KR20190085478A - 하나 이상의 피분석물을 샘플링하는 장치 - Google Patents

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글루코모디쿰 오와이
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Abstract

본 출원은 자기-유체역학 효과를 이용하는 것에 의해 하나 이상의 피분석물을 포함하는 간질액을 진피(101a)로부터 피부 표면(101b)으로 비침습적으로 샘플링하는 장치(100)에 관한 것이다. 장치는 피부 표면에 인접하게 위치되기에 적합한 제1 전극(102a) 및 제2 전극(102b)으로 제1 전극이 거리(103) 만큼 제2 전극으로부터 이격되는 제1 전극 및 제2 전극, 제1 전극, 간질액 및 제2 전극을 통해 전류를 유도하기에 적합한 전원(104) 및 간질액에 자기장을 유도하기에 적합한 하나 이상의 자석(105)을 포함하고, 하나 이상의 자석에 의해 생성되는 자기장의 방향 및 전원에 의해 생성되는 전류의 방향은, 자기장 및 전류에 의해 생성되는 로렌츠 힘이 진피로부터 실질적으로 피부 표면을 향해 간질액을 추진시키기에 적합하도록 되어 있다.

Description

하나 이상의 피분석물을 샘플링하는 장치
본 발명은 하나 이상의 피분석물을 포함하는 유체를 표적으로부터, 특히 간질액을 피부로부터 추출하는 자기-유체역학(MHD: magneto-hydrodynamics) 기반 장치에 관한 것이다.
간질액(IF: interstitial fluid)은 세포들과 순환계 사이에서 예컨대 포도당 및 전해질을 위한 수송 배지의 역할을 하는 수용액이다. 따라서 IF 내의 그리고 혈액 내의 포도당 및 젖산과 같은 각기 다른 용질들의 농도는 실질적인 상관관계를 나타낸다. 이는 의학 진단, 질병 조기 발견, 약리역학 및 스마트 웨어러블 기술을 포함하는 많은 개발 분야들에 관련된 IF의 분석을 가능하게 한다. 또한, 강력한 상업적 및 과학적 이익이 무통의 그리고 비침습적인 IF 샘플링 방법에 대한 연구를 촉진한다.
US2002/0002328A1은 역이온영동(reverse iontophoresis)에 의해 피부를 통해 포도당과 같은 물질들을 샘플링하기 위한 비침습적 IF 장치 및 방법을 개시한다. 장치는 당뇨병이 있는 사람들의 혈당 레벨을 감시하도록 설계된다. 장치는 교체를 고려하지 않으며, 통상의 침습적 혈당 감시에 부가되는 것이다.
WO2010001122A2는 환자의 피부를 통해 하나 이상의 피분석물을 샘플링하기 위한 패치를 개시한다. 패치는 환자의 피부에 인접하게 위치되는 전극층 및 역이온영동에 의해 피부를 통해 피분석물을 인출하도록 전극층을 작동시키기 위한 수단을 포함한다. 패치는 이온영동 과정을 유도하는 도전성 매체를 담는 저장 챔버들을 포함한다. 문서에 따르면, 액체 형태로 된 전해질의 존재가 전극들과 피부 사이의 양호한 도전성을 보장하고, 이는 역이온영동 과정의 효과를 향상시킨다.
비침습적 포도당 감시를 위한 위에서 설명한 현재의 장치들은 삼투 흐름 또는 전기영동의 활용에 기초하고 있다. 이 장치들에서 추출은 전극-피부 계면에서 국부적으로 일어난다. 따라서 제한된 체적의 유체가 추출되어 분석될 수 있는데, 이는 결국 민감한 검출 및 분석 기술을 요구한다.
따라서, 효과와 추출 속도가 개선된, 피부를 통해 피분석물들을 샘플링하기 위한 추가적인 장치들에 대한 필요성이 여전하다.
본 발명은 피부로부터 하나 이상의 피분석물을 샘플링하는 것과 관련된 현재의 문제들 중 적어도 일부가 자기-유체역학(MHD) 현상을 이용하는 것에 의해 해소되거나 혹은 적어도 완화될 수 있다는 관찰에 기초하고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 하나 이상의 피분석물을 포함하는 간질액을 진피로부터 피부 표면으로 비침습적인 방식으로 샘플링하는 장치로,
- 피부 표면에 인접하게 위치되기에 적합한 제1 전극 및 제2 전극으로, 제1 전극이 거리만큼 제2 전극으로부터 이격되는 제1 전극 및 제2 전극,
- 제1 전극, 간질액 및 제2 전극을 통해 전류를 유도하기에 적합한 전원, 및
- 간질액에 자기장을 유도하기에 적합한 하나 이상의 자석을 더 포함하는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 장치에 따르면, 하나 이상의 자석에 의해 생성되는 자기장의 방향 및 전원에 의해 생성되는 전류의 방향은, 자기장 및 전류에 의해 생성되는 로렌츠 힘이 진피로부터 실질적으로 피부 표면을 향해 간질액을 추진시키기에 적합하도록 되어 있다.
본 발명의 장치에 따르면, IF는, 현재 기술에서와 같이 전극-피부 계면에서 국부적으로 뿐만 아니라, 또한 추가 체적의 IF가 이용 가능한 전극들 사이에서도, 피부로부터 샘플링될 수 있다. 또한 MHD는 음극 아래에서 추출 속도를 증가시키는 힘 성분을 부가한다.
본 발명의 추가적인 목적들은 특허청구범위의 종속 청구항들에 기재되어 있다.
구성 및 작동 방법 둘 다에 관한 본 발명의 예시적이고 비제한적인 실시예들은, 추가적인 목적들 및 장점들과 함께, 첨부 도면들을 참조하여 특정한 예시적인 실시예들에 대한 아래의 상세한 설명을 읽으면 가장 잘 이해할 수 있을 것이다.
"포함하는(comprise)" 및 "포함하는(include)"라는 동사는 본 명세서에서 언급되지 않은 피처를 배제하거나 요구하지 않는 열린 제한으로 사용된다. 종속 청구항들에 언급되는 피처들은 달리 명시하지 않는 한 서로 자유롭게 조합될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체를 통해 "하나(a)" 또는 "하나(an)", 즉 단수 형태의 사용이 복수를 배제하는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 피부로부터 포도당(흑색 점들)과 같은 피분석물을 샘플링, 예컨대 추출하기 위한 본 발명에 따른 장치의 원리를 도시하며, 여기서 (+)는 제1 전극을, (-)는 제2 전극을, 점선 화살표는 전류의 방향을, (B)는 자기장을, 상부층은 표피를, 중간층은 진피(dermis)를, 하부층은 하피(hypodermis)를, 백색 화살표들은 로렌츠 힘의 방향으로의 유체 변위를, 흑색 화살표들은 전기영동의 방향을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적이고 비제한적인 장치를 도시한다.
도 3은 예시적이고 비제한적인 전극 형상을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 장치에서 사용하기에 적당한 예시적인 자석 배열체를 도시한다.
도 5는 손목밴드의 형태로 된 본 발명에 따른 비제한적이고 예시적인 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 장치를 이용한(왼쪽의 MHD) 그리고 현재의 장치를 이용한(오른쪽의 전기영동)을 피부 샘플의 처치의 결과를 도시한다.
하나의 실시예에 따르면, 본 발명은 비침습적인 방식으로 IF를 샘플링하기 위한 장치에 관한 것이다. IF는 분석될 하나 이상의 피분석물을 포함한다. 본 발명에 따르면, IF는 MHD 현상을 이용하는 것에 의해 피부로부터 추출된다.
도 1은 본 발명의 작동 원리를 나타낸다. 도면에서, 장치는 피부로부터 IF를 추출하는 역할을 한다. 따라서 전원으로부터 생성된 전류가 한 쌍의 전극들(+ 및 -로 표시됨)과 피부를 통해 확립된다. 자기장(B)이 자석에 의해 생성된다. 중간 피부층(진피)에서의 전류 밀도는 내부 피부층(피하) 또는 외부 피부층(표피)보다 실질적으로 높은데, 이는 진피 내의 고함량의 IF가 낮은 임피던스의 전기 경로를 제공하기 때문이다. 장치가 작동하고 있을 때, 자기장의 방향은, 특히 전극들의 거리 내에서 그리고 전극들의 위치에서, 피부 표면과 실질적으로 직교하고, 그리고 진피로부터 피부 표면으로의 유체 변위의 희망하는 방향과 실질적으로 직교한다. 따라서 자기장 내의 전류-운반 유체는 피부 표면을 향하는 로렌츠 힘을 받는다. 이 힘은 IF를 피부 밖으로 추진시키는 역할을 한다. 유체에 가해지는 추진력은 방정식 F = J x B로 표현되는데, F, J 및 B는 각각 힘, 전류 밀도 및 자기장 벡터이고, x는 외적을 나타낸다. 이 방정식에 기초하면, 로렌츠 힘, 전류 밀도 및 자기장의 벡터들이 전부 서로 직교한다. 또한, 힘 분포는 전류 및 자기장의 분포에 의해 규정된다. 전류 운반 유체 내의 로렌츠 힘의 분포는 모든/전체 전류 경로를 따르는, 즉 전극들 사이의 거리를 따르는 IF의 피부 밖으로의 지향성 추진을 허용한다. 로렌츠 힘 방향으로의 이 유체 변위는 백색의 큰 화살표들로 표시된다. 도면에서 흑색 점들로 표시되는 포도당과 같은 관련 피분석물들을 담고 있는 IF는 전극들 사이의 거리를 따라 그리고 또한 음극 아래에서 추출될 뿐만 아니라, 전기영동(흑색의 작은 화살표들)도 전극-피부 계면을 향하는 유체의 이동을 촉진한다.
본 발명에 따른 예시적인 장치가 도 2에 도시되어 있다. 하나 이상의 피분석물을 포함하는 IF를 따라서 진피(101a)로부터 피부 표면(101b)으로 샘플링하기 위한 장치(100)는,
- 피부 표면에 인접하게 위치되기에 적합한 제1 전극(102a) 및 제2 전극(102b)으로, 제1 전극이 제2 전극으로부터 거리(103) 만큼 이격되어 있는 제1 전극 및 제2 전극,
- 제1 전극, 간질액 및 제2 전극을 통해 전류를 유도하기에 적합한 전원(104), 및
- 간질액에 자기장을 유도하기에 적합한 자석(105)을 포함하며, 자석에 의해 생성되는 자기장의 방향 및 전원에 의해 생성되는 전류의 방향은, 로렌츠 힘이, 특히 거리와 (-) 전극 내에서, 전체 전류 경로를 따라 진피로부터 실질적으로 피부 표면을 향해 간질액을 추진시키도록 되어 있다.
장치가 작동하고 있을 때, 전류는 도 2에서 점선 화살표로 표시된 바와 같이 실질적으로 세 개의 각기 다른 방향들로, 즉 처음에는 제1 전극으로부터 피부를 향해, 특히 IF를 포함하는 진피를 향해, 그런 다음 전극들 사이의 거리 내에서 피부 표면과 실질적으로 평행하게, 그리고 마지막으로 진피로부터 제2 전극(즉 (-) 전극)을 향해, 다시 말해 도 2의 좌표계(199)의 -y, x 및 y방향들로 각각 유동한다. 따라서 전류는 일정 체적의 IF를 제2 전극으로 추진시키는데 기여한다.
피부 내의 전류-운반 IF에 피부 표면을 향하는 로렌츠 힘을 생성하기 위하여, 자석이 실질적으로 좌표계(199)의 z방향인 자기장을 생성해야 한다. 따라서 자기장 및 전류에 의해 생성되는 MHD 효과가 하나 이상의 피분석물을 포함하는 IF를 거리 내에서 그리고 (-) 전극(102b) 아래에서 진피로부터 실질적으로 피부 표면을 향해 추진시킨다. 따라서 IF의 유동 방향은 실질적으로 좌표계(199)의 y방향이다.
예시적인 실시예에 따르면, 물의 전기분해 및 pH 드리프트(pH drift)를 방지하도록 제1 전극 및 제2 전극이 은-염화은(Ag-AgCl) 전극이다. 그러나 다른 불활성 및 비강자성 소재도 또한 적당하다. 예시적인 추가 소재들은 탄소, 금 및 백금이다.
전극들은 각기 다른 소재, 예를 들어 글루코스 산화효소, 탈수소 효소 및 프러시안 블루(Prussian blue)와 같은 효소 및 촉매로 코팅될 수 있다. 또한, 예를 들어 전기 임피던스를 감소시키도록, 전극 코팅을 보호하도록 그리고 추출된 IF 샘플들의 분석을 용이하게 하도록 각기 다른 소재들 또는 소재들의 조합이 전극들과 피부 사이의 계면에 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위해 적당한 소재들은 재생 셀룰로스, 실리콘 및 폴리아미드 모노필라멘트 직물로 만들어진 생체적합성 멤브레인들(즉, 투과성 또는 반투과성)을 포함한다.
계면은 전극들과 피부 사이에서 전기 임피던스를 낮게 유지시키고, 피분석물들의 장치를 향한 운반을 용이하게 하고, 그리고 전기화학적 조건들(예컨대, pH) 및 효소의 활성을 보존하는 역할을 한다. 다른 바람직한 실시예에서, 전극 피부 계면은 투과성 또는 반투과성이고, 도전성이며 그리고 저자극성인 멤브레인이다. 이러한 목적을 위해 적당한 소재들은 재생 셀룰로스, 실리콘 및 폴리아미드 모노필라멘트 직물로 만들어진 생체적합성 멤브레인들(즉, 투과성 또는 반투과성)을 포함한다. 이 멤브레인들은 희망하는 포즈 구조(pose structure)를 유지하는 것을 돕고 그리고 도전성을 증가시키도록 습윤제(즉, 글리콜, 아가로스 겔 및 인산염완충식염수)로 작용하는 제제(agent)로 처리된다. 멤브레인들은 또한 추출 과정에 의해 유동되는 잠재적인 피부 반응을 방지하거나 혹은 감소시키도록 코르티코스테로이드 및 기타 약품과 같은 제제를 함유할 수 있다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 제1 전극(102a)이 양극으로 작용하고 있고, 제2 전극(102b)은 음극으로 작용하고 있다. 전극들의 극성이 뒤집힐 수 있고 그리고 다른 구성 형태들이 가능하다는 것을 이해해야 한다. 제1 전극 및 제2 전극은 바람직하게는 서로 실질적으로 평행하다. 장치는 다수의 제1 전극 및 다수의 제2 전극을 포함할 수 있다. 전극들은 동일하거나 혹은 서로 상이할 수 있다.
제1 전극 및 제2 전극은 접촉면을 포함한다. 접촉면들은 도 2에서 제1 전극 및 제2 전극에 대해 도면 부호 106a 및 106b로 각각 지시되고 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 전극들의 접촉면은 평평하고 원형, 예컨대 디스크 형상, 직사각형, 타원형 또는 피라미드형이다. 다른 실시예에 따르면, 접촉면은 피부 표면의 형상에 맞추어져 있다. 에를 들어, 피부가 손가락 또는 손목이면, 피부와의 기계적 및 전기적 접촉을 최대로 허용하도록 접촉면이 실질적으로 곡선 형상일 수 있다. 피부 표면에 대한 최대한의 부착을 가능하게 하도록 접촉면이 융기부들 및/또는 돌출부들을 포함할 수 있다.
각각의 전극의 접촉면의 면적은 바람직하게는 0.01cm2 내지 9cm2이고 가장 바람직하게는 0.15cm2 내지 1cm2이다. 제1 전극과 제2 전극 사이의 거리는 바람직하게는 1mm 내지 5cm이고 가장 바람직하게는 5mm 내지 3cm이다. 예시적인 실시예에 따르면, 거리는 1cm이다.
하나의 실시예에 따르면, 전극들의 접촉면의 형상은 타원형이고, 타원의 장축이 실질적으로 단축보다 크다. 이는 전극-피부 계면에서의 전류 밀도를 증가시키지 않으면서 진피를 통과하는 전류 밀도를 보다 크게 설정하는 것을 허용한다. 예시적인 전극 형상들이 도 3에 도시되어 있다. 이 도면은 각기 다른 전극 구성 형태들(왼쪽이 제1 전극이고 오른쪽이 제2 전극임)을 예시하는 5개의 경우들을 도시하고 있다. 전극들의 접촉 면적이 동일할지라도, 피부와 같은 목표를 통과하는 전류 밀도는 모든 경우들에서 다를 수 있다. 전극 형상은 피부내의 전류 분포 및 이에 따라 국부적인 전류 밀도를 변경시켜서, 로렌츠 힘 및 IF의 추출 속도를 증가시킬 수 있다. 이러한 이유로, 도 3에 도시된 타원형 전극 형상들이 바람직하다.
전원(104)은 에너지, 즉 전극들을 통해 전달되는 전류의 세기 및/또는 전압을 제한하고 조절하는 직류(DC) 전원 및/또는 교류(AC) 전원일 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 전원은 바람직하게는 10μA 내지 10mA 범위의 그리고 보다 바람직하게는 0.1mA 내지 1mA 범위의 직류 전류를 발생시키는 수단을 제공하는 플로팅 전류원(floating current source)이다. 전극-피부와 같은 목표 계면에서의 전류 밀도는 바람직하게는 10μA/cm2 내지 10mA/cm2 범위의 그리고 보다 바람직하게는 0.1mA/cm2 내지 1mA/cm2 범위이다. 전류원에 의해 제공되는 전압은 바람직하게는 1V 내지 100V이다.
특정 실시예에서, 플로팅 전류원에 의해 확립된 전류는 단극성(단방향) 또는 양극성(예컨대, 양방향 또는 교류) 파형을 나타낸다. 전기 신호의 주파수는 바람직하게는 0.1Hz 내지 100kHz 그리고 보다 바람직하게는 10Hz 내지 10kHz이다. 전기 신호는 진폭 및/또는 주파수 변조될 수 있고, 각기 다른 파형, 예를 들어 사인형(sine), 정방형, 펄스형(예컨대 직사각형), 삼각형 및 톱니형을 가질 수 있다. 또한 신호는 버스트(burst) 및/또는 듀티-사이클(duty-cycle) 변조될 수 있다.
자석(105)은 영구자석 또는 전자석일 수 있다. 자석의 표면에서의 자기장의 세기는 바람직하게는 0.01mT 내지 2T 그리고 가장 바람직하게는 0.1mT 내지 500mT이다. 자석과 전극 사이의 거리는 바람직하게는 5cm 미만, 보다 바람직하게는 3cm 미만 그리고 가장 바람직하게는 1cm 미만이다. 예시적인 실시예에 따르면, 자기장은 장치가 작동 위치에 있을 때 피부 표면으로부터 0.5cm 떨어져 위치되는 네오디뮴 자석에 의해 제공된다. 또한, 장치가 작동 위치에 있을 때, 자기장의 방향은 거리 내에서 피부 표면에 실질적으로 직교하고, 진피로부터 피부 표면으로의 유체 변위의 희망 방향에 실질적으로 직교한다. 결과적으로, 진피 IF는 피부의 표면을 향해 추진된다.
다른 실시예에 따르면, 장치가 다수의 자석을 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 자기장이 자석들 또는 전자석들의 배열체에 의해 제공된다. 예시적인 배열체는 도 4에 도시된 할바흐 배열체(Halbach array)(211)이다. 자석들 중 두 개가 도면 부호 205a 및 205b로 도시되어 있다. 배열체 내의 자석들의 중첩되는 자기장은 조합되어 문자 B로 표시된 하나의 방향으로 작용하는 합성 자기장을 생성한다. 전극들(미도시)은 전기장(E)이 좌표계(299)에 도시된 바와 같도록 배열체 내부에 위치된다. 따라서 IF 추출 방향이 피부 표면을 향하도록 맞추어질 수 있다.
자석들의 배열체를 사용하면 자기장을 특정 방향으로 또는 국부적으로 변조(즉 증강, 감소 또는 상쇄)할 수 있게 된다. 예를 들어, 네오디뮴 자석들로 이루어진 실린더 상으로 되어 있는 원형 할바흐 배열체가 실린더 내로 국한되는 강력한 자기장을 생성하는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 자석들의 배열체는 전극 및 추출 장소를 감싸도록, 예를 들어 링 또는 손목밴드에 위치될 수 있고, 여기서 전극들이 실린더 내부에 배열될 수 있다. 이는 추출 장소에서는 강한 자기장을 갖는 반면 그 외의 장소에서는 약한 자기장을 유지할 수 있게 한다.
하나의 실시예에 따르면, 장치가 저장(예컨대 수집)하기에 적합한 수단(107) 및/또는 피부로부터 추출된 하나 이상의 피분석물을 포함하는 IF를 분석하기에 적합한 수단(108)을 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 저장 수단이 거리(103) 내에 위치되는 하나 이상의 모세관을 포함한다. 하나 이상의 모세관은 바람직하게는 전극들과 동축이고, 모세관들의 하나의 단부가 피부로부터 추출된 IF가 하나 이상의 모세관으로 이동하도록 위치된다. 특정 실시예에 따르면, 하나 이상의 모세관 또는 저장소와 같은, 유체를 저장하기에 적합한 수단은 하나 이상의 피분석물을 분석하기에 적합한 수단(108)으로 유체를 전달하기에도 또한 적합하다. 대안적으로, 수단(108)은 하나 이상의 피분석물로부터 유도되는 하나 이상의 신호를 기록하고 그리고 하나 이상의 신호를 이들을 분석하기에 적합한 수단으로 전송하기에 적합하다. 예시적인 실시예에 따르면, 수단(107) 및/또는 수단(108)이 과산화수소를 형성하기에 적합한 글루코스 산화효소를 포함하는 겔 또는 액체와 같은 매질을 포함하며, 그 농도는 전기화학적으로 그리고/또는 광학적으로 결정된다. 수단들(107, 108)은 바람직하게는 거리 내에 그리고/또는 하나 이상의 전극 아래에 위치된다. 다른 실시예에 따르면, 장치가 간질액을 저장하고 분석하기 위한 수단을 포함한다. 또 다른 실시예에 따르면, 분석 수단이 장치와 분리되어 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 장치가 전극들, 전원 및 자석들 그리고 에너지 저장 수단(예컨대 배터리), IF 저장 수단 및 IF 분석 수단과 같은 장치의 추가 수단을 위치시키기에 적합한 프레임(109)을 포함한다. 제1 전극의 접촉면, 제2 전극의 접촉면 및 바람직하게는 하나 이상의 피분석물을 저장하고 그리고/또는 분석하기에 적합한 수단이 피부 표면과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하기에 적합한 프레임의 표면에 있다.
다른 실시예에 따르면, 장치의 프레임은 그 크기가 포켓 사이즈이다.
예시적인 실시예에 따르면, 본 발명의 MHD 장치는 피부의 투과성을 증가시키기 위해 초음파 천공, 레이저 천공, 전기 천공 및 유압과 같은 다른 접근법들과 조합된다. 피부의 상부층(예컨대 각질층)의 기계적 특성을 일시적으로 또는 영구적으로 파괴하도록 각기 다른 투과성 향상 접근법들이 사용될 수 있다. 이는 IF 추출을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 장치를 이용한 IF 추출 전에 또는 그 동안에 (예컨대 지속적으로 또는 주기적으로) 초음파 천공이 적용될 수 있다. 따라서 본 발명의 장치는 초음파 발생 수단, 레이저 광 발생 수단, 전기 천공 발생 수단, 유압 발생 수단으로부터 선택되는 하나 이상의 수단(110)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 예시적이고 비제한적인 장치9300)가 도 5에 도시된다. 장치의 프레임이 손목밴드(309)의 형태로 되어 있다. 도시된 장치는 피부 표면에 인접하게 위치되기에 적합한 제1 전극(302a) 및 제2 전극(302b)을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극은 거리(303) 만큼 이격되어 있다. 장치는 장치가 작동 위치에 있을 때 제1 전극, 간질액 및 제2 전극을 통해 전류를 유도하기에 적합한 전원(304)을 또한 포함한다. 장치는 IF에 자기장을 유동하기에 적합한 자석(305)도 또한 포함한다. 자기장의 방향 및 전류의 방향은 로렌츠 힘이 진피로부터 실질적으로 피부 표면을 향해 IF를 추진시키기에 적합하도록 되어 있다. 자기장은 또한 도 4에 도시된 자석들의 배열체와 같은 다수의 자석에 의해 생성될 수 있다.
거리 내에서 그리고 음극 아래에서 피부의 전류-운반 IF에 피부 표면을 향하는 로렌츠 힘을 생성하기 위하여, 자석(305)은 실질적으로 좌표계(399)의 z방향인 자기장을 생성해야 한다. 따라서 자석(305) 또는 다수의 자석에 의해 생성되는 자기장 및 전원(304)에 의해 확립되는 전류에 의해 생성되는 MHD 효과는 하나 이상의 피분석물을 포함하는 IF를 진피로부터 실질적으로 피부 표면을 향해 추진시킨다. 따라서 IF의 유동 방향은 실질적으로 좌표계(399)의 y방향이다. 도 5에서의 전원 및 자석의 위치는 단지 예시일 뿐이다.
이 실시예의 장점은 손목밴드가 예를 들어 점착성 재료, 공기압(pneumatic force) 및/또는 기계적 압력을 이용하는 것에 의해 제1 전극 및 제2 전극을 피부와 접촉하게 위치시키는 수단을 제공할 수 있다는 것이다. 도면에 도시된 실시예에 따르면, 영구자석이 간질액 추출의 목표 장소에 가깝게 배열되고, 이에 따라 자기장은 거리 내에서 피부 표면과 실질적으로 직교하고 그리고 진피로부터 피부 표면으로의 유체 방향과 실질적으로 직교한다. 이를 달성하도록, 손목밴드가 집어넣을 수 있는 자석 홀더와 같은 이동 가능한 부분들을 구비할 수 있다. 또한, 손목밴드는 간질액 샘플(도 5에는 도시되지 않음)을 수집하고, 운반하고, 저장하고 그리고/또는 분석하는 수단을 제공할 수 있다. 또한, 예를 들어 터치스크린 디스플레이와 같은 디스플레이(310), 푸쉬 버튼, 및 기계적, 시각적 및/또는 청각적 지시기(예컨대 발광 다이오드, 스피커 및 진동식 알람)를 포함하는 전자식 또는 전기 기계식 사용자 인터페이스를 구비할 수 있다. 또한, 손목밴드는 전자 회로와 같은 데이터를 저장하는 수단 및 데이터를 바람직하게는 무선으로 휴대폰, 태블릿, 컴퓨터 또는 인슐린 펌프와 같은 다른 전자 장치로 전송하는 수단을 구비할 수 있다. 또한 장치는 인터넷에 연결하는 수단을 구비할 수 있다. 손목밴드의 전자 회로는 전극-피부 전기 접촉을 평가하도록 피부에 인가되는 전류 및/또는 전압을 감시하는 역할을 할 수 있다. 전자 회로의 작동에 필요한 에너지는 예를 들어 손목밴드에 적합한 충전식 배터리에 의해 제공될 수 있다. 본 발명의 하나의 특정 실시예에서, 손목밴드는 간질액 샘플을 수집하도록 유기 또는 무기 재료(예컨대, 폴리플루오카본, 폴리에틸렌, 폴리연화비닐 및 붕규산유리)로 만들어지는 하나 이상의 모세관을 포함한다. 모세관들의 팁은 추출 장소 가까이에 또는 추출 장소와 접촉되게 배열된다. 예를 들어, 팁들은 전극 틈새에 배열될 수 있고 그리고/또는 제1 전극 및/또는 제2 전극에 통합될 수 있다. 추출된 IF 샘플들 또는 IF 샘플들 내의 화합물들을 수집하는 다른 적당한 요소들은 전기적으로 그리고/또는 자기적으로 대전된 재료, 친수성 및/또는 소수성 재료, 및 흡수성 재료를 포함한다. 본 발명의 다른 특정 실시예에서, 전극들이 IF 샘플의 하나 이상의 구성 성분과 (예컨대, 화학적으로 또는 물리적으로) 반응하거나 혹은 결합하는 물질 또는 혼합물로 코팅된다. 예시적인 전극 코팅은 히드로겔 및 폴리머겔과 같은 겔을 포함하며, 겔은 효소, 예를 들어 글루코스 산화효소와 같은 시약을 더 함유할 수 있다. 전극 코팅은 간질액의 샘플 또는 샘플의 특정 성분들을 수집하고 그리고 추가적인 샘플 분석, 예를 들어 현재 기술 또는 미래에 개발될 기술을 적용하는 것에 의해 IF 샘플 내의 포도당, 젖산 또는 기타 성분들의 함량을 측정하는 것을 허용하는 역할을 한다. 또한, 인간들에 있어서, 본 발명은 또한 머리, 귓불, 눈, 목, 코, 입, 가슴, 복부, 팔, 팔뚝, 다리, 손가락(예컨대 반지의 경우), 발 및 발가락을 포함하는 (그러나 이에 한정되지는 않는) 신체의 다른 부분들에서 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 인간 및 동물을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 임의의 살아있는 또는 죽은 생물 기관(예컨대, 귀, 다리, 또는 개나 토끼의 꼬리)에서 사용될 수 있다.
본 발명의 장치는 MHD 현상을 이용하는 것에 의해 피부로부터 인출될 수 있는 하나 이상의 피분석물을 샘플링하기에 적합하다. 예시적이고 비제한적인 피분석물은 아미노산, 당, 지방산, 조효소, 호르몬, 신경전달물질, 젖산 및 약물을 포함한다. 특정 피분석물은 포도당이다. 다른 특정 피분석물은 젖산이다.
예
예 1
진피 IF를 추출하는 본 발명에 따른 장치의 효과가 전기영동법과 비교되었다.
인접 조직으로부터 절개된 죽은 돼지의 복부 피부 샘플들(3cm x 3cm)이 1) 본 발명에 따른 장치 및 2) 본 발명에서 자기장을 누락한 장치로 처리되었다. 따라서 실험 1) 및 실험 2)에서, 샘플링은 MHD 및 전기영동에 의해 각각 수행되었다.
두 실험들은 동시에 실행되었고 동일한 파라미터화 및 전극 구성 형태를 적용했다. 각각의 경우에서, 제1 전극 및 제2 전극은 그래파이트로 만들어졌다. 모든 전극들의 접촉면은 평평하고 둥글었다(직경=7mm). 두 처리들에서 연속으로 0.4mA 직류 전류를 확립하는 데 단일 전류원이 사용되었다. 전극-피부 계면에서 추정된 전류 밀도는 1mA/cm2이었다. 두 실험 모두에서 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격은 1cm였다. 본 발명에 따른 장치에 대해서만, 표면에 0.8T의 자기장을 갖는 네오디뮴 영구 자석이 추출 장소로부터 1cm의 거리에 배열되었다. 자석은 거리 내에서 피부 표면에 실질적으로 직교하고 그리고 진피로부터 피부 표면으로의 유체 변위의 희망하는 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 자기장이 확립되는 방식으로 배열되었다. 결과적으로, 로렌츠 힘이 피부 내의 전류-운반 유체 내에서 피부 표면을 향해 발생되었다. 노출로부터 처리까지의 시간(exposure-to-treatment time)이 1시간일 때 두 방법들에 의해 추출되는 진피 IF의 체적 차이가 명백하게 드러났다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치로 추출된 유체는, 육안으로 볼 수 있으며, 육안으로 구별하기에는 충분히 크지 않은 전기영동에 의해 추출된 유체의 체적보다 실질적으로 더 큰 체적을 갖는 액적(도 6의 왼쪽에서 화살표로 표시됨)을 형성한다. 추출된 유체가 증발되는 것을 고려하면, 본 발명에 따른 장치로 처리된 샘플에서 관찰되는 유체의 축적이 이 방법이 전기영동법보다 실질적으로 보다 신속하다는 것을 나타내는 강력한 지표이다.
예 2
간질액 및 혈액 내의 포도당 농도가 건강한 성인 그룹(n=11)에서 본 발명에 따른 장치를 이용하여 그리고 통상의 손가락 끝을 찌르는 장치를 이용하여 측정되었다.
각각의 측정에 대해, 간질액 및 혈액 샘플 쌍이 본 발명에 따른 장치 또는 통상의 손가락 끝을 찌르는 장치(CareSensTMN; model GM505PAD, iSENSm inc, Seoul, Korea)를 각각 이용하여 동시에 얻어졌다. 간질액 샘플 내의 포도당 농도는 통상의 분석 키트(AB5333, Abcam Cambridge, UK)를 이용하여 측정되었다. 결과는 간질액 및 혈액의 샘플들 내의 포도당 농도 사이에 직접적인 관계를 나타냈다. 결과는 본 발명에 따른 장치로 추출된 샘플들 내의 포도당 농도가 혈당을 추정하는 데 사용될 수 있음을 보여준다. 또한, 추출 과정에 의해 어떠한 통증, 피부 반응 또는 명백한 샘플 파괴도 유도되지 않았다.
간질액 내의 포도당 농도는 혈액 내의 포도당 농도와 상관관계가 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 간질액 샘플 내의 포도당 농도가 측정되고 나면, 수학적 알고리즘 또는 수학적 모델이 대응하는 혈당 수준을 추정하는 데 사용될 수 있다. 수학적 알고리즘은 산술 연산, 통계 함수 및 심지어 인공지능 알고리즘으로 이루어질 수 있다.
추가 실시예들은 아래에 숫자 매긴 조목들에 개시된다.
1. 하나 이상의 피분석물을 포함하는 간질액을 진피로부터 피부 표면으로 샘플링하는 방법으로,
- 제1 전극 및 제2 전극을 피부 표면에 인접하게 위치시키는 단계,
- 제1 전극, 간질액 및 제2 전극을 통해 전류를 유도하는 단계, 및
- 하나 이상의 피분석물을 포함하는 간질액에 자기장을 유도하는 단계를 포함하며,
자기장 및 전류의 방향은, 로렌츠 힘이 간질액을 진피로부터 실질적으로 피부 표면을 향해 추진시키도록 된 방법.
2. 조항 1에 있어서, 피부 표면을 초음파, 레이저 광, 유압, 전기장 중 하나 이상으로 처리하는 단계를 포함하는 방법.
3. 조항 1 또는 조항 2에 있어서, 피부로부터 샘플링된 하나 이상의 피분석물을 포함하는 간질액을 저장하고 그리고/또는 수집하는 단계를 포함하는 방법.
4. 조항 1 또는 조항 2에 있어서, 피부로부터 인출된 하나 이상의 피분석물을 포함하는 간질액을 하나 이상의 피분석물이 분석되는 위치로 운반하는 단계를 포함하는 방법.
5. 조항 1 내지 조항 4 중 어느 한 조항에 있어서, 하나 이상의 피분석물이 아미노산, 당, 지방산, 조효소, 호르몬, 신경전달물질, 젖산 및 약물을 포함하는 방법.
6. 조항 1 내지 조항 5 중 어느 한 조항에 있어서, 피분석물이 포도당, 단백질 및/또는 젖산인 방법.
7. 조항 1 내지 조항 6 중 어느 한 조항에 있어서, 방법이 하나 이상의 피분석물을 분석하는 단계를 더 포함하는 방법.
상술한 상세한 설명에서 제공된 특정 예들은 특허청구범위의 범위 및/또는 적용성을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (17)

  1. 하나 이상의 피분석물을 포함하는 간질액을 진피(101a)로부터 피부 표면(101b)으로 샘플링하는 장치(100, 300)로,
    - 피부 표면에 인접하게 위치되기에 적합한 제1 전극(102a, 302a) 및 제2 전극(102b, 302b)으로, 제1 전극이 거리(103, 303) 만큼 제2 전극으로부터 이격되는 제1 전극 및 제2 전극,
    - 제1 전극, 간질액 및 제2 전극을 통해 전류를 유도하기에 적합한 전원(104, 304)을 포함하는 장치에 있어서,
    - 간질액에 자기장을 유도하기에 적합한 하나 이상의 자석(105, 205a, 205b, 305)을 더 포함하고, 하나 이상의 자석에 의해 생성되는 자기장의 방향 및 전원에 의해 생성되는 전류의 방향은, 자기장 및 전류에 의해 생성되는 로렌츠 힘이 진피로부터 실질적으로 피부 표면을 향해 간질액을 추진시키기에 적합하도록 된 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    장치가 하나의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    장치가 다수의 자석(205a, 205b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 청구항에 있어서,
    장치가 작동 위치에 있을 때, 거리, 제1 전극 및 제2 전극 내에서, 자기장이 실질적으로 z방향이기에 적합하고, 전기장이 실질적으로 x방향이기에 적합하며, 그리고 피부 표면은 좌표계(199, 399)의 y방향에 실질적으로 직교하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 청구항에 있어서,
    제1 전극, 제2 전극, 전원 및 하나 이상의 자석을 위치시키기에 적합한 프레임(109, 309)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항에 있어서,
    제1 전극 및 제2 전극이 장치가 작동 위치에 있을 때 피부 표면에 실질적으로 직교하기에 적합한 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 청구항에 있어서,
    거리가 1mm 내지 5cm, 바람직하게는 5mm 내지 3cm인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항에 있어서,
    장치가 진피로부터 샘플링된 하나 이상의 피분석물을 수집하고 그리고/또는 저장하는 수단(107)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 청구항에 있어서,
    장치가 하나 이상의 피분석물을 분석하는 수단(108)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 청구항에 있어서,
    제1 전극의 접촉면(106a) 및/또는 제2 전극의 접촉면(106b)이 타원형인 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 청구항에 있어서,
    제1 전극의 접촉면(106a) 및/또는 제2 전극의 접촉면(106b)이 융기부들 및/또는 돌출부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 청구항 5에 있어서,
    프레임이 손목밴드, 반지의 형태로 된 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    프레임이 손목밴드의 형태이며, 손목밴드가 사용자 인터페이스, 데이터를 저장하기에 적합한 수단, 데이터를 전송 및 수신하기에 적합한 수단, 에너지를 전원에 제공하기에 적합한 수단 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 청구항에 있어서,
    수단(110)이 초음파 발생 수단, 레이저 광 발생 수단, 전기 천공 발생 수단 및 유압 발생 수단 중 하나 이상으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 청구항 5, 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 프레임이 피부와 접촉되도록 위치되기에 적합한 점착성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 청구항에 있어서,
    제1 전극 및/또는 제2 전극이 하나 이상의 효소 및/또는 하나 이상의 촉매로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 청구항에 있어서,
    장치가 제1 전극과 피부 사이 그리고 제2 전극과 피부 사이에 위치되기에 적합한 멤브레인 및/또는 도전성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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