KR20220064516A - 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇 - Google Patents

초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇 Download PDF

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KR20220064516A
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ultraviolet
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최홍수
오운택
김진영
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

세포 사멸이 가능한 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇은, 마이크로 자성 입자를 포함하고 고분자 재질로 형성되는 바디, 및 상기 바디 표면에 구비되어서, 외부에서 인가되는 외부 자극에 의해서 활성산소종을 발생시키는 산화타이타늄 입자를 포함하는 코팅층을 포함하여 구성된다.

Description

초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇{MICRO ROBOT WITH TiO2 FOR ULTRASOUND AND ULTRAVIOLET-BASED CELL THERAPY}
이하의 설명은 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇에 관한 것이다.
약물 전달 시스템(DDS, Drug Delivery System)은 기존 의약품의 부작용을 최소화하고 효능 및 효과를 극대화하기 위하여 필요한 양의 약물을 효율적으로 전달할 수 있도록 설계된 시스템이다. 약물 전달 방식은 전달 경로, 약물의 종류 및 전달 기술의 형태에 따라 구분될 수 있다. 예를 들어, 1960년대에는 주사 및 주입하는 방식, 1970년대에는 좌약식, 1980년대에는 비강 및 구강으로 투여하는 방식, 1990년대에는 피부, 폐 및 구강으로 직접 전달하는 방식 등이 개발되었다. 약물 전달 시스템은 새로운 신약 개발에 필요한 기간과 비용을 줄일 수 있고, 성공 확률도 매우 높기 때문에 1970년대부터 선진국들로부터 첨단기술로 활발히 연구하고 있는 분야이며, 국내에서는 1990년대부터 본격적인 연구가 시작되었다.
약물 전달 시스템에는 지속성 약물 방출 시스템, 제어 방출 시스템, 표적 지향적 약물 전달 시스템이 있다. 지속성 약물 방출 시스템은 생체이용률이 낮거나 약물이 너무 서서히 흡수되거나 지나치게 빨리 체외로 소실되는 것을 방지하고자 약물의 방출 속도를 늦추고자 설계된 제형이다. 제어 방출 시스템은 표적부위의 농도(주로 혈장)를 제어함으로써 실제의 치료효과를 조절하는 것을 목적으로 하는 방식으로, 지속성 약물 방출 시스템과 같이 약물 전달 시간을 연장할 뿐만 아니라 약물 방출 속도의 재현 및 예측이 가능한 시스템이다. 표적 지향적 약물 전달 시스템은 암세포에 영향을 미치는 화학요법제의 사용 시 정상세포에 대해서도 강한 독성을 나타내므로 암세포에만 선택적으로 약물을 전달하도록 약물의 불필요한 분포를 억제하여 비표적 부위를 보호하고 표적 부위로만 약물을 전달하는 방법이다.
표적 지향형 시스템에는 나노 또는 마이크로 로봇을 이용하여 표적 부위에 약물을 전달하는 방법이 있다. 현재 마이크로/나노 기술을 기반으로 하는 마이크로/나노 로봇을 의료 분야에 활용하기 위한 기초 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 항암제는 대규모의 시장 형성이 예상되는 분야이며, 기존의 항암제를 이용한 암치료법은 낮은 지향성능 등으로 비선택적 독성 및 관련 부작용 등의 문제점을 내포하고 있으므로, 기존 의약품의 부작용을 최소화하고 효능을 극대화할 수 있는 마이크로/나노 기술을 활용한 약물 전달 시스템(DDS, Drug Delivery System)에 대한 연구와 제품화에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한, 생체적합성 고분자 기반 나노 입자는 최근 수십 년 동안 대표적인 표적화 약물 전달 플랫폼으로서 개발되어 왔으며, 약물 가용화 향상, 약물 손실 방지 및 함유량 개선, 표적 전달능력 향상, 작용부위에서의 방출 특성 개선 등의 목적으로 다양한 연구가 진행되어 왔다.
최근에는 생체 내 다양한 환경(pH, 산화환원 반응, 온도, 자기장, 빛 등)에 반응하여 약물을 방출하는 다양한 형태의 지능형 나노 입자 제형을 개발함으로써 인비트로(in-vitro) 또는 인비보(in-vivo) 상에서의 약물 전달 성능을 개선하고 항암제의 효과를 높이고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
실시예의 목적은, 타겟에서 활성산소종을 발생시켜서 세포 사멸을 가능하게 하는 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇을 제공하는 것이다.
실시예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예에 따른 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇에 대해서 설명한다.
초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇은, 마이크로 자성 입자를 포함하고 고분자 재질로 형성되는 바디, 및 상기 바디 표면에 구비되어서, 외부에서 인가되는 외부 자극에 의해서 활성산소종을 발생시키는 산화타이타늄 입자를 포함하는 코팅층을 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 외부 자극은 초음파 또는 자외선을 포함한다.
일 측에 따르면, 상기 바디는 생체적합성을 갖는 친수성 고분자를 포함한다.
일 측에 따르면, 상기 코팅층은 상기 바디 표면에 증착된다.
일 측에 따르면, 상기 바디는 구형, 3차원 스페로이드, 3차원 바늘형, 다면체, 중공의 다면체, 원통형, 중공의 원통형, 원추형, 중공의 원추형 등 다양한 구조를 가질 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 자성 입자는 외부에서 인가되는 자기장에 의해서 체내에서 3차원으로 위치 제어가 가능하고, 타겟까지 무선으로 이동 가능하다. 그리고 상기 외부 자극은 상기 바디가 상기 타겟에 도달한 후 인가됨에 따라 상기 코팅층에서 활성산소종이 발생하여 상기 타겟에 대해 세포 사멸이 수행된다.
실시예들에 따르면, 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇은 산화 타이타늄 입자를 포함하고 있으므로, 타겟에 대해서 외부에서 인가되는 외부 자극에 의해서 활성산소종이 발생되어 세포를 사멸시킬 수 있으므로, 염증, 조직 사망 등의 부가적인 효과를 일으키는 세포 괴사와는 다르며 실제적인 임상치료에 유리하다.
실시예에 따른 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇의 사시도이다.
도 2는 도 1의 마이크로 로봇의 동작을 설명하는 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇(10)에 대해서 설명한다. 참고적으로, 도 1은 일 실시예에 따른 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇(10)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 마이크로 로봇(10)의 동작을 설명하는 도면이다.
여기서, "마이크로 로봇"이라 함은, 의료용으로 사용되는 초소형 로봇을 의미하며, 마이크로 사이즈로 한정되지 않고, 나노 사이즈 또는 그보다 더 작은 사이즈의 로봇을 포함한다.
마이크로 로봇(10)은 자성 입자(111)를 포함하고 고분자 재질로 형성되는 바디(11)와, 산화타이타늄 입자(121)를 포함하여 형성되는 코팅층(12)을 포함하여 구성된다.
바디(11)는 생체적합성을 갖는 친수성 고분자 재질로 형성되며, 예를 들어, 카르복시메틸 덱스트란을 포함하는 고분자 재질로 형성될 수 있다.
또한, 바디(11)는 3차원 다공성 구조를 갖는다. 예를 들어, 바디(11)는 나선형, 구형, 3차원 스페로이드, 3차원 바늘형, 직육면체 등의 다면체, 중공의 다면체, 원통형, 중공의 원통형, 원추형, 중공의 원추형 등과 같이 다양한 형상을 가질 수 있다. 그리고, 바디(11)는 3차원 프린팅 방법 또는 미세유체 채널 기반 제조 방법 또는 리소그래피 방법이 사용될 수 있다. 이외에도 마이크로 또는 나노 사이즈의 바디(11)를 형성할 수 있는 다양한 방법이 사용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 바디(11)는 다공성 구조를 가지므로 표면적이 커져서 외부 자극(S)에 의해서 보다 효과적으로 코팅층(12)에서 활성산소종이 발생되도록 할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 마이크로 로봇(10)에 세포(13)를 탑재하는 경우, 보다 많은 수의 세포(13)를 안정적으로 탑재시킬 수 있다.
자성 입자(111)는 외부에서 인가되는 자기장에 의해서 작동하여 마이크로 로봇(10)을 회전시키고 타겟(T)까지 이동시키는 구동부의 역할을 하게 된다. 또한, 자성 입자(111)는 생체적합성을 갖는 입자가 사용되며, 예를 들어, Fe3O4 입자를 사용할 수 있다. 다만, 자성 입자(111)의 종류는 자성을 갖는 마이크로 또는 나노 사이즈의 입자라면 실질적으로 다양한 재질이 사용될 수 있다.
여기서, 외부 자기장은 x, y, z 축으로 자기장을 인가할 수 있도록 자기장 인가부(미도시)가 구비되고, 자기장 인가부에서 인가되는 자기장에 의해서 마이크로 로봇(10)에 포함된 자성 입자(111)가 선형 이동 및 회전 이동함에 따라 체내에서 타겟(T)까지 이동 가능하며, 3차원으로 정밀한 위치 제어가 가능하다.
또한, 바디(11)에는 타겟(T)에 작용시키기 위한 약물이 탑재될 수 있다. 예를 들어, 바디(11) 내부 공간에 약물이 탑재되거나, 바디(11)를 구성하는 고분자를 약물에 침지시켜서 담지되도록 형성할 수도 있다. 물론 마이크로 로봇(10)에서 약물은 생략 가능하다.
코팅층(12)은 산화타이타늄 입자(121)를 포함하여 형성되고, 바디(11) 표면에 소정 두께로 형성된다.
마이크로 로봇(10)은 외부 자극(S)이 인가되면 산화타이타늄 입자(121)에서 활성산소종(Reactive oxygen species, ROS)이 발생되고, 발생된 활성산소종에 의해서 타겟(T)의 세포가 사멸된다.
외부 자극(S)은 산화타이타늄 입자(121)에서 활성산소종이 발생되도록 하는 것으로, 예를 들어, 초음파 또는 자외선이 사용될 수 있다. 또한, 외부 자극(S)으로는 0 초과 1W/cm2 이하의 강도를 갖는 초음파를 사용할 수 있다. 그러나 이는 일 예에 불과한 것으로 외부 자극(S)은 다양한 강도 또는 자극 패턴을 갖는 초음파가 사용될 수 있다. 또한, 외부 자극(S)은 초음파 이외에도 산화타이타늄 입자(121)에서 활성산소종을 발생시킬 수 있는 실질적으로 다양한 발생원을 포함할 수 있다.
한편, 마이크로 로봇(10)은 표면에 산화타이타늄 입자(121)가 코팅되는 것을 제외하고는 기존의 마이크로 로봇(10) 구조를 사용할 수 있으므로, 마이크로 로봇(10) 표면에 복수의 세포(미도시)를 3차원으로 배양하여 세포를 타겟(T)에 이송시킬 수도 있다. 여기서, 세포의 배양 방법으로는 Ultra-low attachment (ULA) surface 처리된 U-bottom well 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇(10)은 산화 타이타늄 입자(121)를 포함하므로, 외부에서 인가되는 외부 자극(S)에 의해서 활성산소종이 발생되어서 타겟(T)에서 세포를 사멸시킬 수 있다. 여기서, 마이크로 로봇(10)은 세포의 괴사가 아닌 세포 사멸을 유도하므로, 염증, 조직 사망 등의 부가적인 효과가 없기 때문에 실제적인 임상치료에 유리하다.
또한, 마이크로 로봇(10)은 타겟(T)에 이동한 후 외부 자극(S)이 인가되어야 활성산소종이 발생하게 되므로, 타겟(T) 외부에서 정밀하게 조절할 수 있다.
또한, 마이크로 로봇(10)은 외부에서 인가되는 자기장에 의해서 체내에서 3차원으로 위치 제어가 가능함과 더불어, 타겟(T)까지 무선으로 이동시킬 수 있으므로, 환자의 체내에서 안전하고 정밀하게 이동시킬 수 있다. 또한, 마이크로 로봇(10)은 생분해성 재료로 이루어지고, 기존에 사용되던 금속 재질(예를 들어, Nickel, Titanium 등)이 포함되지 않으므로, 치료 후 체내에서 분해되기 때문에 회수가 불필요하다.
또한, 마이크로 로봇(10)은 바디(11) 표면에 세포(13)를 부착시킬 수 있어서, 타겟(T)까지 세포의 이송 및 표적 치료를 할 수 있고, 충분한 수의 세포(13)를 이송할 수 있으므로 치료 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
10: 마이크로 로봇
11: 바디
111: 자성 입자
12: 코팅층
121: 산화타이타늄 입자
S: 외부 자극
T: 타겟

Claims (7)

  1. 마이크로 자성 입자를 포함하고 고분자 재질로 형성되는 바디; 및
    상기 바디 표면에 구비되어서, 외부에서 인가되는 외부 자극에 의해서 활성산소종을 발생시키는 산화타이타늄 입자를 포함하는 코팅층;
    을 포함하는 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 자극은 초음파 또는 자외선을 포함하는 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바디는 생체적합성을 갖는 친수성 고분자를 포함하는 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 바디 표면에 증착되는 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 바디는 구형, 3차원 스페로이드, 3차원 바늘형, 다면체, 중공의 다면체, 원통형, 중공의 원통형, 원추형, 중공의 원추형 중 어느 하나의 구조를 갖는 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자성 입자는 외부에서 인가되는 자기장에 의해서 체내에서 3차원으로 위치 제어가 가능하고, 타겟까지 무선으로 이동 가능한 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부 자극은 상기 바디가 상기 타겟에 도달한 후 인가되는 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇.
KR1020200150661A 2020-11-12 2020-11-12 초음파 또는 자외선 기반 세포 치료용 TiO2를 포함하는 마이크로 로봇 KR20220064516A (ko)

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