[논문]피부 치료를 위한 공압식 무침 주사 시스템의 주요 인자에 관한 실험적 연구

김중경; 압둘모히진; 이승구

doi:10.5407/jksv.2018.16.1.042

피부 치료를 위한 공압식 무침 주사 시스템의 주요 인자에 관한 실험적 연구
Experimental Investigation on Key Parameters in Air-powered Needle-free Injection System for Skin Treatment 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.16 no.1, 2018년, pp.42 - 47

김중경 (School of Mechanical Engineering, Kookmin University) , 압둘모히진 (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Kookmin University) , 이승구 (Union Medical Co.)

Abstract ▼ AI-Helper

A needle-free injector is one of the new non-invasive players in impregnating the biological barriers. It is considered as the next phase in drug delivery and therapeutic applications. One of the major fields of application is in skin remodeling procedures. Although many studies were carried out in understanding the principle in the needle-free injection procedure, fewer studies were done with the aim of therapeutic applications. In the present study, we tried to identify key parameters that affect the jet divergence and peak stagnation pressure on the skin surface in a conventional needle-free injector for skin treatment. A summary of the working principle and effect of the key parameters are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 피부 치료용 공압식 무침 주사기에서 토출되는 마이크로젯의 확산 및 최대 정체압력에 영향을 미치는 주요 인자에 관한 실험적 연구결과를 보고하였으며 무침 주사기의 성능을 좌우하는 주요 인자의 상대적인 중요성을 입증하였다. 마이크로젯의 확산은 노즐 직경과 구동 압력의 변화에 크게 영향을 받는 반면에 최대 정체 압력은 구동 압력과 노즐 챔버의 주입액 충전율에 주로 의존하는 것을 확인하였다.
따라서 피부 치료 시 공압식 무침 주사기의 주요 인자를 확인하려면 각 인자의 효과에 대한 광범위한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 피부 표면에서 마이크로젯의 확산과 최대 정체 압력에 영향을 미치는 주요 인자에 관한 실험적 연구 결과를 제시하고자 한다.
. 본 연구에서는 가장 흔히 사용되는 공압식 무침 주사기의 사용에 초점을 맞추고자 한다. 그동안 공압식 무침 주사기의 약물 전달 적용에 대한 많은 광범위한 실험적 연구^(12-16) 및 수치해석^(17,18)이 수행되었다.
본 연구의 목적 중 하나는 공압식 무침 주사기의 노즐 직경이 토출되는 마이크로젯의 확산(divergence) 및 최대 정체 압력에 미치는 영향을 파악하는 것이다. 개념적으로는 노즐 직경이 작을수록 더 가늘고 높은 속도의 유동젯을 생성할 것으로 여겨진다.

제안 방법

Fig. 2와 같이 이 마이크로젯의 피부 충격 힘은 로드셀(FSG15N1A, Honeywell)과 최대 100 MHz의 샘플링 속도를 갖는 디지털 오실로스코프(DSO1014A, Agilent Technologies)로 측정하였다.
그러므로 본 연구에서는 노즐 챔버의 주입액 충전율을 30, 50, 70, 100%로 변화시키고 직경이 200 μm인 노즐을 사용하여 구동 압력 0.433 MPa에서 마이크로젯의 확산 및 최대 정체 압력의 변화를 측정하였다.
노즐 출구에서 토출된 고속 마이크로젯이 공기매질을 거쳐 부드러운 피부 조직 팬텀으로 침투하여 분산되는 과정을 가시화하여 관찰하였다. 고속 카메라(Phantom Micro 110, Vision Research, Wayne, NJ)는 10 ms 정도의 시간 동안 토출되는 마이크로젯의 순간 영상을 촬영할 수 있도록 에어젯과 동기화시켜 25,000 fps의 샘플링 속도로 영상을 얻었다.
2와 같이 이 마이크로젯의 피부 충격 힘은 로드셀(FSG15N1A, Honeywell)과 최대 100 MHz의 샘플링 속도를 갖는 디지털 오실로스코프(DSO1014A, Agilent Technologies)로 측정하였다. 실험 전에 다양한 질 량을 갖는 분동을 로드셀 위에 올리고 출력되는전압을 기록하여 교정 작업을 수행하였다. 피부 충격 힘의 파형은 MATLAB에서 제공하는 Savitzky Golay 필터링 알고리즘을 사용하여 분석되었다.
에어젯은 시술 시 노즐 챔버에 주입되는 약물의 충전율을 조절하므로 본 연구에서는 노즐 챔버의 주입액 충전율을 50%로 설정하고 직경이 200 μm 인 노즐을 사용하여 구동 압력 0.319, 0.376, 0.433, 0.489, 0.563 MPa에서 마이크로젯의 확산 및 최대 정체 압력의 변화를 측정하였다.
증류수에 15%(w/V) 폴리아크릴아미드 용액을 섞고 10% 과황산암모늄과 1% N,N,N’,N’-테트라메틸에 틸렌디아민을 첨가하여 제조하였다.

대상 데이터

노즐 출구에서 토출된 고속 마이크로젯이 공기매질을 거쳐 부드러운 피부 조직 팬텀으로 침투하여 분산되는 과정을 가시화하여 관찰하였다. 고속 카메라(Phantom Micro 110, Vision Research, Wayne, NJ)는 10 ms 정도의 시간 동안 토출되는 마이크로젯의 순간 영상을 촬영할 수 있도록 에어젯과 동기화시켜 25,000 fps의 샘플링 속도로 영상을 얻었다. 획득한 영상은 오픈소스 소프트웨어인 ImageJ(http://imagej.
본 연구에서는 에어젯 시술 시에 일반적으로 장착하는 직경 100, 150, 200 μm의 노즐을 사용하였다.
gov/ij/)로 분석하였다. 피부 조직 팬텀으로 폴리아크릴아미드 젤을 사용했다. 증류수에 15%(w/V) 폴리아크릴아미드 용액을 섞고 10% 과황산암모늄과 1% N,N,N’,N’-테트라메틸에 틸렌디아민을 첨가하여 제조하였다.
고속 카메라(Phantom Micro 110, Vision Research, Wayne, NJ)는 10 ms 정도의 시간 동안 토출되는 마이크로젯의 순간 영상을 촬영할 수 있도록 에어젯과 동기화시켜 25,000 fps의 샘플링 속도로 영상을 얻었다. 획득한 영상은 오픈소스 소프트웨어인 ImageJ(http://imagej.nih.gov/ij/)로 분석하였다. 피부 조직 팬텀으로 폴리아크릴아미드 젤을 사용했다.

이론/모형

실험 전에 다양한 질 량을 갖는 분동을 로드셀 위에 올리고 출력되는전압을 기록하여 교정 작업을 수행하였다. 피부 충격 힘의 파형은 MATLAB에서 제공하는 Savitzky Golay 필터링 알고리즘을 사용하여 분석되었다.

성능/효과

563 MPa에서 마이크로젯의 확산 및 최대 정체 압력의 변화를 측정하였다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 구동 압력이 증가함에 따라 유동젯의 확산 및 최대 정체 압력은 각각 선형적으로 감소(R² = 0.97) 및 증가(R² = 0.98)하는 경향을 나타내었다. 이는 구동 압력의 증가에 따라 발사 피스톤에서 주입액으로 전달되는 에너지가 증가하여 더 높은 속도의 마이크로젯을 추진하기 때문이다.
4). 가시화를 통해 부드러운 젤에 주입되는 액체의 거동은 두 가지 주요 형태인 팬텀의 특정 깊이까지 침투현상 및 분산에 의한 저장소 형성으로 분류할 수 있음을 확인하였다. 노즐 직경 100 및 150 μm에 대한 유동가시화 영상에서 관찰되는 다중 평면 균열의 형성을 제외하면, 노즐 직경의 변화에 따라 팬텀 내에서 주입액의 분산 형태는 크게 다르지 않았다.
본 논문에서는 피부 치료용 공압식 무침 주사기에서 토출되는 마이크로젯의 확산 및 최대 정체압력에 영향을 미치는 주요 인자에 관한 실험적 연구결과를 보고하였으며 무침 주사기의 성능을 좌우하는 주요 인자의 상대적인 중요성을 입증하였다. 마이크로젯의 확산은 노즐 직경과 구동 압력의 변화에 크게 영향을 받는 반면에 최대 정체 압력은 구동 압력과 노즐 챔버의 주입액 충전율에 주로 의존하는 것을 확인하였다. 일반적으로 노즐 직경이 작을수록 더 높은 속도의 마이크로젯을 생성하여 유동젯의 확산을 감소시키고 피부 표면에서 더 높은 최대 정체 압력을 발생시킬 것이라는 예상과 달리, 노즐 직경의 감소에 따라 노즐 챔버에서 더 많은 에너지 손실과 소산이 발생하여 실험에 사용한 세 가지 직경의 노즐에서는 거의 동일한 최대 정체 압력이 측정되었다.
9 mm 떨어진 피부 표면에 분사되는 마이크로젯의 직경(D)으로부터 정해진다. 선형회귀분석을 통해 얻은 노즐 직경과의 상관계수(R²)는 마이크로젯 확산율과 최대 정체 압력에 대해 각각 0.96 및 0.93으로 높게 나타났다. Fig.

후속연구

노즐 직경 100 및 150 μm에 대한 유동가시화 영상에서 관찰되는 다중 평면 균열의 형성을 제외하면, 노즐 직경의 변화에 따라 팬텀 내에서 주입액의 분산 형태는 크게 다르지 않았다. 다중 평면 균열의 형성은 팬텀을 구성하는 젤의 기계적 성질의 국소적 변화에 기인한 것으로 추정되며, 이를 설명하기 위해서는 마이크로젯과 부드러운 매질의 상호 작용에 관한 추가적인 심층연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무침 주사기란 무엇인가?	무침 주사기는 고속 마이크로젯으로 피부를 천공하여 약물을 전달하는 장치이다. 무침 주사기는 최근 등장한 약물 주입 시스템, 특히 유전자 및 백신 전달 시스템(1-4)에서 혁명적인 변화를 가져왔으며 기존의 주입 시스템에 비해 많은 장점이 있어서 의료 분야에서 널리 활용되고 있다.
	상용화된 무침 주사기의 동력원은 무엇인가?	무침 주사기는 일반적으로 마이크로젯 생성에 사용되는 구동 메커니즘을 기반으로 분류하며, 상용화된 무침 주사기는 로렌츠 액추에이터, 스프링, 레이저 및 압축 공기 또는 가스를 동력원으로 사레이저 및 압축 공기 또는 가스를 동력원으로 사용한다(8-11). 본 연구에서는 가장 흔히 사용되는 공압식 무침 주사기의 사용에 초점을 맞추고자 한다.
	에어젯은 어떤 형태로 약물을 토출하는가?	1에 나타내었다. 압축 공기가 발사 피스톤(firing piston)을 구동하여 노즐 챔버에 충전된 주입액체를 노즐을 통해 마이크로젯 형태로 토출한다. 실험에서는 구동 압력을 0.

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