KR20180000092A - 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템 - Google Patents

마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템 Download PDF

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KR20180000092A
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Abstract

본 발명은 마이크로 장기 및 마이크로로봇을 이용하여 인간 또는 동물의 생체를 모사하는 체외 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템은 생체 장기 모델을 구성하는 마이크로 장기를 연결하는 네트워크 및 네트워크 내에 투입되어 약물 또는 세포 전달을 수행하는 마이크로로봇을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템{BIOMIMETIC SYSTEM BASED ON MICRO-ORGAN AND MICOROBOT}
본 발명은 마이크로 장기 및 마이크로로봇을 이용하여 생체를 모사하는 체외 시스템에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 마이크로로봇은 의료용으로 개발되어 혈관 내부, 뇌조직, 안구 등의 국소부위에 대한 진단, 치료 및 수술을 위해 이용된다.
그런데 이러한 마이크로로봇의 치료 효과 연구를 위한 생체 모사 체외 시스템이 전무한 상황으로, 실제 생체 내에서 마이크로로봇의 치료 적용 및 구현이 지체되고 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 마이크로로봇을 생체 모사 시스템에 집적하여 세포 또는 약물을 이용한 체내 목적 지향형 치료 개발을 위한 생체 모사 시스템을 구현함으로써, 체내 국소부위 약물 또는 세포 전달에 따른 효과를 모델링 및 테스트하고, 마이크로 인공 장기의 위치를 정밀하고 선택적으로 제어하는 것이 가능한 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일면에 따른 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템은 생체 장기 모델을 구성하는 마이크로 장기를 연결하는 네트워크 및 네트워크 내에 투입되어 약물 또는 세포 전달을 수행하는 마이크로로봇을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템은 생체 장기 모델 내의 유체 채널을 형성하는 네트워크 및 지지체 사이에 다수 개의 간극이 형성되어, 그 내부에 배양된 세포를 포함하고, 네트워크 내에 투입되어 외부 자기장에 의하여 이동하여, 기설정 위치에 로딩되어 마이크로 장기를 형성하는 마이크로로봇을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템은 마이크로로봇에 의한 치료 연구를 위한 생체 모사 시스템을 제공함으로써, 생체 모사 시스템 내에서 상호 연결된 여러 신체 장기 모델들의 네트워크 내에서 체내 국소부위 약물 또는 세포 전달을 수행함으로써, 그 효과를 테스트 및 모니터링하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따르면 외부에서 인가되는 자기장에 의하여 마이크로로봇이 이동되어, 미세 조직을 인공 장기 챔버로 인도시키기 위한 추가적인 입구 및 채널의 구현이 불필요하고, 3차원 배양된 세포를 포함하여 다양한 인공 장기를 구성하는 마이크로로봇의 위치를 정밀 제어하여 목표하는 위치에 정확히 로딩하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로로봇, 생체 모사 시스템 및 마이크로로봇을 제어하는 자기장을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 장기를 형성하는 마이크로로봇 및 회전 자기장을 통한 네트워크 내에서의 마이크로로봇의 이동 및 배치를 나타내는 개념도이다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 당업자의 이해를 돕기 위하여 종래 기술의 문제점에 대하여 살펴보기로 한다.
우선, 종래 기술에 따른 2차원 단층 세포 배양 기술은 세포 및 조직들이 실제 생체 내에서 갖는 3차원 구조적 환경을 제대로 반영하지 못하는 한계점을 가지고 있고, 이로 인해 동물 또는 임상실험과는 상당히 다른 결과를 나타내고 있다.
또한, 종래 기술에 따른 신약 개발은 그 후보들 중 대략 10% 정도만이 임상 사용 허가에 성공하며, 항암제의 경우는 성공률이 더욱 낮은 5%로 떨어지는 실정으로, 신약 개발을 위한 시스템 효율성이 높아져야 할 필요가 있다.
새로운 의약품 후보 물질이 세포 및 동물 실험을 통과하더라도 임상 실험에서의 성공률은 10% 이하로 매우 낮은 바, 신약 후보 물질의 임상 실험 결과 예측성을 향상시키고, 신약 물질 개발의 효율성을 극대화하며, 동물 실험에 대한 윤리적인 문제를 해결하기 위하여 인간 신체 모사 시스템에서의 테스트가 필요한 실정이다.
그런데, 종래 기술에 따른 인간 신체 모사 시스템 칩 제작을 위해서는 유체 흐름을 위한 인렛(inlet) 및 아울렛(outlet) 이외에도 미세 조직을 인공 장기 챔버까지 인도하기 위하여 추가적인 입구 및 채널을 구현하여야 하는 바, 공정의 복잡성이 야기되고 다양한 마이크로 인공 장기의 위치에 대한 정밀 제어가 어려운 문제점이 있으며, 이는 한번에 여러 시스템을 구성 및 실행하는 대용량처리가 어렵게 되어 병목 단계로 이어지는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 이하에서는 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 장기(organ) 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템(10)을 설명하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 장기(organ) 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템(10)은 생체 장기 모델을 구성하는 마이크로 장기(200)를 연결하는 네트워크(300) 및 네트워크(300) 내에 투입되어 약물 또는 세포 전달을 수행하는 마이크로로봇(100)을 포함하여 구성된다.
도 1의 (a) 및 (c)에 도시한 바와 같이, 마이크로로봇(100)은 생체 지지형(scaffold type, 100a) 또는 캡슐형(capsule type, 100b)으로 구성된다.
생체 지지형 마이크로로봇(100a)은 3차원 입체 구조의 다공성 생체 지지체(bio-scaffold)로서, 육면체형, 원통형, 타원구형, 다면체형 또는 원뿔형으로 구성되는 것이 가능하며, 생체 지지형 마이크로로봇의 형상은 그 외에도 다양한 형상으로 구성됨이 가능함은 물론이다.
또한 일례로서, 이러한 생체 지지형 마이크로로봇(100a)은 광경화 폴리머를 이용하여 리소그래피 방식으로 제조됨에 따라, 생체 모사 시스템의 네트워크(300) 내에서 세포 또는 약물 전달이 용이한 마이크로 크기의 3차원 구조 다공성 생체 지지형 마이크로로봇으로 구성됨이 바람직하다.
생체 지지형 또는 캡슐형으로 구비되는 마이크로로봇(100)은 약물 또는 세포를 선적하고, 자기장 코일 시스템(400)에 의하여 외부로부터 인가되는 자기장에 의하여 네트워크(300) 내에서 목표된 마이크로 장기로 정확하게 이동되어, 약물 또는 세포를 방출하게 된다.
이 때, 자기장 코일 시스템(400)은 칩(chip)의 인공 마이크로 장기 및 마이크로로봇(100)의 수에 따라 여러 개의 자기장 코일 시스템(400)으로서 구비되는 것이 가능하며, 그 크기 및 그로 인한 마이크로로봇(100)의 동작 범위는 선택적으로 적용되는 것이 가능하다.
도 1의 (b)에 도시한 마이크로 장기는 종양(200a), 간(200b), 뇌(200c), 심장(200d) 등으로 구성되며, 도 1의 (b) 및 (c)에 도시한 바와 같이, 네트워크 내(300)에서 마이크로로봇(100)은 그 형상에 따라 기설정된 자기장 기울기(magnetic field gradient) 또는 회전 자기장(rotating magnetic field)에 의하여 선적한 세포 또는 약물을 방출하게 된다.
자기장 코일 시스템(400)의 자기장 제어를 통해, 마이크로로봇(100)을 마이크로 장기까지 이동 시킨 후 세포 및 약물을 방출하는 것은 다양한 방식으로 수행되는 것이 가능한데, 본 발명의 실시예를 서술함에 있어서는 당업자의 이해를 돕기 위하여 생체 지지형 및 캡슐형을 그 예로 들고 있으나, 세포 및 약물을 전달 또는 방출 방식에 있어서 마이크로로봇(100)의 형상 및 특정 방식에 의하여 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 캡슐형 마이크로로봇(100b)은 그 일단에 나사산이 형성되어 있어, 회전 자기장에 의하여 캡슐 내에 저장된 세포 또는 약물이 방출되어 국소 부위로 전달된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로로봇(100)은 일례로서, Non-bio-degradable 재료로 구성되는 것이 가능한데, 이 경우 지지체를 형성한 후 그 표면에 대하여 자성을 부여하기 위하여 니켈 등을 코팅하고, 생체 적합성(Bio-compatibility)을 위해 티타늄 등이 코팅된다.
마이크로로봇(100)은 다른 예로서, Bio-degradable 재료로 구성되는 것이 가능한데, 이 경우 생체 내에서 원활한 생분해를 위해 표면에 코팅이 수행되지 않고, Bio-degradable한 Fe3O4 나노 입자를 생분해성 재료와 함께 섞어, 마이크로봇 지지체를 구성한다.
전술한 자성 재료는 일정 세기의 자성을 띄며, 부식성이 크지 않은 금속으로 구비되는 것이 바람직하며, 그 예로서 전술한 재료 외에 철, 코발트 또는 네오디뮴 등의 단독 또는 혼합 형태인 것이 가능하며, 마이크로로봇(100)의 외주면 전체 또는 일부에 코팅되는 것 역시 가능하다.
마이크로로봇이 생체 지지형인 경우(100a), 그 구성은 내부에 상호 간격을 두어 형성되는 지지체를 구비하게 되는 바, 다수 개의 간극이 형성되며 이러한 간극을 통해 내부 공간에는 세포가 3차원 배양되거나 약물이 저장된다.
또한 마이크로로봇이 캡슐형인 경우(100b), 캡(Cap)과 추력부(Plunger)로 구성되는 바, 회전 자기장(Rotating magnetic field)의 방향에 따라 세포 및 약물의 선적 및 방출이 가능하며, 마이크로로봇을 목적지까지 이동하는 과정에서 손실을 줄이기 위하여 봉인하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로로봇(100)은 생체 적합성 재료로 구비되는 보호층에 의하여 코팅되는 것이 가능하며, 이러한 생체 적합성 재료는 예를 들어 티타늄, 의료용 스테인리스 스틸, 알루미나 또는 금 등의 단독 또는 혼합 형태인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 생체 모사 시스템(10) 내에서 상호 연결된 인공 장기 모델들 간의 네트워크(300)에 마이크로로봇(100)이 투입되어, 외부로부터 인가되는 자기장에 의하여 체내 국소부위에 대한 세포 또는 약물 전달이 용이하게 수행되는 바, 그 효과를 모델링 및 테스트하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구형 마이크로로봇을 이용한 마이크로 장기 형성 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템을 설명하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 장기(organ) 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템은 마이크로로봇 지지체(100c) 사이에 다수 개의 간극이 형성되어, 그 내부에 목표하는 장기와 관련된 세포(100e)를 포함하여 마이크로 장기를 형성하고, 네트워크(300) 내에 투입되어 외부 자기장에 의하여 이동하여, 기설정 위치에 로딩되어 마이크로 장기 네트워크를 형성하는 마이크로로봇(100d)을 포함하여 구성된다.
도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 마이크로로봇(100d)은 구 형상 지지체(100c)를 포함하고, 지지체 사이에 형성된 간극 내에 세포(100e)를 구비하여 3차원으로 세포를 배양하게 된다.
도 2의 (b) 및 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 장기로봇(100d)을 간 인공장기(200b)로 형성함을 나타내는 개념도이다.
마이크로로봇(100d)의 지지체(100c)는 그 일부 또는 전체가 자성층으로 코팅되어, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이 회전 자기장인 외부 자기장에 의하여 구름 이동하여, 간에 해당하는 마이크로 장기(200b)로 형성되도록, 목표된 기설정 위치에 배치된다.
생체 모사 시스템을 칩 상에 구현함에 있어서 필요한 마이크로 인공 장기들을 마이크로로봇을 이용하여 구현함으로써, 자기장 코일 시스템을 통해 외부로부터 인가되는 자기장을 통해 이를 목표한 위치에 정밀 배치하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 생체 모사 시스템 칩 제작을 위하여 미세 조직을 인공 장기 챔버까지 인도하는 별도의 입구 및 채널을 구현하지 아니하고도, 마이크로로봇(100d)의 자성 및 회전 자기장의 상호 작용에 의하여 마이크로로봇(100d)을 회전시킴으로써, 구름 이동을 통해 기설정 위치에 마이크로 장기(200b)를 정확히 개별적으로 로딩(loading)시키거나 또는 다수의 마이크로 장기를 함께 로딩(loading)시키는 것이 가능하다.
이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템
100: 마이크로로봇 200: 마이크로 장기
300: 네트워크 400: 자기장 코일 시스템

Claims (11)

  1. 생체 장기 모델을 구성하는 마이크로 장기를 연결하는 네트워크; 및
    상기 네트워크 내에 투입되어 약물 또는 세포 전달을 수행하는 마이크로로봇
    을 포함하는 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로로봇은 외부에서 인가되는 자기장에 의하여 상기 네트워크 내에서 체내 국소 부위에 대한 약물 또는 세포 전달을 수행하는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로로봇은 그 형상에 따라 인가되는 자기장 기울기 또는 회전 자기장에 의하여 상기 약물 또는 세포 전달을 수행하는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로로봇은 생체 내에서 자연적으로 분해되는 생분해성 재료와 자성 재료가 합성되어 형성되는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로로봇은 자성 재료 및 생체적합성 재료에 의하여 코팅되는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로로봇은 생체 지지형 또는 캡슐형으로 제작되어, 약물 또는 세포를 선적 및 방출하는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 생체 지지형으로 제작되는 마이크로로봇은 다수 개의 간극을 구비하고, 그 내부 공간에 3차원 배양 세포 또는 약물을 저장하는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  8. 생체 장기 모델 내의 유체 채널을 형성하는 네트워크; 및
    지지체 사이에 다수 개의 간극이 형성되어, 그 내부에 목표하는 장기와 관련된 세포를 포함하여 마이크로 장기를 형성하고, 상기 네트워크 내에 투입되어 외부 자기장에 의하여 이동하여, 기설정 위치에 로딩되어 마이크로 장기 네트워크를 형성하는 마이크로로봇
    을 포함하는 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마이크로로봇은 구 형상 지지체를 포함하고, 상기 지지체 사이에 형성된 간극 내에 세포를 구비하여 3차원으로 세포를 배양하는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 마이크로로봇의 지지체는 그 일부 또는 전체가 자성층으로 코팅되어, 회전 자기장인 상기 외부 자기장에 의하여 구름 이동하여 상기 마이크로 장기가 형성되도록 기설정된 위치에 배치되는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로로봇은 자성층 외면에 생체적합성 재료로 이루어지는 보호층을 포함하는 것
    인 마이크로 장기 및 마이크로로봇 기반 생체 모사 시스템.
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