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레이저 유도 마이크로젯을 활용한 약물 전달 방식: 레이저 파장 및 펄스길이에 따른 약물 침투 분석
Laser Induced Microjet Drug Delivery System: Drug Permeation Depending on Laser Wavelength and Pulse Duration 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.7 = no.382, 2017년, pp.463 - 468  

장헌재 (서울대학교 기계항공공학부) ,  함휘찬 (서울대학교 기계항공공학부) ,  여재익 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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경피를 통한 약물 전달 방식에 있어, 본 연구에서 제안하고 있는 바늘 없는 주사기 시스템은 레이저와 마이크로젯 인젝터로 구성 되어 있다. 이때 마이크로젯 인젝터의 핵심 메커니즘은 레이저 유도버블이다. 동력원으로 Nd:YAG와 Er:YAG, 두 종류의 레이저가 사용되었다. 버블의 특성을 결정짓는 레이저 변수인 펄스폭, 파장 등이 본 연구에서 고려되었다. Nd:YAG 레이저의 경우에 펄스폭이 버블의 생존 시간보다 짧기 때문에 캐비테이션에 가까운 버블을 형성하는 반면 Er:YAG 레이저의 경우에 펄스폭이 상대적으로 길고 물에서의 흡수가 잘 되기 때문에 보일링 버블이 만들게 된다. 버블 및 마이크로젯의 자세한 움직임은 초고속 카메라를 통해 촬영되었다. 이와 같은 과정을 통하여 마이크로젯의 특성이 버블에 의해 결정되는 것을 본 연구를 통해 관찰되었다. 약물 전달 성능은 기니어피그 조직에 형광물질을 침투한 결과로 부터 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

For transdermal drug delivery, needless injection system is composed of laser and microjet injector. Main mechanism of microjet injector is the laser-induced bubble. Nd:YAG and Er:YAG laser are used as a power source. Laser parameters such as pulse duration and wavelength are considered, which are c...

주제어

#어븀야그 레이저   #엔디야그 레이저   #캐비테이션   #끓음 버블   #마이크로젯   #약물전달  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 경피를 통한 약물 전달은 예전부터사용이 되어 왔으며 그중에서는 멀미를 치료하기 위한 패치 형태의 약물 전달 방식이 존재한다.(6) 이러한 방식의 약물 전달은 마이크로 수준의 구멍을 만들고 구멍을 통해서 약물을 효과적으로 흡수하게 만드는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 구멍을 만드는 방식 중에 하나는 마이크로 수준의 바늘을 패치에 배열하는 것이다.
  • 본 연구에서는 동력원으로 사용된 레이저의 변수에 따른 마이크로젯 특성을 분석하기 위해서 Nd:YAG와 Er:YAG 레이저가 사용되었다. 다른 파장과 펄스폭에 의한 레이저 유도 버블 특성을 차원 및 무차원 변수를 통해 규명하고자 한다. 뿐만 아니라 버블과 마이크로젯의 상관관계 또한 분석하고자 하는 주요한 주제이다.
  • 본 연구에서는 레이저의 파장과 펄스 폭이 버블 및 생성된 마이크로젯에 미치는 영향을 분석하여 효과적인 약물전달 과정을 분석하였다. Nd:YAG 레이저의 경우에 펄스폭이 나노초 단위로 버블 생존 기간에 비해서 매우 짧기 때문에 캐비테이션에 가까운 버블을 생성하게 되는 반면 Er:YAG 레이저의 경우에는 물에서의 흡수가 잘되고 펄스폭이 마이크로초 단위로 길기 때문에 초기의 버블 성장이 보일링 버블에 가깝다.

가설 설정

  • 이 이미지에서 얻은 버블의 단면으로부터 타원체 형상을 가정하여 시간에 따른 버블의 부피를 구할 수 있다. 버블은 비구형이지만 구형으로 가정하여 반지름을 계산하였고 이는 Fig. 3의 그래프로 표현하였다. Nd:YAG 레이저로 생성된 버블은 다른 선행연구에서 많이 연구된 바 있으며 아래의 식을 통해 표현될 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
약물전달의 액체 젯을 통한 방식은 어떤 문제점이 있는가? 액체 젯 기반의 약물 전달은 약물을 젯 형태로 가속시켜서 피부에 충돌시켜서 침투하는 방식을 취하고 있다. 기존의 액체 젯을 통한 방식은 기대와는 달리 효율은 좋지만, 되튀김으로 인한 상호 감염의 부작용이 있었다. 젯의 속도가 충분히 빠르지 못하고 얇지 않은 경우에는 침투 깊이 및 양에 있어 신뢰하기 어려운 점도 존재한다. 또한 시술시에 고통 및 출혈에 관한 문제점도 해결되어야 한다.(8) 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 Arora 등(4) 그룹에서는 압전소자를 사용해서 펄스 방식의 마이크로젯을 생성하였다.
상피 조직이 약물을 전달하기에 적합한 층인 이유는 무엇인가? 일반적으로 피부의 최외각층 아래의 상피 조직은 신경과 혈관이 상대적으로 적게 분포하기 때문에 고통을 최소화하며 약물 전달하기에 적합한 층이다. 경피를 통한 약물 전달은 예전부터사용이 되어 왔으며 그중에서는 멀미를 치료하기 위한 패치 형태의 약물 전달 방식이 존재한다.
경피를 통한 약물 전달 시스템엔 어떤 방식이 있는가? 경피를 통한 약물 전달 시스템에 있어, 각질층을 뚫고 표피층 이상 약물이 침투되기 위해서는 외부적으로 힘을 가하는 장치가 필요하게 된다.(1~4) 그 중에서 가속된 젯의 운동에너지를 활용, 피부로의 충격을 통해서 침투하는 방식이 있다. 마이크로젯의 경우에 젯 지름과 양을 줄여서 되튀김현상을 억제하여 침투 양과 깊이 제어가 가능하기 때문에 신뢰성을 확보하는 것이 가능하다.
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참고문헌 (11)

  1. Mitragotri, S., 2005, "Immunization without Needles," Nat. Rev. Immunol, Vol. 5, pp. 905-916. 

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  2. Kendall, M. A. F., Chong, Y. F. and Cock, A., 2007, "The Mechanical Properties of the Skin Epidermis in Relation to Targeted Gene and Drug Delivery," Biomaterials, Vol. 28, pp. 4968-4977. 

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  3. Brown, M. B., Martin, G. P., Jones, S. A. and Akomeah, F. K., 2006, "Dermal and Transdermal Drug Delivery Systems," Current and future prospects. Drug deliv., Vol. 13, pp. 175-187. 

  4. Arora, A., Hakim, I., Baxter, J., Rathnasingham, R., Srinivasan, R., Fletcher, D. A. and Mitragotri, S., 2007, "Needle-free Delivery of Macromolecules Across the Skin by Nanoliter-volume Pulsed Microjet," Proc. Natl. Acad. Sci., Vol. 104 pp. 4255-4260. 

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  5. Han, T. and Yoh, J. J., 2010, "A Laser based Reusable Microjet Injector for Transdermal Drug Delivery," J. Appl. Phys., Vol. 107, pp. 103-110. 

  6. Prausnitz, M. R. and Langer, R., 2008, "Transdermal Drug Delivery," Nat. Biotechnol., Vol. 26, pp. 1261-1268. 

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  7. Doukas, A. G. and Kollias, N., 2004, "Transdermal Drug Delivery with a Pressure Wave," Adv. Drug Deliv. Rev., Vol. 56, pp. 559-579. 

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  8. Sarno, M. J., Blase, E., Galindo, N., Ramirez, R., Schirmer, C. L. and Trujillo-juarez, D. F., 2000, "Clinical Immunogenicity of Measles, Mumps and Rubella Vaccine Delivered by the Injex Jet Injector: Comparision with Standard Syringe Injection," Pediatr. Infect. Dis. J., Vol. 19, pp. 839-842. 

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  9. Han, T., J. and Yoh, J. J., 2011, "Drug Injection into Fat Tissue with a Laser based Microjet Injector," J. Appl. Phys., Vol. 109, 093105. 

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  10. Hale, G. M. and Querry, M. R., 1973, "Optical Constants of Water in the 200nm to 200 ${\mu}m$ Wavelength Region," Appl. Opt., Vol. 12, pp. 555- 563. 

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  11. Plesset, M. S. and Prosperetti, A., 1977, "Bubble Dynamics and Cavitation," Ann. Rev. Fluid Mech., Vol. 9, pp. 145-185. 

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