린이 흐르지 않도록 닫힐 수 있다.
제1 체크밸브(142) 및 제2 체크밸브(144)의 개폐는 상호 반대의 상태로서, 제1 체크밸브(142) 및 제2 체크밸브(144) 중 어느 하나가 열리면 다른 하나는 닫힐 수 있다.
예컨대, 인슐린에 흡입력이 전달되면, 제1 체크밸브(142)는 열리고, 제2 체크밸브(144)는 닫힐 수 있다. 이와 반대로, 인슐린에 배출력이 전달되면 제1 체크밸브(142)는 닫히고, 제2 체크밸브(144)는 열릴 수 있다.
전기삼투펌프(132)의 유체가 ① 방향으로 이동되면, 격리재(143)가 ① 방향으로 이동된다. 이에 따라, 인슐린은 전기삼투펌프(132)를 향하는 방향으로 흡입력을 받게 된다. 이 때, 인슐린 탱크(110) 내에 존재하는 인슐린은 이송라인(145)으로 유출되어야 하지만, 센싱 및 투여부(150)로 이미 주입된 인슐린은 다시 이송라인(145)으로 역주입되는 것이 방지되어야 한다. 따라서, 인슐린에 흡입력이 전달되면, 제1 체크밸브(142)는 열림으로써 인슐린 탱크(110)에서 이송라인(145)으로 인슐린이 이동되도록 할 수 있고(인슐린이 ⓐ 방향으로 이동), 제2 체크밸브(144)는 닫힘으로써 센싱 및 투여부(150)에서 이송라인(145)으로 인슐린이 역주입되는 것을 방지할 수 있다.
전기삼투펌프(132)의 유체가 ① 방향으로 이동될 때의 전압과 반대 극성의 전압을 전기삼투펌프(132)에 걸어주면, 유체가 ② 방향으로 이동되고, 격리재(143)가 유체에 의해 밀려 ② 방향으로 이동된다. 이에 따라, 인슐린은 전기삼투펌프(132)로부터 멀어지는 방향으로 배출력을 받게 된다. 이 때, 이송라인(145) 내에 존재하는 인슐린은 외부로 전달되어야 하지만, 다시 인슐린 탱크(110)로 역주입되는 것이 방지되어야 한다. 따라서, 인슐린에 배출력이 전달되면, 제2 체크밸브(144)는 열림으로써 이송라인(145)에서 센싱 및 체크밸브로 인슐린이 이동되도록 할 수 있고(인슐린이 ⓑ 방향으로 이동), 제1 체크밸브(142)는 닫힘으로써 이송라인(145)에서 인슐린 탱크(110)로 인슐린이 역주입되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 이송라인(145)에 제1 체크밸브(142) 및 제2 체크밸브(144)를 서로 반대 방향으로 설치함으로써, 전술한 바와 같이 인슐린이 센싱 및 투여부(150) 방향으로만 유출되도록 하는 제1 체크밸브(142) 및 제2 체크밸브(144)의 동작을 쉽게 구현할 수 있다.
이와 같이, 상기 인슐린 펌프(130)는 전기삼투펌프(132)에 걸리는 전압을 반복해서 교번시킴으로써 인슐린에 흡입력과 배출력을 번갈아 가며 전달하되, 제1 체크밸브(142) 및 제2 체크밸브(144)를 통해 인슐린의 흐름을 허용하거나 제한함으로써, 인슐린을 지속적으로 이송시킬 수 있다.
상기 인슐린 펌프(130)는 제1 체크밸브(142)와 제2 체크밸브(144) 사이의 이송라인(145)에서 분기되어 전기삼투펌프(132)와 연결되어, 펌핑력을 이송라인(145)에 전달하는 펌핑라인(147)을 포함할 수 있다.
펌핑라인(147)은 제1 체크밸브(142)와 제2 체크밸브(144) 사이의 이송라인(145)에서 분기되도록 구비됨으로써, 제1 체크밸브(142) 측과 제2 체크밸브(144) 측에 모두 펌핑력을 전달할 수 있다.
펌핑라인(147) 내에는 격리재(143)가 구비될 수 있다. 이를 통해, 전기삼투펌프(132)에 의해 발생되는 펌핑력을 인슐린에 전달할 수 있다.
상기 인슐린 펌프(130)는, 유체의 이동에 의한 격리재(143)의 이동 시, 격리재(143)의 이동 거리를 제한하도록 구비되는 스토퍼(148)를 포함할 수 있다.
상기 스토퍼(148)는 전기삼투펌프(132)에 의해 발생되는 펌핑력으로 인해 격리재(143)가 펌핑라인(147)의 단부까지 이동되어 빠지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 스토퍼(148)는 격리재(143)가 인슐린으로부터 미는 힘을 받아 전기삼투펌프(132)와 접촉되는 것을 방지할 수도 있다. 상기 스토퍼(148)는 격리재(143)의 양측에 각각 설치될 수 있다.
전기삼투펌프(132)측에 인접하게 설치된 스토퍼(148)는 격리재(143)가 전기삼투펌프(132)와 접촉되는 것을 방지할 수 있고, 이송라인(145)에 인접하게 설치된 스토퍼(148)는 격리재(143)가 펌핑라인(147)의 단부를 통해 빠지는 것을 방지할 수 있다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 구성도이다.
전기삼투펌프(132)는 멤브레인(133), 상기 멤브레인(133)의 양측에 각각 마련된 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)을 포함하며, 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)은 전원 공급부(137)에 연결된다.
상기 멤브레인(133)에는 유체가 이동하는 유체경로부(139)에 설치되며, 상기 멤브레인(133)은 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성된다.
제1 전극(133) 및 제2 전극(135)은 유체경로부(139) 상에서 멤브레인(133)의 양측에 각각 마련되며, 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)은 멤브레인(11)에 의해 이들 사이의 간격이 일정하게 유지된다. 멤브레인(133)과 마찬가지로 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)은 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성된다.
전원 공급부(137)는 제1 전극(133)과 제2 전극(135)과 연결되어, 제1 전극(133)과 제2 전극(135)에 전기화학 반응이 일어날 수 있도록 전원을 공급하며, 제1 전극(133)과 제2 전극(135)의 전기화학 반응은 이온이 이동됨으로써 일어나게 된다.
전원 공급부(137)는 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)에 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있으며, 여기서, 전원 공급부(137)가 전압의 극성을 교번하여 공급한다는 의미는, 전류를 반대 방향으로 공급하는 의미를 포함할 수 있다.
이에 의하여, 상기 전기삼투펌프(132)는 유체의 이동을 통해 펌핑력을 발생시킴과 동시에, 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)의 소모 및 재생이 반복적으로 일어날 수 있다.
상기 전원 공급부(137)는 제1 전극(133) 및 제2 전극(135) 각각에 직류 전압을 공급하는 직류공급장치(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전원 공급부(137)는 제1 전극(133) 및 제2 전극(135) 각각에 공급되는 직류 전압의 극성을 설정된 시간마다 교번하여 전환시키는 전압방향 전환장치(미도시)를 포함할 수 있다.
이에 의하여, 제1 전극(133) 및 제2 전극(135) 각각에 걸리는 전압을 지속적으로 설정된 시간마다 반대 극성으로 바꿔줄 수 있다.
유체경로부(139)는 멤브레인(133)과 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)을 사이에 두고 양측으로 이동하는 유체의 이동경로를 제공한다. 상기 유체경로부(139)는 내측에 유체가 채워지는 용기 형태를 가질 수 있고, 일례로 실린더 형태를 가질 수 있으며, 이에 제한하지 않고, 다양한 형태를 가질 수 있다.
또한, 유체는 유체경로부(139) 뿐만 아니라, 다공성(porous)의 멤브레인(113)과 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)에도 채워질 수 있다.
또한, 유체경로부(139)는 펌핑력의 전달을 위해 개구를 가질 수 있다. 예컨대, 개구는 멤브레인(133)과 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)에 의해 양분되는 양측 공간 중 어느 일측 공간 또는 양측 공간 모두에 형성되어 유체의 이동에 의한 펌핑력을 외측으로 제공할 수 있다. 이를 테면, 유체경로부(139)에 형성된 개구는 도 4에 도시된 인슐린 펌프(130)의 펌핑라인(147)과 연결될 수 있고, 이를 통해 펌핑력을 센싱 및 투여부(150)측으로 제공할 수 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 도 6 를 참조하여, 전기삼투펌프(132)의 동작에 대하여 설명한다.
전원 공급부(137)를 통해 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)에 전원을 공급하게 되면 제1 전극(133)과 제2 전극(135) 사이에 전압 차이가 발생하게 된다.
제1 전극(133) 및 제2 전극(135)의 전압 차이에 의해, 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)에 산화환원 반응이 일어나 전하균형이 깨지게 되는데, 이 때, 상기 제 1 및 제 2 전극(133, 135) 내에서 쉽게 이동될 수 있는 이온이 이동됨으로써 전하균형을 맞추게 된다.
이 때, 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)에 전압을 걸어주면, 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)에 산화환원 반응이 일어남에 따라 이온이 이동되면서 유체가 이동될 수 있다.
멤브레인(133)은 유체뿐만 아니라, 이온의 이동도 허용하는 것일 수 있다. 전기삼투펌프(132)의 제 1 및 제 2 전극(133, 135)에 전원 공급부(137)를 연결하면, 유체와 이온은 멤브레인(133)의 일측에서 타측으로, 또는 타측에서 일측으로 이동될 수 있다. 유체와 이온이 멤브레인(133)을 통과하며 이동됨으로써 펌핑력을 발생시킨다.
예컨대, 멤브레인(133)은 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 크기의 입상물의 형태를 가지는 실리카(silica), 유리(glass) 등을 이용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 멤브레인(133)은 디스크 멤브레인일 수 있고, MEA(membrane electrode assembly)일 수도 있으며, 이외에도 다양한 형태의 다공성 재질이나 구조를 가지는 것일 수 있다.
제1 전극(133) 및 제2 전극(135)의 전기화학 반응은, 예를 들어, 양이온이 이동됨으로써 일어날 수 있으며, 이 때 제1 전극(133) 및 제2 전극(135) 중 어느 하나는 전기화학 반응을 통해 양이온을 발생시키고, 다른 하나는 양이온을 소모할 수 있다.
멤브레인(133)의 재료로는 실리카, 유리 등이 사용될 수 있으며, 상기 재료로 이루어진 멤브레인(133)은 수용액 내에서 표면이 음전하를 띠게 된다. 이 때, 양이온은 음전하를 띠는 멤브레인(133)과 인력이 작용하여 멤브레인(133)을 쉽게 통과할 수 있으므로, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)의 전기화학 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 유체의 이동이 원활해질 수 있으므로, 효과적이면서도 안정적인 전기삼투펌프(132)를 구현할 수 있다.
상기 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)의 전기화학 반응 시 발생되고 소모되는 양이온은, 예를 들어, 1가 양이온일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 양이온은 수소 이온(H+)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다양한 양이온들 중 양성자인 H+의 이온이동속도는 다른 양이온들에 비해 월등히 빠르다. 앞서 설명한 바와 같이, 전기삼투펌프(132)는 이온의 이동과 유체의 이동이 수반되기 때문에, 따라서, 전극반응 시 수소 이온이 이동되는 경우, 유체의 이동 속도가 빨라져 전기삼투펌프(132)의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 유체로 수용액, 물 또는 알코올 등이 사용될 수 있다. 이를 의하여, 전극반응 시, 수소 이온이 이동될 수 있다.
전기삼투펌프(132)는 일반적으로 전해질이 거의 없는 용액에서 더 좋은 펌핑 성능을 보이는데, 이 때는 물의 해리에 의해 생긴 양이온인 수소 이온이 전하균형을 맞추어 주도록 이동될 수 있다. 또한, 양이온은 사용되는 유체에 따라 Na+, K+ 등과 같이 다양한 이온을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 경우, 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)은 다공성 탄소로만 이루어질 수 있다. 이 때, 유체는 다공성 탄소 자체의 전기화학 반응을 통해 이동된다. 다공성 탄소의 전기화학 반응은 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)의 전하균형이 맞추어지는 방향으로 양이온이 이동됨으로써 일어날 수 있다.
종래에는 전극의 물질로 안정된 백금이 많이 사용되었으나, 가스 발생 없이 안정적으로 전기삼투펌프가 구동될 수 있도록 전극의 물질로 은(Ag)/산화은(AgO), MnO(OH), 폴리아닐린(polyaniline) 등을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 전극의 기본구조는 카본 페이퍼(carbon paper)에 전술한 물질을 전착에 의해 코팅시킨 구조일 수 있다. 이를 통해, 종래에는 전극에 전착된 물질들의 산화환원 반응을 통해 유체를 이동시켜 펌핑력을 발생시켰다. 그러나, 이와 같은 종래의 전극은 카본 페이퍼에 다른 물질을 전착시키는 과정을 거쳐야 하므로, 번거롭다는 문제점이 있었다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프(132)는 제1 전극(133) 및 제2 전극(135)이 다공성 탄소로만 이루어지도록 하고, 다공성 탄소 자체의 전기화학 반응을 통해 유체가 이동되도록 함으로써, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)의 형성 시 다른 물질을 전착시키는 과정을 생략할 수 있다. 따라서, 보다 간단한 방법으로 전기삼투펌프(132)를 구현할 수 있다.
상기 다공성 탄소는 산화반응에 의해 표면에 산화종이 존재하도록 산화처리된 것일 수 있다. 이에 의하여, 다공성 탄소의 표면에 형성된 다양한 산화종이 산화환원 반응에 참여할 수 있으므로, 전기삼투펌프(132)의 성능을 향상시킬 수 있다. 상기 산화종은 카르복실기(carboxyl), 락톤(lactone), 페놀(phenol), 퀴논(quinone), 앤하이드라이드(anhydride) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 다공성 탄소의 표면을 산화처리하는 방법은 화학적 방법, 물리적 방법 등과 같이 다양한 방법을 통해 수행될 수 있다.
예컨대, 산화반응은 플라즈마(plasma) 처리를 통해 발생될 수 있다. 즉, 다공성 탄소는 플라즈마(plasma)를 통한 산화반응에 의해 표면에 산화종이 존재하도록 산화처리된 것일 수 있다. 다공성 탄소의 플라즈마 산화처리는 산소 등과 같이 산화력이 있는 다양한 기체를 이용한 플라즈마, 특히 에어 플라즈마(air plasma)를 통해 수행될 수 있다.
또한, 산화반응은 산성용액을 이용한 처리를 통해 발생될 수 있다. 즉, 다공성 탄소는 산성용액 내에서 산화반응에 의하여 표면에 산화종이 존재하도록 표면 처리된 것일 수 있다. 상기 산성용액은 질산 용액(HNO3), 황산 용액(H2SO4), 또는 질산과 황산이 혼합된 용액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 산화종은, 다공성 탄소의 표면을 플라즈마 등으로 처리하는지의 여부, 산화시키는 산성용액의 조성, 산화시키는 온도 등에 의해 달라질 수 있다. 즉, 산성용액의 농도, 혼합 비율, 반응온도, 반응시간 등에 따라, 펌프의 유속, 전류의 흐름 등이 달라질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)은 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)에는 전도성 고분자가 전착될 수 있고, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)의 전기화학 반응은 전하균형이 맞추어지는 방향으로 양이온이 이동됨으로써 일어날 수 있다.
제 1 및 제 2 전극(133, 135)을 비롯하여 전기삼투펌프(132)에 포함된 다공성 막의 재료로는 일반적으로 실리카(silica), 유리(glass) 등이 사용되는데, 이와 같은 재료로 이루어진 다공성 막은 수용액 내에서 표면이 음전하를 띠게 된다.
전하균형을 위해 전도성 고분자로부터 빠져나온 음이온(A-)은 다공성 막을 통과하게 되는데, 다공성 막의 표면이 전술한 바와 같이 음전하를 띠게 되므로, 이와 동일한 전하를 띠는 음이온은 다공성 막과의 사이에 척력이 작용하여 다공성 막을 원활하게 통과할 수 없다. 따라서, 종래의 전도성 고분자를 포함한 전극은 산화/환원반응이 빠르게 일어날 수 없고, 이송대상유체의 신속한 이동에 어려움이 있었다.
반면, 본 전기삼투펌프(132)는 전도성 고분자가 거대음이온 고분자, 즉 음이온 고분자를 포함하므로, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)의 산화환원 반응 시, 음이온 고분자는 고정되어 이동될 수 없기 때문에, 용액 중에 있는 양이온이 이동하며 전하균형을 맞추게 된다.
예컨대, 양이온 고분자-음이온 고분자를 -[P+]n-[S-]n-로 표시하였을 때, 이러한 전도성 고분자를 포함하는 전극(133, 135)의 산화환원 반응은 아래의 반응식 3 및 반응식 4와 같다.
[반응식 3]
(+) 전극 -[P+]n-[S- C+]n- → -[P+]n-[S-]n- + nC+ + ne-
[반응식 4]
(-) 전극 -[P+]n-[S-]n- + nC+ + ne- → -[P+]n-[S- C+]n-
이와 같이, (-) 전극의 환원 반응 시, 전도성 고분자 매트릭스가 중성이 되면(P+→P), 고정된 음이온 고분자(S-)의 전하균형을 맞추기 위해 용액 중에 존재하는 양이온(C+)이 혼입되어 들어오게 된다.
다시 말해, 도 6 및 반응식 3, 반응식 4를 참조하면, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)의 산화환원 반응 시 음이온 고분자(S-)는 이동되지 않고, 용액 내의 양이온(C+)이 이동하는데, 이러한 양이온은 음전하로 대전된 멤브레인(133)과 인력이 작용하여 쉽게 멤브레인(131)을 통과할 수 있으므로, 산화환원 반응이 빠른 속도로 일어날 수 있다.
즉, 본 전기삼투펌프(132)는 제 1 및 제 2 전극(133, 135)에 전도성 고분자를 전착시키되, 작은 크기의 움직일 수 있는 음이온(small mobile anion)이 아닌 거대 고분자형태의 음이온이 혼입된 전도성 고분자를 전착시킴으로써, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)의 산화환원 시, 거대 고분자형태의 음이온 대신, 용액 중의 작은 양이온을 이동시킨다. 이와 같은 양이온은 음전하를 띠는 멤브레인(133)을 쉽게 통과할 수 있으므로, 제 1 및 제 2 전극(133, 135)의 전기화학 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 유체의 이동이 원활해질 수 있으므로, 효과적이면서도 안정적인 전기삼투펌프(10)를 구현할 수 있다.
이 때, 전도성 고분자는 음이온 고분자를 포함하는 용액에서 단량체의 중합반응을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 음이온 고분자가 존재하는 용액에서 단량체를 산화시키면, 용액 상에 있던 음이온 고분자가 혼입되며 중합반응이 진행되므로, 양이온 고분자-음이온 고분자로 이루어진 고분자 복합체가 합성될 수 있다.
이 때, 전도성 고분자는 전기화학적 산화 또는 산화제를 이용한 화학적 산화 등을 통해 합성될 수 있다.
예를 들어, 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrle), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리타이오닌(polythionine), 및 퀴논 폴리머(quinone polymer), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이 외에도, 전도성 고분자는 전기 전도성을 가지는 다양한 고분자일 수 있다.
예를 들어, 음이온 고분자는 폴리스티렌 설포네이트(polystyrene sulfonate), SPEEK(sulfonated-polyetheretherketone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리비닐포스포네이트(polyvinylphosphonate), 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate), 및 나피온(nafion), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나피온은 폴리테트라플루오르에틸렌[poly(tetrafluoroethylene)]의 골격에 술폰산기를 도입한 고분자이다.
이외에도, 음이온 고분자는 음전하를 띠는 다양한 고분자일 수 있다. 예시적으로, 음이온 고분자는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 등과 같은 중성 고분자와 합성된 복합체 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 예시적으로, 전극(13, 15)은 탄소 나노 구조체를 추가 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄소 나노 구조체는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 탄소 나노입자(carbon nanoparticle), 풀러렌(fullerene), 흑연(graphite) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 인슐린 펌프(130)는 정상범위의 혈당을 유지하기 위해 24시간 동안 일정하게 주입되는 기초주입과 식후 고혈당을 예방하기 위해 식사 전 또는 후에 주입되는 식사주입 두 가지 형태로 사용될 수 있다.
예컨대, 몸무게가 80kg인 제 1 형 당뇨환자의 경우 Fast-acting Novolog insulin 100 U/mL을 사용했을 때, 하루에 필요한 인슐린의 양은 0.8 U/kg/day = 64 U/day = 640 /day이다. 이때 필요한 기초주입양은 약 0.2 U/kg/day = 160 /day 즉 0.1 μL/min의 유속으로 주입해야 하고, 식사주입양은0.6 U/kg/day = 480 /day 즉 160 /meal이다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 전기삼투펌프의 경우 흡입 및 배출을 반복하는 사이클은 거는 전압의 방향을 바꾸면서 가능한데, 이때 거는 전압의 크기뿐 아니라 펄스시간(pulse time)과 펄스 간의 휴지시간(resting time)을 바꿈에 따라 수십 nL/min에서 수십 /min의 다양한 형태의 유속 구현이 가능하다.
예컨대, 5초 펄스(흡입 및 배출이므로 실제로 펌프가 작동하는 시간은 10초)는 1.1 μL 를 펌핑하는데, 이 펌프로 10분에 한번씩 주입하면 1.1 μL/10min = 0.11 μL/min의 유속으로 주입되므로 기초주입이 가능하고, 연속적으로 24분 동안 주입하면 1.1 μL x (60/10) x 24 = 160 μL 로 주입 가능하므로 식사주입으로 구현 가능하다.
Pulse height: 2.5V / Pulse width: 5 sec
Resting time
(sec) 		600 190 85 53 38 22 14 0
Flow rate
(μL/min) 		0.1 0.3 0.7 1.0 1.4 2.1 2.8 6.6
표 1 은 본 발명에 따른 전기삼투펌프에서의 유속범위 조절을 위한 휴지시간의 조절을 설명하기 위한 것이다.
표 1 을 참조하면, 휴지시간을 조절하면 0.1~6.6 μL/min의 유속범위를 구현할 수 있으며 휴지시간 외에도 pulse width, pulse height 등을 조절하여 수십 nL/min에서 수십 /min의 다양한 범위 유속구현이 가능하다. 따라서 전기삼투펌프를 이용하면 넓은 범위의 양으로 인슐린 주입이 가능하게 된다.
상기 전기삼투펌프는 모세관 또는 다공성막의 양단에 전극을 이용하여 전압을 걸었을 때 생기는 전기삼투현상에 의해 유체가 이동하는 것을 이용한 펌프로서 일반 펌프와는 달리 기계적으로 움직이는 부분이 없어 무소음이며, 걸어준 전압에 비례하여 효과적으로 유속을 조절할 수 있는 장점이 있다.
상기 전기삼투펌프의 크기는 멤브레인과 전극의 크기에 따라 다양하게 조절될 수 있고, 유속도 멤브레인의 크기와 인가 전압에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 또한 가역적인 전극반응을 활용하여 배터리 충방전시키는 것처럼 전극활물질 재생이 가능하여 6개월 이상 장기간 구동이 가능하며 두개의 체크밸브를 활용하면 같은 크기의 펌프로 수백 mL의 유체를 오랜 기간에 펌핑 가능하다.
1 : 당뇨환자 관리 시스템 100 : 인슐린 자동 공급장치
110 : 인슐린탱크 130 : 인슐린 펌프
132 : 전기삼투펌프 150 : 센싱 및 투여부

Claims (8)

  1. 인슐린이 저장되는 인슐린 탱크;
    상기 인슐린 탱크에 저장된 인슐린을 공급하기 위한 동력을 제공하는 인슐린 펌프: 및
    체내 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정하고, 상기 인슐린 펌프 및 상기 인슐린 펌프의 제어에 의하여 인슐린을 0.005μL/min 내지 10μL/min의 유속으로 체내에 투여 가능한 센싱 및 투여부;
    를 포함하되,
    상기 센싱 및 투여부는,
    상기 인슐린 펌프와 연결되어 체내에 인슐린을 직접 투여하는 인슐린 튜브; 및
    상기 인슐린 펌프가 양이온의 이동에 의해 제어되도록 상기 인슐린 펌프와 전기적으로 연동하며 상기 인슐린 튜브의 외주면을 감싸도록 다층 형성되어 상기 체내 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트의 농도를 측정하는 센서부;
    를 포함하며,
    상기 센서부는,
    상기 인슐린 튜브의 외주면을 감싸도록 형성되는 제 1 작용전극;
    상기 제 1 작용전극을 외주면을 두르도록 형성되는 제 2 작용전극;
    상기 제 2 작용전극의 외주면을 두르도록 형성되는 하나의 기준전극; 및
    상기 제 1 및 제 2 작용전극의 외주면 일측에 형성되어 각각 체내 포도당 및 체내 베타-히드록시부틸레이트, 또는 체내 베타-히드록시부틸레이트 및 체내 포도당과 산화환원반응을 일으키는 제 1 반응부 및 제 2 반응부;
    를 포함하는 인슐린 자동 공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 작용전극과 상기 제 2작용전극 사이 및, 상기 제 2 작용전극과 상기 기준전극 사이에는 각각 제 1 및 제 2 절연부가 형성되는 인슐린 자동 공급장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 반응부 및 제 2 반응부는,
    각각 포도당 및 베타-히드록시부틸레이트, 또는 베타-히드록시부틸레이트 및 포도당과 산화환원반응을 하는 효소가 포함되는 전도성 막인 인슐린 자동 공급장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인슐린 튜브는 캐뉼라(cannula), 니들(needle) 또는 마이크로 투석 튜브(Microdiatysis Tubing)인 인슐린 자동 공급장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인슐린 펌프는 전기삼투펌프를 포함하고,
    상기 전기삼투펌프는,
    유체의 이동을 허용하는 멤브레인 및
    상기 멤브레인의 양측에 각각 마련되고, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극의 전기화학 반응은 전하균형이 맞추어지는 방향으로 양이온이 이동됨으로써 일어나는 인슐린 자동 공급장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 인슐린 펌프는,
    상기 전기삼투펌프의 적어도 일단에 설치되어 상기 유체와 인슐린을 분리하는 격리재를 포함하는 인슐린 자동 공급장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 인슐린 자동 공급장치; 및
    상기 인슐린 자동 공급장치와 정보를 송수신할 수 있도록 형성되어 외부 단말기;
    를 포함하되,
    상기 인슐린 자동 공급장치는 사용자의 체내 혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 값을 계산하여 상기 외부 단말기에 송신하고, 상기 외부 단말기는 상기 값을 병원의 통신 서버로 송신하여,
    상기 값이 사용자의 상태를 모니터링하기 위한 자료로 이용 가능한 당뇨 환자 관리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부단말기는,
    혈당 및 베타-히드록시부틸레이트의 값을 출력하는 출력부, 및 사용자에게의 인슐린 투입을 조작할 수 있는 조작부를 포함하는 당뇨환자 관리 시스템.
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