KR20220066538A - 금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치 - Google Patents

금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치 Download PDF

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박명규
서흥식
남예지
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재단법인 한국화학융합시험연구원
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Abstract

본 발명의 목적은 폐/기관지 세포 배양기가 배치된 인큐베이션 챔버 내부에 공기 및 금속 산화물 입자를 공급하며 에어로졸 발생 장치를 통하여 에어로졸 발생에 영향을 줄 수 있는 인자를 제어함으로써, 실제 실험 동물을 이용하지 않고도 폐/기관지 배양 세포의 상태 변화를 파악하는 스크리닝 방식으로 금속 산화물 입자에 대한 흡입 독성 체외 시험을 간단하고 편리하게 수행할 수 있고, 이에 따라 일반적인 나노 입자 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있으며, 금속 산화물 입자의 유입 흐름 방향에 따라 세포배양장치를 위치하도록 배치함으로써, 이에 따라 실험 동물을 이용하지 않고도 흡입 독성 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치는, 내부에 수용 공간이 형성되는 챔버; 상기 챔버 내부 공간에 대한 공기의 유입 및 배출 동작을 교대로 반복 수행하는 방식으로 상기 챔버 내부 공간에 공기와 함께 나노 입자를 유입시키는 작동 유닛; 및 상기 챔버 내부 공간에 다수개 장착되고, 사람 또는 동물의 폐/기관지 세포가 부착되는 세포배양기를 포함하고, 챔버 내부 공간에서 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치{TEST EQUIPMENT FOR EXTRACORPOREAL SCREENING INHALATION TOXICITY OF METAL OXIDE}
본 발명은 광촉매 등 분말 형태의 금속 산화물(Metal Oxide)에 대한 생체 내(in vivo) 흡입 독성을 예측할 수 있는 금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 별도의 인큐베이션 챔버을 통해 챔버 내부에 공기 및 나노 금속 산화물 등의 입자를 공급함으로써, 실제 실험 동물을 이용하지 않고 폐 및 기관지 세포의 상태 변화를 파악하는 간접적인 방식으로 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 간단하고 편리하게 수행할 수 있고, 이에 따라 일반적인 나노 입자 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있으며, 실험 동물을 이용하지 않고도 흡입 독성 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치에 관한 것이다.
흡입 독성 유발 물질에 대한 호흡기계 독성 기전 연구로는 염증 반응 기전을 중심으로, 주로 내독소, 미세 나노 입자 등 대표적인 흡입 독성 물질에 대한 연구가 이루어져 왔다.
그러나 최근 활발한 연구가 진행되고 있는 금속 산화물 입자의 호흡기계 노출에 의한 독성 기전에 관한 연구는 실험 단계에서 경피독성에 비해 기관지 세포 및 폐포 세포 종류가 40 ~ 60 종에 달하며, 이에 영향을 미칠 수 있는 복잡한 구조와 작용 기전을 갖고 있고, 높은 비용으로 인하여 충분한 연구가 진행되지 않고 있다.
또한 생체 내 흡입 독성 시험의 경우, 전신 및 비부 노출 챔버 확보의 어려움과, 동물 사용에 따른 윤리적 문제와, 많은 비용 소모 등의 문제가 있어 빠르게 증가하는 흡입 노출 화학 물질의 수에 발맞추어 독성 및 위해성 평가가 이루어지기 어려운 실정이다.
생체 내 시험은 적은 비용으로 짧은 시간 내에 재현 가능한 결과를 얻을 수 있으며 기전 연구가 용이하다는 장점을 가지고 있다.
또한 화학 물질의 국내외 규제가 강화에 따라 금속 산화물의 유해성 평가 수요 증가가 예상되는 시점에서 흡입 독성 시험 수행의 우선 순위 결정을 위해 금속 산화물의 위해성을 예측할 수 있는 자료가 필요하다.
이에 신속하면서 생체 내에서의 흡입 독성 평가 결과와 유의적인 상관성을 갖는 생체 내 시험법은 화학 물질의 위해성을 예측할 수 있는 자료를 제공할 수 있다는 점에서 필요성이 증대되었다.
일반적으로 작은 입자일수록 비표면적비는 넓어지고, 이와 같이 비표면적비가 넓어진 작은 입자는 생체 조직과 반응시 독성이 증가하게 되는데, 그 일 예로서 산화 티타늄, 산화 아연 등 금속 산화물 입자는 크기가 줄어들수록 염증을 유발하는 등 독성이 강해질 수 있으며, 또한 초미세 나노 입자는 기도나 점막에 걸러지지 않고 폐포 깊숙이 침투하거나 뇌로 이동할 수도 있으며, 더욱이 최근 여러 연구에 의하면 나노 입자가 체내에 축적될 경우 질병이나 중추 신경 장애를 일으킬 수 있다.
또한, 나노 입자는 일반적으로 공기 중에 에어로졸 상태로 존재하고, 나노 입자에 대한 시험은 에어로졸 상태로 존재하는 서브 마이크론 대의 입경을 갖는 입자에 대해서도 동일하게 적용될 수 있으며, 따라서 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험은 일반적으로 나노 입자를 에어로졸 상태로 발생시켜 일정 크기의 노출 챔버에 공급하고, 이러한 노출 챔버에 실험 동물을 투입시켜 나노 입자에 노출시킨 후 실험 동물의 다양한 변화 상태를 측정하는 방식으로 진행되고 있다.
즉, 나노 입자를 실험 동물에 노출시켜 실험 동물의 폐 깊숙한 곳까지 흡입되도록 하고, 나노 입자가 폐 깊숙한 곳까지 흡입되어 부착됨에 따라 실험 동물의 건강 변화 상태를 측정하는 방식으로 진행되고 있다.
최근 문제가 제기되고 있는 화학 물질의 호흡기계 노출에 의한 독성 기전에 관한 연구는 호흡기 도관을 이루는 세포의 생물학적 특성과 입자상 물질의 공기 중 거동에 대한 공학적 측면의 해석이 충분히 반영되지 않은 측면을 갖고 있다.
흡입 경로를 통한 화학 물질 등의 노출이 호흡기계에 질환을 유발하거나 기존의 호흡기계 질환을 악화시키는 것은 분명하나 이의 병리기전을 명확히 규명하여 이를 근거로 규제 및 관리하는 것이 필요하다.
호흡기계 동물 대체 시험 방법 개발의 목적은 화학 물질의 물리화학적 특성, 노출 경로, 역학 자료 등을 수집하고 화학 물질의 호흡기계 노출 부위를 명확히 하여 해당 부위별로 세포와 배양 방법을 선정하며, 적합한 배양액과 배양법을 확인하고 종말점을 선정한다.
호흡기계는 위치상 구강, 비강 및 인두로 이루어진 상기도(Upper Respiratory Tract), 후두와 기관 및 기관지로 이루어진 하기도(Lower Respiratory Tract), 세기관지와 폐포로 이루어진 원위기도(Distal Respiratory Tract)로 구분할 수 있으며 역할에 따라 비강에서 기관지까지를 공기의 통로가 되는 전도영역(Conducting Zone), 가스 교환이 일어나는 세기관지 및 폐포를 호흡 영역(Respiratory Tract)으로 구분할 수 있다.
호흡기계 기도벽은 상피 세포 연속층으로 구성되어 있으며, 상피 세포로부터 분비된 점액이 외부 물질로부터 보호 작용을 한다.
하기도 및 원위기도의 점액은 고블렛 세포(Goblet Cell), 클라라 세포(Clara Cell), 폐상피 세포(Alveolar Type Ⅱ)에서 분비된다.
흡입 독성의 경우 공기 중에 섞여 있는 물질이 폐를 통해 체내로 들어와 발생하는 독성에 초점을 맞추고 있으며, 따라서 생체 내 상에서 호흡기계 독성을 정확히 예측하기 위해서는 호흡을 통해 물질들이 체내로 들어와 독성을 일으키는 상황을 조성하여 평가하는 것이 중요하다.
그러나 대부분, 사용한 침지(Submerged) 노출법(세포 배양액에 시험 물질을 일정 농도로 섞어 배양 후 독성을 평가)은 입자가 직접 세포 배양액에 닿으면 배양액 성분이 입자 표면을 덮는 보호 효과로 생물학적 특성 평가에 한계를 가지고 있다.
따라서 흡입 독성 연구에서는 화학 물질의 흡입 시의 상황을 생체 내 상에서 유사하게 재현하는 기액 인터페이스(Air-Liquid Interface(ALI) 노출법을 생체 내 모델에 적용하고 있는 추세이다.
침지(Submerged) 노출법은 간단하게 시행할 수 있지만, 배지에 포함되어 있는 다양한 성분들로 인해 입자의 특성이 변할 가능성이 존재한다.
이에 반해 ALI 노출법은 노출을 위한 시스템이 필요하지만, 흡입시의 상황과 가장 유사한 입자 특성을 유지하여 실제 흡입 시 노출되는 입자의 특성과 농도로 노출할 수 있다는 이점을 가지고 있다.
호흡기를 통해 흡입된 나노 물질은 호흡기의 해부학적 구조, 공기 흡입 패턴, 공기 역학적 입자를 포함한 세 가지 요인에 의해서 인체 내부 기관에 이송되거나 침착된다.
여기서 입경 분포(Particle Size Distribution)는 입자의 공기 중 거동을 판단하는데 가장 중요한 특성이다.
입자의 크기가 매우 작은 나노 물질의 경우 브라운 운동(Brownian motion)에 의해서 공기 유로를 이탈하여 폐포(alveolar)에 침착될 확률이 높다.
특히, 흡기 및 호기 중간 단계 사이의 짧은 정지 동안에는 브라운 운동의 영향을 크게 받아 더 많은 양의 입자들이 폐포에 침착된다.
폐포에 침착된 나노 물질들은 폐포에 염증을 일으키거나 심박수의 변화 및 심장의 재 분극 현상(Cardic Repolarization)을 유발할 수 있다.
또한 혈관계에서는 혈전증(Thrombosis)을 유발시키기도 한다.
이처럼 호흡기를 통하여 흡입되는 물질들이 일으키는 미치는 영향을 확인하기 위한 위해성 평가(Risk Assessment) 방법 중 하나인 흡입 독성 시험(Inhalation Toxicity Testing)은 점차 그 중요성이 더 부각되는 중이다.
현재 다양한 에어로졸 발생 장치가 개발되어 흡입 독성 연구(Inhalation Toxicity Study)에 사용되고 있다.
건조 분말 에어로졸 발생 장치에 관한 내용으로 노즐 유형, 시험 물질의 적재량, 에어로졸 발생을 위한 공기 유량, 에어로졸의 이송 및 분산 위한 공기유량의 변화에 따른 에어로졸 발생 양상의 변화를 확인하는 방안 등이 요구된다.
에어로졸 발생 장치는 사용되는 시험 물질의 상(Phase) 또는 에어로졸의 발생 원리에 따라 건식(Dry Dissemination), 습식(Wet Dissemination), 상 변화식(Phase Change), 화학 반응식(Chemical Reaction), 액상 여과/분산식(Liquid Phase Filtration/Dispersion)으로 분류할 수 있다.
금산산화물 입자에 적용될 수 있는 건식 에어로졸 발생 장치는 일반적으로 건조된 분말(Dried Powder) 상태의 시험 물질을 압축 공기를 이용하여 공기 중으로 공입(Feeding)시키는 방법으로 에어로졸을 발생시킨다.
시험 물질의 공입량이 변화함에 따라 수 ㎎/㎥에서 100 ㎎/㎥ 이상까지 발생되는 에어로졸의 농도가 변한다.
Wright Dust Feeder 시험 물질이 저장된 실린더가 회전하면서 하강함에 따라 일정량의 압축된 시험물질을 스크래퍼(scraper)가 긁어낸다.
이때 공기 주입구를 통해 공급되는 압축 공기가 스크래퍼에 의해서 긁어내진 시험 물질을 블래이드(Blade)를 따라 중앙 튜브로 이송시킨다.
중앙 튜브로 이송된 시험 물질은 공기 중으로 공입되어 에어로졸화 된다.
발생하는 에어로졸의 농도는 실린더의 회전 속도에 따라 결정된다.
Wright dust feeder는 적은 양의 제조된 나노 물질(Manufactured Nanomaterial)로 에어로졸 발생이 가능하지만, 석탄 먼지(Coal Dust)와 같이 응집력이 강하고, 부드러운 물질은 안정적인 발생이 어렵다.
습식은 압축 공기를 가는 관 또는 오리피스(Oriffice)를 통해 고속 분출시킨다.
이 과정에서 베르누이(Bernoulli) 효과에 의해 출구 부근에서 압력 강하가 발생하여 액체가 저장소(Reservoir)로부터 빨려 올라간다.
액체는 출구에서 가는 선상으로 분출되지만 기류를 따라 이동하는 과정에서 점차 늘어나서 결국에는 분열되어 액적이 된다.
분무에 의하여 생성된 입자 중 큰 입경의 액적을 용기 내에 충돌시킴으로써 큰 입경의 액적을 제거시키고 작은 입경의 에어로졸을 발생시키는 장치이다.
순수(Deionized Water) 혹은 초순수(Ultrapure Water)(이 경우에는 생물학적 불순물)와 같은 용매에서 불순물로부터 입자가 형성될 가능성이 있다.
액체와의 혼합에 의해서 시험 물질의 성질이 변화할 수 있다.
또한 장시간 사용할 경우 액체가 증발함에 따라 에어로졸의 농도가 점차 변화할 수 있다.
무엇보다 소수성(Hydrophobic)의 물질의 경우 에어로졸을 발생시키는데 큰 어려움이 있다.
Electro-static assist axial atomizer(EAAA)는 초음파 에너지와 전기장을 이용하여 에어로졸을 발생시킨다.
발생되는 에어로졸의 농도는 수용액의 농도와 공급되는 공기의 유량을 조절함으로써 제어할 수 있다.
초음파 에너지(Ultrasonic Energy)와 정전기력(Electrostatic Force)을 이용해서 탄소나노튜브와 같이 얽힌(Tangled) 섬유상의 입자를 분산시키는 것이 가능하다.
하지만 강력한 초음파 에너지에 의해서 시험물질이 일부 손상될 가능성이 있다.
또한 분말의 응집은 분말의 제조·분리·처리 및 보존 과정에서 상호 작용으로 형성된 비교적 큰 입자 응집현상을 가리킨다.
이러한 분말의 응집이 발생하는 원인으로 첫 번째는 분말의 제조 공정에서 입자의 표면에 대량의 정전하 또는 부전하가 누적되어 대전된 입자가 쿨롱의 힘 법칙(Coulomb force law)에 의해서 응집이 발생하게 된다.
쿨롱의 힘법칙을 식으로 표현하면 하기 수학식 1과 같다.
[식 1]
Figure pat00001
여기서 F는 전기력, q1× q2는 전하 크기의 곱, r은 두 전하 사이의 거리, ke 은 쿨롱 힘 상수이다.
쿨롱 힘 상수는 하기 수학식 2와 같다.
[식 2]
Figure pat00002
분말의 응집이 발생하는 두 번째 요소로서 제조 과정에서 기계 에너지 및 열에너지를 흡수하여 입자의 표면에 높은 표면 에너지가 축적되면 입자는 표면 에너지를 낮추고 안정 상태에 도달하기 위해 상호 응집된다.
세 번째 원인으로는 일정 입경 이하의 나노분말의 경우 입자간 거리가 극히 짧아지게 되고, 반데르발스력(Van Der Waals Force)이 중력보다 크게 작용하여 응집이 발생하며, 마지막으로 입자 표면의 수소 결합(Hydrogen Bond), 습기 흡착 및 기타 화학 작용으로 응집된다.
국내 등록특허공보 제10-1221106호
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 폐/기관지 세포 배양기가 배치된 인큐베이션 챔버 내부에 공기 및 금속 산화물 입자를 공급하며 에어로졸 발생 장치를 통하여 에어로졸 발생에 영향을 줄 수 있는 인자를 제어함으로써, 실제 실험 동물을 이용하지 않고도 폐/기관지 배양 세포의 상태 변화를 파악하는 스크리닝 방식으로 금속 산화물 입자에 대한 흡입 독성 체외 시험을 간단하고 편리하게 수행할 수 있고, 이에 따라 일반적인 나노 입자 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있으며, 금속 산화물 입자의 유입 흐름 방향에 따라 세포배양장치를 위치하도록 배치함으로써, 이에 따라 실험 동물을 이용하지 않고도 흡입 독성 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치는, 내부에 수용 공간이 형성되는 챔버; 상기 챔버 내부 공간에 대한 공기의 유입 및 배출 동작을 교대로 반복 수행하는 방식으로 상기 챔버 내부 공간에 공기와 함께 나노 입자를 유입시키는 작동 유닛; 및 상기 챔버 내부 공간에 다수개 장착되고, 사람 또는 동물의 폐/기관지 세포가 부착되는 세포배양기를 포함하고, 챔버 내부 공간에서 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 챔버 내 에어로졸 분사장치 유닛은 금속 산화물 입자를 발생시켜 공기와 함께 상기 케이스의 내부 공간으로 유입시키는 입자 공급 모듈; 및 상기 챔버의 내부 공간으로부터 공기를 배출시키는 공기 배출 모듈을 포함하고, 상기 입자 공급 모듈과 공기 배출 모듈은 교대로 반복하여 작동하는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐/기관지 모델 장치를 제공한다.
또한 ,상기 에어로졸 분사장치 모듈은 금속산화물 입자가 공기와 함께 상기 챔버 내부 공간에 유입되도록 상기 챔버의 내부 공간에 공기를 유입시키는 공기 유입 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐/기관지 모델 장치를 제공한다.
또한, 상기 공기 배출 모듈은 상기 에어로졸 분사장치를 통해 상기 챔버 내부 공간으로 유입되는 공기가 유입될 수 있도록 상기 챔버 내부 공간으로부터 공기를 배출하는 공기 배출 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐/기관지 모델 장치를 제공한다.
또한, 상기 챔버에는 내부 공간에 대한 공기의 유출입이 가능하도록 메인 배관이 내부 공간과 연결되도록 장착되고, 상기 메인 배관은 유입 배관 및 배출 배관으로 분기되며, 상기 유입 배관은 상기 챔버 내부 공간으로 공기 및 금속산화물 입자가 유입될 수 있도록 상기 에어로졸 분사장치와 연결되고, 상기 배출 배관은 상기 챔버 내부 공간으로부터 공기가 배출될 수 있도록 끝단이 개방된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐/기관지 모델장치를 제공한다.
또한, 상기 메인 배관의 분기된 부위에는 상기 유입 배관 및 배출 배관을 선택적으로 개방할 수 있는 유로 전환 밸브가 장착되고, 상기 유로 전환 밸브는 상기 입자 에어로졸 분사장치 및 공기 배출 모듈의 작동 상태와 연동하여 작동하는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐/기관지 모델 장치를 제공한다.
한편, 상기 챔버 내부 세포배양기 배치는 각각의 세포배양기에 사람 또는 동물의 폐 세포를 균일하게 배양시키는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡입 독성 시험용 폐/기관지 모델 장치를 제공한다.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의하면, 폐/기관지 세포 배양기가 배치된 인큐베이션 챔버 내부에 공기 및 금속 산화물 입자를 공급하며 에어로졸 발생 장치를 통하여 에어로졸 발생에 영향을 줄 수 있는 인자를 제어함으로써, 실제 실험 동물을 이용하지 않고도 폐/기관지 배양 세포의 상태 변화를 파악하는 스크리닝 방식으로 금속 산화물 입자에 대한 흡입 독성 체외 시험을 간단하고 편리하게 수행할 수 있고, 이에 따라 일반적인 나노 입자 흡입 독성 시험 장치를 대체할 수 있으며, 금속 산화물 입자의 유입 흐름 방향에 따라 세포배양장치를 위치하도록 배치함으로써, 이에 따라 실험 동물을 이용하지 않고도 흡입 독성 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치의 외형을 개략적으로 도시한 도면.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어가, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어가, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 흡입 독성 시험용 폐 모델 장치는 사람의 폐와 유사한 형태의 구조를 통해 호흡 방식과 유사하게 에어로졸 분사장치를 통하여 세포배양기에 입자가 침착할 수 있도록 하여 실험 동물 없이도 나노 입자에 대한 흡입 독성 시험을 수행할 수 있는 장치로서, 챔버 케이스(100), 펌프 유닛(200) 및 세포배양기(300)를 포함하여 구성된다.
챔버 케이스(100)는 내부에 수용 공간이 형성되는 형태로 일반적인 박스 형상으로 형성될 수 있다.
이러한 케이스(100) 내부에는 후술하는 에어로졸 분사 모듈(210)에 의한 공기 흐름이 발생하므로, 공기 흐름이 원활하게 이루어지도록 내부 공간이 원통 형상을 이루도록 형성되거나 또는 사각 기둥과 같은 다각형 기둥 형태로 형성될 수 있는 등 다양하게 변경 가능하다.
에어로졸 분사 모듈(210)은 케이스(100) 내부 공간에 대한 공기의 유입 및 배출 동작을 교대로 반복 수행하는 방식으로 구성되며, 케이스(100) 내부 공간에 공기와 함께 나노입자가 유입되도록 구성된다.
이러한 에어로졸 분사 모듈(210)은 금속산화물 입자를 발생시켜 공기와 함께 케이스(100)의 내부 공간으로 유입시키고 케이스(100)의 내부 공간으로부터 공기를 배출시키는 공기배출 모듈(220)을 포함하여 구성될 수 있다.
습도조절 기구(301)는 소수성(hydrophobic)의 물질의 경우 에어로졸을 발생시키는데 문제가 발생할 수 있으며, 예를 들어 입자 분말은 기계 에너지 및 열에너지를 흡수하면 입자의 표면에는 높은 표면 에너지가 축적된다.
입자는 표면 에너지를 낮추고 안정 상태에 도달하기 위해 상호 응집되므로 이에 따라 현탁액(suspension) 분사를 통하여 이러한 어려움이 없도록 배치된다.
이러한 과정을 반복적으로 수행함으로써, 금속산화물 입자를 챔버 케이스(100) 내부 공간으로 계속적으로 유입시키고, 이후 챔버내 세포배양기(300)를 통하여 세포배양액(221) 상부에 부착된 폐/기관지 세포의 특성 변화를 검사하여 금속산화물 입자에 대한 흡입 독성 시험을 수행할 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100 : 챔버 케이스
200 : 펌프 유닛
210 : 에어로졸 분사 모듈
220 : 공기 배출 모듈
221 : 세포 배양액
300 : 세포 배양기
301 : 습도 조절 기구
410 : 유량계
411 : 유입 배관
412 : 배출 기관
420 : 유로 전환 밸브
C : 폐/기관지 세포

Claims (7)

  1. 내부에 수용 공간이 형성되는 챔버; 상기 챔버 내부 공간에 대한 공기의 유입 및 배출 동작을 교대로 반복 수행하는 방식으로 상기 챔버 내부 공간에 공기와 함께 나노 입자를 유입시키는 작동 유닛; 및 상기 챔버 내부 공간에 다수개 장착되고, 사람 또는 동물의 폐/기관지 세포가 부착되는 세포배양기를 포함하고, 챔버 내부 공간에서 나노 입자의 유입 흐름 방향을 따라 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 내 에어로졸 분사장치 유닛은 금속 산화물 입자를 발생시켜 공기와 함께 상기 케이스의 내부 공간으로 유입시키는 입자 공급 모듈; 및 상기 챔버의 내부 공간으로부터 공기를 배출시키는 공기 배출 모듈을 포함하고, 상기 입자 공급 모듈과 공기 배출 모듈은 교대로 반복하여 작동하는 것을 특징으로 하는,
    금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 에어로졸 분사장치 모듈은 금속산화물 입자가 공기와 함께 상기 챔버 내부 공간에 유입되도록 상기 챔버의 내부 공간에 공기를 유입시키는 공기 유입 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기 배출 모듈은 상기 에어로졸 분사장치를 통해 상기 챔버 내부 공간으로 유입되는 공기가 유입될 수 있도록 상기 챔버 내부 공간으로부터 공기를 배출하는 공기 배출 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 챔버에는 내부 공간에 대한 공기의 유출입이 가능하도록 메인 배관이 내부 공간과 연결되도록 장착되고, 상기 메인 배관은 유입 배관 및 배출 배관으로 분기되며, 상기 유입 배관은 상기 챔버 내부 공간으로 공기 및 금속산화물 입자가 유입될 수 있도록 상기 에어로졸 분사장치와 연결되고, 상기 배출 배관은 상기 챔버 내부 공간으로부터 공기가 배출될 수 있도록 끝단이 개방된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 메인 배관의 분기된 부위에는 상기 유입 배관 및 배출 배관을 선택적으로 개방할 수 있는 유로 전환 밸브가 장착되고, 상기 유로 전환 밸브는 상기 입자 에어로졸 분사장치 및 공기 배출 모듈의 작동 상태와 연동하여 작동하는 것을 특징으로 하는,
    금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 내부 세포배양기 배치는 각각의 세포배양기에 사람 또는 동물의 폐 세포를 균일하게 배양시키는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    금속 산화물 흡입 독성 체외 스크리닝 시험 장치.
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