[논문]다중챔버 단일주사기: 설계, 성능 평가

안서연; 이근우; 권태근; 김동연

doi:10.9766/kimst.2017.20.2.170

문제 정의

본 연구는 다중챔버 단일주사기(2in1) 설계에 관한 전반적인 기술을 개발하고 시제품의 작동성능을 평가하여 한국군에서 사용하고 있는 신경작용제 해독제인 KMARK-1(아트로핀 자동주사기+팜 자동주사기)을 대체할 수 있는 자동주사기의 기술 개발을 목표로 하였다. 나아가 수입에 의존하고 있는 응급의료용 자동주사기의 국내 개발 및 민간 의료분야에 다양한 응급의료약물의 적용 가능한 시스템을 개발하고자 하였다.
본 연구는 다중챔버 단일주사기(2in1) 설계에 관한 전반적인 기술을 개발하고 시제품의 작동성능을 평가하여 한국군에서 사용하고 있는 신경작용제 해독제인 KMARK-1(아트로핀 자동주사기+팜 자동주사기)을 대체할 수 있는 자동주사기의 기술 개발을 목표로 하였다. 나아가 수입에 의존하고 있는 응급의료용 자동주사기의 국내 개발 및 민간 의료분야에 다양한 응급의료약물의 적용 가능한 시스템을 개발하고자 하였다.
본 연구팀은 DuoDote^Ⓡ와 ATNAA의 이와 같은 단점을 보완하여, 주사방향에 관계없이 항상 일정한 용량의 주사액을 주입할 수 있는 다중챔버 단일주사기(2in1)를 개발하였다^[4,5].
본 연구팀은 기존의 다중챔버 자동주사기의 용기와 플런저 스토퍼의 구조를 변경하여 기능성을 향상시킨 자동주사기를 개발하였다.

가설 설정

이어서 Fig. 5(b)와 같이 스페이서에 연결된 플런저 스토퍼가 더 전방으로 이동함에 따라 용기 1 내부에 있던 용액이 용기 2로 이동 된다. 이때 용액은 용기 2 전방의 확대된 내경(Fig.

제안 방법

그것이 설계한 목적(용기·마개 시스템의 기능성:환자 순응도 증가, 폐기물 최소화, 사용의 용이성 개선, 약물 전달 능력: 포장 설명서에 기재된 양이나 속도로 제품을 전달하는 포장 시스템의 능력)과 동일한 기능을 하는 능력을 갖추도록 설계한다.
시험 결과, 주사기를 작동하기 위한 작동힘, 주사액량, 주사시간 및 주사 후 주사침 길이 등 모든 항목이 기준을 충족하였다. 그리고 주사제 충전 용기를 2개로 분리시킴으로서 무균충전을 용이하도록 하였으며 약물 간 교차오염을 방지하도록 하였다. 또한 스프링 조립체와 연결된 플런저 스토퍼를 돌출형으로 제작하여 2번째 약물이 주사방향에 관계없이 90 % 이상 방출될 수 있도록 하였다.
다중챔버 단일주사기(2in1)에서 스프링 전체 길이는 주사기 전체 길이를 고려하여 110 mm(냉간 setting 후 값)로 설정하였고, 지정 하중은 약물을 방출하기 위한 힘을 고려하여 11 kgf 이상으로 설정하였다. 지정 하중으로 인해 생긴 스프링 변형은 스프링 전체 길이에서 용기 1, 2를 제외한 범위 내인 35.
다중챔버 단일주사기(2in1)의 목표성능은 KMARK-1 중 아트로핀주사기와 팜자동주사기의 국방규격^[17]~[18]을 참고하여 설정하였다(Table 6).
본 연구팀에서 개발한 다중챔버 단일주사기(2in1)는 병용 투여 약물을 충전하기 위한 2개의 챔버를 확보하기 위해 2개의 용기를 사용하고, 각각의 용기 양단은 플런저 스토퍼나 팁 캡(tip cap)으로 막아 밀봉한 후 억지끼움으로 결합하였다(Fig. 3). 약물이 충전된 용기는 독립되어 있으므로 각각 무균작업이 가능하다.
본 연구팀은 상기 성능시험항목 중 작동힘, 주사액량 및 주사시간, 주사 후 주사침 길이에 관한 시험을 수행하였다. 시험항목의 선정은 한국군의 신경작용제해독제킷(KMARK-1) 중 아트로핀주사기 및 팜자동주사기의 국방규격 시험항목을 참고하였다^[17,18].
유효특허 10건에 대한 분석결과를 요약하면, 청구항의 제안기술이 본 연구팀의 설계안과 상이하여 특허침해가능성이 낮고 또한 일부 특허는 그 권리가 소멸되어 자유롭게 실시할 수 있는 기술로 판단되어 본 연구팀의 설계안을 다중챔버 단일주사기(2in1) 개발에 적용하였다.
분석결과, 본 연구팀의 설계안과 유사한 핵심특허는 총 444건 이었으며 이중 유효특허를 10건으로 선정하였다. 이들 유효특허는 Meridan Medical Technology(MMT)의 특허가 8건 이며 그 외 Duphar International과 Pharmacia AB 보유 특허가 1건씩 조사되었으며 이에 대해 설계안 및 청구항을 심층분석하였다(Table 1).
자동주사기 기술과 관련된 특허의 정량분석을 통해 관련 연구의 전체적인 동향을 파악하고, 핵심특허를 선별하여 주요 선두기업의 특허 청구범위 분석 및 분쟁이력을 조사하고 더불어 다중챔버 단일주사기(2in1) 개발기술에 곧바로 적용할 수 있도록 권리 소멸된 특허를 조사하였다^[6].
주사제 충전 용기는 낮은 수분투과도, 내열성 및 비반응성을 가지는 엔지니어링 플라스틱인 COP를 적용하여 장기안정성을 확보하였다. 자동주사기의 작동 성능은 KMARK-1의 아트로핀주사기 및 팜자동주사기의 국방규격을 참고하여 비교 성능시험을 통해 확인하였다. 시험 결과, 주사기를 작동하기 위한 작동힘, 주사액량, 주사시간 및 주사 후 주사침 길이 등 모든 항목이 기준을 충족하였다.
주사기 상부를 눌러 주사기를 활성화 시킨다. 주사기가 작동될 때 push-pull gauge의 눈금을 읽어 작동힘을 확인하고, 주사액의 유출이 끝날 때까지의 시간을 초시계로 측정하며 노출된 주사침의 길이를 vernier calipers(MITUTOYO, 50-181-20)를 사용하여 측정하고, 유출된 주사액의 중량(g)은 부피(mL)로 환산하여 주사액량을 확인한다.
3)에 조립하여 대조군으로 사용하였다. 주사액량 비교시험을 위해 각 형태별로 주사기 10개씩을 사용하였으며 용기 1에는 팜 주사액 2.2mL를, 용기 2에는 아트로핀 주사액 0.8 mL를 각각 충전하여 최종 3.0 mL이 되게 하였다. 시험결과 주사침을 하향으로 하여 발사하였을 경우 두 형태의 플런저 스토퍼 모두 90 % 이상의 주사액을 방출하였으나, 수평이나 상향 주사 시 비돌출형 플런저 스토퍼는 충전액의 71.
주사제 충전 용기는 낮은 수분투과도, 내열성 및 비반응성을 가지는 엔지니어링 플라스틱인 COP를 적용하여 장기안정성을 확보하였다. 자동주사기의 작동 성능은 KMARK-1의 아트로핀주사기 및 팜자동주사기의 국방규격을 참고하여 비교 성능시험을 통해 확인하였다.
다중챔버 단일주사기(2in1)에서 스프링 전체 길이는 주사기 전체 길이를 고려하여 110 mm(냉간 setting 후 값)로 설정하였고, 지정 하중은 약물을 방출하기 위한 힘을 고려하여 11 kgf 이상으로 설정하였다. 지정 하중으로 인해 생긴 스프링 변형은 스프링 전체 길이에서 용기 1, 2를 제외한 범위 내인 35.5 mm로 설정하였다. 해당 값들로부터 스프링 상수 k를 구하였으며(0.
형태가 다른 두 개의 플런저 스토퍼에 대해 주사방향에 따른 주사 후 주사액량을 비교하였다. 미국 MMT의 DuoDote^Ⓡ 및 ATNAA는 전문의약품 및 군수품으로 분류되어 있어 국내 수급이 불가하여 비돌출형 플런저 스토퍼(Fig.

대상 데이터

다중챔버 단일주사기(2in1)의 아트로핀 및 팜 주사제 충전용 용기는 COP를 사용하였다.
본 동향조사에서는 1회 조작으로 2가지 약물을 순차적으로 투여할 수 있는 자동주사기 기술과 관련하여 2014년 7월까지 출원공개/등록된 한국, 미국, 일본, 유럽특허를 분석대상으로 하였고, WIPS, Thomas Innovation(검색 DB)에서 검색하여 분석하였다. 분석의 주요 구조는 주사침을 포함한 약물 주입부, 챔버구조 및 피스톤을 포함한 가압구조(스프링 조립체)로 하였다.
분석의 주요 구조는 주사침을 포함한 약물 주입부, 챔버구조 및 피스톤을 포함한 가압구조(스프링 조립체)로 하였다. 분석결과, 본 연구팀의 설계안과 유사한 핵심특허는 총 444건 이었으며 이중 유효특허를 10건으로 선정하였다. 이들 유효특허는 Meridan Medical Technology(MMT)의 특허가 8건 이며 그 외 Duphar International과 Pharmacia AB 보유 특허가 1건씩 조사되었으며 이에 대해 설계안 및 청구항을 심층분석하였다(Table 1).
본 동향조사에서는 1회 조작으로 2가지 약물을 순차적으로 투여할 수 있는 자동주사기 기술과 관련하여 2014년 7월까지 출원공개/등록된 한국, 미국, 일본, 유럽특허를 분석대상으로 하였고, WIPS, Thomas Innovation(검색 DB)에서 검색하여 분석하였다. 분석의 주요 구조는 주사침을 포함한 약물 주입부, 챔버구조 및 피스톤을 포함한 가압구조(스프링 조립체)로 하였다. 분석결과, 본 연구팀의 설계안과 유사한 핵심특허는 총 444건 이었으며 이중 유효특허를 10건으로 선정하였다.
시험항목의 선정은 한국군의 신경작용제해독제킷(KMARK-1) 중 아트로핀주사기 및 팜자동주사기의 국방규격 시험항목을 참고하였다^[17,18]. 성능시험에는 삼양화학공업(주)에서 제조한 아트로핀주사기(로트 번호: 삼양-15아930-172, 2015. 8), 팜자동주사기(로트 번호: 삼양-15아956-172, 2015. 8) 및 다중챔버 단일주사기(2in1)(로트 번호: 삼양-15-MA-001, 2015. 11) 등 3종류의 주사기를 각 100개씩 사용하였으며 각 주사기의 사양은 Table 5와 같다.
3과 같이 2개 용기 사이에 O-링을 삽입하고 외부하우징을 용기의 결합부 직경에 맞게 2차 포장함으로서 방지하였다. 용기마개 틈새를 최소화하기 위해 마개의 재료로 밀착력이 우수한 부틸고무를 사용하였다. 만약 항암제와 같이 내용의약품이 플런저 스토퍼와 상호작용을 일으킬 경우 플런저 스토퍼에 FluorTec^Ⓡ과 같은 Fluoro-polymer film을 코팅한다^[9].
}), d는 재료의 지름(단위: mm), Na는 유효감김수(단위 없음), D는 코일 평균 지름(단위: mm)을 나타낸다. 자동주사기용 스프링 재료로는 피아노선(KS D 3556의 PW2)과 스프링용 스테인리스 강선(KSD 3535의 STS 302, STS 316)이 쓰이고 있으며 이 재료에 해당되는 가로 탄성 계수 값은 Table 2와 같다^[8]. 코일 평균 지름은 코일 스프링의 코일 안지름과 바깥지름의 평균으로 산출되는데 스프링은 스프링 내부의 화살대를 통해 이동하므로 스프링 안지름 설계 시에는 화살대의 외경을 고려하여야 한다.

이론/모형

본 연구팀은 상기 성능시험항목 중 작동힘, 주사액량 및 주사시간, 주사 후 주사침 길이에 관한 시험을 수행하였다. 시험항목의 선정은 한국군의 신경작용제해독제킷(KMARK-1) 중 아트로핀주사기 및 팜자동주사기의 국방규격 시험항목을 참고하였다^[17,18]. 성능시험에는 삼양화학공업(주)에서 제조한 아트로핀주사기(로트 번호: 삼양-15아930-172, 2015.

성능/효과

따라서 주사기를 작동하기 위해 필요한 힘은 주사기를 사용하는 사용자가 일상적으로 가할 수 있는 힘이어야 한다. 규정된 실험 조건에서 자동주사기를 활성화하는데 필요한 힘은 시험한 모든 자동주사기에서 3.5kgf 이하의 값으로 측정되었다(Fig. 10).
그리고 주사제 충전 용기를 2개로 분리시킴으로서 무균충전을 용이하도록 하였으며 약물 간 교차오염을 방지하도록 하였다. 또한 스프링 조립체와 연결된 플런저 스토퍼를 돌출형으로 제작하여 2번째 약물이 주사방향에 관계없이 90 % 이상 방출될 수 있도록 하였다.
첫 번째 기술적 측면으로, 미국, 유럽 등 일부 선진국에서 보유하고 있는 프리필드형 자동주사기 관련기술을 국산화함으로서 지적재산권을 확보할 수 있으며, 두 번째 경제적․산업적 측면으로, 수입에 의존하고 있는 응급의료용 자동주사기의 수입대체 효과 및 수출 효과도 기대할 수 있다. 세 번째 군사적 측면으로, 한국군의 신경작용제 해독제인 KMARK-1(아트로핀주사기 + 팜자동주사기)을 하나의 자동주사기로 단일화함으로서 신경작용제 중독 시 주사시간을 단축하여 해독효과를 상승시킬 수 있다. 이는 신속한 해독처치 기능으로 중독병사의 생존성 증대 및 화생방전의 대응능력을 향상시킬 수 있다.
자동주사기의 작동 성능은 KMARK-1의 아트로핀주사기 및 팜자동주사기의 국방규격을 참고하여 비교 성능시험을 통해 확인하였다. 시험 결과, 주사기를 작동하기 위한 작동힘, 주사액량, 주사시간 및 주사 후 주사침 길이 등 모든 항목이 기준을 충족하였다. 그리고 주사제 충전 용기를 2개로 분리시킴으로서 무균충전을 용이하도록 하였으며 약물 간 교차오염을 방지하도록 하였다.
0 mL이 되게 하였다. 시험결과 주사침을 하향으로 하여 발사하였을 경우 두 형태의 플런저 스토퍼 모두 90 % 이상의 주사액을 방출하였으나, 수평이나 상향 주사 시 비돌출형 플런저 스토퍼는 충전액의 71.0 ~ 84.3 %의 주사액을 방출하였다. 이와는 달리 돌출형 플런저 스토퍼는 어떤 주사방향으로 발사하여도 90 % 이상의 주사액을 방출하였다(Table 10).
이상의 결과를 요약하면, 본 연구팀에서 개발한 다중챔버 단일주사기(2in1)는 자동주사기의 기본성능을 만족하였으며, 주사방향에 상관없이 일정량의 주사액을 방출할 수 있었다.
17kgf/mm²), 상기 설명한 바를 고려하여 식(2)의 변수를 설정하고 스프링을 제작하였다. 제작된 스프링을 35.5mm, 81.0 mm 2가지 조건으로 변형하였을 때 하중을 측정(높이 35.5 mm일 때 하중 평균: 5.18 kgf, 높이 81.0 mm일 때 하중 평균: 13.55 kgf, 각 20회 측정)하여 스프링 상수를 구한 결과 이론적으로 설정한 값과 유사한 0.18 kgf/mm²임을 확인하였으며, 최종적으로 성능평가를 통해 스프링 설계의 적합성을 입증하였다.

후속연구

본 연구에서는 자동주사기의 성능시험 항목 중 기능적인 면에 초점을 맞추어 연구가 수행되었지만 향후 사용약물에 따른 임상학적 성능을 검증한다면 wet/wet 또는 wet/dry와 같이 두 종류의 응급의료 약물이 충전된 응급의료용 기기로 사용범위가 확대될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구결과를 발전시켜 실용화할 수 있는 성숙된기술을 확보한다면 다음과 같은 파급효과를 기대할 수 있다. 첫 번째 기술적 측면으로, 미국, 유럽 등 일부 선진국에서 보유하고 있는 프리필드형 자동주사기 관련기술을 국산화함으로서 지적재산권을 확보할 수 있으며, 두 번째 경제적․산업적 측면으로, 수입에 의존하고 있는 응급의료용 자동주사기의 수입대체 효과 및 수출 효과도 기대할 수 있다. 세 번째 군사적 측면으로, 한국군의 신경작용제 해독제인 KMARK-1(아트로핀주사기 + 팜자동주사기)을 하나의 자동주사기로 단일화함으로서 신경작용제 중독 시 주사시간을 단축하여 해독효과를 상승시킬 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동주사기는 무엇인가?	자동주사기는 응급 상황에서 피하주사나 근육주사를 자가 주사하도록 설계된 장치로 신경작용제 해독을 위한 군사적 사용을 목적으로 만들어 졌으나, 사용상의 편리함 때문에 자동주사기의 설계를 활용하여 민수용 제품에도 사용하고 있다.
	군수용 다중챔버 자동주사기는 무엇이 있는가?	민수용으로 개발된 제품의 예로는, 중증의 아나필락시스(anaphylaxis) 발생 시 사용하는 EpiPenⓇ 및 심한 급성 또는 만성 통증의 완화에 사용되는 Morphine Autoinjector CⅡ과 같이 단일 용량의 약물을 전달하는 단일챔버 자동주사기와 유기인계 살충제 해독에 사용하는 wet/wet 형태의 DuoDoteⓇ와 같이 병용 투여 약물을 전달하는 다중챔버 자동주사기가 있다. 군수용으로는 wet/wet 형태의 다중챔버 자동주사기인 DuoDoteⓇ와 같은 작동원리를 가지는 ATNAA(Antidote Treatment Nerve Agent, Auto-injector)가 있다(Fig. 1)[1].
	응급 상황에서 자동주사기가 원활하게 작동하기 위한 구조적 조건은 무엇인가?	일반적으로 자동주사기는 응급상황에서 자가 투여를 목적으로 고안되었다. 그러므로 응급상황 발생 시 예측하지 못한 방향으로 주사할 수 있기 때문에 어떠한 방향으로 주사하더라도 표시량의 약물이 주입될 수 있는 구조를 가지는 것이 바람직하다.

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