KR20220067684A - 자성-압전 마이크로 로봇 - Google Patents

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KR20220067684A
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최홍수
김선형
김진영
전성웅
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

온열 치료와, 전기적 치료 및 세포 치료가 가능한 자성-압전 마이크로 로봇이 개시된다. 자성-압전 마이크로 로봇은, 바디 및 상기 바디 표면에 형성되며 자성 입자와 압전 입자를 포함하고, 외부 자극에 의해서 상기 자성 입자에서 열이 발생하고, 상기 압전 입자에서 전기 자극이 발생하는 자극 발생층을 포함하여 구성 되고, 상기 자성 입자에 의한 온열 치료와 상기 압전 입자에 의한 전기적 치료 중 어느 하나의 치료 또는 두가지 치료가 동시에 수행된다.

Description

자성-압전 마이크로 로봇{MAGNETIC- PIEZOELECTRIC MICRO ROBOT}
이하의 설명은 자성-압전 마이크로 로봇에 관한 것이다.
암세포를 제거하기 위한 방법 중, 암세포에 전류를 인가하여 발생되는 열에 의해서 암세포를 제거하는 침투식 방법이 있다. 그런데 침투식 방법은 암세포에 바늘을 직접 침투시켜야 하고, 바늘이 정확한 위치에 위치하도록 하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 한편, 침투식 방법의 문제점을 해결하기 위해서, 카본 나노 튜브를 근적외선으로 가열하여 암세포를 제거하는 비침투식 방법이 있다. 그런데 비침투식 방법은 근적외선이 신체 깊은 곳까지 도달하는 것이 어렵기 때문에 실제 적용 가능한 범위가 좁고, 종양의 크기와 분포에 따라 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
이러한 기존 기술들의 문제점 때문에 외과적 수술이 필요 없는 비침투식으로 암세포만을 선택적으로 사멸시킬 수 있으면서도, 정확한 위치에서 암세포를 사멸시킬 수 있는 치료 장치가 필요하다.
한편, 기존에는 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열장치를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇이 개시되어 있다 (한국 공개특허 제10-2013-0001713호). 그러나 인용발명에서는 박테리아 기반으로 한다는 점에서 정밀한 위치 제어와 전기적 치료 및 온열 치료를 수행하는 데 한계가 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, 효과적으로 세포 자극 및 세포이송이 가능하고 항암치료시 타겟이 되는 암세포만을 사멸시키고 정상세포에는 피해를 최소화할 수 있으며 온열 치료와 전기적 치료가 가능한 자성-압전 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 자성-압전 마이크로 로봇에 대해서 설명한다.
자성-압전 마이크로 로봇은, 바디 및 상기 바디 표면에 형성되며 자성 입자와 압전 입자를 포함하고, 외부 자극에 의해서 상기 자성 입자에서 열이 발생하고, 상기 압전 입자에서 전기 자극이 발생하는 자극 발생층을 포함하여 구성되고, 상기 자성 입자에 의한 온열 치료와 상기 압전 입자에 의한 전기적 치료 중 어느 하나의 치료 또는 두 가지 치료가 동시에 수행된다.
일 측에 따르면, 상기 외부 자극은 상기 자성 입자에 자기장을 인가하는 제1 소스와, 상기 압전 입자에 기계적 자극을 인가하는 제2 소스를 포함한다.
일 측에 따르면, 상기 자극 발생층은 상기 자성 입자와 상기 압전 입자가 혼합되어 형성될 수 있다. 또는, 상기 자극 발생층은 상기 압전 입자로만 이루어지는 압전층과 상기 자성 입자로만 이루어지는 자성층으로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 자극 발생층은, 상기 자성층 상에 상기 압전층이 적층되어 형성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 바디는 폴리머, 클러스터, 금속 및 컴포지트 재질 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
실시예들에 따르면, 자성-압전 마이크로 로봇은 자성 입자와 압전 입자를 포함하므로, 자성 입자에 의한 온열 치료와 압전 입자에 의한 전기적 치료가 가능하며, 온열 치료와 전기적 치료 중 어느 하나를 선택적으로 수행하거나, 두가지 치료를 동시에 수행할 수 있다.
또한, 자성-압전 마이크로 로봇은 외부 자기장을 이용하여 마이크로 로봇의 3차원 위치 제어가 가능하며, 체내에서 타겟 위치까지 효과적으로 이동시키는 것이 가능하므로, 환자의 체내에서 안전하고 정밀하게 이동시킬 수 있다.
또한 자성-압전 마이크로 로봇은 체내에서 암세포 증식 억제, 신경/근육 세포 자극, 도파민 분비 촉진 등 다양한 세포치료 응용분야에 적용 가능한 다기능성 마이크로로봇 시스템을 제공한다.
기존의 세포자극 기술은 원하는 부위를 선택적으로 자극하기 어려우며 체내에 적용하기 위한 방법이 고려되지 않았으며 한 가지 방법으로만 세포를 자극 가능한데 반해, 실시예에 따른 자성-압전 마이크로 로봇은 다양한 세포자극 방법 제공 및 3차원 위치 제어가 가능하다.실시예에 따른 자성-압전 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 자성-압전 마이크로 로봇의 사시도이다.
도 2a와 도 2b는 도 1의 마이크로 로봇에서 자극 발생층을 예시한 도면들이다.
도 3은 도 1의 마이크로 로봇의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 자성-압전 마이크로 로봇의 사시도이다.
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 4를 참조하여, 자성-압전 마이크로 로봇(10)에 대해서 설명한다. 참고적으로, 도 1은 일 실시예에 따른 자성-압전 마이크로 로봇(10)의 사시도이고, 도 2a와 도 2b는 도 1의 마이크로 로봇(10)에서 자극 발생층을 예시한 도면들이고, 도 3은 도 1의 마이크로 로봇(10)의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
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 폴리머, 클러스터, 금속 및 컴포지트 재질 중 어느 하나의 재질로 형성되는 바디(11)와, 마이크로 또는 나노 사이즈의 자성 입자(121) 및 나노 사이즈의 압전 입자(122)를 포함하여 형성되는 자극 발생층(12)을 포함하여 구성된다.
바디(11)는 3차원 다공성 구조를 갖는다. 예를 들어, 바디(11)는 나선형, 구형, 3차원 스페로이드, 3차원 바늘형, 직육면체 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 바디(11)는 다공성 구조를 가지므로 표면적이 커져서 외부 자극(S)에 의해서 보다 효과적으로 자극 발생층(12)이 작동되도록 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.
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.
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 폴리머를 약물에 침지시켜서 담지되도록 형성할 수도 있다. 물론 마이크로 로봇(10)에서 약물은 생략 가능하다.
자극 발생층(12)은 자성 입자(121)와 압전 입자(122)를 포함하여 형성되고, 바디(11) 표면에 소정 두께로 형성된다.
여기서, 도 2a에 도시한 바와 같이, 자극 발생층(12)은 자성 입자(121)로만 구성되는 자성층(12a)과 압전 입자(122)로만 구성되는 압전층(12b)이 적층되어 형성될 수 있다. 비록 도면에서는 자성층(12a) 상에 압전층(12b)을 형성하는 것으로 예시하였으나, 압전층(12b) 상에 자성층(12a)을 형성할 수도 있다. 또는, 복수의 자성층(12a)과 복수의 압전층(12b)을 교대로 적층시키는 것도 가능하다.
또는, 도 2b에 도시한 바와 같이, 자극 발생층(12)은 자성 입자(121)와 압전 입자(122)를 혼합하여 단일 층으로서 형성할 수도 있다.
마이크로 로봇(10)은 외부 자극(S)이 인가되면 자극 발생층(12)에서 열과 전기 자극이 발생하면서 타겟에 대해서 온열 치료와 전기적 치료가 수행된다.
상세하게는, 도 3을 참조하면, 자성 입자(121)는 외부 자극(S)에 의해서 열을 발생시킴으로써 타겟(T)에 대해서 온열 치료가 가능하도록 한다. 그리고 외부 자극(S)은 자성 입자(121)에서 열을 발생시킬 수 있도록 자기장을 인가하는 제1 소스(S1)를 포함한다.
자성 입자(121)는 생체적합성을 갖는 입자가 사용되며, 예를 들어, Fe3O4 입자를 사용할 수 있다. 다만, 자성 입자(121)의 종류는 자성을 갖는 마이크로 또는 나노 사이즈의 입자라면 실질적으로 다양한 재질이 사용될 수 있다.
또한, 자성 입자(121)는 외부에서 인가되는 자기장에 의해서 작동하여 마이크로 로봇(10)을 회전시키고 타겟(T)까지 이동시키는 구동부의 역할을 하게 된다.
압전 입자(122)는 외부 자극(S)에 의해서 전기 자극을 발생시킴으로써 타겟(T)에 대해서 전기 자극에 의한 치료가 가능하도록 한다. 그리고 외부 자극(S)은 압전 입자(122)에서 전기 자극이 발생하도록 하는 제2 소스(S2)를 포함한다. 여기서, 압전 입자(122)는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키므로, 제2 소스(S2)는 기계 자극을 인가하도록 형성된다.
참고적으로, 정압전 효과는 압전 입자(122)에 힘 또는 응력을 가하면 전류가 발생되는 것이고, 역압전 효과는 반대로 압전 입자(122)에 전류가 인가되면 응력이 발생하면서 변위가 발행하는 효과를 말한다. 즉, 압전 입자(122)는 이와 같이 기계 자극에 의해서 전기 자극이 발생되는 정압전 효과를 이용하여 암세포를 포함하는 타겟(T)에 전기적 치료가 가능하도록 한다.
다만, 제2 소스(S2)는 초음파 이외에도 압전 입자(122)에 기계적 자극을 인가할 수 있는 실질적으로 다양한 발생원을 포함할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 마이크로 로봇(10)은 바디(11) 표면에 세포(13)를 배양하여 형성할 수 있다. 참고적으로, 도 4는 다른 실시예에 따른 자성-압전 마이크로 로봇(10)의 사시도이다.
도 5에 예시한 마이크로 로봇(10)은 표면에 세포(13)가 배양된 점을 제외하면 상술한 실시예에 따른 마이크로 로봇(10)과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
마이크로 로봇(10)은 표면에 복수의 세포(13)를 3차원으로 배양함으로써 세포(13)를 타겟(T)에 이송시킬 수도 있다.
즉, 마이크로 로봇(10)은 외부 자극(S)이 가해지면 타겟(T)에 온열 치료 또는 전기적 치료 중 어느 하나의 치료가 수행되거나, 온열 치료와 전기적 치료가 동시에 수행됨과 더불어, 마이크로 로봇(10)에 의해서 이송되는 세포(13)를 이용하여 세포 치료를 동시에 수행할 수 있다.
여기서, 세포(13)는 마이크로 로봇(10)과 소정의 세포(13)를 Ultra-low attachment (ULA) surface 처리된 U-bottom well에서 동시에 배양함으로써, 바디(11)의 표면에 세포(13)가 3D culturing되어 자라도록 할 수 있다. 이외에도 세포(13)는 다양한 방법으로 바디(11)에 탑재될 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 자성-압전 마이크로 로봇(10)은 자성 입자(121)와 압전 입자(122)를 포함하므로, 외부에서 인가되는 외부 자극(S)에 의해서 자성 입자(121)에서 발생하는 열에 의한 온열 치료와 압전 입자(122)에서 발생하는 전기 자극에 의한 전기적 치료 중 어느 하나의 치료 또는 온열 치료와 전기적 치료가 동시에 이루어질 수 있도록 한다. 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 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
12: 자극 발생층
121: 자성 입자
122: 압전 입자
13: 세포
S: 외부 자극
S1: 제1 소스
S2: 제2 소스
T: 타겟

Claims (8)

  1. 바디; 및
    상기 바디 표면에 형성되며 자성 입자와 압전 입자를 포함하고, 외부 자극에 의해서 상기 자성 입자에서 열이 발생하고, 상기 압전 입자에서 전기 자극이 발생하는 자극 발생층;
    을 포함하고,
    상기 자성 입자에 의한 온열 치료와 상기 압전 입자에 의한 전기적 치료 중 어느 하나의 치료 또는 두가지 치료가 동시에 수행되는 자성-압전 마이크로 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 자극은 상기 자성 입자에 자기장을 인가하는 제1 소스와, 상기 압전 입자에 기계적 자극을 인가하는 제2 소스를 포함하는 자성-압전 마이크로 로봇.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자극 발생층은 상기 자성 입자와 상기 압전 입자가 혼합되어 형성되는 자성-압전 마이크로 로봇.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자극 발생층은 상기 압전 입자로만 이루어지는 압전층과 상기 자성 입자로만 이루어지는 자성층으로 이루어지는 자성-압전 마이크로 로봇.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자극 발생층은, 상기 자성층 상에 상기 압전층이 적층되어 형성되는 자성-압전 마이크로 로봇.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바디는 폴리머, 클러스터, 금속 및 컴포지트 재질 중 어느 하나의 재질로 형성되는 자성-압전 마이크로 로봇.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자극 발생층 표면에 세포가 탑재되는 자성-압전 마이크로 로봇.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 세포는 상기 바디 표면에 3차원으로 배양되는 자성-압전 마이크로 로봇.
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