KR20240057367A - 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치 및 이를 이용한 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치는, 외부 미세도관, 상기 외부 미세도관보다 더 가는 직경을 가지며 상기 외부 미세도관 내부에 삽입된 내부 미세도관, 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관이 반경 방향으로 이격된 틈새 공간을 가지며 동축상으로 중첩된 이중 내강부, 및 상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강부를 포함한다. 상기 내부 미세도관의 내부를 통해 공급되는 중심 유체는 응집성 고분자 유체를 포함하고, 상기 틈새 공간을 통해 공급된 덮개 유체는 식염수를 포함한 유체를 포함하며, 상기 중심 유체와 상기 덮개 유체는 상기 단일 내강부에서 동축으로 흘러 응집성 고분자 미세섬유를 생성하여 토출하도록 구성될 수 있다.
Description
본 발명은 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치 및 이를 이용한 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적방법에 관한 것이다.
뇌동맥류는 뇌동맥의 혈관벽이 약해져 비정상적으로 팽창하여 풍선이 부푼 듯한 모양의 혈관을 말하며, 이를 방치할 경우 뇌동맥류 내부로의 혈류 흐름으로 파열이 발생하여 사망에 이를 수 있다. 뇌동맥류 치료에는 코일 색전술과 액체 색전 물질을 이용한 뇌동맥류 색전술이 있다.
코일 색전술은 대퇴동맥에 작은 구멍을 내고 조영제를 활용한 혈관조영술을 통해 경로를 확인하며 미세도관과 가이드 와이어로 환부까지 접근한다. 동맥류의 모양에 따라 스텐트나 풍선, 미세도관을 뇌동맥류 입구에 위치시킨 후 방사선(X-ray)으로 투시하면서 백금 코일을 밀어 넣어 뇌동맥류 내부를 채운다. 조영제로 뇌동맥류 내부로의 혈류 흐름이 없는 것이 확인되면 스텐트나 풍선, 미세도관을 제거한다.
코일 색전술은 백금 코일을 사용하여 뇌동맥류를 채움으로써 뇌동맥류로 가는 혈류를 방지하여 파열을 방지한다. 하지만 코일 색전술은 기계적 강도가 높은 금속 코일을 사용하기 때문에 발생하는 낮은 채움도 문제가 존재한다. 낮은 채움도로 인해 환부로 혈류가 흐르면서 재출혈 및 파열이 발생할 수 있다.
액체 색전 물질을 이용한 뇌동맥류 색전술은 코일 색전술과 동일한 방식으로 미세도관과 풍선을 환부에 위치시킨 후 미세도관에서 액체 색전 물질을 토출하여 뇌동맥류 내부를 채워 혈류의 흐름을 방지한다.
본 발명의 일 측면은 응집성 고분자 유체가 미세도관 내에서 침전이 일어나 응집된 미세섬유를 토출할 수 있도록 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 이용한 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치는, 외부 미세도관, 상기 외부 미세도관보다 더 가는 직경을 가지며 상기 외부 미세도관 내부에 삽입된 내부 미세도관, 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관이 반경 방향으로 이격된 틈새 공간을 가지며 동축상으로 중첩된 이중 내강부, 및 상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강부를 포함한다. 상기 내부 미세도관의 내부를 통해 공급되는 중심 유체는 응집성 고분자 유체를 포함하고, 상기 틈새 공간을 통해 공급된 덮개 유체는 식염수를 포함한 유체를 포함하며, 상기 중심 유체와 상기 덮개 유체는 상기 단일 내강부에서 동축으로 흘러 응집성 고분자 미세섬유를 생성하여 토출하도록 구성될 수 있다.
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에서 고정되어 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이 간격을 유지하는 지지대를 더 포함할 수 있다.
상기 지지대는 상기 내부 미세도관의 원주 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 지지대를 포함할 수 있다.
상기 지지대의 말단은 상기 이중 내강부에서 상기 내부 미세도관의 말단에 인접하여 배치될 수 있다.
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관은 유연한(flexible) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 외부 미세도관의 표면에 코팅된 친수성의 하이드로젤 박막을 더 포함할 수 있다.
상기 친수성의 하이드로젤 박막은 상기 단일 내강부에 위치한 상기 외부 미세도관의 표면에 코팅될 수 있다.
상기 응집성 고분자 유체는 에틸렌비닐알콜(Ethylene-vinyl alcohol copolymer, EVOH) 용액 또는 폴리락타이드-코-글리콜라이드 및 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 공중합체 (polylactide-co-glycolide and polyhydroxyethylmethacrylate copolymer) 용액을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적방법은, 외부 미세도관, 상기 외부 미세도관보다 더 가는 직경을 가지며 상기 외부 미세도관 내부에 삽입된 내부 미세도관, 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관이 반경 방향으로 이격된 틈새 공간을 가지며 동축상으로 중첩된 이중 내강부, 상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강부를 포함하는 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 응집성 고분자 미세섬유를 연속 방적하는 방법으로서, 상기 내부 미세도관의 외부와 상기 외부 미세도관의 내부 사이의 상기 틈새 공간을 통해 덮개 유체로 식염수 기반 유체를 이송시키는 단계, 상기 내부 미세도관의 내부를 통해 중심 유체로 응집성 고분자 유체를 이송시키는 단계, 상기 단일 내강부에서 상기 식염수 기반 유체와 상기 응집성 고분자 유체가 서로 접촉하며 동축으로 흐르도록 하여 응집성 고분자 미세섬유를 생성하는 단계, 및 상기 단일 내강부를 구성하는 상기 외부 미세도관의 말단으로부터 상기 응집성 고분자 미세섬유를 토출하는 단계를 포함한다.
상기 응집성 고분자 유체는 에틸렌비닐알콜(Ethylene-vinyl alcohol copolymer, EVOH) 용액과 폴리락타이드-코-글리콜라이드 및 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 공중합체 (polylactide-co-glycolide and polyhydroxyethylmethacrylate copolymer) 용액을 포함할 수 있다.
상기 외부 미세도관의 표면에 친수성의 하이드로젤 박막이 코팅될 수 있다.
상기 친수성의 하이드로젤 박막은 상기 단일 내강 부분에 위치한 상기 외부 미세도관의 표면에 코팅될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치는, 외부 미세도관, 상기 외부 미세도관보다 더 가는 직경을 가지며 상기 외부 미세도관 내부에 삽입된 내부 미세도관, 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관이 반경 방향으로 이격된 틈새 공간을 가지며 동축상으로 중첩된 이중 내강부, 상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강부, 및 상기 외부 미세도관의 표면에 코팅된 친수성의 하이드로젤 박막을 포함한다. 상기 내부 미세도관의 내부를 통해 공급되는 중심 유체와, 상기 틈새 공간을 통해 공급된 덮개 유체는 상기 단일 내강부에서 동축으로 흘러 응집성 고분자 미세섬유를 생성하여 토출하도록 구성될 수 있다.
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에서 고정되어 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이 간격을 유지하는 지지대를 더 포함할 수 있다.
상기 친수성의 하이드로젤 박막은 상기 단일 내강부에 위치한 상기 외부 미세도관의 표면에 코팅될 수 있다.
상기 중심 유체는 에틸렌비닐알콜(Ethylene-vinyl alcohol copolymer, EVOH) 용액 또는 폴리락타이드-코-글리콜라이드 및 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 공중합체 (polylactide-co-glycolide and polyhydroxyethylmethacrylate copolymer) 용액을 포함하고, 상기 덮개 유체는 식염수를 포함한 유체를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 미세섬유 연속 방적장치에 의하면, 장치 내부에서 덮개 유체에 의해 안내된 늘어진(elongated) 응집성 고분자 액체물질은 부피 대비 높은 표면적 비율로 인해 응집 시간이 짧아 고분자 미세섬유를 막힘없이 연속 방적할 수 있다.
실시예에 따른 미세섬유 연속 방적장치에 의하면, 단일 내강부에서 미세섬유가 실질적으로 제작되기 때문에, 이중 내강부에서 굽힘이 발생하여도 내부 및 외부 미세도관의 배치가 2개 이상의 지지대 덕분에 동심원으로 유지되어 응집성 고분자 액체물질이 늘어진 유동을 일정하게 형성할 수 있다.
또한 미세섬유 연속 방적장치는 내부에서 고분자 미세섬유를 완전히 응집시킨 이후에 유동 방향을 따라 이동시켜 장치 밖으로 토출시키기 때문에, 주변 유체와는 상관없이 고분자 미세섬유를 연속적으로 제작할 수 있다. 따라서, 미세섬유 연속 방적장치는 혈액으로 채워진 실제 혈관내부 환경에서도 고분자 미세섬유를 연속적으로 생산하여 동맥류를 색전할 수 있다. 생산되는 고분자 미세섬유의 직경은 중심 유체와 덮개 유체의 유량의 조작을 통해 조절이 가능하다.
따라서, 동맥류를 불침투성으로 균일하고 완전하게 색전하여 혈전을 생성하기 어려운 환자에게도 적용 가능하며, 주입 중 주요 동맥으로의 누출로 인한 미세 파편의 생성 및 미세도관 표면에 협착이 없는, 동맥류 색전 시술이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치의 외부 미세도관에 하이드로젤 박막을 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 미세섬유를 연속 중합하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 물이 주변 유체일 때 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적 결과를 나타낸 이미지 사진이다.
도 6은 중심 유체와 덮개 유체의 유량에 따른 연속 방적된 응집성 고분자 미세섬유의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 혈관 복제품 및 풍선을 구비한 실험장치를 나타낸 이미지이다.
도 8은 중심 유체와 덮개 유체의 유량에 따른 채움도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치의 외부 미세도관에 하이드로젤 박막을 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 미세섬유를 연속 중합하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 물이 주변 유체일 때 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적 결과를 나타낸 이미지 사진이다.
도 6은 중심 유체와 덮개 유체의 유량에 따른 연속 방적된 응집성 고분자 미세섬유의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 혈관 복제품 및 풍선을 구비한 실험장치를 나타낸 이미지이다.
도 8은 중심 유체와 덮개 유체의 유량에 따른 채움도를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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. 따라서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치(100, 이하 "미세섬유 연속 방적장치"라고도 함)는 외부 미세도관(115)과, 이 외부 미세도관(115)보다 더 가는 직경을 가지며 외부 미세도관(115) 내부에 삽입된 내부 미세도관(125)을 포함한다. 외부 미세도관(115)은 제1 길이로 형성되고, 내부 미세도관(125)은 제1 길이보다 더 짧은 제2 길이로 형성될 수 있다. 여기서 제1 길이와 제2 길이는 외부 미세도관(115)의 유체 유입구 측 기단으로부터 시작하여 측정되는 길이일 수 있다.
미세섬유 연속 방적장치(100)는 외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125)으로 이루어지는 이중 내강부(double-lumen part)(120)와, 외부 미세도관(115)으로 이루어지는 단일 내강부(single-lumen part)(110)를 포함할 수 있다. 이중 내강부(120)는 외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125)이 반경 방향으로 이격된 틈새 공간을 가지며 동축상으로 중첩되는 부분이다. 단일 내강부(110)는 내부 미세도관(125)의 말단으로부터 외부 미세도관(115)의 말단까지 외부 미세도관(115)에 의해 형성될 수 있으며, 내부 미세도관(125)의 중첩 없이 외부 미세도관(115)으로 이루어지는 부분이다.
외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125)은 유연한(flexible) 재질로 이루어질 수 있다. 일례로, 외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125)은 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 테프론(Teflon®), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 등으로 인체 내 사용 가능한 재질이 될 수 있다. 또한 내부 미세도관(125)은 외부 미세도관(115) 내부에서 자유롭게 움직일 수 있어서, 미세섬유 연속 방적장치(100)의 이중 내강부(120)와 단일 내강부(110)의 위치 조작이 쉽고 기존 미세도관을 활용한 혈관내 치료 방법과 호환이 용이하다. 내부 및 외부 미세도관(125, 115)은 공지의 미세도관을 사용할 수 있는데, 일례로 내부 미세도관(125)으로는 MarathonTM, RebarTM 10, EchelonTM 10 등을 사용할 수 있고, 외부 미세도관(115)으로는 RebarTM 27, MarksmanTM, PhenomTM 027, Glidecath® 등을 사용할 수 있다.
이중 내강부(120)의 외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125) 사이에는 지지대(135)가 삽입되어 고정되면서 외부 미세도관(115)과 내부 미세도관(125) 사이 간격을 유지할 수 있다. 지지대(135)는 복수의 지지대(135)를 포함할 수 있고, 복수의 지지대(135)는 내부 미세도관(125)의 원주 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 지지대(135)는 단일 내강부(110)로 돌출되지 않도록 배치될 수 있으며, 이를 위해 지지대(135)의 말단이 이중 내강부(120)에서 내부 미세도관(125)의 말단에 인접하거나 일치하도록 배치될 수 있다. 지지대(135)는 실리카(silica), 폴리이미드(polyimide), 실리콘(silicone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 테프론(Teflon®), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 등으로 인체 내 사용 가능한 유연한 재질이 될 수 있다. 다른 예로, 내부 미세도관(125)에 고정된 지지대(135)는 공지의 광섬유를 사용할 수 있는데, 일례로 Optran® UV fiber 를 사용할 수 있다. 또 다른 예로, 지지대(135)는 내부 미세도관(125)과 일체형으로 제작되어 그 기능을 수행할 수 있다.
내부 미세도관(125)을 통해서는 중심 유체(core fluid)(CF)가 흐르도록 공급되고, 이중 내강부(120)에 위치하는 내부 미세도관(125)과 외부 미세도관(115) 사이의 틈새 공간으로는 덮개 유체(sheath fluid)(SF)가 흐르도록 공급될 수 있다. 이렇게 공급된 중심 유체(CF)와 덮개 유체(SF)는 단일 내강부(110)에서 동축으로 흐르며 서로 접촉할 수 있다.
중심 유체(CF)는 응집성 고분자 유체가 사용될 수 있고, 덮개 유체(SF)는 식염수를 포함한 유체가 사용될 수 있다. 상기 응집성 고분자 유체는 에틸렌비닐알콜(Ethylene-vinyl alcohol copolymer, EVOH) 용액 또는 폴리락타이드-코-글리콜라이드 및 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 공중합체 (polylactide-co-glycolide and polyhydroxyethylmethacrylate copolymer) 용액을 포함할 수 있다.
외부 미세도관(115)의 표면에는 친수성의 하이드로젤 박막(118)이 코팅될 수 있다. 하이드로젤 박막(118)은 단일 내강부(110)를 구성하는 외부 미세도관(115)의 외표면과 내표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 친수성의 하이드로젤 박막(118)은 상기 응집성 고분자 유체와 외부 미세도관(115) 사이의 접착력을 줄일 수 있다. 즉, 응집성 고분자 유체가 외부 미세도관(115)과 만났을 때 하이드로젤 박막(118)의 친수성으로 인해 물이 젖어들어가며 상기 응집성 고분자 유체를 떼어내게 된다.
도 3은 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치의 외부 미세도관에 하이드로젤 박막을 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 미세섬유 연속 방적장치(100)의 외부 미세도관(115)에 하이드로젤 박막을 코팅하기 위하여 외부 미세도관(115)을 전처리액에 담근다. 외부 미세도관(115)의 외표면에 하이드로젤 박막이 강인하게 결합될 수 있도록 전처리 될 수 있다. 예를 들어, 전처리액으로 벤조페논(benzophenone)을 사용하여 외부 미세도관(115)의 외표면은 전처리될 수 있다.
다음으로, 상기 전처리된 외부 미세도관(115)을 하이드로젤 전구액에 담근다. 하이드로젤 전구액으로 아크릴아미드가 포함된 용액이 사용될 수 있다. 아크릴아미드는 자외선이 조사되면 외부 미세도관(115)과 강인한 결합을 형성하는 역할을 한다.
다음으로, 상기 하이드로젤 전구액에 담긴 외부 미세도관(115)에 자외선을 조사하여 경화시켜 하이드로젤 박막을 형성한다.
도 4는 일 실시예에 따른 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 미세섬유를 연속 중합하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 미세섬유 연속 방적장치(100)의 내부에서 응집성 고분자 액체물질이 방적되는 원리를 설명한다.
미세섬유 연속 방적장치(100)의 내부 미세도관(125)을 통해 중심 유체(CF)로 응집성 고분자 유체인 에틸렌비닐알콜(EVOH) 용액이 유동하도록 공급하고 외부 미세도관(115)을 통해 덮개 유체(SF)로 식염수 기반의 유체를 유동하도록 공급하면, 중심 유체(CF)와 덮개 유체(SF)는 단일 내강부(110)에서 서로 만나 결합될 수 있다. 이 때, 응집성 고분자 유체는 마이크로 스케일에서 지배적인 현상인 층류(laminar flow)와 디퓨전(diffusion)에 의해 지배되어, 그 주위에 형성된 3차원 동축 덮개 유동(3D coaxial sheath flow stream)에 의해 늘어진(elongated) 유동을 형성할 수 있다. 늘어진 유동은 부피 대비 큰 표면적을 형성하여 응집성 고분자 유체가 응집되는 시간을 단축시킬 수 있다.
이렇게 늘어진 응집성 고분자 유체는 미세섬유 연속 방적장치(100)의 배출구로 흘러가면서 현장형 침전, 즉 움직이는 액체의 연속 방사가 될 수 있다. 여기서 응집된 고분자 미세섬유(MF)는 외부 미세도관(115)의 내부 표면을 건드리지 않고 유동 방향을 따라 이동하여 미세섬유 연속 방적장치(100)의 밖으로 토출될 수 있다.
예를 들어, 기존의 뇌동맥류 색전술에서 낮은 채움도 문제를 해결하기 위해 액체 색전 물질인 Medtronic사의 Onyx®로 뇌동맥류를 치료하는 경우가 있다. Onyx®는 디메틸설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 용액이 확산하며 녹아있던 EVOH가 응집하는 원리를 이용한다. 하지만 Onyx®는 뇌동맥류를 채우던 용액이 역류하여 모동맥(parent artery)을 막는 상황이 발생할 우려가 있다. 또한, 색전술을 완료한 후 미세도관을 제거하면서, 미세도관에 접착해 있던 EVOH 덩어리로부터 미세 파편이 생성되어 혈관이 폐색될 가능성에 대한 우려도 있다.
본 실시예에 따른 미세섬유 연속 방적장치(100)에 의하면, 외부 미세도관(115)에서 식염수가 토출되고, 내부 미세도관(125)에서 EVOH 용액이 토출되면 식염수에 의해 EVOH 용액이 중심으로 인도된다. 이때, EVOH 용액에 존재하는 DMSO가 식염수로 확산되며 EVOH의 응집 경화가 시작된다. 경화를 통해 EVOH 미세섬유가 토출되어 직진성을 가지고 역류를 방지할 수 있다. 따라서 모동맥으로 EVOH 미세섬유가 빠져나가지 않고 EVOH의 낮은 기계적 강도를 통해 뇌동맥류 내부를 높은 채움도로 채울 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 미세섬유 연속 방적장치(100)에서는 상기한 바와 같이 설계된 구조에 따라 단일 내강부(110)에서 미세섬유가 실질적으로 제작되기 때문에, 이중 내강부(120)에서 굽힘이 발생하여도 내부 및 외부 미세도관(125, 115)의 배치가 복수의 지지대(135) 덕분에 동심원으로 유지되어 응집성 고분자 유체가 늘어진 유동을 일정하게 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 미세섬유 연속 방적장치(100)는 내부에서 응집성 고분자 미세섬유를 완전히 응집시킨 이후에 유동 방향을 따라 이동시켜 장치 밖으로 토출시키기 때문에, 주변 유체의 종류와 상관없이 응집성 고분자 미세섬유(MF)를 연속적으로 제작할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 미세섬유 연속 방적장치(100)는 혈액으로 채워진 실제 혈관내부 환경에서도 응집성 고분자 미세섬유(MF)를 연속적으로 생산하여 동맥류를 색전할 수 있다. 생산되는 고분자 미세섬유(MF)의 직경은 중심 유체와 덮개 유체의 유량의 조작을 통해 조절이 가능하다.
이하에서는 예시적인 실시예를 통해 미세섬유 연속 방적장치를 제작하고 이를 이용하여 실험한 결과를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 보호범위가 하기 실시예로 한정되는 의도는 아니다.
실시예 1. 이중내강 구조의 미세섬유 연속 방적장치의 제작
미세섬유 연속 방적장치를 제작하기 위하여, EchelonTM를 내부 미세도관으로 Glidecath®를 외부 미세도관으로 사용하였다. (1) 먼저 0.6mm x 0.2mm 직사각형 홈이 난 기판을 3D 프린팅 하여 마련하였다. (2) 다음으로, 3D 프린팅 된 기판을 활용하여 내경 430μm, 외경 570μm의 내부 미세도관(EchelonTM), 및 직경 150μm의 지지대(Optran UV fiber) 2개를 내부 미세도관의 원주 방향으로 이격되도록 배치한 후, 에폭시(Scotch® super glue liquid)를 이용하여 끝단을 붙여주었다. (3) 다음으로, 지지대가 부착된 내부 미세도관을 기판에서 분리하고, 지지대를 내부 미세도관의 끝단에서 돌출되지 않도록 재단하였다. (4) 다음으로, 지지대가 나란히 결합된 내부 미세도관을 내경 1000μm, 외경 1300μm의 외부 미세도관(Glidecath®)에 삽입하고, 단일 내강부의 길이를 5.19 에서 10mm 사이에서 유지하였다(도 2 참조).
실시예 2. 외부 미세도관에 하이드로젤 박막 형성
실시예 1에서 제작한 이중 내강 구조의 미세섬유 연속 방적장치의 외부 미세도관에 하이드로젤 박막을 형성하였다. (1) 먼저, 에탄올에 10% w/v 농도로 벤조페논을 혼합한 전처리액을 준비하였다. (2) 다음으로 미세도관을 전처리액에 2분간 침지한 후 이소프로필알콜로 깨끗이 씻고 질소로 표면을 건조시켰다. (3) 다음으로 물에 10% w/v 농도로 아크릴아미드와 1% w/v 농도로 Irgacure®2959를 혼합한 하이드로젤 전구액을 준비하였다. (4) 다음으로, 전처리된 미세도관을 하이드로젤 전구액에 담근 후, 약 1시간 동안 자외선(365 nm) 조사를 하여 하이드로젤을 경화시켰다. (5) 다음으로, 표면에 형성된 하이드로젤 박막을 제외한 나머지 잔여물은 초순수로 충분히 씻어주어 미세도관 표면에 하이드로젤 박막 형성을 완료하였다.
실시예 3.
이중 내강 구조의 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 응집성 고분자 미세섬유의 연속 중합
실시예 1에서 제작한 이중 내강 구조의 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 응집성 고분자 미세섬유를 연속 중합하고 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타냈다.
중심 유량(중심 유체의 유량)은 직경 7 mm 구형의 빈 공간을 3분 내에 채울 수 있는(뇌세포는 3분 동안 피가 공급 안되면 괴사하기 시작한다) 5 mL/h부터 내부 미세도관의 허용압력을 초과하지 않는 20 mL/h 사이에서 조작하였고, 덮개 유량(덮개 유체의 유량)은 앞서 정한 중심 유량의 범위에서 응집성 고분자 유체가 늘어진 유동을 형성할 수 있는 40 mL/h 이상에서 조작하였다.
상기한 바와 같이 구성된 이중 내강 구조의 미세섬유 연속 방적장치는 늘어진 고분자 액체물질을 충분히 가교시킬 수 있도록 부피 대비 표면적이 크다. 응집성 고분자 미세섬유는 약 300μm에서 700μm의 직경을 가졌는데, 일반적으로 중심 유량이 커질수록 그리고 덮개 유량이 작아질수록 미세섬유의 직경은 커지는 경향이 있었다. 이는 단일 내강부의 직경은 고정되어 있어서 중심 유체와 덮개 유체 중 한쪽의 유량이 커지면 차지하는 공간도 커지기 때문이다.
한편, 미세섬유 연속 방적장치에서는 단일 내강부에서 미세섬유가 실질적으로 제작되기 때문에, 이중 내강부에서 굽힘이 발생하여도 내부 및 외부 미세도관의 배치가 지지대 덕분에 동심원으로 유지되어 응집성 고분자 유체가 늘어진 유동을 일정하게 형성할 수 있었다.
실시예 4. 관상 동맥류 모델 내에 고분자 미세섬유의 채움 실험
동맥류(i.e., 구형 빈 공간)를 포함한 관상 동맥류 모델 내에 고분자 미세섬유의 채움 실험은 동맥류 색전술의 "개념 증명"으로 평가되었다. 본 실험에서 사용한 관상 동맥류 모델은 탄성중합체-하이드로젤 피부 다층으로 구성되어 혈관의 형상과 특성을 매우 유사하게 모방하고 있다. 혈관 복제품, 풍선, 맥동 펌프, 유체 저장소를 구비한 실험장치를 나타낸 이미지를 도 7에 나타냈다.
혈액유사 유체는 맥동펌프 (Model 1405, Harvard Apparatus)의 도움으로 관상 동맥류 모델 내부를 순환하고 필터시스템 (20μm mesh)을 거쳐서 유체 저장소로 옮겨진다. 필터시스템은 모의 시술 동안에 미세 파편의 생성여부를 확인할 수 있다.
고분자 미세섬유로 관상 혈관 복제품 내 7 mm 직경의 동맥류를 채우는 과정은 도 7에서 볼 수 있다. (1) 미세섬유 연속 방적장치의 끝단을 동맥류 입구에 위치시키고, 동맥류의 입구를 일시적으로 막기 위해 풍선 미세도관(Scepter CTM, BC0410C, Microvention)을 동맥류 목을 가로질러서 위치시킨 후 부풀게 하였다. (2)-(3) 장치로부터 연결된 형태로 연속적으로 토출된 고분자 미세섬유는 동맥류를 점점 채우게 되고, 부풀어진 풍선은 특정 충진율 이하에서 고분자 미세섬유가 동맥류 밖으로 유출되는 것을 방지한다. (4) 미세섬유가 풍선, 장치, 및 동맥류 목 사이의 틈을 지나 동맥류 밖으로 유출되기 직전까지 동맥류를 최대한 채운 후, 장치를 오프(off)하였다. 마지막으로, 장치와 풍선 미세도관을 관상 동맥류 모델에서 제거하는 것을 통해 시술을 마쳤다.
고분자 미세섬유로 동맥류를 채울 수 있는 최대량을 조사하기 위해, 중심 유량/덮개 유량을 조작하면서 실험을 진행하였다. 여기서, 최대 채움도는 동맥류의 내부 부피 대비 고분자 미세섬유가 동맥류 밖으로 유출되기 직전까지의 투입된 양(중심 유량 x 토출 시간)으로 계산하였다. 동맥류 밖으로 고분자 미세섬유의 유출은 동맥류 내부 압력이 미세섬유가 풍선, 장치, 및 동맥류 목 사이의 틈에서 저항하는 힘보다 클 때 발생한다. 채움도와 채움시간에 대한 덮개 유량의 영향을 확인하기 위해, 중심 유량을 10, 14, 18 mL/h로 고정하고 덮개 유량을 증가시키면서 채움 실험을 진행하였다.
중심 유량이 10 mL/h의 경우, 덮개 유량이 40 mL/h에서 200 mL/h로 증가할수록 채움도 또한 약 85%에서 약 40%로 감소하였다(도 8 참조). 이는 덮개 유량이 증가할수록 내부 압력은 증가하며, 미세섬유의 직경은 얇아져서 미세섬유가 풍선, 장치, 및 동맥류 목 사이의 틈에서 저항하는 힘이 감소하기 때문이다. 또한, 덮개 유량이 일정할 때, 중심 유량이 증가할수록 채움도는 증가하는 경향을 보였다(도 8 참조). 이는 중심 유량이 증가할수록 미세섬유의 직경은 굵어졌고 미세섬유가 풍선, 장치, 및 동맥류 목 사이의 틈에서 저항하는 힘이 커졌기 때문이다.
실험한 모든 조건에서 막힘 현상은 발생하지 않았고, 동맥류 밖으로 유출되는 미세 파편도 발생하지 않았다. 혈액 유사 유체가 70Hz에서 280mL/min의 유속으로 순환하는 1시간 동안, 동맥류를 채운 고분자 미세섬유의 형상에는 변화도 없었다. 고분자 미세섬유는 30% w/v 탄탈륨 나노파우더를 함유하고 있기 때문에 X-ray에 불투과성을 보이며, 이는 혈관내 중재술 시 고분자 미세섬유의 위치를 파악할 수 있어서, 뇌동맥류를 정확히 채웠는지 여부를 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치
110: 단일 내강부
115: 외부 미세도관
118: 하이드로젤 박막
120: 이중 내강부
125: 내부 미세도관
135: 지지대
110: 단일 내강부
115: 외부 미세도관
118: 하이드로젤 박막
120: 이중 내강부
125: 내부 미세도관
135: 지지대
Claims (16)
- 외부 미세도관;
상기 외부 미세도관보다 더 가는 직경을 가지며 상기 외부 미세도관 내부에 삽입된 내부 미세도관;
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관이 반경 방향으로 이격된 틈새 공간을 가지며 동축상으로 중첩된 이중 내강부; 및
상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강부
를 포함하고,
상기 내부 미세도관의 내부를 통해 공급되는 중심 유체는 응집성 고분자 유체를 포함하고, 상기 틈새 공간을 통해 공급된 덮개 유체는 식염수를 포함한 유체를 포함하며, 상기 중심 유체와 상기 덮개 유체는 상기 단일 내강부에서 동축으로 흘러 응집성 고분자 미세섬유를 생성하여 토출하도록 구성된
응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에서 고정되어 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이 간격을 유지하는 지지대를 더 포함하는 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 지지대는 상기 내부 미세도관의 원주 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 지지대를 포함하는, 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 지지대의 말단은 상기 이중 내강부에서 상기 내부 미세도관의 말단에 인접하여 배치된, 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관은 유연한(flexible) 재질로 이루어지는, 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 외부 미세도관의 표면에 코팅된 친수성의 하이드로젤 박막을 더 포함하는 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 친수성의 하이드로젤 박막은 상기 단일 내강부에 위치한 상기 외부 미세도관의 표면에 코팅된, 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 응집성 고분자 유체는 에틸렌비닐알콜(Ethylene-vinyl alcohol copolymer, EVOH) 용액 또는 폴리락타이드-코-글리콜라이드 및 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 공중합체 (polylactide-co-glycolide and polyhydroxyethylmethacrylate copolymer) 용액을 포함하는, 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 외부 미세도관, 상기 외부 미세도관보다 더 가는 직경을 가지며 상기 외부 미세도관 내부에 삽입된 내부 미세도관, 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관이 반경 방향으로 이격된 틈새 공간을 가지며 동축상으로 중첩된 이중 내강부, 상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강부를 포함하는 미세섬유 연속 방적장치를 이용하여 응집성 고분자 미세섬유를 연속 방적하는 방법으로서,
상기 내부 미세도관의 외부와 상기 외부 미세도관의 내부 사이의 상기 틈새 공간을 통해 덮개 유체로 식염수 기반 유체를 이송시키는 단계;
상기 내부 미세도관의 내부를 통해 중심 유체로 응집성 고분자 유체를 이송시키는 단계;
상기 단일 내강부에서 상기 식염수 기반 유체와 상기 응집성 고분자 유체가 서로 접촉하며 동축으로 흐르도록 하여 응집성 고분자 미세섬유를 생성하는 단계; 및
상기 단일 내강부를 구성하는 상기 외부 미세도관의 말단으로부터 상기 응집성 고분자 미세섬유를 토출하는 단계
를 포함하는 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 응집성 고분자 유체는 에틸렌비닐알콜(Ethylene-vinyl alcohol copolymer, EVOH) 용액 또는 폴리락타이드-코-글리콜라이드 및 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 공중합체 (polylactide-co-glycolide and polyhydroxyethylmethacrylate copolymer) 용액을 포함하는, 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 외부 미세도관의 표면에 친수성의 하이드로젤 박막이 코팅된, 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 친수성의 하이드로젤 박막은 상기 단일 내강 부분에 위치한 상기 외부 미세도관의 표면에 코팅된, 응집성 고분자 미세섬유의 연속 방적방법. - 외부 미세도관;
상기 외부 미세도관보다 더 가는 직경을 가지며 상기 외부 미세도관 내부에 삽입된 내부 미세도관;
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관이 반경 방향으로 이격된 틈새 공간을 가지며 동축상으로 중첩된 이중 내강부;
상기 내부 미세도관의 말단으로부터 상기 외부 미세도관의 말단까지 상기 외부 미세도관에 의해 형성된 단일 내강부; 및
상기 외부 미세도관의 표면에 코팅된 친수성의 하이드로젤 박막
을 포함하고,
상기 내부 미세도관의 내부를 통해 공급되는 중심 유체와, 상기 틈새 공간을 통해 공급된 덮개 유체는 상기 단일 내강부에서 동축으로 흘러 응집성 고분자 미세섬유를 생성하여 토출하도록 구성된 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이에서 고정되어 상기 외부 미세도관과 상기 내부 미세도관 사이 간격을 유지하는 지지대를 더 포함하는 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 친수성의 하이드로젤 박막은 상기 단일 내강부에 위치한 상기 외부 미세도관의 표면에 코팅된, 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 중심 유체는 에틸렌비닐알콜(Ethylene-vinyl alcohol copolymer, EVOH) 용액 또는 폴리락타이드-코-글리콜라이드 및 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 공중합체 (polylactide-co-glycolide and polyhydroxyethylmethacrylate copolymer) 용액을 포함하고,
상기 덮개 유체는 식염수를 포함한 유체를 포함하는, 응집성 고분자 미세섬유 연속 방적장치.
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