WO2026019291A1 - 활성산소 제거 혈액 관류 시스템 - Google Patents

활성산소 제거 혈액 관류 시스템

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WO2026019291A1
WO2026019291A1 PCT/KR2025/010607 KR2025010607W WO2026019291A1 WO 2026019291 A1 WO2026019291 A1 WO 2026019291A1 KR 2025010607 W KR2025010607 W KR 2025010607W WO 2026019291 A1 WO2026019291 A1 WO 2026019291A1
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extracorporeal blood
blood perfusion
paragraph
support
ceria nanoparticles
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PCT/KR2025/010607
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정한길
김재윤
임필선
김동희
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Sungkyunkwan University
Seoul National University Hospital
Original Assignee
Sungkyunkwan University
Seoul National University Hospital
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Definitions

  • the present specification discloses an extracorporeal blood purification device utilizing ceria nanoparticles and various material-based supports capable of carrying ceria nanoparticles, such as porous microbeads, fibers, and membrane-shaped supports, and an extracorporeal blood purification method using the same.
  • Sepsis is a serious infection characterized by a systemic inflammatory response. Sepsis is an exaggerated and misguided response to infection, leading to tissue damage and organ dysfunction, potentially leading to life-threatening complications.
  • the systemic inflammatory response syndrome (SIRS) a systemic inflammatory response that the body exhibits in response to various forms of severe stress or injury, such as infection, trauma, burns, and pancreatitis, plays a significant pathophysiological role in sepsis.
  • Various drugs have been developed and clinically tested to treat sepsis, but none have proven effective.
  • Blood purification therapies e.g., Toraymyxin, Cytosorb
  • Toraymyxin, Cytosorb which remove pathogen-associated substances and cytokines externally, have been developed as a novel approach to treating sepsis.
  • the inventors of the present invention after continuous efforts to develop an effective extracorporeal blood perfusion system, have completed an extracorporeal blood purification device capable of effectively removing reactive oxygen species (ROS) in blood and an extracorporeal blood purification method using the same by employing ceria nanoparticles and further combining or attaching ceria nanoparticles to various materials, especially polymer-based supports.
  • ROS reactive oxygen species
  • One object of the present invention is to provide a structure for extracorporeal blood perfusion using ceria nanoparticles, such as a porous microbead for extracorporeal blood perfusion, a fiber for extracorporeal blood perfusion, or a membrane support for extracorporeal blood perfusion, which can effectively remove reactive oxygen species (ROS) in the blood that cause inflammation and damage from the body.
  • ceria nanoparticles such as a porous microbead for extracorporeal blood perfusion, a fiber for extracorporeal blood perfusion, or a membrane support for extracorporeal blood perfusion, which can effectively remove reactive oxygen species (ROS) in the blood that cause inflammation and damage from the body.
  • ROS reactive oxygen species
  • Another object of the present invention is to provide a polymer-based extracorporeal blood perfusion structure, such as a porous microbead for extracorporeal blood perfusion, a fiber for extracorporeal blood perfusion, or a membrane support for extracorporeal blood perfusion, which can effectively support ceria nanoparticles and prevent ceria nanoparticles or a fragment of the structure containing the same from falling off and flowing into the blood.
  • a polymer-based extracorporeal blood perfusion structure such as a porous microbead for extracorporeal blood perfusion, a fiber for extracorporeal blood perfusion, or a membrane support for extracorporeal blood perfusion, which can effectively support ceria nanoparticles and prevent ceria nanoparticles or a fragment of the structure containing the same from falling off and flowing into the blood.
  • Another object of the present invention is to provide an extracorporeal blood perfusion cartridge comprising the above structure.
  • Another object of the present invention is to provide an extracorporeal blood purification device comprising the above structure.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the above structure.
  • Another object of the present invention is to provide an extracorporeal blood purification method using the extracorporeal blood purification device.
  • the present invention provides a structure for extracorporeal blood perfusion comprising ceria nanoparticles and a support carrying the ceria nanoparticles.
  • the support preferably comprises a polymer, and preferably comprises the polymer in an amount of at least 50 wt% of the total weight.
  • the polymer may be functionalized to support ceria nanoparticles.
  • the support may have a mesoporous or macroporous structure and provide a large surface area for the introduction of a large amount of ceria nanoparticles.
  • the support may be functionalized to induce strong electrostatic bonding with the ceria nanoparticles by introducing a sulfone group, or to form strong covalent bonds with the ceria nanoparticles by introducing an amine group or a carboxyl group.
  • Such physical structure and chemical functionalization allow the ceria nanoparticles to be stably supported in large amounts on the support and effectively prevent them from being eluted in a blood perfusion environment.
  • the polymer has excellent mechanical strength and biocompatibility in a blood perfusion environment, and has properties that enable it to be functionalized to support ceria nanoparticles.
  • various polymers described below can be used, and preferably, it can include at least one selected from the group consisting of polystyrene (PS), polyethersulfone (PES), and polyacrylonitrile (PAN).
  • PS polystyrene
  • PES polyethersulfone
  • PAN polyacrylonitrile
  • polystyrene (PS) is particularly advantageous for supporting and surface modifying CeNPs due to its ease of introducing various functional groups
  • PES polyethersulfone
  • PAN Polyacrylonitrile
  • PAN provides excellent chemical resistance and a stable structure.
  • the structure for extracorporeal blood perfusion may be one or more of a porous microbead, a fiber, or a membrane support for extracorporeal blood perfusion.
  • the membrane support may be a dialysis membrane or an ultrafiltration membrane.
  • the extracorporeal blood perfusion structure can remove reactive oxygen species by the catalytic action of ceria nanoparticles.
  • the ceria nanoparticles may be bound, attached or supported on the surface of the support through electrostatic bonding, chemical bonding such as covalent bonding or physical adsorption after surface modification.
  • the extracorporeal blood perfusion structure may be coated with one or more selected from the group consisting of polyethylene glycol (PEG) and polyvinylpyrrolidone (PVP).
  • PEG polyethylene glycol
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • the present invention provides an extracorporeal blood perfusion cartridge comprising the extracorporeal blood perfusion structure.
  • the present invention provides an extracorporeal blood purification device including the extracorporeal blood perfusion cartridge.
  • the present invention provides an extracorporeal blood purification method comprising the following steps.
  • the present invention provides a method for manufacturing a structure for extracorporeal blood perfusion, comprising the following steps.
  • step (a) may include a step of modifying the surface of the manufactured support.
  • the method may further include a step of coating a polymer on the surface of the extracorporeal blood perfusion structure to which the ceria nanoparticles are attached to enhance hemocompatibility.
  • the present invention provides a method for effectively removing in vitro reactive oxygen species (ROS) in the blood that cause inflammation and damage by attaching ceria nanoparticles to a support capable of supporting ceria nanoparticles, preferably a polymer-based support, more preferably various polymer-based supports that can be functionalized to support ceria nanoparticles, such as porous microbeads, fibers, and membrane supports.
  • a support capable of supporting ceria nanoparticles preferably a polymer-based support, more preferably various polymer-based supports that can be functionalized to support ceria nanoparticles, such as porous microbeads, fibers, and membrane supports.
  • ROS reactive oxygen species
  • an extracorporeal blood purification device configured to circulate a patient's blood through an extracorporeal blood perfusion cartridge including such an extracorporeal blood perfusion structure can rapidly and extensively remove reactive oxygen species in both aqueous solutions and actual blood conditions. Therefore, the present invention can be effectively applied to advanced extracorporeal blood perfusion treatment systems.
  • the present invention enables continuous removal of reactive oxygen species.
  • the present invention utilizes a catalyst (ceria nanoparticles) rather than an adsorbent, thereby achieving continuous removal of reactive oxygen species.
  • inorganic nanoparticles such as ceria nanoparticles are difficult to develop into drugs because they are difficult to ensure safety when injected into the body, but the present invention has the advantage of ensuring safety because it removes active oxygen by perfusing blood out of the body.
  • the present invention can provide the following effects.
  • the present invention can contribute to the treatment of sepsis and various inflammatory diseases by quickly and effectively neutralizing excessive reactive oxygen species in the blood.
  • a polymer-based soft support compared to a rigid material such as silica, not only can the support of ceria nanoparticles be more effective, but it can also be advantageous in preventing the separation or dissolution of ceria nanoparticles or fragments of the structure containing them from the extracorporeal blood perfusion structure and inflow into the blood.
  • the use of a polymer support provides excellent mechanical properties and durability, allowing for stable performance even during long-term blood perfusion.
  • results of experiments utilizing the extracorporeal blood perfusion structure of the present invention have demonstrated not only the efficacy of removing reactive oxygen species (ROS), but also the stability and therapeutic effect in an actual blood environment, and thus have the advantage of high clinical applicability for sepsis and other inflammatory diseases.
  • ROS reactive oxygen species
  • the present invention can selectively remove reactive oxygen species, which are the fundamental problem of the inflammatory-damage response, thereby solving the problems of the existing extracorporeal blood perfusion device.
  • the present invention can remove increased reactive oxygen species in severe diseases related to systemic inflammatory response syndrome including sepsis through extracorporeal perfusion, improve severity indicators (e.g., blood pressure, amount of vasopressor used), and improve survival rates.
  • severity indicators e.g., blood pressure, amount of vasopressor used
  • the extracorporeal blood perfusion structure of the present invention can be easily integrated into existing blood perfusion devices and cartridge systems, making it easy to apply in various treatment environments.
  • the structure for extracorporeal blood perfusion of the present invention can minimize nonspecific protein adsorption and thrombus formation upon contact with blood and suppress biological reactivity by coating the surface with PVP or the like.
  • Figures 1 to 3 are results showing the PS/DVB microbead - CeNPs loading results of an embodiment of the present invention, where Figure 1 is a chemical formula showing the introduction of sulfonation, Figure 2 is a photograph showing the sulfonation treatment of PS/DVB microbeads, and Figure 3 is a characteristic peak graph showing the introduction of sulfone groups (-SO 3 H) in sulfonated PS/DVB microbeads.
  • FIGS. 4 to 6 are optical microscope and SEM photographs of microbeads of an embodiment of the present invention, wherein FIG. 4 is a PS/DVB microbead, FIG. 5 is a sulfonated PS/DVB microbead (S-PS/DVB), and FIG. 6 is a sulfonated PS/DVB microbead carrying ceria (S-PS/DVB@Ce).
  • Fig. 7 is an EDS element mapping image of an embodiment of the present invention, showing the results of EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) analysis on S-PS/DVB@Ce microbeads.
  • EDS Energy Dispersive X-ray Spectroscopy
  • Figure 8 is an image of an S-PS/DVB bead with a sulfonated group already introduced (pre-sulfonated) and rich in meso- and macro-pores, observed using a scanning electron microscope (SEM) in an embodiment of the present invention.
  • SEM scanning electron microscope
  • Figure 9 is the EDS element mapping result of the same bead used in Figure 8.
  • FIG. 10 is a scanning electron microscope (SEM) image and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis result of a structure (S-PS fiber@Ce) in which ceria nanoparticles are supported on sulfonated polystyrene fiber (S-PS fiber) in an embodiment of the present invention.
  • SEM scanning electron microscope
  • EDS energy dispersive X-ray spectroscopy
  • FIG 11 is an image taken with an optical microscope showing the change in size of polyethersulfone (PES)-based microbeads according to needle gauges manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • PES polyethersulfone
  • Figure 12 is an optical microscope image showing the change in size by needle gauge of PES/MCF composite microbeads manufactured by mixing Mesocellular Silica Foam (MCF) into PES in an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 shows the results of quantitative comparison of the average diameters of PES and PES/MCF microbeads manufactured using a 20G needle in an embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a schematic diagram showing the loading and characteristic confirmation of ceria nanoparticles on PES-based microbeads according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is an optical microscope image and a scanning electron microscope (SEM) image of PES microbeads manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 16 is an optical microscope and SEM image of PES@Ce microbeads directly loaded with ceria nanoparticles in an embodiment of the present invention.
  • Figure 17 is an optical microscope and SEM image of PES/MCF microbeads manufactured including MCF in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is an optical microscope and SEM image of (PES/MCF)@Ce microbeads manufactured by loading ceria nanoparticles into composite beads including MCF in an embodiment of the present invention.
  • Figure 19 shows the results of UV-Vis absorbance and quantitative analysis confirming that ceria nanoparticles (CeNPs) were loaded on PES and PES/MCF microbeads in an embodiment of the present invention.
  • Figure 20 is a result of observing the surface of a PES membrane (film) using a scanning electron microscope (SEM) in an embodiment of the present invention.
  • Figure 21 is an EDS mapping analysis result of PES-membrane@Ce, which supports ceria nanoparticles on a PES membrane in an embodiment of the present invention.
  • Figure 22 is a photograph showing a process of electrospinning polyacrylonitrile (PAN) dissolved in DMF into an ethanol/water mixed solvent in an embodiment of the present invention.
  • PAN polyacrylonitrile
  • Figure 23 is a scanning electron microscope (SEM) image of polyacrylonitrile (PAN) microbeads in an embodiment of the present invention.
  • Figure 24 shows surface modification of PAN-based microbeads in an embodiment of the present invention.
  • Figure 25 is a vibration peak graph that can confirm surface modification in an embodiment of the present invention.
  • Figure 26 shows the EDS mapping results of PAN-COOH microbeads carrying ceria nanoparticles in an embodiment of the present invention.
  • Figure 27 shows the results of comparing the reactive oxygen species (ROS) removal performance of PS/DVB-based microbeads in an embodiment of the present invention.
  • ROS reactive oxygen species
  • Figure 28 shows an example of the present invention in which the ROS removal ability was evaluated by loading ceria nanoparticles onto porous polystyrene fibers (PS fibers) and sulfonated polystyrene fibers (S-PS@Ce fibers).
  • PS fibers porous polystyrene fibers
  • S-PS@Ce fibers sulfonated polystyrene fibers
  • Figure 29 shows the results of evaluating the ROS removal efficacy of PES-based microbeads loaded with ceria nanoparticles (CeNPs) in an embodiment of the present invention.
  • Figure 30 is a result showing the sustainability of ROS removal when a 0.2 mM hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) solution was repeatedly perfused using a CeNPs-loaded microbead-based cartridge in an embodiment of the present invention.
  • Figure 31 shows the results of comparing the ROS removal efficiency of a PES membrane and a PES membrane (PES@Ce) loaded with ceria nanoparticles (CeNPs) in an embodiment of the present invention.
  • Figure 32 is a graph showing the results of evaluating the hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) removal performance according to surface modification of PAN-based microbeads and support of ceria nanoparticles (CeNPs) in an embodiment of the present invention.
  • Figure 33 shows the results showing that the blood perfusion system of an embodiment of the present invention significantly improves the survival rate in a severe sepsis animal model.
  • Figure 34 shows the results showing that the blood perfusion system of an embodiment of the present invention significantly improves hypotension in a severe sepsis animal model.
  • porous means a structure including mesopores (2 to 50 nm) and macropores (greater than 50 nm) for effective support of ceria nanoparticles, and the pores increase the internal or external surface area of the support, thereby expanding the contact area with the nanoparticles.
  • the porous structure can provide a large surface area to enable ceria nanoparticles to come into contact with as many ROS as possible.
  • ceria nanoparticles are used in a structure for extracorporeal blood perfusion.
  • Cerium (Ce) can freely switch between oxidation states +3 (Ce 3+ ) and +4 (Ce 4+ ), which allows it to efficiently remove various reactive oxygen species (ROS) such as superoxide, hydrogen peroxide, hydroxyl radicals, and hypochlorite.
  • ROS reactive oxygen species
  • ceria nanoparticles have high reactivity through oxygen vacancies on their surface and can act as an auto-catalytic antioxidant that repeatedly removes ROS.
  • unlike existing antioxidants they have the advantage of not being consumed and can function stably for a long time.
  • exemplary embodiments of the present invention relate, in one aspect, to a structure for extracorporeal blood perfusion comprising ceria nanoparticles and a support carrying the ceria nanoparticles.
  • the support may be a porous microbead.
  • the support may be a porous fiber.
  • the support may be a membrane support.
  • the membrane support may be a semipermeable polymer membrane such as a dialysis membrane, a high-flux membrane, or an ultrafiltration membrane, and may have, for example, an average pore size of about 5 to 50 nm or a molecular weight cutoff limit (MWCO) of about 10,000 to 100,000 Da.
  • the membrane support may include a hollow fiber membrane or flat plate membrane support used in conventional hemodialysis, high-flux hemodialysis, or continuous renal replacement therapy (CRRT).
  • the support preferably comprises a polymer.
  • the support comprises a polymer, and that the polymer is contained in an amount of 50 wt% or more (which may be defined as polymer-based).
  • a flexible support comprising a polymer or preferably polymer-based, as opposed to a rigid material such as silica, not only can the support of ceria nanoparticles be more effective, but it can also be advantageous in preventing the ceria nanoparticles or fragments of the structure containing the same from being separated or dissolved from the structure for extracorporeal blood perfusion and flowing into the blood.
  • the support may be comprised of at least 50 wt%, at least 60 wt%, at least 70 wt%, at least 80 wt%, at least 90 wt%, or solely of the polymer.
  • the support is polymer-based (i.e., greater than or equal to 50 wt% polymer), and mesocellular silica foam (MCF) may be additionally added.
  • MCF mesocellular silica foam
  • the polymer may be a polymer that can be functionalized to enable the support of ceria nanoparticles.
  • the polymer may be Chitosan, Chitin, Polyethylene, Polyacrylonitrile, Polyvinylidenefluoride, Polysulfone, Polyethersulfone, Polystyrene, Polyvinyl alcohol, Poly-methylmethacrylate, Cellulose, or Cellulose acetate.
  • Chitosan a natural polymer, possesses excellent biocompatibility and antibacterial properties, and can enhance ROS removal.
  • Chitin a precursor to chitosan, offers biocompatibility and biodegradability, making it useful for various biomedical applications.
  • the above polyethylene (PE) has the advantage of excellent chemical stability and durability, and can be mass-produced at low cost.
  • the above polyacrylonitrile (PAN) has excellent mechanical strength and chemical resistance, and can provide a stable structure.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the above polysulfone (PSU) has high strength and heat resistance and can provide excellent chemical stability.
  • PES polyethersulfone
  • PS polystyrene
  • the above polyvinyl alcohol (PVA) has the advantage of providing excellent biocompatibility and water solubility, and can be processed into various forms.
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • the above cellulose as a natural material, can provide biocompatibility and environmental friendliness.
  • the above cellulose acetate has the advantage of being inexpensive in addition to being biocompatible.
  • the various polymer materials described above can be used for porous microbeads, porous fibers, and membrane supports.
  • cellulose acetate, polysulfone (PSU), and polyethersulfone (PES) can be preferably used as membrane supports.
  • the support may have a mesoporous or macroporous structure and provide a large surface area for introduction of a large amount of ceria nanoparticles.
  • the support may be functionalized to induce strong electrostatic bonding with the ceria nanoparticles by introducing a functional group capable of electrostatic bonding with the ceria nanoparticles, such as a sulfone group, or to form strong covalent bonds with the ceria nanoparticles by introducing a functional group capable of covalent bonding, such as an amine group or a carboxyl group.
  • a functional group capable of electrostatic bonding with the ceria nanoparticles such as a sulfone group
  • a functional group capable of covalent bonding such as an amine group or a carboxyl group.
  • the polymer may include at least one selected from the group consisting of polystyrene (PS), polyethersulfone (PES), and polyacrylonitrile (PAN), which have excellent mechanical strength and biocompatibility in a blood perfusion environment and have properties that can be functionalized to enable the loading of ceria nanoparticles.
  • PS polystyrene
  • PES polyethersulfone
  • PAN polyacrylonitrile
  • PS polystyrene
  • PES polyethersulfone
  • PAN polyacrylonitrile
  • PAN can provide excellent chemical resistance and a stable structure.
  • the extracorporeal blood perfusion structure can remove reactive oxygen species (ROS) through the catalytic action of ceria nanoparticles. That is, the ceria nanoparticles exhibit excellent antioxidant performance, capable of continuously neutralizing reactive oxygen species through autocatalytic action.
  • ROS reactive oxygen species
  • the ceria nanoparticles may be bound, attached or supported on the surface of the support through electrostatic bonding, chemical bonding such as covalent bonding or physical adsorption after surface modification.
  • the extracorporeal blood perfusion structure may be characterized by evenly dispersing ceria nanoparticles throughout the support to maximize the efficiency of removing reactive oxygen species.
  • the size (diameter) of the porous microbead may be, but is not limited to, 1 ⁇ m or more, 10 ⁇ m or more, 100 ⁇ m or more, 150 ⁇ m or more, 200 ⁇ m or more, 250 ⁇ m or more, 300 ⁇ m or more, 350 ⁇ m or more, 400 ⁇ m or more, 450 ⁇ m or more, or 1500 ⁇ m or less, 1400 ⁇ m or less, 1300 ⁇ m or less, 1200 ⁇ m or less, 1100 ⁇ m or less, 1000 ⁇ m or less, 900 ⁇ m or less, 800 ⁇ m or less, 700 ⁇ m or less, 650 ⁇ m or less, 600 ⁇ m or less, or 550 ⁇ m or less.
  • the size (diameter) of the porous microbeads may be 1 to 1500 ⁇ m, or 10 to 1000 ⁇ m, or 100 to 1000 ⁇ m.
  • the size (diameter) of the porous microbeads may be adjusted in consideration of the size of the cartridge and effective blood perfusion.
  • the size (diameter) of the porous microbeads may be set to be larger than a blood cell, for example, greater than 10 ⁇ m.
  • the reactive oxygen species may be one or more selected from the group consisting of, but is not limited to, a superoxide anion, hydrogen peroxide, and a hydroxyl radical.
  • the pore volume of the porous microbeads may be, but is not limited to, 0.1 cm 3 /g to 13.5 cm 3 /g, preferably 0.1 cm 3 /g to 5.0 cm 3 /g, more preferably 0.5 cm 3 /g to 1.5 cm 3 /g.
  • Porous microbeads having the above pore volume can effectively support ceria nanoparticles and remove reactive oxygen species.
  • the surface area of the porous microbeads may be, but is not limited to, 100 m 2 /g to 1000 m 2 /g, preferably 200 m 2 /g to 900 m 2 /g, and more preferably 300 m 2 /g to 800 m 2 /g. Porous microbeads having the above surface area can effectively support ceria nanoparticles and remove reactive oxygen species.
  • the porous fiber may be a polymer-based or polymer-made porous fiber having a diameter of about 10 to 50 ⁇ m.
  • the porous fiber may be formed of polystyrene (PS), polypropylene (PP), polycaprolactam (PA-6), polyacrylonitrile (PAN), or a copolymer thereof, and the surface may be chemically treated to introduce highly active functional groups or to support nanoparticles.
  • the fiber may have a large surface area, be porous, and have a porosity of, for example, about 10% or less, for example, about 0.1 to 10%, to ensure durability and flow properties.
  • the membrane support may be non-porous, but is preferably porous.
  • it may be provided in the form of a hollow fiber membrane or a flat sheet membrane, and may be a semi-permeable polymer membrane for the purpose of removing specific molecules in blood or plasma.
  • the membrane may generally be formed of polysulfone (PS), polyethersulfone (PES), polyvinylidene fluoride (PVDF), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), a cellulose derivative, or the like.
  • the physical properties of the membrane may include, for example, an outer diameter of about 200 to 350 ⁇ m, an inner diameter of about 150 to 250 ⁇ m, a wall thickness of about 30 to 100 ⁇ m, a pore size of about 5 to 50 nm, and a porosity of about 30 to 80%.
  • the molecular weight cutoff limit (MWCO) is approximately 10,000 to 100,000 Da
  • the ultrafiltration coefficient (UF coefficient) is approximately 5 to 80 mL/h/mmHg/m2
  • the surface area is 0.2 to 2.5 m2, which can be adjusted depending on the therapeutic purpose.
  • the membrane can be surface modified, such as coating with a hydrophilic polymer (e.g., PVP), introducing heparin, or introducing a functional group for nanoparticle loading, to improve biocompatibility.
  • a hydrophilic polymer e.g., PVP
  • the extracorporeal blood perfusion structure may comprise ceria nanoparticles in an amount of 0.5 mg/g or more.
  • 'mg/g' means the amount (mg) of ceria nanoparticles per 1 g of the support.
  • the extracorporeal blood perfusion structure may contain ceria nanoparticles in an amount of 0.5 mg/g or more, 1 mg/g or more, 2 mg/g or more, 3 mg/g or more, 4 mg/g or more, 5 mg/g or more, 10 mg/g or more, 15 mg/g or more, 20 mg/g or more, 30 mg/g or more, 40 mg/g or more, or 50 mg/g or less, 500 mg/g or less, 400 mg/g or less, or 300 mg/g or less, but is not limited thereto.
  • an extracorporeal blood perfusion structure in a cartridge containing ceria nanoparticles at 100 mg/g or 200 mg/g can effectively perform extracorporeal blood perfusion and reactive oxygen species removal.
  • the extracorporeal blood perfusion structure may be coated with at least one selected from the group consisting of PEG (polyethylene glycol) and PVP (polyvinylpyrrolidone).
  • PEG polyethylene glycol
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • an extracorporeal blood perfusion structure coated with PEG polyethylene glycol
  • an extracorporeal blood perfusion structure coated with PVP polyvinylpyrrolidone
  • an extracorporeal blood perfusion structure coated with PVP polyvinylpyrrolidone
  • the present invention relates to an extracorporeal blood perfusion cartridge comprising the above extracorporeal blood perfusion structure.
  • the extracorporeal blood perfusion structure may have a volume ratio of 50% or more, 55% or more, 60% or more, 65% or more, or 70% or more, or 90% or less, 85% or less, or 80% or less, relative to the entire extracorporeal blood perfusion cartridge.
  • the extracorporeal blood perfusion structure may have a volume ratio of 50 to 90% relative to the entire extracorporeal blood perfusion cartridge, but is not limited thereto. Extracorporeal blood perfusion and active oxygen removal can be effectively performed at the above volume ratio.
  • the present invention relates to an extracorporeal blood purification device including the extracorporeal blood perfusion cartridge.
  • the present invention relates to an extracorporeal blood purification method comprising the following steps:
  • the step of removing the reactive oxygen species may be performed for 2 to 24 hours, but is not limited thereto, and the extracorporeal blood perfusion structure enables continuous removal of reactive oxygen species by using a catalyst (ceria nanoparticles) rather than an adsorbent. Therefore, continuous removal of reactive oxygen species is possible for the target as long as necessary without time constraints.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a structure for extracorporeal blood perfusion, comprising the following steps:
  • a step of preparing a support comprising at least one polymer selected from the group consisting of polystyrene (PS), polyethersulfone (PES) and polyacrylonitrile (PAN); and
  • step (a) may include a step of modifying the surface of the manufactured support.
  • step (a) may modify the support surface using a formulation comprising one or more functional groups selected from the group consisting of amine, sulfonic acid, thiol, carboxylic, hydroxyl, or epoxy groups.
  • the method may further comprise the step of (c) coating a polymer on the surface of the support to which the ceria nanoparticles are attached.
  • the coating in the step (c), may be performed with one or more selected from the group consisting of PEG (polyethylene glycol) and PVP (polyvinylpyrrolidone), but is not limited thereto.
  • PEG polyethylene glycol
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • the method may further comprise, but is not limited to, a step of coating with heparin and/or a heparin derivative.
  • Ceria nanoparticles were synthesized by dissolving 6-aminohexanoic acid (6-AHA, 10 mmol) in 60 mL of deionized water (DI water) and heating to 95°C under magnetic stirring. To this heated solution, 70 ⁇ L of hydrochloric acid (HCl) and 50 mL of cerium (III) nitrate hexahydrate (2.5 mmol) were added. The mixture was incubated for 1 min. The resulting CeNPs were then precipitated by mixing with an excess of acetone, washed three times with acetone, and dried in a vacuum oven. Finally, the purified CeNPs were dissolved in deionized water, filtered through a 0.2 ⁇ m filter, and stored refrigerated until use.
  • 6-aminohexanoic acid 6-AHA, 10 mmol
  • DI water deionized water
  • PS Polystyrene
  • Macroporous polystyrene-divinylbenzene (PS-DVB)-based porous beads were used as the base material. These beads possess sufficient internal and external surface areas for effective loading of CeNPs and are capable of introducing or modifying surface functional groups.
  • the sulfonation process was performed by immersing the microbeads in a concentrated sulfuric acid (approximately 95-98%) solution at 80°C for 3 hours. Afterwards, residual acid was removed through a sufficient distilled water washing process and dried.
  • the ceria nanoparticles (CeNPs) loading was performed as follows.
  • sulfonated PS-DVB beads 1 g were mixed with 40 mL of a 5 mg/mL CeNP aqueous solution and stirred at room temperature for 24 h to load ceria nanoparticles. After loading, the beads were washed five times with deionized water to remove non-adsorbed particles, dispersed in deionized water, and stored in a refrigerator.
  • PS Pre-sulfonated polystyrene
  • porous beads based on PS-DVB already incorporating sulfonic acid functional groups, were used. These beads exhibited strong acid cation exchange properties and enabled the loading of ceria nanoparticles without additional surface treatment.
  • the representative physicochemical properties of the beads are as follows: diameter 300-1200 ⁇ m, pore volume 0.3 mL/g, surface area 660 m2/g, average pore diameter of meso/macro/transport pores 650 ⁇ , and average pore diameter of micro pores 15 ⁇ .
  • the ceria nanoparticle loading process was performed under the same conditions as above (5 mg/mL CeNP aqueous solution, stirring for 24 hours, washing 5 times, and then refrigerated storage).
  • PS Polystyrene
  • porous polystyrene fibers or polystyrene-divinylbenzene (PS/DVB) fibers were used as the base material.
  • the fibers have sufficient internal or external surface area for effective loading of CeNPs and are capable of introducing or modifying surface functional groups.
  • the porous fiber may have a pore volume of 0.3 mL/g or more, a surface area of 600 m2/g or more, and an average pore diameter of 500 ⁇ or more.
  • the fiber was subjected to a sulfonation process to introduce negatively charged sulfonic groups onto its surface.
  • the sulfonation process was performed by immersing the fiber in a concentrated sulfuric acid (approximately 95-98%) solution at 80°C for 3 hours. Thereafter, residual acid was removed through a sufficient deionized water washing process, and the fiber was dried.
  • ceria nanoparticle (CeNP) loading was performed as follows.
  • Sulfonated polystyrene fibers were cut to a size of 100 mm x 100 mm, and 40 mL of ceria nanoparticles at a concentration of 5 mg/mL per fiber were mixed and stirred at room temperature for 24 hours to load the ceria nanoparticles. After loading, the fibers were washed five times with deionized water for 30 minutes each to remove unadsorbed ceria nanoparticles, and then dried under vacuum using ethanol to remove moisture. The sulfonated polystyrene fibers loaded with ceria nanoparticles were then stored in the freezer.
  • PES Polyethersulfone
  • PES microbeads were prepared by electrospinning a 10 wt% PES solution (solvent: DMF) into a 1:1 ethanol/water mixture (electrospinning voltage: 7 kV, PES solution flow rate: 0.5 mL/min).
  • the manufactured PES beads (10 mL) were mixed with 40 mL of a ceria nanoparticle (CeNP) aqueous solution at a concentration of 5 mg/mL and stirred at room temperature for 24 hours to load CeNP.
  • CeNP ceria nanoparticle
  • MCF mesocellular silica foam
  • the manufactured PES/MCF beads (10 mL) were mixed with CeNP aqueous solution (5 mg/mL, 40 mL) under the same conditions as above, soaked for 24 hours, washed five times, dispersed in deionized water, and stored in a refrigerator.
  • PES Polyethersulfone
  • a flat membrane support made of polyethersulfone (PES) was used as a semi-permeable polymer membrane.
  • the membrane had a diameter of 25 mm, a pore size of approximately 30 nm, and a thickness of 110 ⁇ m, and was purchased from a commercial SEM (Surface Engineered Membrane) membrane product with a flat-sheet structure.
  • This membrane is a structure having essentially similar characteristics to a typical hemodialysis membrane in terms of structural shape, pore size, and materials used, and was used as an exemplary model for implementing a dialysis membrane to evaluate the possibility of supporting ceria nanoparticles of the present invention.
  • ceria nanoparticles 40 mL of ceria nanoparticles at a concentration of 5 mg/mL were mixed and stirred at room temperature for 24 hours to load the ceria nanoparticles. After loading, the solution was washed five times with deionized water for 30 minutes each time to remove unadsorbed ceria nanoparticles, and then moisture was removed using ethanol and dried under vacuum.
  • PAN Polyacrylonitrile
  • Porous microbeads were directly fabricated using PAN polymer (e.g., average molecular weight M approximately 150,000).
  • PAN microbeads were fabricated by electrospinning a 3 wt% PAN solution (solvent: DMF) into a 1:1 ethanol/water mixture (electrospinning voltage: 7 kV, PAN solution flow rate: 0.5 mL/min).
  • the fabricated PAN beads (7.5 mL) were dehydrated to modify the negative charge of the carboxyl groups on the surface, and then mixed with 40 mL of 1 M NaOH and stirred for 24 h. They were then washed five times, each time for 30 min, with deionized water.
  • the PAN beads which have a negative charge on the carboxyl groups, turned orange in color.
  • the manufactured beads (10 mL) were mixed with 5 mg/mL of ceria nanoparticles (40 mL) and loaded for 24 hours. After washing five times, the beads were dispersed in deionized water and stored in a refrigerator.
  • Microbeads, fibers, and membranes loaded with CeNPs were coated with PVP (polyvinylpyrrolidone) to improve blood compatibility and prevent CeNPs from falling off.
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • CeNP-loaded microbeads, fibers, or membranes e.g., 1 g
  • PVP solution 20 mL
  • washed with deionized water washed with deionized water, and dried in a vacuum oven.
  • the resulting P-Ce-polymer supports were stored refrigerated until use.
  • the cartridge case consisted of an upper, barrel, and lower portion. Each portion of the cartridge case was designed using Fusion 360 software (Autodesk, CA, USA) and manufactured using a SLA-based ProJet 7000 3D printer (3D Systems, SC, USA). Accura ClearVue resin was used to visualize the cartridge interior. Silicone O-rings were inserted into the joints between each portion of the cartridge case to prevent leakage. The assembled cartridge case was filled with 200 mg of blood perfusion microbeads to assemble the blood perfusion cartridge.
  • the experimental groups consisted of a P-Ce-PS/DVB (ceria-impregnated and PVP-coated polystyrene-divinylbenzene microbead) treatment group and an untreated group that received only standard care.
  • P-Ce-PS/DVB ceria-impregnated and PVP-coated
  • the circuit was initially filled with 100 mL of heparinized saline (50 IU/mL) and then flushed with 100 mL of saline.
  • 5 mg/kg of LPS derived from E. coli O111:B4 was administered intravenously over 10 minutes. This was followed by fluid resuscitation with 30 mL/kg of normal saline over 10 minutes.
  • Perfusion was initiated using a peristaltic pump, with blood drawn from the left common carotid artery cannula at a flow rate of 5 mL/kg/min. The blood was perfused through a cartridge and returned to the left common femoral vein.
  • MAP mean arterial pressure
  • norepinephrine infusion was initiated at 0.1 mcg/kg/min, with an adjustable rate up to 2 mcg/kg/min depending on the MAP.
  • Figures 1 to 3 are results showing the PS/DVB microbead - CeNPs loading results of an embodiment of the present invention, where Figure 1 is a chemical formula showing the introduction of sulfonation, Figure 2 is a photograph showing the sulfonation treatment of PS/DVB microbeads, and Figure 3 is a characteristic peak graph showing the introduction of sulfone groups (-SO 3 H) in sulfonated PS/DVB microbeads.
  • Figures 4 to 6 are optical microscope and SEM photographs of microbeads of examples of the present invention, wherein Figure 4 shows PS/DVB microbeads, Figure 5 shows sulfonated PS/DVB microbeads (S-PS/DVB), and Figure 6 shows sulfonated PS/DVB microbeads loaded with ceria (S-PS/DVB@Ce). Even after sulfonation and loading of ceria nanoparticles, the uniform spherical shape of the microbeads is maintained, showing that ceria nanoparticles are evenly attached to the surface.
  • Fig. 7 is an EDS element mapping image of an embodiment of the present invention, showing the results of EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) analysis on S-PS/DVB@Ce microbeads.
  • sulfur (S) element mapping (left) confirmed that sulfur was widely distributed on the surface of the sulfonated polymer.
  • Cerium (Ce) element mapping (middle) clearly confirmed that ceria nanoparticles (Ce) were effectively supported and evenly distributed on the surface of the microbeads. This strongly proves that sulfonation was successful, and that positively charged CeNPs were stably attached to the introduced sulfonic acid functional groups through electrostatic attraction.
  • Figure 8 is an image of S-PS/DVB beads with sulfonated groups already introduced (pre-sulfonated) and rich in meso- and macro-pores, observed using a scanning electron microscope (SEM).
  • Figure 9 is the EDS element mapping result of the same bead used in Figure 8.
  • the sulfur (S) signal is uniformly distributed throughout the fiber skeleton, showing that the sulfonic acid group-SO3H already exists throughout the bead.
  • cerium (Ce) signal was uniformly present throughout the interior, demonstrating that the ceria nanoparticles were stably loaded onto the entire surface and within the pores of the beads.
  • the simultaneous distribution of sulfur and cerium strongly suggests that the nanoparticles were completely immobilized due to electrostatic interactions between the negatively charged sulfonic groups and the positively charged CeNPs.
  • Figure 10 shows a scanning electron microscope (SEM) image and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis results of a structure (S-PS fiber@Ce) in which ceria nanoparticles are loaded on sulfonated polystyrene fibers (S-PS fiber).
  • SEM image confirms that the fiber structure is well formed
  • EDS mapping results confirm that ceria (Ce) is uniformly distributed across the fiber surface.
  • the presence of S element supports the introduction of sulfone groups, and the distribution of Ce element supports ceria loading, respectively.
  • Figure 11 is an optical microscope image showing the size changes of polyethersulfone (PES)-based microbeads manufactured according to an embodiment of the present invention according to needle gauge.
  • PES polyethersulfone
  • Figure 12 is an optical microscope image showing the size change of PES/MCF composite microbeads manufactured by mixing PES with Mesocellular Silica Foam (MCF) according to the needle gauge in an embodiment of the present invention. Similar to PES single polymer beads, the microbeads tended to increase in size as the needle gauge increased, and overall, excellent morphological stability and sphericity were maintained.
  • MCF Mesocellular Silica Foam
  • Figure 13 quantitatively compares the average diameters of PES and PES/MCF microbeads manufactured using a 20G needle.
  • PES/MCF composite microbeads exhibited a significantly smaller average diameter than PES single polymer beads (****, p ⁇ 0.0001), demonstrating that variations in the composition of the polymer composite can influence the physical behavior of the microbead formation process.
  • Figure 14 is a schematic diagram illustrating the loading and characterization of ceria nanoparticles on PES-based microbeads according to an embodiment of the present invention.
  • the first schematic diagram on the left shows basic PES microbeads manufactured by electrospinning a 10 wt% PES solution (DMF) into a 50% ethanol/water mixture.
  • the second schematic diagram illustrates a structure (PES@Ce) in which ceria nanoparticles are physically adsorbed on the surface of PES microbeads immersed in a CeNP aqueous solution.
  • the third schematic diagram shows composite microbeads (PES/MCF) manufactured by electrospinning a mesocellular silica foam (MCF) mixed with a PES solution
  • the fourth schematic diagram shows a (PES/MCF)@Ce structure manufactured by adsorbing CeNPs onto the composite beads.
  • MCF contains a porous silica structure inside, which plays a role in increasing the loading capacity of CeNPs.
  • Figure 15 shows optical microscope images and scanning electron microscope (SEM) images of PES microbeads manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • the microbeads manufactured from a single PES polymer maintained a uniform and precise spherical shape, with an average diameter of approximately 600 ⁇ m.
  • SEM analysis revealed that the outer surface was smooth, while the inner cross-section had a spongy porous structure, with nano-sized pores uniformly distributed.
  • Figure 16 shows optical microscope and SEM images of PES@Ce microbeads directly loaded with ceria nanoparticles in an embodiment of the present invention.
  • the optical microscope image confirms that the microbeads maintain a spherical structure similar to that of a single PES bead, and SEM analysis reveals that ceria nanoparticles are finely attached to the surface. Furthermore, the nanoporous structure is maintained in the internal cross-section, suggesting that the ceria is evenly dispersed within the matrix without aggregation.
  • Figure 17 shows optical microscope and SEM images of PES/MCF microbeads manufactured by incorporating MCF in an embodiment of the present invention.
  • the optical microscope image shows a sphericity and size similar to that of a single PES polymer bead, while SEM analysis confirms that a denser and more complex porous structure is formed due to the introduction of MCF within the PES matrix. This can simultaneously increase the surface area of the beads and strengthen their structure.
  • Figure 18 shows optical microscope and SEM images of (PES/MCF)@Ce microbeads manufactured by loading ceria nanoparticles onto composite beads including MCF in an embodiment of the present invention.
  • the optical microscope images confirm excellent morphological stability, and the SEM analysis results show that ceria particles are uniformly attached to the surface, and the internal cross-section confirms that ceria is effectively loaded within the MCF structure, maintaining a porous channel structure while simultaneously presenting ceria in an integrated form within the network structure.
  • Figure 19 shows the results of UV-Vis absorbance and quantitative analysis confirming that ceria nanoparticles (CeNPs) were loaded onto PES and PES/MCF microbeads in an embodiment of the present invention.
  • the absorption peak characteristic of CeNPs (around 260 nm) was observed in both PES and PES/MCF microbeads, indicating that CeNPs were successfully loaded.
  • the quantitative analysis results in the right panel confirmed that PES/MCF microbeads loaded more CeNPs than PES at the same volume (1 mL).
  • Figure 20 shows the surface of a PES membrane observed using a scanning electron microscope (SEM) in an embodiment of the present invention.
  • SEM scanning electron microscope
  • the finely textured structure and porous surface identified in the SEM image demonstrate the unique physical properties of the membrane, which are interpreted as a suitable substrate for surface modification and functionalization for supporting ceria nanoparticles (CeNPs).
  • Figure 21 shows the results of EDS mapping analysis of PES-membrane@Ce, a PES membrane loaded with ceria nanoparticles, in an embodiment of the present invention.
  • the analysis results confirmed that the Ce signal was uniformly distributed throughout the membrane, qualitatively suggesting that ceria nanoparticles were effectively loaded on the surface.
  • These characteristics support the possibility that the membrane of this embodiment can serve as a foundation for implementing a reactive oxygen species (ROS) removal function.
  • ROS reactive oxygen species
  • Figure 22 shows, in an embodiment of the present invention, the process of electrospinning polyacrylonitrile (PAN) dissolved in DMF into an ethanol/water mixed solvent, in which internal DMF is rapidly removed through solvent exchange with an external solvent, and insoluble PAN is precipitated in the form of beads. As a result, it can be confirmed that white PAN beads are formed.
  • PAN polyacrylonitrile
  • Figure 23 is a scanning electron microscope (SEM) image of polyacrylonitrile (PAN) microbeads in an embodiment of the present invention, showing the surface and cross-sectional structures of the microbeads, respectively.
  • SEM scanning electron microscope
  • the PAN microbeads maintain an overall uniform spherical shape, and in the high-magnification image, a fine porous surface structure is observed.
  • the cross-sectional image on the right a porous channel structure unevenly distributed throughout the interior is confirmed, indicating that pores are also formed inside the microbeads.
  • These surface and internal structures can serve as a favorable foundation for implementing the function of removing reactive oxygen species (ROS) during extracorporeal blood perfusion by providing a high specific surface area and diffusion path for effective loading of functional nanomaterials such as ceria nanoparticles (CeNPs).
  • ROS reactive oxygen species
  • FIG 24 illustrates the surface modification of PAN-based microbeads in an embodiment of the present invention.
  • PAN is a polymer that originally contains nitrile groups (-CN), and modification into a negatively charged surface is necessary for the support of ceria nanoparticles (CeNPs).
  • -CN nitrile groups
  • CeNPs ceria nanoparticles
  • PAN microbeads were treated with an alkaline aqueous solution to hydrolyze the nitrile groups and convert them to carboxyl groups (-COOH), which increased the negative charge on the microbead surface. After the treatment, the color of the microbeads changed from white to orange, which was visually confirmed to indicate successful surface modification.
  • Figure 26 shows the EDS mapping results of PAN-COOH microbeads loaded with ceria nanoparticles in an embodiment of the present invention. Signals of nitrogen (N) and cerium (Ce) elements were distributed across the surface of the microbeads, suggesting that ceria nanoparticles were effectively loaded.
  • N nitrogen
  • Ce cerium
  • Figure 27 shows the results comparing the reactive oxygen species (ROS) removal performance of PS/DVB-based microbeads in an embodiment of the present invention.
  • the control group and PS/DVB microbeads without ceria had almost no H 2 O 2 removal effect, but the ceria-loaded S-PS/DVB@Ce microbeads significantly reduced the H 2 O 2 concentration.
  • excellent ROS removal ability was confirmed in both direct sulfonated and pre-sulfonated methods, indicating that CeNPs were effectively functionalized under both conditions.
  • Figure 28 shows an example of the present invention in which the ROS removal ability of porous polystyrene fibers (PS fibers) and sulfonated polystyrene fibers loaded with ceria nanoparticles (S-PS@Ce fibers) was evaluated.
  • PS fibers porous polystyrene fibers
  • S-PS@Ce fibers sulfonated polystyrene fibers loaded with ceria nanoparticles
  • Figure 29 shows the results of evaluating the ROS removal efficacy of PES-based microbeads loaded with ceria nanoparticles (CeNPs) in an embodiment of the present invention.
  • the control groups (PES and PES/MCF) without ceria had almost no ROS removal effect, whereas the ceria-loaded PES@Ce and (PES/ MCF )@Ce microbeads showed significant ROS removal ability, removing about 80% of hydrogen peroxide ( H2O2 ).
  • Figure 30 shows the sustainability of ROS removal when a 0.2 mM hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) solution was repeatedly perfused using a CeNPs-loaded microbead-based cartridge in an embodiment of the present invention. 10 mL of H 2 O 2 solution was repeatedly perfused at a rate of 1 mL/min through a cartridge filled with 1 mL of microbeads, and the residual H 2 O 2 concentration at each cycle (0, 1, 3, 5, 7) was measured.
  • H 2 O 2 hydrogen peroxide
  • Figure 31 shows the results of comparing the ROS removal efficiency of a PES membrane and a PES membrane (PES@Ce) loaded with ceria nanoparticles (CeNPs) in an embodiment of the present invention.
  • the PES membrane without ceria impregnation showed little hydrogen peroxide ( H2O2 ) removal ability
  • the PES@Ce membrane showed excellent ROS removal efficiency, removing approximately 95% of H2O2 . This suggests that the porous structure of the PES membrane enables effective loading of CeNPs, and that the ceria-impregnated membrane can be usefully utilized as a material for ROS removal.
  • Figure 32 is a graph showing the results of evaluating the hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) removal performance according to surface modification of PAN-based microbeads and support of ceria nanoparticles (CeNPs) in an embodiment of the present invention.
  • the experimental group consists of four conditions, each of which is divided as follows.
  • PAN Pure PAN beads without modification or support
  • PAN-COOH PAN beads with the surface modified with carboxyl groups (-COOH).
  • Figure 32 demonstrates that the loading of CeNPs contributes to the removal of H2O2, and that the H2O2 removal ability is maximized, particularly when the PAN surface is modified with carboxyl groups and then loaded with CeNPs. This demonstrates that the modification of carboxyl groups induces stable loading of CeNPs, thereby significantly enhancing the efficiency of removing reactive oxygen species.
  • Figure 33 shows that the blood perfusion system of an embodiment of the present invention significantly improves survival rate in a severe sepsis animal model.
  • microbeads which were made by loading ceria nanoparticles (CeNPs) onto sulfonated PS-DVB and surface-coating them with PVP, were used for blood perfusion.
  • the group treated with this system showed a 100% survival rate, which was significantly different from the 0% survival rate in the control group that received only standard treatment.
  • the present invention relates to an extracorporeal blood perfusion system that can contribute to the treatment of sepsis and various inflammatory diseases by effectively removing reactive oxygen species (ROS) in the blood that cause inflammation from outside the body.
  • ROS reactive oxygen species

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Abstract

본 명세서는 염증을 유발하는 혈액 내 활성산소종(ROS)을 체외에서 효과적으로 제거할 수 있는, 세리아 나노 입자 및 세리아 나노입자를 담지하는 지지체를 포함하는 체외 혈액 관류용 구조체, 해당 구조체를 포함하는 체외 혈액 관류 카트리지와 체외 혈액 정화 장치, 해당 구조체의 제조방법, 해당 체외 혈액 정화 장치를 이용한 체외 혈액 정화 방법을 제공한다.

Description

활성산소 제거 혈액 관류 시스템
[관련 출원에 대한 상호 참조]
본 출원은 2024년 7월 18일자로 출원된 대한민국 특허출원 제10-2024-0095254호, 2024년 7월 18일자로 출원된 대한민국 특허출원 제10-2024-0095255호 및 2025년 7월 17일자로 출원된 대한민국 특허출원 제10-2025-0097049호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 출원 내용 전체가 본 출원에 참조로서 통합된다.
본 명세서에는 세리아 나노 입자와 세리아 나노 입자가 담지될 수 있는 다양한 소재 기반의 지지체 예컨대 다공성 마이크로비드, 섬유, 막 형태의 지지체를 활용한 체외 혈액 정화 장치와 이를 이용한 체외 혈액 정화 방법이 개시된다.
한편, 본 출원은 하기 연구개발사업에 의해 지원받았다.
[이 발명을 지원한 연구개발사업]
[과제고유번호] 2022R1C1C100961012
[MSRI 과제번호] 08-2023-0123
[부처명] 과학기술정보통신부
[관리전문기관] 한국연구재단
[사업명] 개인기초연구(과기정통부)
[과제명] 다기능성 마이크로비드 기반의 패혈증 치료용 체외 혈액정화 시스템 개발
[주관기관] 분당서울대학교병원
[연구기간] 2022.03.01 ~ 2025.02.28
[이 발명을 지원한 연구개발사업]
[과제고유번호] RS-2023-00222910
[MSRI 과제번호] 08-2023-0191
[부처명] 과학기술정보통신부
[관리전문기관] 한국연구재단
[사업명] 바이오,의료기술개발(R&D)
[과제명] 6P medicine 시대 맞춤형 미래의료연구센터를 통한 5대 질환 의료 현장 적용기술 개발과 의사과학자 육성
[주관기관] 분당서울대학교병원
[연구기간] 2023.04.01-2026.12.31
[이 발명을 지원한 연구개발사업]
[과제고유번호] 1711189569
[세부 과제번호] 2022R1A2B5B02002097
[부처명] 과학기술정보통신부
[관리전문기관] 한국연구재단
[사업명] 개인기초연구(과기정통부)
[과제명] 증강된 항원특이적 면역관용을 유도하는 나노입자 기반 다발성경화증 치료용 백신 개발
[과제수행기관명] 성균관대학교
[연구기간] 2023.03.01 ~ 2025.02.28
패혈증은 본질적으로 전신적인 염증 반응을 동반하는 심각한 감염 상태이다. 패혈증은 감염에 대한 인체의 과도하고 잘못된 반응으로 인해 조직 손상과 장기 기능 장애를 일으키고 생명을 위협하는 상태로 진행할 수 있다. 전신 염증 반응 증후군은 신체가 감염, 외상, 화상, 췌장염 등 다양한 형태의 심각한 스트레스나 손상에 반응하여 나타내는 전신적 염증 반응으로 패혈증에서도 중요한 병태생리학적 역할을 가지고 있다. 지금까지 패혈증 치료를 위해 다양한 약물이 개발되고 임상 시험을 거쳤으나 효과를 입증하는데 실패하였다. 패혈증을 치료하기 위한 새로운 시도로 병원체 연관 물질이나 사이토카인을 체외에서 제거하는 혈액정화치료(예컨대, Toraymyxin, Cytosorb 등)가 개발되어 기대를 모았고 임상시험을 거쳤으나 성공하지 못하였고, 진료지침에서도 이의 사용을 추천하고 있지 않은 상태이다. 활성산소는 패혈증을 포함한 전신염증반응증후군에서 과도하게 생성되거나 충분히 제거되지 않아 세포를 손상시키고 염증을 촉진시켜 조직 손상과 장기 기능 장애를 촉발하는 매우 중요한 인자이다. 하지만, 기존 혈액정화 치료에는 활성산소를 효과적으로 제거할 수 없다는 분명한 한계점이 있다.
이에 본 발명자들은 효과적인 체외 혈액 관류 시스템을 개발하기 위한 지속적인 노력 끝에, 세리아 나노입자를 채용하고, 나아가 세리아 나노입자를 다양한 소재 특히 고분자 기반 지지체에 결합 또는 부착함으로써 혈액 내 활성산소(ROS)를 효과적으로 제거할 수 있는 체외 혈액 정화 장치 및 이를 이용한 체외 혈액 정화 방법을 완성하였다.
본 발명의 일 목적은, 염증 및 손상을 유발하는 혈액 내 활성산소종(ROS)을 체외에서 효과적으로 제거할 수 있는, 세리아 나노 입자를 이용한 체외 혈액 관류용 구조체 예컨대 체외 혈액 관류용 다공성 마이크로비드, 체외 혈액 관류용 섬유, 체외 혈액 관류용 막 지지체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 세리아 나노입자를 효과적으로 담지할 수 있고, 체외 혈액 관류용 구조체에서 세리아 나노입자 또는 이를 포함하는 구조체 조각 일부가 떨어져 혈액으로 유입되는 것을 방지할 수 있는, 특히 고분자 기반의 체외 혈액 관류용 구조체 예컨대 체외 혈액 관류용 다공성 마이크로비드, 체외 혈액 관류용 섬유, 체외 혈액 관류용 막 지지체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 구조체를 포함하는 체외 혈액 관류 카트리지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 구조체를 포함하는 체외 혈액 정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 체외 혈액 정화 장치를 이용한 체외 혈액 정화 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 일 측면에서 세리아 나노입자 및 상기 세리아 나노 입자를 담지하는 지지체를 포함하는 체외 혈액 관류용 구조체를 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 고분자를 포함하는 것이 바람직하고, 고분자를 전체 중량의 50중량% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 고분자는 세리아 나노 입자가 담지되도록 기능화될 수 있는 고분자일 수 있다. 상기 지지체는 세리아 나노입자의 다량 도입을 위해 메조포러스(mesoporous) 또는 마크로포러스(macroporous) 구조를 가지며 넓은 표면적을 제공할 수 있다. 상기 지지체는 설폰기(sulfone group)를 도입하여 세리아 나노입자와의 강력한 정전기적 결합을 유도하거나, 아민기(amine group) 또는 카르복실기(carboxyl group)를 도입하여 세리아 나노입자와 강력한 공유결합을 형성하도록 기능화될 수 있다. 이러한 물리적 구조 및 화학적 기능화는 세리아 나노입자가 지지체에 다량으로 안정적으로 담지되고 혈액 관류 환경에서 용출되는 것을 효과적으로 방지한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 고분자는 우수한 기계적 강도 및 혈액 관류 환경에서의 생체 적합성을 가지며, 세리아 나노입자가 담지 가능하도록 기능화될 수 있는 특성을 가진다. 예컨대, 후술하는 다양한 고분자들을 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES), 및 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 폴리스티렌(PS)은 다양한 기능성 그룹 도입이 용이하여 CeNPs 담지 및 표면 개질에 특히 유리하며, 폴리에테르설폰(PES)은 본질적인 친수성과 뛰어난 생체 적합성을 특징으로 한다. 폴리아크릴로니트릴(PAN)은 우수한 내화학성과 안정적인 구조를 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 체외 혈액 관류용 다공성 마이크로비드, 섬유, 막 지지체 중 하나 이상일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 막 지지체 투석막 또는 초미세여과막일 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 세리아 나노입자의 촉매 작용에 의하여 활성산소종을 제거할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 세리아 나노입자는 상기 지지체의 표면에 정전기적 결합, 공유결합과 같은 화학적 결합 또는 표면 개질 후의 물리적 흡착 방식을 통해 결합, 부착 또는 담지될 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 PEG(polyethylene glycol) 및 PVP(polyvinylpyrrolidone)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상으로 코팅된 것일 수 있다.
본 발명은 다른 측면에서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체를 포함하는 체외 혈액 관류 카트리지를 제공하는 것이다.
본 발명은 또 다른 측면에서, 상기 체외 혈액 관류 카트리지를 포함하는 체외 혈액 정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 또 다른 측면에서, 다음 단계를 포함하는 체외 혈액 정화 방법을 제공하는 것이다.
(a) 대상에서 분리된 혈액을 상기 체외 혈액 관류용 구조체와 접촉시키는 단계;
(b) 상기 구조체를 이용하여 상기 혈액으로부터 활성산소종을 제거하는 단계; 및
(c) 상기 활성산소종이 제거된 혈액을 회수하는 단계.
본 발명은 또 다른 측면에서, 다음 단계를 포함하는 체외 혈액 관류용 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
(a) 세리아 나노 입자가 담지 가능한 지지체를 제조하는 단계; 및
(b) 상기 구조체에 세리아 나노입자를 결합하는 단계.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (a) 단계는 제조된 지지체의 표면을 개질하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 방법은 세리아 나노입자가 부착된 체외 혈액 관류용 구조체 표면에 혈액적합성을 강화하기 위해 고분자를 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일 측면에서, 본 발명은 세리아 나노입자를 세리아 나노 입자가 담지 가능한 지지체, 바람직하게는 고분자 기반의 지지체, 더 바람직하게는 세리아 나노 입자가 담지 가능하도록 기능화될 수 있는 다양한 고분자 기반의 지지체, 예컨대 바람직하게는 다공성 마이크로비드, 섬유, 막 지지체에 부착함으로써, 염증 및 손상을 유발하는 혈액 내 활성산소종(ROS)을 체외에서 효과적으로 제거할 수 있다. 나아가, 고분자 기반의 지지체를 사용함으로써, 세리아 나노입자를 효과적으로 담지할 수 있고 체외 혈액 관류용 구조체에서 세리아 나노입자 또는 이를 포함하는 구조체 조각 일부가 떨어져 혈액으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이러한 체외 혈액 관류용 구조체를 포함하는 체외 혈액 관류 카트리지를 통해 환자의 혈액을 순환시키는 방식으로 구성된 체외 혈액 정화 장치는, 수용액 및 실제 혈액 조건 모두에서 활성산소를 신속하고 광범위하게 제거할 수 있다. 따라서 본 발명은 고도화된 체외 혈액 관류 치료 시스템에 효과적으로 적용될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 지속적인 활성 산소 제거를 가능하게 한다. 특히 체외 관류 환경에서는 지속적인 활성 산소 제거가 어렵다는 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 흡착제가 아닌 촉매(세리아 나노입자)를 사용함으로써 지속적인 활성 산소 제거능을 달성할 수 있다.
또 다른 측면에서, 세리아 나노입자와 같은 무기 나노입자는 체내에 주입하였을 때 안전성을 보장하기 어려워 약물로 개발하기 어렵지만 본 발명은 혈액을 체외로 관류시켜 활성산소를 제거하기 때문에 안전성이 담보된다는 장점이 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다. 세리아 나노입자의 촉매적 특성을 극대화하여 혈액 내 과도한 활성산소를 신속하고 효과적으로 중화함으로써, 패혈증 및 다양한 염증성 질환의 치료에 기여할 수 있다. 또한, 실리카와 같은 경성 소재 대비 고분자 기반의 연성 지지체를 사용함으로써 세리아 나노입자의 담지가 보다 효과적이 될 뿐만 아니라 체외 혈액 관류용 구조체로부터 세리아 나노입자 또는 이를 포함하는 구조체 조각 일부가 분리되거나 용출되어 혈액으로 유입되는 것을 방지하는데 유리할 수 있다. 또한, 고분자 지지체를 사용하면서도 기계적 특성과 내구성이 우수하여 장시간 혈액 관류에도 안정적인 성능을 유지할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 체외 혈액 관류용 구조체를 활용한 실험 결과, 활성산소종(ROS) 제거 효능뿐만 아니라 실제 혈액 환경에서의 안정성 및 치료 효과가 입증되어, 패혈증 및 기타 염증성 질환의 임상적 응용 가능성이 높다는 장점이 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 환자에게 도움이 될 수 있는 물질(예컨대, 항염증 사이토카인)까지 모두 비특이적으로 흡착했던 기존 체외관류치료와 달리, 염증-손상 반응의 근본적인 문제인 활성산소를 선택적으로 제거할 수 있으므로 기존의 체외혈액관류장치의 문제점을 해결할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 패혈증을 포함한 전신염증반응증후군 관련 중증 질환에서 증가한 활성산소를 체외 관류를 통해 제거하고, 중증도 지표(예컨대, 혈압, 혈압상승제 사용량)를 개선시키며, 생존률을 개선시킬 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 체외 혈액 관류용 구조체는 기존 혈액 관류 장치 및 카트리지 시스템에 쉽게 통합될 수 있어, 다양한 치료 환경에서의 적용이 용이하다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 체외 혈액 관류용 구조체는 PVP 등으로 표면을 코팅함으로써, 혈액과의 접촉 시 비특이적인 단백질 흡착과 혈전 형성을 최소화하고 생물학적 반응성을 억제할 수 있다.
도 1 내지 3은 본 발명의 실시예의 PS/DVB 마이크로비드 - CeNPs 담지 결과를 보여주는 결과로서, 도 1는 설폰화 도입을 보여주는 화학식, 도 2는 PS/DVB 마이크로비드 설폰화 처리를 보여주는 사진, 도 3는 설폰화 처리된 PS/DVB 마이크로비드에서 설폰기(-SO3H)의 도입을 보여주는 특성 피크 그래프이다.
도 4 내지 6은 본 발명의 실시예의 마이크로비드의 광학현미경 및 SEM 사진으로서, 도 4는 PS/DVB 마이크로비드, 도 5는 설폰화된 PS/DVB 마이크로비드 (S-PS/DVB), 도 6은 세리아를 담지한 설폰화된 PS/DVB 마이크로비드(S-PS/DVB@Ce)이다.
도 7는 본 발명의 실시예의 EDS 원소 매핑 이미지로서, S-PS/DVB@Ce 마이크로비드에 대한 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석 결과를 보여준다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 설폰기가 이미 도입돼 있고(Pre-sulfonated), 메조·매크로 기공이 풍부한 S-PS/DVB 비드를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 이미지이다.
도 9는 도 8에서 사용된 것과 같은 비드의 EDS 원소 매핑 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 설폰화된 폴리스티렌 섬유(S-PS fiber)에 세리아 나노입자를 담지한 구조(S-PS fiber@Ce)의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 에너지 분산 X선 분광(EDS) 분석 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 폴리에테르설폰(PES) 기반 마이크로비드의 니들 게이지별 크기 변화를 광학 현미경으로 촬영한 이미지이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 PES에 Mesocellular Silica Foam (MCF)을 혼합하여 제조한 PES/MCF 복합 마이크로비드의 니들 게이지별 크기 변화를 나타낸 광학 현미경 이미지이다.
도 13은 본 발명의 실시예에서 20G 니들을 사용하여 제조한 PES 및 PES/MCF 마이크로비드의 평균 직경을 정량적으로 비교한 결과이다.
도 14는 본 발명의 실시예의 PES 기반 마이크로비드에 세리아 나노입자 담지 및 특성 확인 모식도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 PES 마이크로비드의 광학 현미경 이미지 및 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 16은 본 발명의 실시예에서 세리아 나노입자를 직접 담지한 PES@Ce 마이크로비드의 광학 현미경 및 SEM 이미지이다.
도 17은 본 발명의 실시예에서 MCF을 포함하여 제조한 PES/MCF 마이크로비드의 광학 현미경 및 SEM 이미지이다.
도 18은 본 발명의 실시예에서 MCF를 포함한 복합 비드에 세리아 나노입자를 담지하여 제조한 (PES/MCF)@Ce 마이크로비드의 광학현미경 및 SEM 이미지이다.
도 19는 본 발명의 실시예에서 PES 및 PES/MCF 마이크로비드에 세리아 나노입자(CeNPs)가 담지되었음을 UV-Vis 흡광도 및 정량 분석을 통해 확인한 결과이다.
도 20은 본 발명의 실시예에서 PES 멤브레인(막)의 표면을 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰한 결과이다.
도 21은 본 발명의 실시예에서 PES 멤브레인에 세리아 나노입자를 담지한 PES-membrane@Ce의 EDS 매핑 분석 결과이다.
도 22는 본 발명의 실시예에서 DMF에 용해된 폴리아크릴로나이트릴(PAN)을 에탄올/물 혼합 용매에 전기방사하는 과정을 보여주는 사진이다.
도 23은 본 발명의 실시예에서 폴리아크릴로니트릴(PAN) 마이크로비드의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 24는 본 발명의 실시예에서 PAN 기반 마이크로비드의 표면 개질을 나타낸다.
도 25는 본 발명의 실시예에서 표면 개질을 확인할 수 있는 진동 피크 그래프이다.
도 26은 본 발명의 실시예에서 세리아 나노입자를 담지한 PAN-COOH 마이크로비드의 EDS mapping 결과를 나타낸다.
도 27은 본 발명의 실시예에서 PS/DVB 기반 마이크로비드의 활성산소종(ROS) 제거 성능을 비교한 결과이다.
도 28은 본 발명의 실시예에서 다공성 폴리스티렌 섬유(PS fiber)와 설폰화된 폴리스티렌 섬유에 세리아 나노입자를 담지(S-PS@Ce fiber) 하여 ROS 제거능을 평가한 것이다.
도 29는 본 발명의 실시예에서 세리아 나노입자(CeNPs)가 담지된 PES 기반 마이크로비드의 ROS 제거 효능을 평가한 결과를 나타낸다.
도 30은 본 발명의 실시예에서 CeNPs 담지 마이크로비드 기반 카트리지를 이용하여 0.2 mM 과산화수소(H2O2) 용액을 반복 관류했을 때의 ROS 제거 지속성을 보여주는 결과이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 있어서, PES 멤브레인과 세리아 나노입자(CeNPs)가 담지된 PES 멤브레인(PES@Ce)의 ROS 제거 효율을 비교한 결과를 나타낸다.
도 32는 본 발명의 실시예에서 PAN 기반 마이크로비드의 표면 개질 및 세리아 나노입자(CeNPs) 담지에 따른 과산화수소(H2O2) 제거 성능을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 33은 중증 패혈증 동물모델에서 본 발명의 실시예의 혈액 관류 시스템이 생존율을 유의하게 개선함을 보여주는 결과이다.
도 34는 중증 패혈증 동물 모델에서 본 발명의 실시예의 혈액 관류 시스템이 저혈압을 유의미하게 개선함을 나타내는 결과이다.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.
본 명세서에서 “다공성"이라 함은 세리아 나노입자의 효과적인 담지를 위하여 메조기공(2~50 nm) 및 매크로기공(50 nm 초과)을 포함하는 구조를 의미하며, 기공은 지지체의 내부 또는 외부 표면적을 증가시켜 나노입자와의 접촉 면적을 확대한다. 즉, 다공성 구조는 큰 표면적을 제공함으로써 세리아 나노입자가 최대한 많은 ROS와 접촉할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 체외 혈액 관류용 구조체에 세리아 나노입자를 사용한다. 체외 혈액 관류용 구조체에 세리아 나노입자를 사용하는 이유는 이들이 독특한 산화환원 전환 능력(redox cycling capability)을 가지기 때문이다. 세륨(Ce)은 산화상태 +3 (Ce3+)과 +4 (Ce4+) 사이를 자유롭게 전환할 수 있으며, 이로 인해 초과산화물(superoxide), 과산화수소(hydrogen peroxide), 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical), 차아염소산염(hypochlorite) 등과 같은 다양한 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)을 효율적으로 제거할 수 있다. 특히, 세리아 나노입자는 표면의 산소 공공(oxygen vacancy)을 통해 높은 반응성을 가지며, 반복적으로 ROS를 제거하는 자가재생형 촉매(auto-catalytic antioxidant)로 작용할 수 있다. 또한, 기존의 항산화제들과 달리, 소모되지 않고 장시간 동안 안정적으로 기능할 수 있다는 장점이 있다.
이에 본 발명의 예시적인 구현예들은, 일 관점에서, 세리아 나노입자 및 상기 세리아 나노 입자를 담지하는 지지체를 포함하는 체외 혈액 관류용 구조체에 관한 것이다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 다공성 마이크로비드일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 다공성 섬유일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 막 지지체일 수 있다. 상기 막 지지체는 예컨대 투석막, 고유량막, 또는 초미세여과막 등 반투과성 고분자막일 수 있으며, 예컨대 평균 공극 크기 약 5~50 nm 또는 분자량 차단 한계(MWCO)가 약 10,000 ~ 100,000 Da 수준일 수 있다. 또한, 예시적인 일 구현예에서 상기 막 지지체는 일반적인 혈액투석, 고유량 혈액투석, 또는 연속적 신대체요법(CRRT)에 사용되는 중공사막 또는 평막 지지체를 포함할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 지지체는 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 상기 지지체가 고분자를 포함하되 고분자를 50중량% 이상으로 포함 (이를 고분자 기반으로 정의할 수 있다)하는 것이 바람직하다. 실리카와 같은 경성 소재 대비 고분자를 포함하는 또는 바람직하게는 고분자 기반의 연성 지지체를 사용함으로써 세리아 나노입자의 담지가 보다 효과적이 될 수 있을 뿐만 아니라 체외 혈액 관류용 구조체로부터 세리아 나노입자 또는 이를 포함하는 구조체 조각 일부가 분리 또는 용출되어 혈액으로 유입되는 것을 방지하는데 유리할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 고분자를 50중량% 이상, 60중량% 이상, 70중량% 이상, 80중량% 이상, 90중량% 이상, 또는 고분자만으로 이루어진 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 고분자 기반이되(즉, 고분자가 50중량% 이상이되), 메소셀룰라 실리카 폼(Mesocellular Silica Foam, MCF)가 추가적으로 첨가될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 고분자는 세리아 나노 입자가 담지 가능하도록 기능화될 수 있는 고분자일 수 있다.
예컨대, 상기 고분자는 치토산(Chitosan), 치틴(Chitin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리에테르슬폰(Polyethersulfone), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly-methylmethacrylate), 셀룰로오스(Cellulose) 또는 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate) 등일 수 있다.
상기 치토산(Chitosan)은 천연 고분자로서 우수한 생체 적합성 및 항균성을 가지고 있으며, ROS 제거 효과를 높일 수 있다. 상기 치틴(Chitin)은 키토산의 전구 물질로, 생체 적합성과 생분해성을 제공하여 다양한 생의학적 응용에 유용하다.
상기 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)는 화학적 안정성과 내구성이 뛰어나며, 저비용으로 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다.
상기 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)은 우수한 기계적 강도와 화학적 내성을 가지고 있어, 안정적인 구조를 제공할 수 있다.
상기 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)는 높은 화학적 안정성과 내열성을 제공하여, 극한 조건에서도 안정적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
상기 폴리술폰(Polysulfone, PSU)은 높은 강도와 내열성을 가지며, 우수한 화학적 안정성을 제공할 수 있다.
상기 폴리에테르술폰(Polyethersulfone, PES)은 PSU와 유사한 특성을 가지며, 뛰어난 생체 적합성을 나타낸다.
상기 폴리스티렌(Polystyrene, PS)은 다양한 기능성 그룹을 도입할 수 있어, 흡착 능력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)은 우수한 생체 적합성과 수용성을 제공하며, 다양한 형태로 가공이 가능하다는 장점이 있다.
상기 폴리메틸메타크릴레이트(Poly-methylmethacrylate, PMMA)는 높은 투명성과 생체 적합성을 제공할 수 있어 의료용 기기에 적합하다.
상기 셀룰로오스(Cellulose)는 천연 소재로서 생체 적합성과 환경 친화성을 제공할 수 있다. 또한 상기 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate)는 생체 적합성 외 저렴한 비용이 장점이다.
이상의 다양한 고분자 소재들은 다공성 마이크로비드, 다공성 섬유, 막 지지체에 사용될 수 있다. 특히 막 지지체로서는 상기 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate), 상기 폴리술폰(Polysulfone, PSU), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone, PES)이 바람직하게 사용될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 세리아 나노입자의 다량 도입을 위해 메조포러스(mesoporous) 또는 마크로포러스(macroporous) 구조를 가지며 넓은 표면적을 제공할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 세리아 나노입자와 정전기적 결합이 가능한 기능기 예컨대 설폰기(sulfone group)를 도입하여 세리아 나노입자와의 강력한 정전기적 결합을 유도하거나, 아민기(amine group) 또는 카르복실기(carboxyl group) 등과 같이 공유 결합 형성이 가능한 기능기를 도입하여 세리아 나노입자와 강력한 공유결합을 형성하도록 기능화될 수 있다. 이러한 물리적 구조 및 화학적 기능화는 세리아 나노입자가 지지체에 다량으로 안정적으로 담지되고 혈액 관류 환경에서 세리아 나노입자 또는 이를 포함하는 구조체 조각이 분리 또는 용출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 고분자는 우수한 기계적 강도 및 혈액 관류 환경에서의 생체 적합성을 가지며, 세리아 나노입자가 담지 가능하도록 기능화될 수 있는 특성을 가지는, 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES), 및 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 전술하였지만, 구체적으로, 폴리스티렌(PS)은 다양한 기능성 그룹 도입이 용이하여 CeNPs 담지 및 표면 개질에 특히 유리하며, 폴리에테르설폰(PES)은 본질적인 친수성과 뛰어난 생체 적합성을 특징으로 한다. 폴리아크릴로니트릴(PAN)은 우수한 내화학성과 안정적인 구조를 제공할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 세리아 나노입자의 촉매 작용에 의하여 활성산소종(ROS)을 제거할 수 있다. 즉, 상기 세리아 나노입자는 자가 촉매 작용을 통해 지속적으로 활성산소종을 중화할 수 있는 우수한 항산화 성능을 나타낸다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 세리아 나노입자는 상기 지지체의 표면에 정전기적 결합, 공유결합과 같은 화학적 결합 또는 표면 개질 후의 물리적 흡착 방식을 통해 결합, 부착 또는 담지될 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 활성산소종 제거 효율을 극대화하기 위해, 세리아 나노입자를 지지체 전반에 고르게 분산시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 마이크로비드의 크기(직경)은 1 μm 이상, 10 μm 이상, 100 μm 이상, 150 μm 이상, 200 μm 이상, 250 μm 이상, 300 μm 이상, 350 μm 이상, 400 μm 이상, 450 μm 이상이거나 1500 μm 이하, 1400 μm 이하, 1300 μm 이하, 1200 μm 이하, 1100 μm 이하, 1000 μm 이하, 900 μm 이하, 800 μm 이하, 700 μm 이하, 650 μm 이하, 600 μm 이하, 550 μm 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 다공성 마이크로비드의 크기(직경은) 1 ~ 1500 μm, 또는 10 ~ 1000 μm, 또는 100 ~ 1000 μm일 수 있다. 상기 다공성 마이크로비드의 크기(직경)는 카트리지의 크기와 효과적인 혈액 관류를 고려하여 조절할 수 있다. 아울러, 비제한적인 예시에서, 상기 다공성 마이크로비드의 크기(직경)은 혈구보다 큰 크기인 예컨대 10μm 초과가 되도록 할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 활성산소종은 과산화물 음이온(superoxide anion), 과산화수소(hydrogen peroxide) 및 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 마이크로비드의 기공 용적은 0.1 cm3/g 내지 13.5 cm3/g, 바람직하게는 0.1 cm3/g 내지 5.0 cm3/g, 더 바람직하게는 0.5 cm3/g 내지 1.5cm3/g일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 기공 용적을 갖는 다공성 마이크로비드는 효과적으로 세리아 나노입자 담지하고 활성산소종 제거할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 다공성 마이크로비드의 표면적은 100 m2/g 내지 1000 m2/g, 바람직하게는, 200 m2/g 내지 900 m2/g 더 바람직하게는 300 m2/g 내지 800 m2/g 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 표면적을 갖는 다공성 마이크로비드는 효과적으로 세리아 나노입자 담지하고 활성산소종 제거할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 다공성 섬유는 지름이 약 10~50 μm인 고분자 기반의 또는 고분자로 이루어진 다공성 섬유일 수 있다. 예를 들어 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리카프로락탐(PA-6), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 또는 이들의 공중합체로 형성될 수 있으며, 표면은 고활성 기능기 도입 또는 나노입자 담지를 위한 화학적 처리가 수행될 수 있다. 상기 섬유는 내구성 및 유동 특성을 확보하기 위하여 표면적이 크고, 다공성이며, 예컨대 약 10% 이하, 예컨대 약 0.1~10%의 공극률(porosity)을 가질 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 막 지지체는 다공성이 아닌 것도 사용할 수 있지만 바람직하게는 다공성인 것이다. 예컨대 중공사막(hollow fiber membrane) 또는 평막(flat sheet membrane) 형태로 제공될 수 있으며, 혈액 또는 혈장 내의 특정 분자 제거를 목적으로 하는 반투과성 고분자 막일 수 있다. 상기 막은 일반적으로 폴리설폰(PS), 폴리에테르설폰(PES), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 셀룰로오스 유도체 등으로 형성될 수 있다. 막의 물리적 특성으로는 예를 들어, 외경 약 200~350 μm, 내경 약 150~250 μm, 벽 두께 약 30~100 μm, 공극 크기 약 5~50 nm, 공극률 약 30~80%일 수 있다. 또한, 분자량 차단 한계(MWCO)는 약 10,000~100,000 Da, 투과계수(UF coefficient)는 약 5~80 mL/h/mmHg/m², 표면적은 0.2~2.5 m²로, 치료 목적에 따라 조정될 수 있다. 또한, 상기 막은 생체적합성을 향상시키기 위해 친수성 고분자(예: PVP) 코팅, 헤파린 도입, 또는 나노입자 담지용 기능기 도입과 같은 표면 개질이 이루어질 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 세리아 나노입자를 0.5mg/g 이상으로 포함할 수 있다. 여기서 'mg/g'은 지지체 1g 당 세리아 나노입자의 양(mg)을 의미한다.
구체적으로, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 세리아 나노입자를 0.5mg/g 이상, 1mg/g 이상, 2mg/g 이상, 3mg/g 이상, 4mg/g 이상, 5mg/g 이상, 10mg/g 이상, 15mg/g 이상, 20mg/g 이상, 30mg/g 이상, 40mg/g 이상, 또는 50mg/g 이상으로 포함하거나, 500mg/g 이하, 400mg/g 이하, 또는 300mg/g 이하 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 세리아 나노입자를 100mg/g 또는 200mg/g으로 포함하는 카트리지 내 체외 혈액 관류용 구조체는 체외 혈액 관류 및 활성산소 제거를 효과적으로 수행할 수 있다.예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 PEG(polyethylene glycol), 및 PVP(polyvinylpyrrolidone)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상으로 코팅된 것일 수 있다. 상기 코팅으로 의하여 체외 혈액 관류용 구조체와 혈액과의 반응성을 방지하여 용혈 또는 응집을 억제할 수 있고 이에 따라 체외 혈액 관류용 구조체의 혈액적합성을 개선시킬 수 있다. 이러한 측면에서 PEG(polyethylene glycol)로 코팅된 체외 혈액 관류용 구조체가 바람직하고, PVP(polyvinylpyrrolidone)로 코팅된 체외 혈액 관류용 가. 바람직하고, PVP(polyvinylpyrrolidone)로 코팅된 체외 혈액 관류용 구조체가 더욱 바람직하다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 체외 혈액 관류용 구조체를 포함하는 체외 혈액 관류 카트리지에 관한 것이다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 체외 혈액 관류용 는 전체 체외 혈액 관류 카트리지에 대하여 용적률이 50 % 이상, 55 % 이상, 60 % 이상, 65 % 이상, 또는 70% 이상이거나, 90 % 이하, 85 %이하, 또는 80 % 이하일 수 있다. 예컨대, 상기 체외 혈액 관류용 구조체는 전체 체외 혈액 관류 카트리지에 대하여 용적률이 50 내지 90 %일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 용적률에서 체외 혈액 관류 및 활성산소 제거를 효과적으로 수행할 수 있다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 체외 혈액 관류 카트리지를 포함하는 체외 혈액 정화 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 다음 단계를 포함하는 체외 혈액 정화 방법에 관한 것이다:
(a) 대상에서 분리된 혈액을 상기 체외 혈액 관류용 구조체와 접촉시키는 단계;
(b) 상기 체외 혈액 관류용 구조체를 이용하여 상기 혈액으로부터 활성산소종을 제거하는 단계; 및
(c) 상기 활성산소종이 제거된 혈액을 회수하는 단계.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 활성산소종을 제거하는 단계에서 2 내지 24 시간 동안 제거할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 상기 체외 혈액 관류용 구조체드는 흡착제가 아닌 촉매(세리아 나노 입자)를 사용함으로써 지속적인 활성 산소 제거가 가능하다. 따라서, 시간의 제약 없이 대상에 필요한 시간 동안 계속하여 활성 산소 제거가 가능하다.
본 발명은 또 다른 측면에서, 다음 단계를 포함하는 체외 혈액 관류용 구조체 제조 방법에 관한 것이다.
(a) 폴리스티렌(PS), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함하는 지지체를 제조하는 단계; 및
(b) 상기 지지체에 세리아 나노입자를 결합하는 단계.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (a)단계는 제조된 지지체 표면을 개질하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 (a) 단계는 아민(amine), 설폰(sulfonic acid), 티올(thiol), 카르복실(carboxylic), 수산화(hydroxyl), 또는 에폭시(epoxy) 그룹으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 기능기를 포함하는 제제를 이용하여 지지체 표면을 개질할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 방법은 (c) 세리아 나노입자가 부착된 지지체 표면에 고분자를 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 (c) 단계에서 PEG(polyethylene glycol) 및 PVP(polyvinylpyrrolidone)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상으로 코팅할 수 있으나, 이제 제한되지 않는다.
예시적인 일 구현예에 있어서, 상기 방법은 헤파린 및/또는 헤파린 유도체로 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있으나, 이제 제한되지 않는다
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예]
1. 실험 재료 및 방법
(1-1) 세리아 나노입자 (CeNPs)
세리아 나노입자(CeNPs)는 6-아미노헥산산(6-AHA, 10 mmol)을 60 mL의 탈이온수(DI water)에 용해시키고 자석 교반 하에 95°C로 가열한 후 합성하였다. 이 가열된 용액에 염산(HCl, 70 μL)과 질산세륨(III) 헥사하이드레이트(cerium (III) nitrate hexahydrate, 2.5 mmol) 50 mL 용액을 첨가하였다. 혼합 용액은 1분 동안 인큐베이션되었다. 이후, 생성된 CeNPs는 과량의 아세톤과 혼합하여 침전시키고, 아세톤으로 3회 세척한 후 진공 오븐에서 건조하였다. 최종적으로, 정제된 CeNPs는 탈이온수에 용해시키고, 0.2 μm 필터로 여과한 후, 사용 전까지 냉장 보관하였다.
(1-2) 지지체 소재 준비, 기능화 및 CeNPs 담지
직접 설폰화된 폴리스티렌(PS) 마이크로비드 및 세리아 나노 입자 담지
마크로포러스(macroporous) 폴리스티렌-디비닐벤젠(PS-DVB) 기반의 다공성 비드를 기본 재료로 사용하였다. 이 비드는 CeNPs의 효과적인 담지를 위해 충분한 내부 또는 외부 표면적을 가지며, 표면 기능기 도입 또는 개질이 가능한 특성을 가진다.
구체적으로, 상기 비드의 대표적인 물리화학적 특성은 다음과 같다:
직경 300 - 800 μm, 기공 용적 0.3 mL/g, 표면적 950 m²/g, 메조/매크로/수송 기공의 평균 기공 직경 220 Å, 마이크로 기공의 평균 기공 직경 15 Å. 설폰화 공정은 농황산(Concentrated Sulfuric Acid, 약 95-98%) 용액에 상기 마이크로비드를 침지시켜 80°C 온도에서 3시간 동안 수행되었다. 이후, 충분한 증류수 세척 과정을 통해 잔류 산을 제거하고, 건조하였다.
이후, 세리아 나노입자(CeNPs) 담지는 다음과 같이 수행하였다.
설폰화된 PS-DVB 비드 1g을 5 mg/mL 농도의 CeNP 수용액 40 mL와 혼합하고, 상온에서 24시간 교반하여 세리아 나노입자를 담지하였다. 담지 후, 탈이온수로 5회 세척하여 비흡착 입자를 제거하고, 탈이온수에 분산시켜 냉장 보관하였다.
사전 설폰화된 폴리스티렌(PS) 마이크로비드 및 세리아 나노입자 담지
또 다른 구현예에서는, 설폰산(sulfonic acid) 기능기가 이미 도입된 PS-DVB 기반의 다공성 비드를 사용하였다. 해당 비드는 강산성 양이온 교환 특성을 가지며, 별도의 표면 처리 없이 세리아 나노입자의 담지가 가능하였다.
구체적으로, 상기 비드의 대표적인 물리화학적 특성은 다음과 같다: 직경 300-1200 μm, 기공 용적 0.3 mL/g, 표면적 660 m²/g, 메조/매크로/수송 기공의 평균 기공 직경 650 Å, 마이크로 기공의 평균 기공 직경 15 Å.
세리아 나노입자 담지 과정은 상기와 동일한 조건(5 mg/mL CeNP 수용액, 24시간 교반, 5회 세척 후 냉장 보관)을 적용하였다.
폴리스티렌(PS) 섬유 및 세리아 나노입자 담지
상업적으로 구매 가능한 다공성 폴리스티렌 섬유 또는 폴리스티렌-디비닐벤젠(PS/DVB) 섬유를 기본 재료로 사용하였다. 상기 섬유는 CeNPs의 효과적인 담지를 위해 충분한 내부 또는 외부 표면적을 가지며, 표면 기능기 도입 또는 개질이 가능한 특성을 가진다.
구체적으로, 상기 다공성 섬유는 0.3 mL/g 이상의 기공 용적, 600 m²/g 이상의 표면적, 및 500 Å 이상의 평균 기공 직경을 가질 수 있다. 상기 섬유는 설폰화(sulfonation) 공정을 거쳐 표면에 음전하를 띠는 설폰기를 도입하였다. 설폰화 공정은 농황산(Concentrated Sulfuric Acid, 약 95-98%) 용액에 상기 섬유를 침지시켜 80°C 온도에서 3시간 동안 수행되었다. 이후, 충분한 탈이온수 세척 과정을 통해 잔류 산을 제거하고, 건조하였다.
이후, 세리아 나노입자 (CeNP) 담지는 다음과 같이 수행되었다.
설폰화된 폴리스티렌 섬유를 100 mm x 100 mm 크기로 자른 뒤, 1개의 섬유당 5 mg/mL 농도의 세리아 나노입자 40 mL을 혼합하고, 상온에서 24시간 교반하여 세리아 나노입자를 담지하였다. 담지 후, 탈이온수로 1번당 30분간 5회 세척하여 비흡착된 세리아 나노입자를 제거하고, 에탄올을 이용하여 수분을 제거 진공하에서 건조하였다. 이후, 세리아 나노입자가 담지된 설폰화된 폴리스티렌 섬유를 냉동보관하였다.
폴리에테르설폰(PES) 기반 마이크로비드 및 세리아 나노입자 담지
(1) PES 마이크로비드 및 CeNP 담지
10 wt% PES 용액(용매: DMF)을 1:1 에탄올/물 혼합용액에 전기방사하여 PES 마이크로비드를 제조하였다. (전기방사 전압 7 kV, PES 용액 유속 0.5 mL/min)
제조된 PES 비드(10 mL)는 5 mg/mL 농도의 세리아 나노입자(CeNP) 수용액 40 mL와 혼합하여, 상온에서 24시간 동안 교반시켜 CeNP를 담지하였다.
이후, 탈이온수로 5회 세척한 후 탈이온수에 분산시켜 사용 시까지 냉장 보관하였다.
(2) PES/MCF 복합 마이크로비드 및 CeNP 담지
세리아 나노입자의 담지를 보조하기 위해, MCF(Mesocellular Silica Foam) 1 g을 10 wt% PES 용액(DMF, 20 mL)에 분산시킨 후, 동일하게 1:1 에탄올/물 혼합용액에 전기방사하여 PES/MCF 복합 마이크로비드를 제조하였다. (전기방사 전압 7 kV, PES 용액 유속 0.5 mL/min)
제조된 PES/MCF 비드(10 mL)는 위와 동일한 조건의 CeNP 수용액(5 mg/mL, 40 mL)과 혼합하여 24시간 동안 담지하였고, 5회 세척 후 탈이온수에 분산시켜 냉장 보관하였다.
폴리에테르설폰(PES) 투석막 및 세리아 나노입자 담지
본 실시예에서는, 반투과성 고분자막으로서 폴리에테르설폰(PES) 재질의 평막 지지체를 사용하였다. 해당 막은 직경 25 mm, 기공 크기 약 30 nm. 두께 110 μm 의 규격을 가지며, 평판형(flat-sheet) 구조의 상용 SEM(Surface Engineered Membrane) 막 제품으로부터 구매하여 사용하였다.
본 막은 구조적 형태, 기공 크기 및 사용 재질 측면에서 일반적인 혈액투석막과 본질적으로 유사한 특성을 갖는 구조체로서, 본 발명의 세리아 나노입자 담지 가능성을 평가하기 위한 투석막 구현의 예시적인 모델로 활용되었다.
5 mg/mL 농도의 세리아 나노입자 40 mL을 혼합하고, 상온에서 24시간 교반하여 세리아 나노입자를 담지하였다. 담지 후, 탈이온수로 1번당 30분간 5회 세척하여 비흡착된 세리아 나노입자를 제거하고, 에탄올을 이용하여 수분을 제거 진공하에서 건조하였다.
폴리아크릴로니트릴(PAN) 마이크로비드 및 세리아 나노입자 담지
PAN 고분자(예: 평균 분자량 M 약 150,000)를 사용하여 다공성 마이크로비드를 직접 제조한다. 3 wt% PAN 용액 (용매: DMF)를 1:1 에탄올/물 혼합용액에 전기방사하여 PAN 마이크로비드를 제조하였다. (전기방사 전압 7 kV, PAN 용액 유속 0.5 mL/min). 제조된 PAN 비드 (7.5 mL)은 표면의 카복실기의 음전하 개질을 위해 수분을 제거한 뒤, 1M NaOH 40 mL을 섞어 24시간 동안 교반한다. 이후 탈이온수를 이용하여 1번당 30분, 총 5회 세척한다. 카복실기의 음전하를 띄는 PAN 비드는 색이 주황색으로 변한다.
카복실기로 표면 개질된 PAN 비드에 세리아 나노입자를 담지하기 위해, 제조된 비드 (10 mL)과 세리아 나노입자 5 mg/mL, 40 mL와 혼합하여 24시간 동안 담지하였고, 5회 세척 후 탈이온수에 분산시켜 냉장보관 하였다.
(1-3) 코팅 공정 (PVP)
CeNPs가 담지된 마이크로비드, 섬유 및 막은 혈액 적합성 향상 및 CeNPs의 탈락 방지를 위해 PVP(폴리비닐피롤리돈) 으로 코팅했다.
PVP 코팅
CeNPs가 담지된 마이크로비드, 섬유 또는 막 (예: 1g)을 5 mg/mL PVP 용액 (20 mL)과 6시간 동안 혼합한 후, 탈이온수로 세척하고 진공 오븐에서 건조하였다. 결과물인 P-Ce-고분자 지지체(마이크로비드, 섬유 또는 막)는 사용 전까지 냉장 보관하였다.
(1-4) 혈액 관류 카트리지 제작 및 시스템 구성
카트리지 케이스는 상부, 배럴(barrel), 하부 부분으로 구성되었다. 카트리지 케이스의 각 부분은 Fusion 360 소프트웨어(Autodesk, CA, USA)를 사용하여 설계되었고, SLA 기반 ProJet 7000 3D 프린터(3D Systems, SC, USA)를 사용하여 제작되었다. 카트리지 내부를 가시화하기 위해 수지로는 Accura ClearVue가 사용되었다. 상기 카트리지 케이스의 각 부분 사이의 연결부에 실리콘 O-링을 삽입하여 누출을 방지하였다. 조립된 카트리지 케이스 내부에 200 mg의 혈액 관류 마이크로비드를 충진하여 혈액 관류 카트리지를 조립하였다.
(1-5) 패혈증 동물 실험
실험군은 P-Ce-PS/DVB(세리아 담지 및 PVP 코팅된 폴리스티렌-디비닐벤젠 마이크로비드) 처리군 그리고 표준 치료만 받은 비처리군으로 구성되었다. 9-14주령, 체중 300-450g의 수컷 Sprague-Dawley 랫트를 사용하였다. 마취 유도를 위해 초기 4% 이소플루란을 사용하여 진정시킨 후, tiletamine/zolazepam (30 mg/kg)과 xylazine (10 mg/kg)을 근육 내 주사하였다. 이어서 16게이지 카테터를 이용하여 기관 삽관을 수행하였고, 기계 환기 장치(Inspira Advanced Safety Ventilator)로 기계 환기를 실시하였다. 진정은 환기 회로에 연결된 0.5%-1% 이소플루란으로 유지되었고, 진통을 위해 트라마돌(500 mcg)을 피하 주사하였다.
무균 조건 하에, 24게이지 카테터를 이용하여 좌측 총경동맥, 우측 총대퇴동맥, 좌측 총대퇴정맥에 캐뉼라 삽입을 수행하였다. 동맥 라인에 연결된 압력 변환기 및 모니터를 통해 실험 내내 혈압 모니터링을 실시하였다. 체온은 직장 탐침으로 모니터링하고 적외선 히터로 조절하여 36.5°C-37.5°C로 유지되었다. 모든 수액과 약물은 좌측 대퇴정맥 카테터에 연결된 3-way 스톱콕을 통해 투여되었다. 혈액 관류 장치 회로는 좌측 총경동맥 캐뉼라에서 시작하여 튜빙을 통해 혈액 관류 카트리지로 연결되고, 추가 튜빙을 거쳐 주입 및 샘플링을 위한 3-way 스톱콕으로 이어지며, 최종적으로 좌측 총대퇴정맥 카테터에 연결되었다. 회로는 100 mL의 헤파린화된 생리식염수(50 IU/mL)로 초기 충전되었고, 이어서 100 mL의 생리식염수로 워싱 하였다. 난치성 패혈증 쇼크 유도를 위해, E. coli O111:B4에서 유래한 5 mg/kg의 LPS를 10분 동안 정맥 투여하였다. 이어서 30 mL/kg의 생리식염수를 10분 동안 수액 소생술로 주입하였다. 연동 펌프를 이용하여 혈액 관류를 시작하였으며, 좌측 총경동맥 캐뉼라에서 5 mL/kg/min의 유속으로 혈액을 끌어당겼다. 혈액은 카트리지를 통해 관류된 후 좌측 총대퇴정맥으로 되돌아갔다. 평균 동맥압(MAP)이 60 mmHg 미만인 경우 0.1 mcg/kg/min의 노르에피네프린 주입을 시작하였고, MAP에 따라 최대 2 mcg/kg/min까지 조절 가능하였다.
군별 생존 곡선의 차이는 로그-랭크(Log-rank, Mantel-Cox) 테스트를 사용하여 평가되었다. 혈압의 시간 경과에 따른 군간 변화는 고정 효과(치료군)와 무작위 효과(개체별 변동)를 모두 고려한 혼합 효과 모델(mixed effects model)을 사용하여 분석되었다.
2. 실험 결과
(2-1) 제조된 마이크로비드, 섬유 및 막의 특성 분석 결과
도 1 내지 3은 본 발명의 실시예의 PS/DVB 마이크로비드 - CeNPs 담지 결과를 보여주는 결과로서, 도 1는 설폰화 도입을 보여주는 화학식, 도 2는 PS/DVB 마이크로비드 설폰화 처리를 보여주는 사진, 도 3는 설폰화 처리된 PS/DVB 마이크로비드에서 설폰기(-SO3H)의 도입을 보여주는 특성 피크 그래프이다.
도 3에서 확인할 수 있듯이, FTIR 스펙트럼 분석 결과, 설폰화 처리된 PS/DVB 마이크로비드에서 설폰기(-SO3H)의 도입을 보여주는 특성 피크(S=O 비대칭/대칭 신축 진동, 1000 cm-1 ~ 1200 cm-1 범위)가 성공적으로 나타남을 확인하였다. 이는 PS/DVB 마이크로비드의 표면 기능화(설폰화)가 효과적으로 이루어졌음을 입증한다.
도 4 내지 6는 본 발명의 실시예의 마이크로비드의 광학현미경 및 SEM 사진으로서, 도 4는 PS/DVB 마이크로비드, 도 5는 설폰화된 PS/DVB 마이크로비드 (S-PS/DVB), 도 6은 세리아를 담지한 설폰화된 PS/DVB 마이크로비드(S-PS/DVB@Ce)이다. 설폰화 및 세리아 나노입자 담지 후에도 마이크로비드의 균일한 구형 형태가 유지되며, 세리아 나노입자가 표면에 고르게 부착되어 있음을 보여준다
도 7는 본 발명의 실시예의 EDS 원소 매핑 이미지로서, S-PS/DVB@Ce 마이크로비드에 대한 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석 결과를 보여준다. 도 7에서 확인할 수 있듯이, 황(S) 원소 매핑(왼쪽)을 통해 설폰화된 고분자 표면에 황이 넓게 분포되어 있음을 확인하였다. 세륨(Ce) 원소 매핑(중간)을 통해 세리아 나노입자(Ce)가 마이크로비드 표면에 효과적으로 담지되어 고르게 분포하고 있음을 명확히 확인하였다. 이는 설폰화가 성공적으로 이루어졌고, 양전하 CeNPs가 도입된 설폰산 기능기와 정전기적 인력을 통해 안정적으로 부착되었음을 강력하게 입증한다.
도 8은 설폰기가 이미 도입돼 있고(Pre-sulfonated), 메조·매크로 기공이 풍부한 S-PS/DVB 비드를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 이미지이다.
표면(좌) : 직경 300-1200 μm 범위의 비드가 매끄러운 외형을 유지하면서도, 미세한 요철과 다공성 패턴이 관찰된다.
단면(우) : 두껍게 얽힌 내부 골격과 연속적인 메조·매크로 기공 네트워크가 확인되며, 이는 기공 평균 직경이 약 650 Å로 확대된 비드 특성을 반영한다. 이러한 구조는 세리아 나노입자(CeNPs)의 침투·담지 용량을 높여 준다.
도 9는 도 8에서 사용된 것과 같은 비드의 EDS 원소 매핑 결과이다.
도 9에서 확인할 수 있듯이, 황(S) 시그널이 섬유질 골격 전반에 균일하게 분포해 설폰산기-SO₃H가 이미 비드 전반에 존재함을 보여 준다.
또한 세륨(Ce) 시그널 역시 내부까지 고르게 나타나 세리아 나노입자가 비드 전-표면과 기공 내부에 안정적으로 담지되었음을 입증한다. 황과 세륨의 동시 분포는, 음전하의 설폰기와 양전하 CeNP 간 정전기적 상호작용으로 인해 나노입자가 빠짐없이 고정되었음을 강력히 시사한다.
도 10은 설폰화된 폴리스티렌 섬유(S-PS fiber)에 세리아 나노입자를 담지한 구조(S-PS fiber@Ce)의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 에너지 분산 X선 분광(EDS) 분석 결과이다. 해당 SEM 이미지에서는 섬유 구조가 잘 형성되어 있는 것이 확인되며, 해당 EDS mapping 결과를 통해 세리아(Ce)가 섬유 표면 전반에 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, S 원소의 존재는 설폰기 도입을, Ce 원소의 분포는 세리아 담지를 각각 뒷받침한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 폴리에테르설폰(PES) 기반 마이크로비드의 니들 게이지별 크기 변화를 광학 현미경으로 촬영한 이미지이다. 니들 게이지를 22G, 20G, 18G로 변경함에 따라 마이크로비드의 평균 직경이 점진적으로 증가하는 양상을 보였으며, 특히 18G 니들을 사용할 경우 직경이 약 600-800μm로 가장 크게 나타났다. 각 조건에서도 마이크로비드는 균일한 구형도를 유지하였다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 PES에 Mesocellular Silica Foam (MCF)을 혼합하여 제조한 PES/MCF 복합 마이크로비드의 니들 게이지별 크기 변화를 나타낸 광학 현미경 이미지이다. PES 단일 고분자 비드와 유사하게, 니들 게이지가 증가할수록 마이크로비드의 크기가 커지는 경향을 보였으며, 전반적으로 우수한 형태 안정성과 구형도를 유지하였다.
도 13은 20G 니들을 사용하여 제조한 PES 및 PES/MCF 마이크로비드의 평균 직경을 정량적으로 비교한 결과이다. PES/MCF 복합 마이크로비드는 PES 단일 고분자 비드에 비해 유의미하게 작은 평균 직경을 나타냈으며(****, p < 0.0001), 이는 고분자 복합체의 조성 변화가 마이크로비드 형성과정의 물리적 거동에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다.
도 14는 본 발명의 실시예의 PES 기반 마이크로비드에 세리아 나노입자 담지 및 특성 확인 모식도이다. 좌측의 첫 번째 모식도는 10 wt% PES 용액(DMF)을 50% 에탄올/물 혼합용액에 전기방사하여 제조된 기본 PES 마이크로비드를 나타낸다. 두 번째 모식도는 PES 마이크로비드를 CeNP 수용액에 침지하여 세리아 나노입자가 비드 표면에 물리흡착된 구조(PES@Ce)를 도시한 것이다. 세 번째 모식도 mesocellular silica foam(MCF)을 PES 용액에 혼합하여 전기방사함으로써 제조된 복합 마이크로비드(PES/MCF)를 나타내며, 네 번째 모식도는 해당 복합 비드에 CeNP를 흡착시켜 제조된 (PES/MCF)@Ce 구조체이다. MCF는 내부에 다공성 실리카 구조를 포함하고 있어 CeNP의 담지 용량을 증가시키는 역할을 수행한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 PES 마이크로비드의 광학 현미경 이미지 및 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 광학 이미지에서 확인되듯이, PES 단일 고분자로 제조된 마이크로비드는 균일하고 정교한 구형 형태를 유지하며, 평균 직경은 약 600μm 내외로 측정되었다. SEM 분석 결과, 외부 표면은 매끄럽고 내부 단면은 스펀지형(spongy) 다공성 구조를 가지며, 나노 크기의 기공들이 균일하게 분포된 구조를 확인할 수 있다. 이는 향후 담지 실험을 위한 대조군으로 사용되었다.
도 16은 본 발명의 실시예에서 세리아 나노입자를 직접 담지한 PES@Ce 마이크로비드의 광학 현미경 및 SEM 이미지이다. 광학 현미경 이미지에서 PES 단독 비드와 유사한 구형 구조를 유지하는 것을 확인할 수 있으며, SEM 분석에서는 표면에 세리아 나노입자가 미세하게 부착되어 있는 양상이 관찰되었다. 또한 내부 단면에서도 나노 다공성 구조를 유지하며, 세리아가 응집 없이 매트릭스 내에 고르게 분산되어 있음을 시사한다.
도 17은 본 발명의 실시예에서 MCF을 포함하여 제조한 PES/MCF 마이크로비드의 광학 현미경 및 SEM 이미지이다. 광학 현미경 이미지는 PES 단일 고분자 비드와 유사한 구형도와 크기를 나타내며, SEM 분석에서는 PES 매트릭스 내부에 도입된 MCF의 영향으로 인해 더 치밀하고 복합적인 다공성 구조가 형성되어 있는 것이 확인된다. 이는 비드의 표면적 향상과 구조적 강화를 동시에 달성할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에서 MCF를 포함한 복합 비드에 세리아 나노입자를 담지하여 제조한 (PES/MCF)@Ce 마이크로비드의 광학 현미경 및 SEM 이미지이다. 광학 현미경 이미지에서 우수한 형태 안정성이 확인되며, SEM 분석 결과에서는 표면에 세리아 입자가 균일하게 부착되어 있고, 내부 단면에서는 MCF 구조 내에 세리아가 효과적으로 담지되어 있어 다공성 채널 구조가 유지됨과 동시에 세리아가 네트워크 구조 내에 통합된 형태로 존재함을 확인할 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예에서 PES 및 PES/MCF 마이크로비드에 세리아 나노입자(CeNPs)가 담지되었음을 UV-Vis 흡광도 및 정량 분석을 통해 확인한 결과이다. 좌측 패널에서는 CeNP 특유의 흡수 피크(260 nm 부근)가 PES 및 PES/MCF 마이크로비드 모두에서 관찰되어 CeNPs가 성공적으로 담지되었음을 보여준다. 우측 패널의 정량 분석 결과, 동일 부피(1 mL) 기준으로 PES/MCF 마이크로비드가 PES 대비 더 많은 CeNPs를 담지하고 있음을 확인하였다.
도 20은 본 발명의 실시예에서 PES 멤브레인(막)의 표면을 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰한 결과이다. SEM 이미지에서 확인되는 미세한 요철 구조와 다공성 표면은 해당 멤브레인의 고유한 물리적 특성을 보여주며, 이는 세리아 나노입자(CeNP) 담지를 위한 표면 개질 및 기능화에 적합한 기반 구조로 해석된다.
도 21은 본 발명의 실시예에서 PES 멤브레인에 세리아 나노입자를 담지한 PES-membrane@Ce의 EDS 매핑 분석 결과이다. 분석 결과, Ce 신호가 멤브레인 전반에 걸쳐 균일하게 분포되어 있음이 확인되었으며, 이는 세리아 나노입자가 표면에 효과적으로 담지되었음을 정성적으로 시사한다. 이러한 특성은 본 실시예의 멤브레인이 활성산소(ROS) 제거 기능을 구현할 수 있는 기반이 될 수 있음을 뒷받침한다.
도 22는 본 발명의 실시예에서 DMF에 용해된 폴리아크릴로나이트릴(PAN)을 에탄올/물 혼합 용매에 전기방사하는 과정에서, 내부 DMF가 외부 용매와의 용매치환(solvent exchange)에 의해 빠르게 제거되며, 불용성 PAN이 비드 형태로 석출되는 양상을 보여준다. 이로 인해 백색의 PAN 비드가 형성됨을 확인할 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시예에서 폴리아크릴로니트릴(PAN) 마이크로비드의 주사전자현미경(SEM) 이미지로서, 마이크로비드의 표면 및 단면 구조를 각각 나타낸다. 좌측의 표면 SEM 이미지에서는 PAN 마이크로비드가 전반적으로 균일한 구형 형태를 유지하고 있으며, 고배율 이미지에서는 미세한 다공성 표면 구조가 관찰된다. 우측의 단면 이미지에서는 내부 전반에 걸쳐 불균일하게 분포된 다공성 채널 구조가 확인되며, 이는 마이크로비드 내부에도 기공이 형성되어 있음을 보여준다.
이러한 표면 및 내부 구조는 세리아 나노입자(CeNPs)와 같은 기능성 나노소재의 효과적인 담지를 위한 높은 비표면적과 확산 경로를 제공함으로써, 체외 혈액 관류 시 활성산소종(ROS) 제거 기능 구현에 유리한 기반 구조로 작용할 수 있다.
도 24는 본 발명의 실시예에서 PAN 기반 마이크로비드의 표면 개질을 나타낸다. PAN은 본래 나이트릴기(-CN)를 가지는 고분자로, 세리아 나노입자(CeNPs)의 담지를 위해 음전하를 띠는 표면으로의 개질이 필요하다. 이에 따라, PAN 마이크로비드를 염기성 수용액에 처리하여 나이트릴기를 가수분해함으로써 카복실기(-COOH)로 전환하였고, 이 과정을 통해 마이크로비드 표면의 음전하가 증가하였다. 처리 후 마이크로비드의 색이 흰색에서 주황색으로 변화됨이 육안으로 확인되었으며, 이는 표면 개질이 성공적으로 이루어졌음을 보여준다.
도 25는 기존 PAN은 나이트릴 작용기에 의해 2243 cm-1에서 진동피크가 나타남을 확인할 수 있으며, 표면개질된 PAN-COOH에서는 카복실기의 O-H 진동흡수로 인해 3354 cm-1에서 넓은 피크가 뜨는것을 알 수 있으며 카복실기의 전형적인 C=O 1664 cm-1, 그리고 음전하를 띄는 COO-의 대칭, 비대칭 피크가 1405, 1564 cm-1에 뜨는 것을 확인하여 카복실기로 표면 개질됨을 확인 하였다.
도 26은 본 발명의 실시예에서 세리아 나노입자를 담지한 PAN-COOH 마이크로비드의 EDS mapping 결과를 나타낸다. 질소(N) 및 세륨(Ce) 원소의 신호가 마이크로비드 표면 전반에 분포되어 있었으며, 이는 세리아 나노입자가 효과적으로 담지되었음을 시사한다.
도 27은 본 발명의 실시예에서 PS/DVB 기반 마이크로비드의 활성산소종(ROS) 제거 성능을 비교한 결과이다. 세리아가 담지되지 않은 대조군(Control)과 PS/DVB 마이크로비드는 H2O2 제거 효과가 거의 없었으나, 세리아가 담지된 S-PS/DVB@Ce 마이크로비드는 H2O2 농도를 현저히 감소시켰다. 특히, 직접 설폰화(direct sulfonated) 및 사전 설폰화(pre-sulfonated)된 두 방식 모두에서 뛰어난 ROS 제거 능력이 확인되었으며, 이는 두 조건 모두에서 CeNP가 효과적으로 기능화되었음을 보여준다.
도 28은 본 발명의 실시예에서 다공성 폴리스티렌 섬유(PS fiber)와 설폰화된 폴리스티렌 섬유에 세리아 나노입자를 담지(S-PS@Ce fiber) 하여 ROS 제거능을 평가한 것이다. 세리아 나노입자가 담지되지 않은 폴리스티렌 섬유는 ROS의 제거 효능을 거의 보이지 않았으나, 세리아가 담지된 술폰화된 폴리스티렌 섬유는 그에 비해 약 90퍼센트의 제거 효율을 확인하였다.
도 29는 본 발명의 실시예에서 세리아 나노입자(CeNPs)가 담지된 PES 기반 마이크로비드의 ROS 제거 효능을 평가한 결과를 나타낸다. 도 29에서 확인할 수 있듯이, 세리아가 담지되지 않은 대조군(PES 및 PES/MCF)은 ROS 제거 효과가 거의 없었던 반면, 세리아가 담지된 PES@Ce 및 (PES/MCF)@Ce 마이크로비드는 과산화수소(H2O2)를 약 80% 제거하며 유의미한 ROS 제거 능력을 보였다.
도 30은 본 발명의 실시예에서 CeNPs 담지 마이크로비드 기반 카트리지를 이용하여 0.2 mM 과산화수소(H2O2) 용액을 반복 관류했을 때의 ROS 제거 지속성을 보여준다. 1 mL의 마이크로비드를 충전한 카트리지에 10 mL H2O2용액을 1 mL/min 속도로 반복 관류하며, 각 Cycle(0, 1, 3, 5, 7)에서의 잔존 H2O2 농도를 측정하였다. 그 결과, PES@Ce 및 PES/MCF@Ce 마이크로비드 모두 반복 관류에도 H2O2를 안정적으로 제거하는 능력을 유지하였으며, 특히 PES/MCF@Ce는 전반적으로 약간 더 낮은 잔존 H2O2 농도를 보여 조금 더 우수한 ROS 제거 효율을 나타냈다. 이는 세리아 나노입자가 촉매적으로 작용하여 반복 사용 후에도 ROS 제거 활성이 유지됨을 보여주는 결과이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 있어서, PES 멤브레인과 세리아 나노입자(CeNPs)가 담지된 PES 멤브레인(PES@Ce)의 ROS 제거 효율을 비교한 결과를 나타낸다.
세리아가 담지되지 않은 PES 멤브레인은 과산화수소(H2O2) 제거 능력이 거의 없었던 반면, PES@Ce 멤브레인은 약 95%의 H2O2를 제거하여 우수한 ROS 제거 효율을 보였다. 이는 PES 멤브레인의 다공성 구조가 CeNPs의 효과적인 담지를 가능하게 하며, 세리아 담지 멤브레인이 ROS 제거용 소재로 유용하게 활용될 수 있음을 시사한다.
도 32는 본 발명의 실시예에서 PAN 기반 마이크로비드의 표면 개질 및 세리아 나노입자(CeNPs) 담지에 따른 과산화수소(H2O2) 제거 성능을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서 실험군은 네 가지 조건으로 구성되며, 각각 아래와 같이 구분된다.
(1) PAN: 개질 또는 담지 없이 순수 PAN 비드,
(2) PAN@Ce: PAN 비드에 직접 CeNP를 담지,
(3) PAN-COOH: 표면을 카르복실기(-COOH)로 개질한 PAN 비드,
(4) (PAN-COOH)@Ce: (카르복실기로 개질한 PAN 비드에 CeNP 담지).
도 32는 CeNPs의 담지가 H2O2 제거에 기여하며, 특히 PAN 표면을 카르복실기로 개질한 뒤 CeNPs를 담지한 경우에서 H2O2 제거 능력이 극대화됨을 보여준다. 이는 카르복실기 개질이 CeNPs의 안정적 담지를 유도함으로써, 활성산소종 제거 효율을 크게 향상시킨다는 것을 입증한다.
도 33은 중증 패혈증 동물모델에서 본 발명의 실시예의 혈액 관류 시스템이 생존율을 유의하게 개선함을 보여준다.
본 실험에서는 설폰화된 PS-DVB에 세리아 나노입자(CeNPs)를 담지하고 PVP로 표면 코팅한 마이크로비드(P-S-PS-DVB@Ce)를 혈액 관류용으로 사용하였다. 해당 시스템으로 치료한 군은 100%의 생존율을 보였으며, 이는 표준 치료만 받은 대조군의 0% 생존율과 현저한 차이를 나타냈다. 이러한 결과는 본 발명의 S-PS-DVB@Ce 기반 혈액 관류 시스템이 패혈증으로 인한 사망률을 효과적으로 낮출 수 있음을 명확히 입증한다.
도 34는 중증 패혈증 동물 모델에서 본 발명의 실시예의 혈액 관류 시스템이 저혈압을 유의미하게 개선함을 나타낸다. X축은 LPS 투여 후 경과 시간, Y축은 평균 동맥압(MAP, mmHg)을 나타낸다. 대조군(표준 치료만 받은 군, 점선)은 난치성 패혈증 쇼크의 전형적 양상인 지속적인 평균 동맥압 감소를 보인 반면, 본 발명의 실시예의 혈액 관류 시스템으로 치료한 군(예: PVP 코팅된 S-PS/DVB@Ce 마이크로비드를 사용한 관류, 실선)은 MAP이 일정 수준으로 유지되거나 상승하는 경향을 보여, 저혈압 상태가 효과적으로 개선되었음을 입증하였다.
본 발명은 염증을 유발하는 혈액 내 활성산소종(ROS)을 체외에서 효과적으로 제거하여 패혈증이나 다양한 염증성 질환 등의 치료에 기여할 수 있는 체외혈액 관류 시스템에 관한 것이다.

Claims (24)

  1. 세리아 나노입자 및 상기 세리아 나노 입자를 담지하는 지지체를 포함하는, 체외 혈액 관류용 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 고분자가 지지체 총 중량의 50중량% 이상인 고분자 기반 지지체인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 치토산(Chitosan), 치틴(Chitin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리에테르슬폰(Polyethersulfone), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly-methylmethacrylate), 셀룰로오스(Cellulose) 또는 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자를 포함하는, 체외 혈액 관류용 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES), 및 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함하는, 체외 혈액 관류용 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 다공성 마이크로비드인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 다공성 섬유인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 막 지지체인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 체외 혈액 관류용 구조체는 세리아 나노입자의 촉매 작용에 의하여 활성산소종을 제거하는, 체외 혈액 관류용 구조체.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 다공성 마이크로비드의 크기(직경)은 1~1500 μm인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 다공성 마이크로비드의 기공 용적은 0.1 cm3/g 내지 13.6 cm3/g인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 다공성 마이크로비드의 표면적은 100 m2/g 내지 1,000m2/g인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 다공성 섬유는 지름이 10~50μm인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 다공성 섬유는 10% 이하의 공극률(porosity)을 가지는, 체외 혈액 관류용 구조체.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 막 지지체는 외경 200~350 μm, 내경 150~250 μm, 벽 두께 30~100 μm, 공극 크기 5~50 nm, 공극률 30~80%인 것인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 막 지지체는 분자량 차단 한계(MWCO) 10,000~100,000 Da, 투과계수(UF coefficient) 5~80 mL/h/mmHg/m², 표면적 0.2~2.5 m²인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 체외 혈액 관류용 구조체는 세리아 나노입자를 0.5mg/g 이상 포함하는, 체외 혈액 관류용 구조체.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 체외 혈액 관류용 구조체는 PEG(polyethylene glycol) 및 PVP(polyvinylpyrrolidone)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상으로 코팅된 것인, 체외 혈액 관류용 구조체.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 체외 혈액 관류용 구조체를 포함하는 체외 혈액 관류 카트리지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 체외 혈액 관류용 구조체는 전체 체외 혈액 관류 카트리지에 대하여 50% 내지 90%의 용적률을 갖는, 체외 혈액 관류 카트리지.
  20. 제 18 항의 체외 혈액 관류 카트리지를 포함하는 체외 혈액 정화 장치.
  21. 다음 단계를 포함하는 체외 혈액 정화 방법:
    (a) 대상에서 분리된 혈액을 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 체외 혈액 관류용 구조체와 접촉시키는 단계;
    (b) 상기 체외 혈액 관류용 구조체를 이용하여 상기 혈액으로부터 활성산소종을 제거하는 단계; 및
    (c) 상기 활성산소종이 제거된 혈액을 회수하는 단계.
  22. 다음 단계를 포함하는 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 체외 혈액 관류용 구조체의 제조 방법:
    (a) 하나 이상의 고분자를 포함하는 체외 혈액 관류용 구조체를 제조하는 단계;
    (b) 상기 체외 혈액 관류용 구조체에 세리아 나노입자를 결합하는 단계.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 아민(amine), 설폰(sulfonic acid), 티올(thiol), 카르복실(carboxylic), 수산화(hydroxyl), 또는 에폭시(epoxy) 그룹으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 기능기를 포함하는 제제를 이용하여 체외 혈액 관류용 구조체 표면을 개질하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법은 체외 혈액 관류용 구조체 표면에, PEG(polyethylene glycol) 및 PVP(polyvinylpyrrolidone)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자를 코팅하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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