KR101838631B1 - 반복 분사에 따른 젯의 분사 속도 저하를 방지하고 약물의 자동 충전이 가능한 마이크로젯 약물 주입 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주사 약물을 고속 마이크로젯(microjet) 형태로 분사하여 목표 부위에 침투시키는 마이크로젯 약물 주입 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로젯 분사 후에 인젝터 내부에 수용된 약물 용액에 공기 버블이 생성됨으로 인해 분사 속도 및 효율이 저하되는 문제를 방지할 수 있도록 고안된 개선된 마이크로젯 약물 주입 장치에 관한 발명이다.
본 발명에서 제공하는 마이크로젯 약물 주입 장치는, 밀폐된 내부 공간에 작동 유체가 밀실하게 채워진 압력 챔버와; 내부에 약물 용액이 수용되며 일측에 상기 약물 용액이 외부로 배출되는 마이크로 노즐이 형성된 약물 챔버와; 확장 및 원상회복이 가능하도록 탄성을 가지는 막으로 상기 압력 챔버와 상기 약물 챔버의 사이를 분리 구획하는 탄성막 및; 상기 압력 챔버 내의 작동 유체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치;를 포함하여 구성된 마이크로젯 약물 주입 장치에 있어서, 약물 공급로를 통해 상기 약물 챔버와 연결되어 상기 약물 공급로를 통해 내부에 저장된 약물 용액을 상기 약물 챔버로 공급하는 약물 저장고 및; 상기 탄성막이 확장된 후 원상회복되기 이전에 상기 약물 챔버의 내부 공간 중 적어도 상기 탄성막과 약물 연결로가 포함된 공간이 일시적으로 상기 마이크로 노즐 외부의 대기와 공간적으로 연통된 상태가 되지 않도록 차단하는 노즐 클로저;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

반복 분사에 따른 젯의 분사 속도 저하를 방지하고 약물의 자동 충전이 가능한 마이크로젯 약물 주입 장치 {AUTOMATIC RECHARGING MICRO-JET DRUG INJECTION DEVICE PREVENTING JET SPEED DOWN PROBLEM OF REPEATED INJECTION}

본 발명은 주사 약물을 고속 마이크로젯(microjet) 형태로 분사하여 목표 부위에 침투시키는 마이크로젯 약물 주입 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로젯 분사 후에 인젝터 내부에 수용된 약물 용액에 공기 버블이 생성됨으로 인해 분사 속도 및 침투 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있도록 고안된 개선된 마이크로젯 약물 주입 장치에 관한 것이다.

일반적으로 의료 분야 또는 이와 인접한 관련 분야에서 약물 용액을 체내에 비경구 투여하기 위한 방법으로서 예로부터 다양한 형태의 약물 주입 장치들이 적용되고 있다. 이와 같은 약물 주입 장치로 종래부터 가장 보편적으로 사용되는 방식은 바늘식 주사기로서, 이러한 바늘식 주사기는 피부에 바늘을 찔러 넣고 앰플(apoule) 내 피스톤을 눌러 바늘을 통해 약물을 직접 주입하는 방식이다. 상기와 같은 전통적인 바늘식 주사기는 구조가 간단하고 사용이 쉬우며, 피스톤 방식의 주입구를 사용하기 때문에 비교적 정량적인 약물 주입이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 이와 같은 바늘식 주사기는 주사 시의 통증으로 인한 환자들의 불편이 큰 문제점으로 지적되고 있을 뿐 아니라, 주사시의 상처로 인한 세균 또는 바이러스 감염의 우려가 있으며, 이 밖에도 위생상의 이유로 재사용되지 못하고 일회용으로 폐기되어야 하므로 자원 낭비의 문제가 파생되는 점 등 많은 단점을 가지고 있었다.

이러한 종래의 바늘식 주사기의 문제점을 해결하기 위해 주사 바늘을 사용하지 않고 체내에 약물을 주입할 수 있는 바늘 없는 주사기(Needle-free injector)와 같은 약물 전달 시스템의 개발이 다양한 방식으로 진행되고 있으며, 이러한 연구의 일환으로 약물 용액을 미세 직경의 마이크로젯 형태로 고속 분사함으로써 약물 용액이 직접 피부의 표피를 관통하여 체내에 침투되도록 하는 방식의 마이크로젯 약물 전달 시스템이 대안으로 제시되고 있다.

이와 같은 마이크로젯 약물 전달 시스템에서 고속 약물 마이크로젯의 발생을 위해서는 피분사 약물에 (직접 또는 간접적으로) 강한 추진력을 가하여 약물이 마이크로 노즐 분사구(orifice)를 통해 강력하게 외부로 배출되도록 하여야 한다. 이러한 마이크로젯 약물 전달 시스템에서 추진력을 발생시키는 방식은 1930년대 이래로 다양하게 개발되어 왔는데, 최근까지 압전 세라믹 소자를 이용한 분사 방식, 알루미늄 포일에 레이저 빔을 가함으로써 유발되는 충격파를 통한 분사 방식, 압축 스프링이나 압축 가스를 이용하는 방식, 로렌츠 힘(Lorentz force)을 이용한 분사 방식 등의 다양한 분사 방식이 개발되었다.

특히, 최근에는 기존의 마이크로젯 분사 방식들과는 달리 분사되는 약물의 양과 분사 속도(즉, 약물의 침투 깊이)를 미세하게 조절할 수 있으면서도, 연속적인 주사가 가능하며, 반복 재사용이 가능한 레이저-버블(laser-bubble) 방식의 마이크로젯 분사 방식이 본 발명자에 의해 개발되었으며, 이는 대한민국 특허 제10-2010-56637호(발명의 명칭: 마이크로젯 약물전달 시스템)으로 출원되어 특허등록 제1207977호로 등록된 바 있다.

도10은 상기 본 발명자의 선등록 레이저-버블 방식의 마이크로젯 약물 전달 장치를 설명한 도면으로서, 도10(a)는 약물의 분사 전 상태를 나타내고, 도10(b)는 약물이 분사되는 상태를 나타낸다. 도10을 참조하면, 상기 본 발명자의 선등록 마이크로젯 약물 전달 장치는, 밀폐된 공간 내에 압력발생용 액체가 밀실하게 채워져 있는 압력 챔버(10)와, 내부에 약물 용액을 저장하고 있으며 일측에 상기 약물 용액이 배출되는 마이크로 노즐(42)이 형성된 약물 챔버(20)와, 상기 압력 챔버(10)와 약물 챔버(20)의 사이에 배치된 탄성 재질의 탄성막(30) 및 상기 압력 챔버(10) 내에 레이저 등 강한 에너지를 집중시켜 상기 압력 챔버(10) 내부의 압력발생용 액체에 상 변화(기체 -> 액체)를 일으키는 에너지 포커싱 유닛(50)을 포함하는 구성으로 이루어져 있다.

상기와 같은 본 발명자의 선등록 마이크로젯 약물 전달 장치에 따르면, 에너지 포커싱 유닛(50)을 통해 레이저 등 강한 에너지를 압력 챔버(10) 내의 압력발생용 액체(100)에 집중적으로 조사하게 되면, 상기 압력발생용 액체(100)가 순간적으로 증발하여 버블이 발생하게 되고, 이와 같이 발생된 버블이 급격히 팽창하면서 탄성막(30)을 확장시키면서 약물 챔버(20) 내의 약물 용액에 강하게 압력을 가하여 마이크로 노즐 배출구 외부로 빠르게 밀어냄으로써 신체의 피부 조직을 통과하기에 충분한 속도로 약물을 마이크로젯 분사할 수 있게 되는 것이다.

그런데, 상기와 같은 선등록 마이크로젯 약물 전달 장치를 실제로 제작하여 실시해 본 결과, 약물 마이크로젯 분사 후에 약물이 저장된 약물 챔버(20) 내에 의도하지 않은 불필요한 기포가 생성되고 이 기포의 성장으로 인해 탄성막의 확장 변형에 의한 압력이 약물 용액에 전달되지 못함으로써 마이크로젯 분사 특성 및 효율이 저하되고 결과적으로 침투 성능이 크게 저하되는 문제점이 발생하였다.

특히, 상기 선등록 마이크로젯 약물 전달 장치에서 에너지원으로 레이저 장치를 이용하는 경우 초당 수회(10회 이상)로 발진하는 레이저를 이용하여 소량 약물을 연속 분사시킴으로써 필요한 만큼 약물 용량을 조절하여 주입이 가능하다는 장점이 있으나, 이와 같은 연속 분사시 발사 횟수가 증가할수록 약물 챔버 내부의 버블이 성장하여 고반복 분사 후에는 실질적으로 사용이 불가능해지는 문제가 발견되었다. 본 발명자의 시험 실시 결과 기존 마이크로젯 약물 전달 장치의 젯 속도는 초기 140m/s에서 200회 발사 이후에는 60 m/s로 크게 감소하였으며, 600회 발사 이후에는 20m/s 이하로 감소하는 결과가 관측되었다.

상기와 같은 분사 후 약물 챔버 내 기포 발생 현상의 원인으로는 분사 직후 약물 챔버의 내부 압력 감소에 따른 외부 공기 유입에 기인하는 것으로 예측된다. 즉, 마이크로젯 분사 시 압력 챔버(10)의 압력발생용 액체(100)에 생성된 증기 버블(120)로 인해 탄성막이 약물 용액을 가압하는 방향으로 확장되었다가 상기 버블(120)이 소멸되어 탄성막(30)이 다시 원상 회복하는 과정에서 약물 챔버 내의 압력이 대기압보다 낮아지게 되며, 이에 따라 약물 챔버 내부 압력과 외부 대기압과의 압력 차이에 의해 역압(逆壓)이 발생하여 노즐 외부로부터 약물 챔버 내로 공기가 유입된다. 이때, 약물 챔버 내부로 유입된 공기는 약물 용액과의 비중 차이로 인해 윗쪽으로 떠올라 탄성막(30) 하부에 자리 잡게 되고, 분사가 반복될 때마다 유입되는 공기(대략 분사된 약물과 동일한 부피)로 인해 탄성막 하부에는 공기 버블이 점차 성장하게 되며, 이로 인해 재분사시 탄성막으로부터 약물로 전달되는 압력이 크게 감소됨으로써 마이크로젯의 분사 특성 및 피부 침투 성능이 저하되는 문제가 발생하는 것이다.

이에 본 발명자는 상기와 같은 마이크로젯 분사 후 약물 챔버 내 공기 버블 생성으로 인한 분사 효율 저하의 문제점을 인식하고 이를 해결하기 위한 방법으로서, 마이크로젯 인젝터 분사 후 역압이 발생하기 전에, 인젝터에 연결된 약물 공급 장치의 동작을 제어하여 분사되어 빠져나간 약물과 동일한 양의 약물을 약물 챔버 내로 적시에 공급함으로써 역압에 의한 외부 공기 유입 및 약물 챔버 내 버블의 생성을 억제하는 방법을 개발하였으며, 이를 대한민국 특허출원 제10-2013-0061485호(발명의 명칭: 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법 및 이를 이용한 마이크로젯 약물 전달 시스템)로 출원하여 특허등록 제10-1500568호로 등록받은 바 있다.

그러나, 상기와 같은 선등록 마이크로젯 약물 전달 장치의 약물 공급 제어 방법에 따르면, 그 기술적 목적을 달성하기 위해서는 약물 공급 장치와 레이저 장치의 구동 시점을 정확히 연관시켜 제어해야 하는데, 실제적인 실시에 있어서 이러한 장치의 제어가 매우 어려워 예상과 달리 동작이 잘 이루어지지 않는 문제가 발견되었다. 즉, 상기와 같은 선등록 발명에 따르면 마이크로젯 분사 후 압력 챔버 내부에 생성되었던 버블이 소멸하여 내부의 압력이 감소하는 정확한 시점부터 정확한 약물의 양을 공급하여야만 적절한 동작이 이루어질 것이나, 실제로 압력 발생용 액체 내부의 버블과 탄성막의 거동 및 이에 따른 내부 압력 변화는 약물의 종류, 외기 온도, 사용 상태 등 환경 조건에 따라 변동하므로 예상하였던 효과의 달성이 어려운 면이 있었다.

또한, 상기와 같은 선등록 발명에 따르면, 약물 공급 장치를 레이저 장치의 동작과 동기화시켜 제어해야 하므로, 기존의 레이저 장치에 마이크로젯 인젝터를 장착하여 사용함에 있어 단순히 인젝터를 레이저 팁에 장착하는 것만으로는 부족하고 추가의 기술적 조치가 필요하여 활용성 면에서 단점이 있으며, 약물 공급 장치의 구성에 있어서도 약물을 공급하기 위해 마이크로 펌프와 같은 동력 수단(압전 구동, 공압 구동 방식 등)이 추가로 구비되어야 하므로 장치적 측면에서도 단점이 있었다.

한국특허공개 KR10-2011-0104409 한국특허공개 KR10-2014-0140739

J.C. Stachowiak et al, Journal of Controlled Release 135: 104 (2009) V.Menezes, S. Kumar, ans Takayama, Journal of Appl. Phys. 106, 086102 (2009)

따라서, 본 발명은 상기한 종래 마이크로젯 분사 방식의 약물 인젝터에서 나타난 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

본 발명은 마이크로 노즐을 통해 약물 용액을 고속 마이크로젯 형태로 분사하는 마이크로젯 약물 주입 장치에서 약물 용액의 분사 후에 약물이 저장된 약물 챔버 내에 의도하지 않은 불필요한 공기 버블이 발생하는 것을 방지함으로써, 마이크로젯 약물 분사 후 약물 챔버 내 버블로 인한 분사 특성 및 효율이 저하되는 것을 방지하고, 고반복 분사시에도 발사 횟수에 무관하게 일정한 속도 및 침투 성능을 지속적으로 유지할 수 있는 마이크로젯 약물 주입 장치를 제공하는 것을 그 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 별도의 정밀한 제어 장치나 복잡한 기계적 메커니즘의 부가 없이 매 마이크로젯 분사시마다 분사된 약물의 양과 동일한 약물 용액이 자동으로 보충 충전되므로 간단한 구성으로 자동 충전이 가능한 마이크로젯 약물 주입 장치를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명에서 제공하는 마이크로젯 약물 주입 장치는, 밀폐된 내부 공간에 작동 유체가 밀실하게 채워진 압력 챔버와; 내부에 약물 용액이 수용되며 일측에 상기 약물 용액이 외부로 배출되는 마이크로 노즐이 형성된 약물 챔버와; 확장 및 원상 회복이 가능하도록 탄성을 가지는 막으로 상기 압력 챔버와 상기 약물 챔버의 사이를 분리 구획하는 탄성막 및; 상기 압력 챔버 내의 작동 유체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치;를 포함하여 구성된 마이크로젯 약물 주입 장치에 있어서, 약물 공급로를 통해 상기 약물 챔버와 연결되어 상기 약물 공급로를 통해 내부에 저장된 약물 용액을 상기 약물 챔버로 공급하는 약물 저장고 및; 상기 약물 챔버의 내부 또는 외부에 구비되며, 상기 탄성막이 확장된 후 원상 회복되기 이전에 상기 약물 챔버의 내부 공간 중 적어도 상기 탄성막과 약물 연결로가 포함된 공간이 일시적으로 상기 마이크로 노즐 외부의 대기와 공간적으로 연통된 상태가 되지 않도록 차단하는 노즐 클로저;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치에 있어서, 상기 노즐 클로저는 상기 약물 챔버의 내부에 배치될 수 있으며, 상기 약물 챔버는 상기 노즐 클로저를 경계로, 탄성막과 약물 연결로가 포함된 제1 공간과; 상기 마이크로 노즐이 포함된 제2 공간;으로 구획될 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치에 있어서 상기 노즐 클로저는, 상기 제1 공간으로부터 제2 공간으로 약물 용액의 이동은 허용하지만 제2 공간으로부터 제1 공간으로의 약물 용액의 이동은 차단하는 체크 밸브로 구성되는 것이 바람직하다.

나아가, 더욱 바람직하게는, 상기 체크 밸브 수단은 상기 제1 약물 챔버와 제2 약물 챔버의 연결 통로의 직경보다 큰 직경을 가지는 베어링 볼과; 상기 베어링 볼이 상기 연결 통로를 폐쇄하는 방향으로 상기 베어링 볼을 탄성 지지하는 지지 스프링;을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치에서 상기 약물 저장고는, 내부의 약물 용액을 상기 제1 약물 챔버로 공급함에 있어서 상기 제1 약물 챔버의 내부 압력 저하시 압력차에 의해 상기 약물 용액이 상기 제1 약물 챔버로 흡입 이동하도록 구성될 수 있으며, 이와 같은 구성에 따라 약물 용액의 공급을 위한 별도의 동력 장치 없이 마이크로젯 분사시의 압력 변화에 따라 약물 공급이 자동적으로 이루어질 수 있게 된다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치에서, 상기 에너지 집중 장치는 상기 압력 챔버 내의 작동 유체에 레이저 빔을 조사하는 레이저 장치인 것이 바람직하며, 이때, 상기 레이저 장치는 상기 작동 유체 내의 한 점에 촛점이 맞추어지도록 조사되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 레이저 장치로는 Er:YAG 레이저 장치가 바람직하게 사용될 수 있다.

아울러, 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치는 상기와 같이 에너지 집중 장치가 포함된 형태로 제공될 수도 있지만, 상기 에너지 집중 장치로서 레이저 장치를 사용하는 경우 레이저 장치의 레이저 팁에 장착하여 사용할 수 있는 유닛 형태로 제공될 수도 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 레이저 빔을 출사하는 레이저 장치의 레이저 팁에 장착하여 사용할 수 있도록 된 약물 주입용 장치로서, 밀폐된 내부 공간에 작동 유체가 밀실하게 채워지고, 상기 작동 유체는 상기 레이저 장치의 레이저 빔이 조사되었을 때 버블이 발생하는 압력 챔버와; 내부에 약물 용액이 수용되며 일측에 상기 약물 용액이 외부로 배출되는 마이크로 노즐이 형성된 약물 챔버와; 확장 및 원상회복이 가능하도록 탄성을 가지는 막으로서 상기 압력 챔버와 상기 약물 챔버의 사이를 분리 구획하는 탄성막과; 상기 약물 챔버의 내부 또는 외부에 구비되며, 상기 탄성막이 확장된 후 원상회복이 완료되기 이전에 상기 약물 챔버의 내부 공간 중 적어도 상기 탄성막과 약물 연결로가 포함된 공간이 일시적으로 상기 마이크로 노즐 외부의 대기와 공간적으로 연통된 상태가 되지 않도록 차단하는 노즐 클로저 및; 약물 공급로를 통해 상기 약물 챔버와 연결되며, 상기 약물 공급로를 통해 내부에 저장된 약물 용액을 상기 약물 챔버로 공급할 수 있도록 약물 용액을 저장하고 있는 약물 저장고;를 포함하여 구성된 마이크로젯 약물 주입 장치를 본 발명에 대한 또 다른 형태로서 제공한다.

이상과 같은 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치는 바늘 없이 약물 용액을 고속의 마이크로젯 형태로 분사하여 피부 조직 내부로 주입하는 주사 장치로서, 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치에 의하면, 약물 용액의 분사 후에 약물이 저장된 약물 챔버 내에 외부 공기가 유입되어 의도하지 않은 불필요한 공기 버블이 발생하는 것을 방지함으로써 마이크로젯 약물 분사 후 약물 챔버 내 버블로 인한 분사 특성 및 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 고반복 연속 분사시에도 발사 횟수에 무관하게 일정한 속도와 분사량 및 피부 침투 성능을 지속적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치에 따르면, 별도의 정밀한 제어 장치나 복잡한 기계적 메커니즘의 부가 없이 매회 마이크로젯 분사시마다 분사된 약물에 대응하는 양의 약물 용액이 자동으로 보충되므로 복잡한 메커니즘의 부가 없이 간단한 구성으로 약물의 자동 충전 및 주사량의 조절이 가능하게 되는 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.
도2는 도1에 도시된 시스템의 단면 구조를 도시한 도면이다.
도3은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치의 상세 구조 및 작동 메커니즘을 도시한 도면이다.
도4는 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치에서 마이크로젯 인젝터에 대한 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도5는 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치에서 마이크로젯 인젝터에 대한 또 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도6은 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치와 본 발명에 따른 약물 주입 장치에서 반복 분사가 진행됨에 따른 약물 챔버 내 공기 버블 형성 상태를 연속 촬영한 비교 사진이다.
도7은 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치와 본 발명에 따른 약물 주입 장치에서 연속 분사시 분사 횟수에 따른 마이크로젯 속도 변화를 도시한 비교 그래프이다.
도8은 본 발명에 따른 약물 주입 장치에서 약물 저장고의 피스톤 이동 상태를 연속 촬영한 사진이다.
도9는 본 발명에 따른 약물 주입 장치의 침투 성능 확인을 위해 돼지 피부에 약물을 시험 주입한 결과를 보여주는 사진이다.
도10은 기존 레이저-버블 방식의 마이크로젯 약물 전달 장치의 구조 및 동작을 설명한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 마이크로젯 약물 전달 장치에 대한 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치의 전체적인 시스템 구성을 도시한 도면이고, 도2는 도1에 도시된 시스템의 단면 구조를 도시한 도면이며, 도3은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치의 구조 및 작동 메커니즘을 도시한 도면으로서, 상기 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 주입 장치의 구성에 대해서 설명하면 다음과 같다.

도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로젯 약물 전달 장치는 전체적으로, 내부에 소정 용량의 약물 용액을 저장하였다가 마이크로젯 분사하여 체내로 투여하는 주사 기기로서의 마이크로젯 인젝터(100)와, 상기 마이크로젯 인젝터(100)에서 약물이 마이크로젯 분사되기 위한 추진 에너지를 공급하는 수단으로서의 에너지 집중 장치(300) 및, 상기 마이크로젯 인젝터(100)에 약물을 공급하는 약물 저장고(200)를 포함하여 구성될 수 있다.

도1에 도시된 실시예는 에너지 집중 장치로서 레이저 장치(300)를 사용하는 경우를 도시한 것으로, 도1에 도시된 실시예에 따르면 상기 마이크로젯 인젝터(100)는 레이저 장치(300)에서 레이저 빔이 출사하는 레이저 팁의 선단부에 장착하여 사용할 수 있게 되어 있다. 특히, 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치는 피부 치료 또는 미용 분야에 대표적으로 바람직하게 적용될 수 있으며, 이 경우 별도의 레이저 장치를 구비할 필요 없이 피부 치료 시설 내에 흔히 구비되어 있는 치료용 레이저 장치에 마이크로젯 인젝터(100)를 간단히 부착하는 것만으로 본 발명의 시스템을 구현할 수 있으므로 사용의 편리성 및 활용성 면에서 매우 유리하다.

상기와 같은 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치에서 주요 구성 부분인 마이크로젯 인젝터(100)는 도2 및 도3에 도시된 실시예에서 보는 바와 같이, 전체적으로 볼 때 2개의 챔버가 연이어 연결된 구성으로 되어 있으며, 전면측에는 피분사 약물 용액을 저장하는 약물 챔버(120)가 배치되고, 그 후면측에는 상기 약물 챔버(120) 내 약물 용액(125)에 추진력을 가하기 위한 압력실에 해당하는 것으로서 내부에 작동 유체(115)가 밀실하게 채워진 압력 챔버(110)가 연속 형성된 구조로 되어 있다.

여기서, 상기 약물 챔버(120)와 압력 챔버(110)를 구획하는 경계벽은 탄성 재질의 박막으로 되어 있으며, 이 탄성막(130)은 상기 압력 챔버(110) 내 작동 유체(115)의 물리적 상태 변화(기화 및 이에 따른 전체적인 용적 증가)에 따라 탄성적으로 신장·변형되어 인접한 약물 챔버(120) 내의 약물 용액(125)에 압력을 가할 수 있게 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 마이크로젯 인젝터(100)에 있어 약물 용액(125)을 마이크로젯 분사 추진시키는 원동력은 상기 압력 챔버(110)에 채워진 작동 유체(115)로부터 발생하는 것으로, 본 발명에서는 상기 밀실하게 채워진 작동 유체(115) 내에 급격한 증기 버블(115b)을 발생시키고 이와 같은 버블 발생에 따른 작동 유체(115)의 전체적인 부피 증가에 의해 상기 탄성막(130)을 약물 챔버 쪽으로 순간적으로 강하게 밀어줌으로써 약물 챔버(120) 내의 피분사 약물 용액(125)에 추진 압력을 가하도록 되어 있다.

즉, 도3에서와 같이 본 발명의 압력 챔버(110) 내에 밀실하게 채워진 작동 유체(115)에 강한 에너지(예컨대 레이저 또는 전기 스파크)를 순간적으로 집중시키면, 레이저 등 집중된 에너지를 받은 작동 유체(115)가 기화되어 액체 내에 버블(115b)이 발생하게 된다. 상기 작동 유체(115) 내에 생성된 증기 버블(115b)은 순간적으로 팽창하였다가 레이저 등의 조사를 중지하면 소멸하는데, 이러한 버블(115b)의 급격한 팽창에 의해 탄성막(130)이 바깥쪽(즉 약물 챔버 방향)으로 신장 변형하게 되고(도3의 (c) 참조), 이러한 탄성막(130)의 변형은 인접한 약물 챔버(120) 내의 약물 용액(125)에 대한 외력으로 작용함으로써 약물 용액(125)이 매우 작은 직경의 마이크로젯 노즐(140)을 통해 피부 조직을 뚫고 들어가기에 충분한 고속 마이크로젯의 형태로 분사되는 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 상기와 같은 본 발명의 마이크로젯 약물 전달 시스템을 구성하는 각 구성 요소들에 대해 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치와 관련한 도면 도1 내지 도3을 참조하면, 먼저 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치는 내부에 소정 용량의 약물 용액을 저장하였다가 외부로 마이크로젯 분사하여 체내로 투여하는 주사 기기로서의 마이크로젯 인젝터(100)를 포함하여 구성된다.

도3은 상기와 같은 마이크로젯 인젝터(100)의 구조 및 작동 메커니즘을 더욱 상세하게 도시한 도면으로서, 도3에 도시된 바와 같이 본 발명에 있어서 상기 마이크로젯 인젝터(100)는, 내부에 작동 유체(115)가 밀실하게 채워진 압력 챔버(110)와; 상기 압력 챔버(110)와 인접하여 연결 배치되고 내부에 피분사 약물 용액이 수용되는 약물 챔버(120)와; 상기 압력 챔버(110)와 상기 약물 챔버(120) 사이를 구획하도록 배치된 탄성막(130)을 포함하여 구성된다.

상기 압력 챔버(110)는 전체적으로 밀폐된 구조로서 내부에 일정한 수용 공간을 가지며, 상기 내부 수용 공간에는 추진력 발생용 유체로서 작동 유체(115)가 빈 공간 없이 밀실하게 채워져 저장되어 있다. 도1 내지 도3에 도시된 실시예에 따르면 상기 압력 챔버(110)는 대략 원통형 실린더의 형태로 구성될 수 있으며, 상기 압력 챔버(110)의 상부는 레이저 빔이 통과될 수 있도록 투명 재질의 소재로 구성되고 하부는 탄성막(130)에 의해 막혀진 형태로 구성될 수 있다.

이러한 압력 챔버(110)의 내부를 채우는 작동 유체(115)로는 기본적으로 일반적인 물이 사용될 수 있으며, 이 외에도 알코올이나 폴리에틸렌글리콜과 같은 고분자 졸(sol) 및 젤(gel) 등 다양한 액상 물질도 사용될 수 있다. 또한, 상기 작동 유체(115)로는 버블(115b)의 생성 시 잔여 버블의 최소화를 위해 가스 제거된(degassed) 액체를 사용함이 바람직하다. 나아가, 상기 작동 유체로서 순수(純水)에 전해질(소금 등)을 첨가하게 되면 분자들이 이온화되어 액체의 분자 구조 붕괴에 필요한 에너지가 작아지므로 더 좋은 효율로 버블을 형성할 수 있어 더욱 바람직하다.

약물 챔버(120)는 상기 압력 챔버(110)의 하부에 연이어 형성되며, 상기 약물 챔버(120)의 내부 수용 공간에는 약물 용액(125)이 저장된다. 상기 약물 챔버(120)의 하단부에는 미세 직경의 마이크로 노즐(140)이 형성되어 있어 전술한 바와 같이 상기 압력 챔버(110)의 작동 유체(115)가 탄성막(130)을 밀어내는 추진력에 의해 상기 약물 용액(125)이 마이크로 노즐(140)을 통해 고속 마이크로젯 분사될 수 있도록 구성된다. 상기 마이크로 노즐(140)의 직경은 원하는 분사속도, 분사량 등에 의해 다양하게 설정될 수 있으며, 예를 들어 150 ㎛ ~ 300 ㎛ 로 형성될 수 있다.

한편, 도3에 도시된 실시예에 따르면, 상기 약물 챔버(120)는 그 공간 구성에 있어, 상기 탄성막(130)에 접하는 제1 공간(120a)과 상기 마이크로 노즐(140)이 연결되는 제2 공간(120b)으로 구분된 2단 챔버의 형태로 구성될 수 있으며 이는 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치와 구별되는 본 발명의 주요한 구성상의 특징에 해당한다.

또한, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 약물 챔버(120)의 제1 공간(120a)과 제2 공간(120b)이 연결되는 부분은 오목하게 폭이 좁아지는 형태의 연결 목부(128)로 형성될 수 있으며, 본 발명의 또 다른 주요한 구성상의 특징에 따르면 상기 연결 목부(128)에는 노즐 클로저(150)가 배치되어 상기 연결 목부(128)를 개방하거나 폐쇄할 수 있도록 되어 있다.

본 발명에 있어 상기 노즐 클로저(150)는 상기 약물 챔버(120)의 내부 공간 중에서 적어도 상기 탄성막(130)이 포함되는 공간(도3에 도시된 실시예에서는 제1 공간(120a)이 해당)을 일시적으로 마이크로 노즐(140) 외부의 대기와 공간적으로 차단함으로써 공간적으로 연통된 상태가 되지 않도록 기능하는 부재이다.

상기 노즐 클로저(150)는 기본적으로 작동 유체(115)의 버블(115b) 발생 및 탄성막(130)의 확장에 의해 약물 용액(125)이 마이크로 노즐(140) 외부로 분출되는 동안에는 오픈되어 있으며, 상기 압력 챔버(110) 내 작동 유체(115)에 발생하였던 버블(115b)의 소멸에 의해 탄성막(130)이 원상태로 회복하여 상기 압력 챔버(110) 내부 압력의 저하가 일어날 때에는 상기 연결 목부(128)를 폐쇄함으로써 상기 압력 챔버(110) 중 탄성막(130)과 접하는 상기 제1 공간(120a)이 마이크로 노즐(140) 외부 대기압의 영향을 받지 않고 공간적으로 차단된 상태가 되도록 기능한다.

이때, 본 발명에 있어서 상기와 같은 노즐 클로저(150)로는 약물 용액(125)이 상기 제1 공간(120a)으로부터 제2 공간(120b)으로 이동하는 것은 허용하지만 반대로 제2 공간(120b)으로부터 제1 공간(120a) 방향으로의 이동은 차단하는 체크 밸브 부재가 바람직하게 사용될 수 있다. 도3에 도시된 실시예에서는 상기와 같은 체크 밸브 형태의 노즐 클로저(150)로서 볼 형태의 베어링 볼(152)과 이를 탄성 지지하는 지지 스프링(154)으로 구성된 것을 본 발명에 대한 바람직한 형태로서 제시하고 있다.

도3에 도시된 실시예에 따르면, 상기 베어링 볼(152)과 지지 스프링(154)은 약물 챔버(110)의 제2 공간(120b) 측에 배치된다. 상기 베어링 볼(152)은 상기 제1 공간(120a)과 제2 공간(120b) 사이의 연결 목부(128)의 직경보다 큰 직경을 가짐으로써 상기 연결 목부(128)에 밀착되었을 때 폐쇄할 수 있도록 되어 있으며, 상기 지지 스프링(154)은 상기 베어링 볼(152)을 상기 연결 목부(128) 방향으로 가압하도록 탄성 지지하는 압축 스프링으로 구성되어 있다. 이때, 상기 지지 스프링(154)의 장력은 기본적으로 상기 베어링 볼(152)이 연결 목부(128)에 밀착할 수 있도록 하되, 상기 탄성막(130) 확장시의 압력에 의해 약물 용액이 상기 연결 목부(128)를 통과할 때 큰 저항력이 작용하여 속도 감소가 일어나지 않도록 적절한 강도로 설정한다.

한편, 상기와 같은 노즐 클로저(150)로서 도3에 도시된 실시예에서는 베어링 볼(152)과 지지 스프링(154)으로 구성된 형태를 가장 바람직한 형태로서 예시하고 있으나 본 발명의 효과 달성을 위해 반드시 상기와 같은 형태로 한정되어야 하는 것은 아니며, 예컨대 도4에 도시된 것과 같이 한 쌍의 판막(156) 형태(이와 같은 형태는 예컨대 심장의 판막 구조에서 볼 수 있다)로 상기 노즐 클로저(150)를 구성하는 것도 당업자의 선택에 따라 채택 가능하다. 또한, 상기 지지 스프링(154)은 상기 베어링 볼(152)을 연결 목부(128) 방향으로 탄성 지지할 수 있는 다른 균등한 공지의 탄성 수단으로 대체 가능하며, 베어링 볼(152) 역시 도시된 실시예에서와 같이 반드시 구형으로 한정되어야 하는 것은 아니고 반구형, 원판형 등 그 본질적인 기능을 해하지 않는 범위 내에서 다양한 형태로 실시 가능하다.

또한, 도3 및 도4에 도시된 실시예에 따르면, 상기 노즐 클로저(150)는 약물 챔버(120)의 내부에 배치되고 약물 용액의 흐름에 따라 자동적으로 동작함으로써 노즐 클로저(150)의 개폐 동작을 위한 별도의 기술적 수단이 필요하지 않도록 되어 있으나, 반드시 이와 같은 바람직한 형태로 실시되어야 하는 것은 아니고 예컨대 도5에 도시된 실시예에서와 같이 상기 노즐 클로저(150)를 약물 챔버(120) 외부에 배치하고 마이크로 노즐(140)을 직접 개폐하는 셔터(158)와 같은 형태로 실시하는 것도 당업자의 선택에 따라 충분히 가능하다. 이와 같은 경우 상기 셔터(158)는 그 개방 및 폐쇄의 구동 시점이 레이저 장치(300)의 구동과 정확히 연관되어 동작하여야 할 것이며, 이러한 동기화 제어를 위해 별도의 제어부(350)가 추가로 구비될 수 있다.

한편, 도1에 도시된 바와 같이 본 발명의 약물 전달 장치에 따르면 재분사용 약물을 저장하는 약물 저장고(200)가 구비될 수 있으며, 상기 약물 저장고(200)에 저장된 약물 용액(215)은 상기 약물 챔버(120)의 일측에 연결된 약물 공급로(250)를 통해 약물 챔버(120)의 내부로 공급된다.

도시된 실시예에 따르면, 상기 약물 저장고(200)는 도2에 도시된 실시예에서와 같이 일정한 내부 용적을 갖는 앰플 실린더(210)와 상기 앰플 실린더(210) 내에서 슬라이딩 이동하는 피스톤(220)과 같은 형태로 실시될 수 있다. 후술하는 바와 같이 본 발명에 따르면 상기 약물 저장고(200)로부터 약물 챔버(120)로의 약물 공급은 펌프와 같은 주입 수단 없이 마이크로젯 분사 동작 과정에서 자동적으로 이루어질 수 있는 특징을 가지며, 이에 따라 상기 약물 저장고(200)는 도2에서 보는 바와 같이 앰플 실린더(210)와 피스톤(220) 만으로 구성된 단순한 주사기와 같은 형태를 가지고 있음을 알 수 있다.

도2에 도시된 약물 저장고(200)의 실시 형태의 경우, 상기 약물 저장고(200) 내부의 약물 용액(215)이 약물 챔버의 제1 공간(120a)으로 공급되는 것은, 압력 챔버(110) 내 버블(115b)의 생성/소멸으로 상기 탄성막(130)이 확장되었다가 다시 원상회복됨으로써 상기 제1 공간(120a) 내부의 압력이 변동(저하)되었을 때, 상기 약물 저장고(200)와 약물 챔버(120) 간의 압력 차이에 의해 약물 용액(215)이 약물 저장고(200)로부터 약물 챔버(120)로 흡입 이동됨에 의하는 것이다.

따라서, 도2에 도시된 실시예에 따르면 별도의 마이크로 펌프와 같은 추가의 동력 수단 없이 오로지 마이크로젯 인젝터(100)의 동작에 따른 약물 챔버(120)의 내부 압력 변동에 따라 자동으로 약물 용액(215)의 이동이 이루어지는 장점이 있으며, 마이크로젯 분사로 배출된 약물과 동일한 양의 약물이 보충됨으로써 약물 챔버(120)의 내부 압력 및 약물 용량이 분사 이전의 상태로 바로 회복하므로 외부로부터의 공기 유입이 방지됨과 동시에 연속 재분사가 가능하게 된다.

한편, 상기 약물 챔버(120)와 약물 저장고(200)를 연결하는 약물 공급로(250)는 상기 탄성막(130)이 속하는 제1 공간(120a)의 측부에 위치할 수 있으며, 바람직하게는 탄성막(130)과 인접하여 위치하는 것이 바람직하다. 그 이유는 탄성막(130)의 후퇴에 따른 역압의 발생 지점에 직접 약물을 공급하기 위함이다. 또한, 상기 약물 공급로(250)는 도3과 같이 한 개가 형성되는 것에 한정되는 것은 아니며 2개 이상 복수로 형성될 수도 있다. 또한, 약물 공급로(250)가 복수로 형성되는 경우에는 서로 등간격을 가지도록 배치하는 것이 압력 분포를 균일하게 할 수 있어 더욱 바람직하다.

다음으로, 탄성막(130)은 탄성 복원력을 가진 얇은 막으로서, 상기한 압력 챔버(110)와 약물 챔버(120)의 사이에 배치되어 이들의 경계를 형성한다. 즉, 상기 압력 챔버(110)와 약물 챔버(120)는 상기 탄성막(130)에 의해 분리됨과 함께 상기 압력 챔버(110)와 약물 챔버(120)의 적어도 일부는 탄성막(130)에 접하게 됨으로써, 버블(115b)의 발생에 의해 압력 챔버(110) 내의 작동 유체(115)의 용적이 팽창하는 경우 탄성막(130)의 변형을 통해 약물 챔버(120) 내 약물 용액(125)에 압력을 가할 수 있게 된다.

이러한 탄성막(130)은 박막의 고무 재질로 제작될 수 있으며, 바람직하게로는 실리콘 고무가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 실리콘 고무는 신축성이 우수할 뿐 아니라 낮은 열 전도도를 가지므로 레이저 조사로 인해 생성된 열을 효과적으로 차폐하여 열 전달에 의한 약물 변질 및 손상도 방지할 수 있는 장점이 있다. 이외에도 상기 탄성막(130)의 재질로는 니트릴 부타디엔 고무(NBR) 등 당업자의 선택에 따라 탄성력을 가지고 액체 비투과성을 가진 재질이라면 어떠한 재료라도 사용될 수 있다.

다음으로, 레이저 장치(300)는 상기 압력 챔버(110) 내의 작동 유체(115)에 레이저 광(에너지)를 집중시켜 버블(115b)을 발생시키는 장치로서 본 발명의 에너지 집중 장치에 해당한다. 본 실시예에서는 에너지 집중 장치로서 레이저 장치(300)를 예시하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 전기 에너지를 가할 수 있도록 구성된 전기 전극을 사용할 수도 있다.

상기와 같은 레이저 장치(300)의 발광원으로는, 어떠한 종류의 레이저라도 사용될 수 있으며, 예를 들어 Er:YAG 레이저 (파장 2.94 ㎛), Nd:YAG 레이저 (파장 1.06 ㎛), 루비레이저, 알렉산드라이트 레이저, Nd:Glass 레이저, Er:Glass fiber 레이저, Ho:YAG 레이저 등 기존에 알려진 다양한 종류의 레이저 원이 사용될 수 있다. 특히, Er:YAG 레이저의 경우 물에서 가장 흡수되기 쉬운 파장대로서 작동 유체로 물을 사용하는 경우 버블의 생성 및 팽창이 잘 일어날 수 있으므로 본 발명에 적합하게 사용될 수 있다.

또한, 레이저를 주사하는 방식으로는 도3에 도시된 실시예에서와 같이 레이저 장치(300)로부터 출사된 레이저 광이 집광 렌즈(320)를 통해 압력 챔버(120) 내의 작동 유체(115) 내의 한 점에 촛점이 맞추어지도록 주사하는 방식이 채택될 수 있으며, 이 경우, 레이저 광이 투과될 수 있도록 압력 챔버(110)의 일부 외측면(예를 들어, 상부면)은 투명 부재로 형성되어야 한다. 한편, 상기 투명 부재로는, 예를 들어 레이저 장치의 발광원으로서 Nd:YAG 레이저를 사용할 경우에는 반복적인 액체의 부피 변동 및 열 변화 등에 영향이 없는 BK7 글라스가 사용될 수 있으며, 레이저 장치(300)의 발광원으로서 Er:YAG 레이저 등을 사용할 경우에는 사파이어 윈도우가 사용될 수 있다. 이외에도 다른 종류의 유리나 투명 아크릴 등의 재질도 사용될 수 있다.

이하에서는, 첨부한 도3을 참조하여 상기와 같은 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치의 기본적인 동작 원리, 구체적인 동작 형태 및 그에 따른 작용 효과에 대해 더욱 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치의 기본적인 동작 원리에 대해 설명하면, 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치는 기본적으로 약물이 분사된 후 재분사하기 이전에, 분사 압력 감쇠를 야기하는 외부 공기 버블이 탄성막 부근으로 유입되는 것을 차단함으로써 분사 속도 및 침투 성능 저하를 방지하는 것이다. 상기와 같이 분사 압력에 악영향을 주는 외부 공기 버블은 마이크로젯 분사 후 탄성막이 원상 회복하여 후퇴하는 과정에서 약물 챔버 내에 형성되는 역압(逆壓)에 기인하는 것으로, 전술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 측면에 따르면, 본 발명은 마이크로젯 분사 후 재분사 이전에 분사된 약물과 동일한 양의 약물이 자동 충전되도록 하여 내부 압력을 유지시킴으로써 추진력 감쇠를 크게 야기하는 공기 버블이 약물 챔버 내로 유입되지 않게 할 수 있다.

상기와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치의 구체적인 동작 및 작용을 첨부한 도3을 참조하여 단계별로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 압력 챔버(110) 내의 작동 유체(115)에 버블(115b)을 발생시키기 위해 레이저 장치(300)를 구동한다. 도시된 실시예에서는 2940 nm 파장, 펄스폭이 150 ~ 200 ㎲, 레이저 원으로 Er:YAG 레이저를 사용하는 핸드 헬드형 레이저 장치(300)를 사용하였다. 도3의 (a)를 참조하면, 상기 레이저 장치(300)의 작동에 따라 출사된 레이저 빔(310)은 집광 렌즈(320)를 거쳐 약물 챔버(110)의 내부로 조사된다.

상기 마이크로젯 인젝터(100)의 압력 챔버(110) 내에는 물을 주 물질로 하는 작동 유체(115)가 채워져 있으며, 이러한 작동 유체(115)로서의 물은 2900 nm 대의 파장을 가지는 빛을 가장 잘 흡수하는 특성을 가진다. 조사된 레이저 빔(350)이 작동 유체(115)에 흡수됨에 따라 상기 작동 유체(115)는 에너지가 집중되는 레이저 촛점 부위를 중심으로 액체에서 기체로의 상 변화가 일어나고 이에 따라 작동 유체(115) 내부에는 도3의 (b)에서 보는 바와 같이 증기 버블(115b)이 발생한다.

상기와 같이 작동 유체(115)에 발생한 증기 버블(115b)은 급속히 팽창하여 부피가 크게 늘어나게 되며, 이에 따라 전체 압력 챔버(120)의 압력이 증가하게 되고 이는 압력 챔버(120) 하부에 배치된 탄성막(130)의 확장을 일으키게 된다(도3의 (c) 참조).

상기와 같은 압력 챔버(120)의 내부 압력 증가 및 탄성막(130)의 확장에 따라 인접한 약물 챔버(120) 내의 약물 용액(125)에 추진 압력이 전해지게 되는데, 탄성막(130)에 의해 직접 압력을 받는 제1 공간(120a) 내 약물 용액(125)은 베어링 볼(152) 방향으로 강하게 밀려 이동하게 되고, 이 약물 용액의 압력에 의해 상기 베어링 볼(152)이 탄성적으로 밀려 약물 챔버(120) 내 연결 목부(128)가 개방되면서 도3의 (c)에서 보는 바와 같이 약물 용액(125)이 약물 챔버(120)의 제1 공간(120a)으로부터 제2 공간(120b)으로 빠르게 이동하게 된다. 상기와 같은 약물 용액(125) 이동 흐름 및 베어링 볼(152)의 밀림 이동에 의해 추진 압력 및 운동 에너지가 약물 챔버(120) 제2 공간(120b) 내의 약물 용액에 전달되고 이에 따라 약물 용액(125)이 마이크로 노즐(140)을 통과하여 마이크로젯(125a)의 형태로 분사된다.

이후, 도3의 (d)에서와 같이 레이저 장치(300)의 작동이 중지되면, 상기 압력 챔버(110)의 작동 유체(115) 내에 발생한 증기 버블(115b)은 다시 급속히 축소하여 소멸되며, 이에 따라 상기 작동 유체(115)의 부피가 원래 상태로 회복하면서 탄성막(130)도 확장된 상태에서 원상태로 회복하게 된다. 이와 같은 탄성막(130)의 원상 회복이 진행됨에 따라 베어링 볼(152)에 가해지던 압력이 줄어들게 되고, 이에 따라 지지 스프링(154)의 압축력에 의해 베어링 볼(152)이 다시 상부로 이동하여 연결 목부(128) 하단에 밀착됨으로써 제1 공간(120a)으로부터 제2 공간(120b)으로의 약물 용액(125)의 이동이 차단된다.

이와 같이 베어링 볼(152)이 연결 목부(128)를 밀봉함에 따라 상기 약물 챔버(120)의 제1 공간(120a)은 상기 마이크로 노즐(140) 외부의 대기와 공간적으로 차단되어 연통되지 않은 상태로 되고, 따라서, 상기 탄성막(130)이 계속 후퇴하여 원상 회복됨에 의해 상기 제1 공간(120a)의 내부 압력이 대기압보다 낮게 떨어지더라도 마이크로 노즐(140) 외부의 대기로부터 공기가 상기 제1 공간(120a) 안으로 유입되지 않게 된다.

한편, 마이크로젯 분사에 의해 상기 약물 챔버(120)의 제1 공간(120a)은 분사로 빠져나간 약물의 양만큼 약물 용액의 양이 줄어 있는 상태이기 때문에, 상기와 같이 베어링 볼(152)이 연결 목부(128)를 밀봉한 상태에서 상기 탄성막(130)이 확장된 상태로부터 원상태로 계속 후퇴하게 되면 상기 제1 공간(120a)의 내부 압력은 감소하게 된다. 기존 마이크로젯 약물 주입 장치의 경우 본 발명의 주요한 특징인 노즐 클로저(150)의 구성이 없기 때문에 이와 같이 탄성막(130)이 원상 회복될 때 약물 챔버 내부의 압력이 외부 대기압보다 낮게 되어 역압에 의해 외부로부터 공기가 유입되는 문제가 있었으나, 본 발명에 따르면 상기한 노즐 클로저(150)의 작용에 의해 이러한 분사 후 외부 공기 유입의 문제가 효과적으로 해결되는 장점이 있다.

이때, 도2 및 도3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 측면에 따르면 상기 약물 챔버(120)의 제1 공간(120a)의 일측에는 외부 대기압에 노출된 약물 저장고(200)가 약물 연결로(250)를 통해 연결되는바, 전술한 바와 같이 마이크로젯 분사 이후 탄성막(130)의 후퇴에 의해 제1 공간(120a)의 내부 압력이 떨어져 대기압보다 낮아지게 되면, 도3의 (d)에 도시된 바와 같이 상기 약물 저장고(200)에 저장된 약물 용액(215)이 압력 차에 의해 상대적으로 내부 압력이 낮은 약물 챔버(120)의 제1 공간(120a)으로 흡입 이동되며, 이와 함께 약물 저장고(200)의 피스톤(220)은 대기압에 의한 힘을 받아 마찰력을 극복하고 매 분사시마다 앰플 실린더(210) 내부에서 소정 거리씩 이동하게 된다.

도8은 본 발명에 따른 약물 주입 장치에서 약물 저장고의 피스톤 이동 상태를 연속 촬영(2초 간격)한 사진으로서, 도8에서 보는 바와 같이, 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치에 의하면, 약물(215)의 보충 공급을 위해 펌프와 같은 주입 수단을 필요로 하지 않고 오로지 마이크로젯 인젝터(100)의 동작에 따라 자동적으로 약물 공급이 원활하게 이루어짐을 확인할 수 있다.

도8에 도시된 실시예의 경우 마이크로젯 분사 1회당 약 0.5mm씩 피스톤(220)이 이동하였으며, 앰플 실린더(210)의 내부 지름이 5mm로 실시하였으므로 레이저 발진 1회당 약물이 대략 40 uL 충전되었음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 것과 같은 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치의 성능 및 개선된 효과를 확인하기 위해 시험 제품을 제작하고 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치와 비교 테스트를 진행하였다. 이하에서는 상기와 같은 비교 시험 결과를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도6은 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치와 본 발명에 따른 약물 주입 장치에서 반복 분사가 진행됨에 따른 약물 챔버 내 공기 버블 형성 상태를 연속 촬영한 비교 사진이며, 도7은 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치와 본 발명에 따른 약물 주입 장치에서 연속 분사시 분사 횟수에 따른 마이크로젯 속도 변화를 도시한 비교 그래프이다.

상기 비교 시험에서 적용된 레이저 장치는 2940 nm 파장, 펄스폭이 150 ~ 200 ㎲, 레이저 원으로 Er:YAG 레이저를 사용하는 의료용 핸드 헬드형 레이저 장치(300)를 사용하였으며, 마이크로젯 인젝터의 노즐 직경은 300 ㎛로 실시하였다. 또한, 레이저 작동은 각 장치에 대해 초당 10회의 발사 속도로 실시하였으며, 도6 및 도7에서 장치의 촬영 및 속도 측정은 각 장치에 대해 6초 간격(초당 10회 발사)으로 60초간 연속 발사(총 600회 발사)한 결과를 나타낸 것이다.

도6의 (a)는 본 발명의 특징적인 구성이 적용되지 않은 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치에서 약물 챔버 내 공기 버블 성장을 연속 촬영한 사진으로서, 도6의 (a)를 참조하면 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치의 경우 발사 시작 후 약 6초(60회 발사) 이후부터 약물 챔버 내 공기 버블의 발생이 뚜렷하게 확인되기 시작하였으며, 상기 공기 버블은 발사 횟수가 늘어남에 따라 점차 크게 성장하여 결국 탄성막 표면을 완전히 덮음을 확인할 수 있었다.

이에 비해 본 발명에 따른 약물 주입 장치의 경우, 도6의 (b)에서 보는 바와 같이 발사 횟수가 늘어나더라도 약물 챔버 내에 공기 버블이 발생하지 않았으며, 이와 같은 촬영 결과로부터 본 발명의 마이크로젯 약물 주입 장치는 약물 챔버 내 공기 버블 발생 억제에 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 분사 횟수에 따른 마이크로젯 속도 변화를 도시한 도7을 참조하면, 본 발명이 적용되지 않은 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치의 경우 분사 횟수가 늘어날수록 젯 속도가 뚜렷하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 도7의 결과 그래프에 따르면 기존의 마이크로젯 약물 주입 장치에서는 초기 젯 속도가 140 m/s였으나, 약 150회 정도 분사하였을 때부터 젯 속도가 급감하기 시작하여 200회 분사시에는 젯 속도가 약 60 m/s로 감소하였고, 400회 발사 이후로는 20 m/s 이하로 떨어짐으로써 실질적으로 마이크로젯 분사가 제대로 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다.

이에 비해, 본 발명에 따른 약물 주입 장치의 경우, 도6의 (b)에서 보는 바와 같이 초기 젯 속도가 약 135 m/s 정도로 측정되었으며, 발사 횟수가 증가하더라도 초기 젯 속도로부터 큰 변동 없이 거의 동일한 젯 속도를 유지함을 확인할 수 있었다.

도9는 본 발명에 따른 약물 주입 장치의 침투 성능 확인을 위해 돼지 피부에 약물을 시험 주입한 결과를 보여주는 사진이며, 아래 표1은 본 발명에 따른 약물 주입 장치의 젯 속도와 침투 성능을 측정하여 정리한 것이다. 도9 및 표1에서 사용된 약물 주입 장치는 전술한 시험 실시에서 사용한 레이저 장비와 동일한 장비를 사용하였고 마이크로 노즐 직경은 300 ㎛로 실시하였다.

본 발명에 따른 약물 주입 장치의 침투 성능

항 목	성능 측정치
젯 속도 (m/s)	133.92
침투 깊이 (㎛)	667
침투 직경 (mm)	2.0

도9 및 상기 표1의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로젯 약물 주입 장치는 돼지 피부에 시험 실시한 결과 전체적으로 양호한 침투 양상 및 수치를 보여 주고 있으며, 특히 침투 깊이에 있어 일반적인 의료용 레이저 기기의 출력으로도 약물 용액을 표피와 진피 사이(500 ~ 1000 ㎛)로 침투시키기에 충분한 약물 마이크로젯을 얻을 수 있음을 확인하였는바, 생체 조직에 대한 약물 주입 장치로서 효과적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 상기와 같이 본 발명에서 제공하는 마이크로젯 약물 주입 장치에 따르면, 각종 치료용 약물, 마취제, 호르몬제, 백신 등 의료용 약물뿐 아니라, 미용 유액이나 문신액, 보톨리늄 톡신(일명 보톡스) 등 다양한 종류의 약물 용액을 주사시 통증 없이 사람 또는 동물의 신체 내로 반복 분사 조절에 의해 정확한 용량으로 투여할 수 있으므로 의료 분야, 미용 분야, 문신 시술 분야, 축산 분야 등 다양한 관련 분야에서 특히 바람직하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 이상의 본 발명에 대한 설명에 있어 약물 또는 약물 용액으로 지칭된 용어는 설명의 편의를 위해 대표적인 명칭으로 지칭한 것으로서, 상기 약물 용액은 반드시 생체 조직에 주입되는 용액만으로 한정되는 것이 아니라, 식품(빵, 제과, 젤리 등), 연질 합성수지, 섬유 등에 주입되는 염료, 첨가물 등의 액상 주입물을 모두 포괄하는 개념이라 할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 전용이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정해지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

100 : 마이크로젯 인젝터
110 : 압력 챔버 115 : 작동 유체
115b : 증기 버블 120 : 약물 챔버
120a : 제1 공간 120b : 제2 공간
125 : 약물 용액 128 : 연결 목부
130 : 탄성막 140 : 마이크로 노즐
150 : 노즐 클로저 152 : 베어링 볼
154 : 지지 스프링 156 : 판막
158 : 셔터 200 : 약물 저장고
210 : 앰플 실린더 215 : 약물 용액
220 : 피스톤 250 : 약물 연결로
300 : 레이저 장치 320 : 집광 렌즈
350 : 레이저 빔

Claims (14)

1. 밀폐된 내부 공간에 작동 유체가 밀실하게 채워진 압력 챔버와; 내부에 약물 용액이 수용되며 일측에 상기 약물 용액이 외부로 배출되는 마이크로 노즐이 형성된 약물 챔버와; 확장 및 원상회복이 가능하도록 탄성을 가지는 막으로서 상기 압력 챔버와 상기 약물 챔버의 사이를 분리 구획하는 탄성막 및; 상기 압력 챔버 내의 작동 유체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치;를 포함하여 구성된 마이크로젯 약물 주입 장치에 있어서,
   약물 공급로를 통해 상기 약물 챔버와 연결되어 상기 약물 공급로를 통해 내부에 저장된 약물 용액을 상기 약물 챔버로 공급하는 약물 저장고;
   상기 약물 챔버의 내부 또는 외부에 구비되며, 상기 탄성막이 확장된 후 원상 회복이 완료되기 이전에 상기 약물 챔버의 내부 공간 중 적어도 상기 탄성막과 약물 연결로가 포함된 공간이 일시적으로 상기 마이크로 노즐 외부의 대기와 공간적으로 연통된 상태가 되지 않도록 차단하는 노즐 클로저;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 노즐 클로저는 상기 약물 챔버의 내부에 배치되며, 상기 노즐 클로저를 경계로 상기 약물 챔버는, 탄성막과 약물 연결로가 포함된 제1 공간과; 상기 마이크로 노즐이 포함된 제2 공간;으로 구획되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 노즐 클로저는 상기 제1 공간으로부터 제2 공간으로 약물 용액의 이동은 허용하지만 제2 공간으로부터 제1 공간으로의 약물 용액의 이동은 차단하는 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 노즐 클로저는, 상기 제1 공간과 제2 공간의 연결 통로의 직경보다 큰 직경을 가지는 베어링 볼과; 상기 베어링 볼이 상기 연결 통로를 폐쇄하는 방향으로 상기 베어링 볼을 탄성 지지하는 지지 스프링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
5. 제2항에 있어서, 상기 약물 저장고는 내부의 약물 용액을 상기 제1 공간으로 공급함에 있어서, 상기 제1 공간의 내부 압력 저하시 압력차에 의해 상기 약물 용액이 상기 제1 공간으로 흡입 이동하도록 된 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 집중 장치는 상기 압력 챔버 내의 작동 유체에 레이저 빔을 조사하는 레이저 장치인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 레이저 장치에서 출사되는 레이저 빔은 상기 작동 유체 내의 한 점에 촛점이 맞추어지도록 조사되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
8. 제6항에 있어서, 상기 레이저 장치는 Er:YAG 레이저 장치인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
9. 밀폐된 내부 공간에 작동 유체가 밀실하게 채워진 압력 챔버와; 내부에 약물 용액이 수용되며 일측에 상기 약물 용액이 외부로 배출되는 마이크로 노즐이 형성된 약물 챔버와; 확장 및 원상 회복이 가능하도록 탄성을 가지는 막으로 상기 압력 챔버와 상기 약물 챔버의 사이를 분리 구획하는 탄성막 및; 상기 압력 챔버 내의 작동 유체에 에너지를 집중시켜 버블을 발생시키는 에너지 집중 장치;를 포함하여 구성된 마이크로젯 약물 주입 장치에 있어서,
   상기 약물 챔버는, 탄성막과 약물 연결로가 포함된 제1 공간과; 상기 마이크로 노즐이 포함된 제2 공간;으로 구획되고,
   상기 제1 공간과 제2 공간의 연결 통로에는 상기 제1 공간으로부터 제2 공간으로 약물 용액의 이동은 허용하지만 제2 공간으로부터 제1 공간으로의 약물 용액의 이동은 차단하는 체크 밸브로 된 노즐 클로저가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 체크 밸브는, 상기 제1 공간과 제2 공간의 연결 통로의 직경보다 큰 직경을 가지는 베어링 볼과; 상기 베어링 볼이 상기 연결 통로를 폐쇄하는 방향으로 상기 베어링 볼을 탄성 지지하는 지지 스프링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
    
11. 레이저 빔을 출사하는 레이저 장치의 레이저 팁에 장착하여 사용할 수 있도록 된 약물 주입용 장치로서,
    밀폐된 내부 공간에 작동 유체가 밀실하게 채워지고, 상기 작동 유체는 상기 레이저 장치의 레이저 빔이 조사되었을 때 버블이 발생하는 압력 챔버;
    내부에 약물 용액이 수용되며 일측에 상기 약물 용액이 외부로 배출되는 마이크로 노즐이 형성된 약물 챔버;
    확장 및 원상회복이 가능하도록 탄성을 가지는 막으로서, 상기 압력 챔버와 상기 약물 챔버의 사이를 분리 구획하는 탄성막;
    상기 약물 챔버의 내부 또는 외부에 구비되며, 상기 탄성막이 확장된 후 원상회복이 완료되기 이전에 상기 약물 챔버의 내부 공간 중 적어도 상기 탄성막과 약물 연결로가 포함된 공간이 일시적으로 상기 마이크로 노즐 외부의 대기와 공간적으로 연통된 상태가 되지 않도록 차단하는 노즐 클로저;
    약물 공급로를 통해 상기 약물 챔버와 연결되며, 상기 약물 공급로를 통해 내부에 저장된 약물 용액을 상기 약물 챔버로 공급할 수 있도록 약물 용액을 저장하고 있는 약물 저장고;
    를 포함하여 구성된 마이크로젯 약물 주입 장치.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 노즐 클로저는 상기 약물 챔버의 내부에 배치되며, 상기 노즐 클로저를 경계로 상기 약물 챔버는, 탄성막과 약물 연결로가 포함된 제1 공간과; 상기 마이크로 노즐이 포함된 제2 공간;으로 구획되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
    
13. 제12항에 있어서, 상기 노즐 클로저는 상기 제1 공간으로부터 제2 공간으로 약물 용액의 이동은 허용하지만 제2 공간으로부터 제1 공간으로의 약물 용액의 이동은 차단하는 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.
    
14. 제13항에 있어서, 상기 노즐 클로저는, 상기 제1 공간과 제2 공간의 연결 통로의 직경보다 큰 직경을 가지는 베어링 볼과; 상기 베어링 볼이 상기 연결 통로를 폐쇄하는 방향으로 상기 베어링 볼을 탄성 지지하는 지지 스프링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로젯 약물 주입 장치.

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