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WO2022050451A1 - 녹내장 환자의 안압 측정 및 치료용 스마트 무선구동 콘택트렌즈 - Google Patents

녹내장 환자의 안압 측정 및 치료용 스마트 무선구동 콘택트렌즈 Download PDF

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WO2022050451A1
WO2022050451A1 PCT/KR2020/011909 KR2020011909W WO2022050451A1 WO 2022050451 A1 WO2022050451 A1 WO 2022050451A1 KR 2020011909 W KR2020011909 W KR 2020011909W WO 2022050451 A1 WO2022050451 A1 WO 2022050451A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
intraocular pressure
glaucoma
drug
contact lens
strain sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2020/011909
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
한세광
신상배
김태연
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phi Biomed Inc
POSTECH Academy Industry Foundation
Original Assignee
Phi Biomed Inc
POSTECH Academy Industry Foundation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phi Biomed Inc, POSTECH Academy Industry Foundation filed Critical Phi Biomed Inc
Priority to US17/610,682 priority Critical patent/US20230190523A1/en
Priority to PCT/KR2020/011909 priority patent/WO2022050451A1/ko
Publication of WO2022050451A1 publication Critical patent/WO2022050451A1/ko
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Definitions

  • the present invention relates to a wirelessly driven contact lens for monitoring intraocular pressure in a glaucoma patient and treating glaucoma according to an intraocular pressure condition.
  • Glaucoma is one of the eye diseases, and it is a fatal disease that causes gradual damage to the optic nerve cells due to the continuous increase in intraocular pressure. This type of glaucoma can permanently affect vision and worsens slowly and continuously. Therefore, there is a need for a system capable of diagnosing and treating glaucoma in a regular, accurate and real-time manner.
  • Intraocular pressure is one of the most important factors in diagnosing glaucoma and is the most important risk factor for glaucoma. Therefore, a system for sensitively diagnosing the increase in intraocular pressure through a continuous and non-invasive method and an immediate and new treatment for the increase in intraocular pressure are required.
  • the drug since the drug is not administered according to the intraocular pressure condition, there is a serious problem of side effects of the drug.
  • the drug since changes in intraocular pressure according to glaucoma are different for each individual and the state of intraocular pressure is different, the drug must be administered in an appropriate amount and at an appropriate cycle for each individual.
  • the existing developed intraocular pressure measurement system has a limitation in that it cannot break the cycle of treatment because it exists as a single system that can only diagnose.
  • the glaucoma treatment system developed so far has side effects on drug treatment because it is difficult to administer the drug according to the patient's intraocular pressure.
  • the present invention is to provide a wirelessly driven contact lens for intraocular pressure monitoring and glaucoma treatment of glaucoma patients combined with a high sensitivity and high transparency strain sensor for measuring intraocular pressure in order to minimize the side effects of drugs and maximize the therapeutic effect. do.
  • an object of the present invention is to provide a personalized treatment system through the wirelessly driven contact lens.
  • the present invention provides a transparent strain sensor for measuring the intraocular pressure of a subject; And a wirelessly driven contact lens comprising a drug reservoir,
  • the strain sensor and the drug reservoir are formed on a transparent substrate,
  • the strain sensor measures a change in resistance due to a change in intraocular pressure, and when an abnormality is detected in the change in intraocular pressure, a drug is released from the drug reservoir.
  • a wirelessly driven contact lens for monitoring the intraocular pressure of a glaucoma patient and treating glaucoma.
  • the present invention also includes the steps of forming a water-soluble sacrificial layer on a handling substrate;
  • a method for manufacturing a wirelessly driven contact lens for monitoring intraocular pressure of a glaucoma patient and treating glaucoma comprising the step of transferring the transparent substrate on which the strain sensor and the drug reservoir are formed into a contact lens.
  • the present invention also provides a transparent strain sensor for measuring the intraocular pressure of a subject; and a radio-actuated contact lens comprising a drug reservoir; and
  • a system including smart glasses for wirelessly transmitting or receiving electrical signals to control the deformation of the wirelessly driven contact lens and the driving of the drug reservoir,
  • the strain sensor and the drug reservoir are formed on a transparent substrate,
  • the strain sensor measures the resistance change by using the electrical connection and disconnection between the nanomaterials according to the change in the curvature of the eye due to the change in the intraocular pressure, and the drug is released from the drug reservoir when the change in the intraocular pressure is detected.
  • the present invention also provides that the strain sensor in the contact lens applies a constant voltage to the eye of the subject at a predetermined measurement time to wirelessly measure the change in current according to the change in resistance,
  • the gold of the electrode pattern sealing the drug well of the drug reservoir is dissolved in chlorine to become AuCl4-, and the drug reservoir is opened.
  • a method for treating glaucoma according to the used intraocular pressure is provided.
  • the wirelessly driven contact lens for intraocular pressure monitoring and glaucoma treatment of glaucoma patients includes a strain sensor capable of detecting an increase in intraocular pressure in real time, and a drug delivery system capable of lowering the intraocular pressure by releasing a drug according to the increase in intraocular pressure do.
  • the strain sensor and the drug delivery system it is possible to measure the intraocular pressure in real time and appropriately release the therapeutic drug accordingly from the contact lens. Therefore, personal therapy is possible through the feedback treatment system according to the intraocular pressure condition of the glaucoma patient.
  • the patient's field of vision is not obstructed, and by using a flexible drug reservoir (i.e., drug delivery system) to prevent the loss of therapeutic drugs, the side effects of drugs can be minimized and the glaucoma treatment effect can be maximized. there is.
  • a flexible drug reservoir i.e., drug delivery system
  • 1 is an image showing the principle of measuring the intraocular pressure by a deformation degree sensor of a wirelessly driven contact lens through a change in the curvature of the eye according to the change in intraocular pressure.
  • FIG. 2 is an image showing the structure of a drug delivery system in a wirelessly driven contact lens.
  • 5 is a photograph showing that the drug release channel is opened while the gold thin film of the drug delivery system is melted through an electrochemical reaction with chlorine ions.
  • FIG. 6 is an image illustrating wireless energy supply and wireless communication of a wirelessly driven contact lens for measuring the intraocular pressure of a patient and releasing an appropriate drug according to the intraocular pressure condition.
  • FIG 7 is an image showing the process of manufacturing the drug delivery system of the present invention.
  • 9 and 10 are images showing a wirelessly driven contact lens to which the strain sensor manufactured according to the present invention is coupled.
  • FIG. 11 is a photograph showing a wirelessly driven contact lens coupled with a strain sensor capable of being wirelessly driven.
  • FIG. 13 shows the results of measuring changes in intraocular pressure in rabbits through a wirelessly driven contact lens coupled with a strain sensor.
  • FIG. 14 is a graph showing the absorbance of a drug released by applying an electrical signal to the drug delivery system of the present invention.
  • the present invention provides a transparent strain sensor for measuring the intraocular pressure of a subject; And a wirelessly driven contact lens comprising a drug reservoir,
  • the strain sensor and the drug reservoir are formed on a transparent substrate,
  • the strain sensor measures a change in resistance due to a change in intraocular pressure, and when an abnormality is detected in the change in intraocular pressure, a drug is released from the drug reservoir.
  • the wirelessly driven contact lens is coupled with a strain sensor for measuring intraocular pressure of a glaucoma patient, so that the glaucoma patient can measure intraocular pressure and treat glaucoma according to changes in intraocular pressure.
  • the wirelessly driven contact lens of the present invention is an elastomer of silicone elastomer; silicone hydrogel; and a polymer hydrogel of poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA), polyvinylpyrrolidone (PVP), poly(lactic acid-glycolic acid) (PLGA) or polyvinyl alcohol (PVA); It may be based on one or more polymers selected from
  • a transparent substrate is formed inside the wirelessly driven contact lens, and a strain sensor and a drug reservoir are formed on the transparent substrate.
  • the transparent substrate has excellent light transmittance, flexibility and elasticity, and has excellent biocompatibility.
  • the transparent substrate may include at least one selected from the group consisting of Parylene C, PDMS, silicone elastomer, polyethylene terephthalate (PET), and polyimide (PI).
  • the strain sensor is a transparent sensor that measures the intraocular pressure of an object, and may measure a change in resistance due to a change in the intraocular pressure.
  • FIG. 1 is an image illustrating the principle of a strain sensor measuring an intraocular pressure of a wirelessly driven contact lens. As shown in FIG. 1 , the strain sensor may measure intraocular pressure through a change in resistance of the sensor according to a change in the curvature of the eyeball.
  • the strain sensor includes a nanomaterial layer formed on a transparent substrate; and a passivation layer formed on the nanomaterial layer.
  • the strain sensor may be formed on the surface in the ocular direction on the transparent substrate.
  • the nanomaterial layer includes a nanomaterial, and the nanomaterial may be a material having biocompatibility.
  • the nanomaterial is a zero-dimensional material that is a nanoparticle; one-dimensional nanomaterials that are nanowires, nanofibers or nanotubes; and graphene, MoS 2 or a two-dimensional nanomaterial that is nano flakes; may include one or more selected from the group consisting of.
  • the nanomaterial may include silver (Ag) and/or gold (Au), and more specifically, may be a silver-gold core-shell nanowire (Ag@Au core-shell NW).
  • the passivation layer has excellent elasticity and flexibility, and may include components having biocompatibility, and specifically, Parylene C, PDMS, silicone elastomer, polyethylene terephthalate (PET), and polyi It may include one or more selected from the group consisting of mid (PI).
  • the structure of the strain sensor is not particularly limited, and may include a circle or a straight line.
  • the strain sensor may have a structure that completely or partially surrounds the cornea of the eyeball, and may have a circular structure that completely surrounds the cornea of the eyeball.
  • the drug reservoir is sealed by an electrode pattern containing gold, and is linked to the above-described strain sensor, so that when an abnormality is detected in a change in intraocular pressure by the strain sensor, the gold in the electrode pattern of the drug reservoir is a living organism.
  • the drug may be released from the drug reservoir by reacting with chlorine ions in the dissolution.
  • the drug reservoir is an electrode pattern comprising gold formed on a portion of the transparent substrate; and a drug well layer formed on the electrode pattern and including one or more drug wells in the form of being drawn outward.
  • a perforation may be formed in the transparent substrate, and the electrode pattern may surround the perforation.
  • a drug may be located in the drug well, and the drug may be a drug capable of treating glaucoma, or may be composed of a drug carrier capable of releasing a drug capable of treating the glaucoma and a drug release controlling material. there is.
  • an antenna may be additionally formed on the transparent substrate in addition to the above-described strain sensor and drug reservoir.
  • the antenna may be formed on the same surface as the strain sensor on the transparent substrate.
  • the antenna may transmit and receive power and signals to the outside through induced current and electromagnetic resonance.
  • the antenna may be a circular antenna having a circular structure.
  • the antenna may be made of a nanomaterial
  • the nanomaterial may include a metal thin film material; a zero-dimensional material that is a nanoparticle; one-dimensional nanomaterials that are nanowires, nanofibers or nanotubes; And graphene, MoS 2 It may include one or more selected from the group consisting of two-dimensional nanomaterials that are flakes.
  • Both the strain sensor and the antenna may be made of nanomaterials, but through the difference in the pattern structure and the nanomaterial content, the strain sensor and the antenna may serve as the strain sensor and the antenna, respectively.
  • the antenna pattern may include silver-gold core-shell nanowires (Ag@Au core-shell NW), which are thicker than the strain sensor, and also the amount of nanomaterials and the length of the nanowires.
  • the resistance according to the change in intraocular pressure measured by the strain sensor may not be changed.
  • the components constituting the strain sensor, the drug reservoir and the antenna according to the present invention are all excellent in biocompatibility, so they can work stably in tears and are harmless to the body.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a wirelessly driven contact lens for monitoring intraocular pressure and treating glaucoma of the aforementioned glaucoma patient.
  • the wirelessly driven contact lens may include (S1) forming a sacrificial layer soluble in water on a handling substrate;
  • (S4) may include transferring the transparent substrate on which the strain sensor and the drug reservoir are formed into a contact lens.
  • Step S1 is a step of forming a sacrificial layer on a handling substrate.
  • the sacrificial layer may serve as an adhesive layer between the handling substrate and the transparent substrate, and may help transfer of the transparent substrate on which the strain sensor and the drug reservoir are formed.
  • the sacrificial layer is not particularly limited as long as it can be dissolved in water, and may include at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA) and dextran (DEXTRAN).
  • Step (S2) is a step of forming a transparent substrate on the sacrificial layer. Since the sacrificial layer serves as an adhesive, the transparent substrate can be easily attached to the handling substrate, and is handled through dissolution of the sacrificial layer in a later process. It can be easily peeled off from the substrate.
  • the transparent substrate may use a material having excellent light transmittance, and the above-described type may be used.
  • Step (S3) is a step of forming the strain sensor and the drug reservoir on the transparent substrate.
  • the strain sensor comprises the steps of: (a1) forming a mask material for patterning on a transparent substrate;
  • (a3) may be manufactured through the step of forming a passivation layer on the patterned sensor and circuit.
  • Step (a1) is a step of forming a mask material for patterning on a transparent substrate.
  • the mask material may serve as a shadow mask, and a nanomaterial may be patterned through the use of the mask material.
  • a material that can be used as a photoresist can be used without limitation.
  • Step (a2) is a step of patterning the sensor and circuit by coating the nanomaterial on the transparent substrate on which the mask material is formed through a lift-off process.
  • nanomaterials the above-mentioned kinds may be used, and specifically, silver-gold core-shell nanowires (Ag@Au core-shell nanowires) may be used.
  • the nanomaterial prepared in the above step may act as an intraocular pressure sensor, that is, a strain sensor.
  • the strain sensor is made of a nanomaterial, and by using the connection and disconnection between the nanomaterials, a change in resistance of the sensor according to a change in the curvature of the eye can be measured, and an intraocular pressure can be measured through a change in current according to the change in resistance. .
  • circuit manufactured in the above step may serve to connect the strain sensor, the antenna, and the drug reservoir.
  • Step (a3) is a step of forming a passivation layer on the patterned sensor and circuit.
  • a passivation layer may be formed to prevent loss of nanomaterials and improve electrical stability.
  • the passivation layer may include the above-described type of component.
  • the drug reservoir comprises the steps of (b1) forming an electrode pattern comprising gold on some surfaces of the transparent substrate;
  • Step (b1) is a step of forming an electrode pattern including gold on a portion of the transparent substrate.
  • the electrode pattern may be manufactured in such a way that a gold electrode pattern is formed on a transparent substrate using photolithography, and the anode portion of the electrode pattern surrounds the drug reservoir.
  • the electrode pattern stacked on the transparent substrate may include an anode made of a metal containing gold and a cathode commonly connected to the anode ( FIG. 2 ).
  • the electrode may have a form in which a plurality of anodes form an array.
  • the electrode may be made of gold and titanium depending on the part.
  • the gold forming the electrode pattern may be removed by electrolysis by a voltage applied in the electrolyte ( FIG. 3 ). Therefore, the anode of the electrode pattern can be used as a gate (drug release channel) of a passage through which the drug received by the voltage is delivered.
  • Step (b2) is a step of forming a drug well layer including one or more drug wells on the electrode pattern.
  • the drug well may store a drug.
  • the drug well layer comprising such a drug well may include a flexible and biocompatible component, and specifically comprises at least one selected from the group consisting of PDMS, silicone elastomer, polyurethane acrylate (PUA) and SU8. can do.
  • the drug well layer may be fabricated on the electrode pattern.
  • Step (b3) is a step of forming a drug release path on the transparent substrate.
  • the drug release path may allow the gold electrode to react with chlorine ions in a living body, and when the gold electrode melts through an electrochemical reaction, it may serve as a path through which the drug is released.
  • the drug release passage may be prepared by forming a perforation on a transparent substrate, and in this case, the perforation may be performed through reactive ion etching using oxygen (FIG. 4).
  • step (S4) is a step of transferring the transparent substrate on which the strain sensor and the drug reservoir are formed into the contact lens.
  • the sensor and drug reservoir fabricated on the sacrificial layer may be transferred while dissolving the sacrificial layer in biocompatible water.
  • the present invention may further include the step of forming an antenna on the transparent substrate.
  • the above step may be performed during step (S3), and may be performed in the same manner as in the method of manufacturing the strain sensor.
  • the present invention relates to a wireless driving system for monitoring intraocular pressure and treating glaucoma in a glaucoma patient.
  • the wireless driving system for glaucoma treatment of the present invention includes a transparent strain sensor for measuring the intraocular pressure of a subject; and wirelessly powered contact lenses comprising a drug reservoir, and smart glasses.
  • the contact lens described above may be used.
  • the strain sensor and the drug reservoir are formed on a transparent substrate.
  • the strain sensor measures a change in resistance due to a change in intraocular pressure, and when an abnormality is detected in the change in intraocular pressure, a drug may be released from the drug reservoir.
  • the strain sensor and the drug reservoir may be connected to the ASIC chip to enable wireless communication.
  • the strain sensor and the drug reservoir can be driven by receiving an electrical signal transmitted from an external system through an ASIC chip, and the result detected by the strain sensor is transmitted to an external system to store and process data, and a drug delivery system operation can be controlled.
  • the drug reservoir receives an electrical signal transmitted from an external system, whereby gold of the electrode pattern is dissolved in chlorine ions in the living body to become AuCl 4 -
  • the electrode pattern is opened so that the drug is transferred from the drug reservoir It can be released to the outside (FIG. 5).
  • the smart glasses wirelessly transmit or receive electrical signals to control the operation of the strain sensor and the drug reservoir of the wirelessly driven contact lens.
  • the present invention uses nanomaterial-based transparent electrode, stretchable electronics, complementary metal-oxide semiconductor (CMOS), flexible and biocompatible micro electro-mechanical system (MEMS), and nano electro-mechanical system (NEMS) technology. It is possible to provide smart glasses capable of long-distance adjustment in micro units.
  • CMOS complementary metal-oxide semiconductor
  • MEMS micro electro-mechanical system
  • NEMS nano electro-mechanical system
  • Electrical power in the smart glasses can be realized using wireless inductive power transfer (witricity) technology, and wireless communication can be performed using bluetooth, infra-red (IR) and radio frequency (RF) in the smart glasses. there is.
  • switching wireless inductive power transfer
  • IR infra-red
  • RF radio frequency
  • the driving system of smart glasses is Android OS, and OMAP 4430 SoC, dual-core CPU and 4GB RAM memory can be installed.
  • the display screen consists of 640*360 pixels, and a bone conduction transducer can be used for sound. It can be paired with a smartphone, smart watch, or PC by controlling the functions of the light sensor, biosensor, pressure, temperature, and acoustic EM sensor using your voice through the microphone.
  • Power uses a built-in 100mAh lithium-ion battery, and a photocell can be inserted for self-powering.
  • the total weight is less than 20g and may be Wi-Fi 802.11b/g, Bluetooth, micro USB. photos: >15 MP using the on-board camera; videos: >720p may be possible.
  • the senor is driven through an electrical signal transmitted from the smart glasses, and the sensor that receives the signal uses the electrical connection and disconnection between the nanomaterials according to the change in the curvature of the eye due to the change in intraocular pressure to change the resistance.
  • the result may be transmitted to the smart glasses through RF wireless communication.
  • the drug delivery system is driven through an electrical signal transmitted from smart glasses, and as the gold electrode pattern sealing the drug reservoir of the drug delivery system receives the signal, it dissolves in chlorine ions and AuCl 4 - As it becomes, the drug delivery reservoir may be opened.
  • the present invention relates to a method for treating glaucoma using the aforementioned wireless driving system, and more particularly, to a method for treating glaucoma according to an intraocular pressure condition through measurement of intraocular pressure in a glaucoma patient.
  • the strain sensor in the contact lens applies a constant voltage to the eye of the subject at a predetermined measurement time to wirelessly measure the change in current according to the change in resistance, and the change in resistance due to the change in intraocular pressure of the eye of the subject is
  • the drug reservoir can be opened as gold of the electrode pattern sealing the drug well of the drug reservoir is dissolved in chlorine ions to become AuCl 4 -.
  • the voltage applied to the eye may be, for example, 0.3 to 0.7 volts.
  • the strain sensor is driven through an electrical signal transmitted from smart glasses, and in the strain sensor that receives the signal, the electrical connection and disconnection between the nanomaterials according to the change in the curvature of the eye due to the change in intraocular pressure is detected. It is possible to measure the resistance change by using it, and transmit the result of the change to the smart glasses or the outside through wireless communication.
  • the drug reservoir is driven through smart glasses or an electrical signal transmitted from the outside, and the smart glasses analyze the change in current or resistance change transmitted through the strain sensor, and detect abnormalities in the change in intraocular pressure. Transmitting an electrical signal to the drug reservoir, the drug reservoir from which the signal is received may be opened.
  • the power generated from the wireless electric coil of the smart glasses is received from the wireless electric antenna of the wirelessly driven contact lens, and the power received through the control of the IC chip can be used to drive the sensor and the drug delivery system. there is.
  • a sacrificial layer was formed by spin coating PVA on a handling substrate. 500 nm of Parillin C was deposited on the substrate on which the sacrificial layer was formed.
  • the silver-gold core-shell nanowire was patterned by spin coating through a shadow mask or lift-off technique, and the tip of the sensor was coated with a high-density silver-gold core-shell nanowire to fabricate an electrode.
  • the process of manufacturing the drug reservoir to be inserted into the contact lens is shown in FIG. 7 .
  • a sacrificial layer was formed by spin coating PVA on the handling substrate, and a parylene layer was coated thereon.
  • An electrode was formed by depositing 100 nm of gold on the prepared transparent substrate.
  • a drug well layer including one or more drug wells was formed on the electrode using Su8, and PVA (5wt%) and a drug were mixed in the drug well, loaded and dried.
  • the drug reservoir was sealed using a PET film, a parylene layer was deposited to passivation, and the sacrificial layer was dissolved in water, and then the drug delivery system was transferred.
  • a photoresist was formed in the shape of a drug release channel through a photolithography method. After perforations were formed through reactive ion etching using oxygen, the photoresist was removed using acetone.
  • the electrode structure includes an anode and a cathode, and it can be seen that the drug well (drug reservoir and drug release channel are covered by a gold thin film).
  • Figure 8 shows a photograph of measuring the flexibility of the drug reservoir.
  • the drug reservoir has flexibility, and thus can be applied to contact lenses.
  • a transparent substrate on which a strain sensor and a drug reservoir were formed was prepared. Formation of the strain sensor and the drug reservoir on the transparent substrate was prepared according to the methods of Preparation Examples 1 and 2.
  • the transparent substrate was placed in a lens manufacturing mold containing a contact lens manufacturing solution, and heat treatment was performed in an oven at about 100° C. for one hour while applying a constant pressure.
  • the contact lens manufactured in the lens manufacturing mold was removed.
  • the manufactured contact lens includes a strain sensor and a drug reservoir.
  • 9 and 10 are images of a wirelessly driven contact lens according to the present invention.
  • the wirelessly driven contact lens includes a strain sensor, an antenna, and a drug reservoir (drug delivery system), and it is confirmed that the strain sensor, antenna and drug reservoir are formed on a transparent substrate.
  • the strain sensor and the antenna are made of silver-gold core-shell nanowires.
  • FIG. 11 is a photograph of a strain sensor using the manufactured silver-gold core-shell nanowire inserted into the lens.
  • the contact lens includes the strain sensor manufactured in Preparation Example 1 described above.
  • FIGS. 12 and 13 show the results of measuring resistance changes according to changes in intraocular pressure using a strain sensor through in vitro and in vivo experiments using contact lenses. As shown in FIGS. 12 and 13 , it can be confirmed that changes in intraocular pressure can be easily measured using the strain sensor formed on the contact lens.
  • the drug release degree was measured by loading a drug (timolol or latanoprost) into the drug reservoir of the contact lens prepared in Preparation Example 3.
  • the intraocular pressure can be measured in real time and the therapeutic drug can be appropriately released from the contact lens. Therefore, personal therapy is possible through the feedback treatment system according to the intraocular pressure condition of the glaucoma patient.

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Abstract

본 발명은 안압 상승을 실시간으로 감지할 수 있는 변형도 센서 및 안압 상승에 따라 약물이 방출되어 안압을 낮춰줄 수 있는 약물저장소를 포함하는 무선구동 콘택트렌즈를 제공한다. 본 발명에서는 상기 변형도 센서 및 약물저장소를 통해, 안압을 실시간으로 측정하고 그에 따른 치료 약물을 적절하게 방출하여 녹내장 환자의 안압 상태에 따라서 약물을 방출하는 개인 맞춤형 치료 시스템을 제공할 수 있다.

Description

녹내장 환자의 안압 측정 및 치료용 스마트 무선구동 콘택트렌즈
본 발명은 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 안압 상태에 따른 녹내장 치료를 위한 무선구동 콘택트렌즈에 관한 것이다.
녹내장은 안질환 중 하나로, 지속적인 안압 상승으로 인해 시신경세포의 점진적인 손상을 일으키는 치명적인 질환이다. 이러한 녹내장은 시력에 영구적으로 영향을 줄 수 있으며 천천히 그리고 지속적으로 경과가 악화된다. 따라서, 규칙적이고 정확하며 실시간으로 녹내장을 진단하고 치료할 수 있는 시스템이 필요하다.
안압은 녹내장을 진단하는 가장 중요한 요인 중 하나로 녹내장의 가장 중요한 위험요소이다. 따라서 지속적이고 비침습적인 방법을 통해 안압의 상승을 민감하게 진단하는 시스템과 안압 상승에 대한 즉각적이고 새로운 치료법이 요구된다.
기존 개발된 녹내장 치료 시스템의 경우, 안압 상태에 따라 약물을 투여하지 않기 때문에 약물의 부작용이 심한 문제점이 있었다. 그러나, 개개인 마다 녹내장에 따른 안압 변화가 상이하고 안압 상태가 다르기 때문에 개개인에게 알맞은 양과 적절한 주기로 약물을 투여하여야 한다. 또한, 기존 개발된 안압 측정 시스템의 경우, 단지 진단만 가능한 단일 시스템으로 존재하기 때문에 치료의 고리를 끊을 수 없다는 한계점을 가지고 있다.
따라서 녹내장 환자의 안압 상태를 측정하고, 측정된 안압 상태에 따라 약물의 투여를 조절하는 개인 맞춤형 치료(personal therapy) 시스템이 필요하다.
녹내장 환자의 안압은 개인마다 변화하는 정도가 다르기 때문에 환자의 안압 상태에 따른 정확한 진단을 통한 맞춤형 녹내장 치료 시스템이 필요하다.
하지만 현재까지 개발된 녹내장 치료 시스템은 환자의 안압 상태에 따른 약물 투여가 어렵기 때문에 약물 치료에 대한 부작용이 존재한다.
따라서, 본 발명은 약물의 부작용을 최소화하고 치료 효과를 극대화하기 위하여 고민감도, 고투명성 안압 측정용 변형도 센서가 결합된 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그리고, 상기 무선구동 콘택트 렌즈를 통해 개인 맞춤형 치료 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 대상체의 안압을 측정하는 투명한 변형도 센서; 및 약물저장소를 포함하는 무선구동 콘택트렌즈로,
상기 변형도 센서 및 약물저장소는 투명기판 상에 형성되고,
상기 변형도 센서는 안압 변화에 의한 저항 변화를 측정하며, 상기 안압 변화에 이상이 감지되면 약물저장소에서 약물이 방출되는 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈를 제공한다.
본 발명은 또한, 핸들링 기판 상에 물에 용해되는 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층 상에 투명기판을 형성하는 단계;
상기 투명기판 상에 변형도 센서 및 약물저장소를 형성하는 단계; 및
상기 변형도 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판을 콘택트렌즈 내로 전사시키는 단계를 포함하는 전술한 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 대상체의 안압을 측정하는 투명한 변형도 센서; 및 약물 저장소를 포함하는 무선구동 콘택트렌즈 및
무선으로 전기적인 신호를 송신 또는 수신하여 상기 무선구동 콘택트렌즈의 변형도 센서 및 약물저장소의 구동을 조절하는 스마트 안경을 포함하는 시스템으로,
상기 변형도 센서 및 약물저장소는 투명기판 상에 형성되고,
상기 변형도 센서는 안압 변화에 의한 안구의 곡률 변화에 따른 나노물질 사이의 전기적 연결과 끊어짐을 이용하여 저항 변화를 측정하며, 상기 안압 변화에 이상이 감지되면 약물저장소에서 약물이 방출되는 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한 콘택트 렌즈 내의 변형도 센서는 정해진 측정 시간에 대상체의 안구에 일정한 전압을 인가하여 저항 변화에 따른 전류 변화를 무선으로 측정하며,
대상체의 안구의 안압 변화에 의한 전류 변화가 설정된 범위 이상으로 측정되면, 약물저장소의 약물 웰을 밀봉하는 전극 패턴의 금이 염소에 녹아 AuCl4-가 되면서 상기 약물저장소가 오픈되는 것인 전술한 시스템을 사용한 안압 상태에 따른 녹내장 치료 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈는 안압 상승을 실시간으로 감지할 수 있는 변형도 센서 및 안압 상승에 따라 약물이 방출되어 안압을 낮춰줄 수 있는 약물전달 시스템을 포함한다.
본 발명에서는 상기 변형도 센서 및 약물전달 시스템을 통해, 안압을 실시간으로 측정하고 그에 따른 치료 약물을 콘택트렌즈로부터 적절하게 방출할 수 있다. 따라서, 녹내장 환자의 안압 상태에 따른 피드백 치료 시스템을 통하여 개인 맞춤형 치료(personal therapy)가 가능하다.
또한, 투명한 변형도 센서를 사용하여 환자의 시야를 방해하지 않으며, 유연한 약물저장소(즉, 약물전달 시스템)을 사용하여 치료 약물의 유실을 막음으로써 약물의 부작용을 최소화하고 녹내장 치료 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 외부와의 무선 통신이 가능한 스마트 안경을 통해 비침습적이고 편리하게 통신이 가능하다.
도 1은 안압 변화에 따른 안구의 곡률 변화를 통한 무선구동 콘택트렌즈의 변형도 센서가 안압을 측정하는 원리를 나타내는 이미지이다.
도 2는 무선구동 콘택트렌즈 내 약물전달 시스템의 구조를 나타내는 이미지이다.
도 3은 약물전달 시스템의 금 박막이 생체 내 염소 이온과 전기화학적 반응하여 녹는 과정의 전기적 특성을 나타낸다.
도 4는 반응성 이온 에칭을 통한 투명기판의 패터닝을 통해 약물 방출 채널을 형성한 이미지이다.
도 5는 약물전달 시스템의 금 박막이 염소 이온과 전기화학적 반응을 통해 녹으면서 약물방출 채널이 오픈된 것을 나타내는 사진이다.
도 6은 환자의 안압을 측정하고 안압 상태에 따라 적절한 약물을 방출하기 위한, 무선구동 콘택트렌즈의 무선 에너지 공급과 무선통신을 나타내는 이미지이다.
도 7은 본 발명의 약물전달 시스템을 제작하는 공정을 나타내는 이미지이다.
도 8은 본 발명의 약물전달 시스템의 유연성을 나타내는 사진이다.
도 9 및 10은 본 발명에 따라 제작된 변형도 센서가 결합된 무선구동 콘택트렌즈를 나타내는 이미지이다.
도 11은 무선구동이 가능한 변형도 센서가 결합된 무선구동 콘택트렌즈를 나타내는 사진이다.
도 12는 본 발명의 변형도 센서를 이용하여 안압을 측정한 결과를 나타낸다.
도 13은 변형도 센서가 결합된 무선구동 콘택트렌즈를 통하여 토끼의 안압 변화를 측정한 결과를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 약물전달 시스템에 전기 신호를 가하여 방출된 약물의 흡광도를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 대상체의 안압을 측정하는 투명한 변형도 센서; 및 약물저장소를 포함하는 무선구동 콘택트렌즈로,
상기 변형도 센서 및 약물저장소는 투명기판 상에 형성되고,
상기 변형도 센서는 안압 변화에 의한 저항 변화를 측정하며, 상기 안압 변화에 이상이 감지되면 약물저장소에서 약물이 방출되는 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 무선구동 콘택트렌즈는 녹내장 환자의 안압 측정을 위한 변형도 센서가 결합되어, 녹내장 환자의 안압 측정과 안압 변화에 따른 녹내장 치료가 수행될 수 있다.
본 발명의 무선구동 콘택트렌즈는 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer)의 탄성중합체; 실리콘 하이드로젤(Silicone hydrogel); 및 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트)(PHEMA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리(유산-글리콜린산)(PLGA) 또는 폴리비닐알코올(PVA)의 고분자 하이드로젤;로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 고분자를 기반으로 할 수 있다.
본 발명에서 무선구동 콘택트렌즈의 내부에는 투명기판이 형성되어 있으며, 상기 투명기판 상에는 변형도 센서 및 약물저장소가 형성된다.
상기 투명기판은 광투과성이 뛰어나고, 유연하고 신축성이 우수하며, 생체적합성이 뛰어난 특성을 가진다. 이러한 투명기판은 파릴린 C(Parylene C), PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에서 변형도 센서는 대상체의 안압을 측정하는 투명한 센서로서, 안압 변화에 의한 저항 변화를 측정할 수 있다. 구체적으로, 도 1은 무선구동 콘택트렌즈의 변형도 센서(strain sensor)가 안압을 측정하는 원리를 나타내는 이미지이다. 상기 도 1에 나타난 바와 같이, 변형도 센서는 안구의 곡률 변화에 따른 센서의 저항 변화를 통해 안압을 측정할 수 있다.
일 구체예에서, 변형도 센서는 투명기판 상에 형성된 나노물질층; 및 상기 나노물질층 상에 형성된 패시베이션층을 포함할 수 있다. 이때 변형도 센서는 투면기판 상에서 안구쪽 방향의 면에 형성될 수 있다.
상기 나노물질층은 나노물질을 포함하는데, 상기 나노물질은 생체적합성을 가지는 물질일 수 있다. 구체적으로, 나노물질은 나노입자인 0차원 물질; 나노와이어, 나노 파이버 또는 나노튜브인 1차원 나노물질; 및 그래핀, MoS 2 또는 나노 플레이크인 2차원 나노물질;로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 나노물질은 은(Ag) 및/또는 금(Au)을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 은-금 코어쉘 나노와이어(Ag@Au core-shell NW)일 수 있다.
또한, 패시베이션층은 신축성과 유연성이 우수하고, 생체적합성을 가지는 성분을 포함할 수 있으며, 구체적으로 파릴린 C(Parylene C), PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 변형도 센서의 구조는 특별히 제한되지 않으며, 원형 또는 직선을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 변형도 센서는 안구의 각막을 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸는 구조를 가질 수 있으며, 안구의 각막을 전체적으로 둘러싸는 원형의 구조를 가질 수 있다.
본 발명에서 약물저장소는 금을 포함하는 전극패턴에 의해 밀봉되어 있으며, 전술한 변형도 센서와 연동되어 있어, 변형도 센서에 의해 안압 변화에 이상이 감지되면 상기 약물저장소의 전극패턴의 금이 생체 중의 염소 이온과 반응하여 녹아 상기 약물저장소에서 약물이 방출될 수 있다.
일 구체예에서, 약물저장소는 투명기판의 일부 면에 형성된 금을 포함하는 전극 패턴; 및 상기 전극 패턴 상에 형성되며, 외측을 향해 인입된 형태의 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰층을 포함할 수 있다. 이때, 투명기판에는 천공이 형성되어 있을 수 있으며, 상기 전극 패턴은 이러한 천공을 감쌀 수 있다.
일 구체예에서, 약물 웰에는 약물이 위치할 수 있으며, 상기 약물은 녹내장을 치료할 수 있는 약물이거나, 또는 상기 녹내장을 치료할 수 있는 약물을 방출할 수 있는 약물 전달체 및 약물 방출 제어 물질로 구성될 수 있다.
본 발명에서 투명기판 상에는 전술한 변형도 센서 및 약물저장소 외에 안테나가 추가로 형성될 수 있다. 상기 안테나는 투명기판 상에서 변형도 센서와 동일한 면에 형성될 수 있다.
상기 안테나는 유도전류 및 전자기 공명을 통하여 전력 및 신호를 외부로 송신 및 수신할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 안테나는 원형의 구조를 가지는 원형 안테나일 수 있다.
일 구체예에서 안테나는 나노물질로 구성될 수 있으며, 상기 나노물질은 금속 박막물질; 나노입자인 0차원 물질; 나노와이어, 나노 파이버 또는 나노튜브인 1차원 나노물질; 및 그래핀, MoS 2 또는 나노 플레이크인 2차원 나노물질로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 변형도 센서 및 안테나는 모두 나노물질로 구성될 수 있으나, 패턴의 구조 및 나노물질 함량의 차이를 통해, 각각 변형도 센서 및 안테나의 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 안테나 패턴은 은-금 코어쉘 나노와이어(Ag@Au core-shell NW)를 포함할 수 있는데, 변형도 센서보다 두께를 두껍게 형성하고, 또한 나노물질의 양 및 나노와이어의 길이를 다르게 하여, 변형도 센서에서 측정된 안압의 변화에 따른 저항이 변하지 않도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 변형도 센서, 약물저장소 및 안테나를 구성하는 성분들은 모두 생체 적합성이 뛰어나므로, 눈물 속에서 안정적으로 작동할 수 있으며, 생체 무해하다.
또한, 본 발명은 전술한 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 무선구동 콘택트렌즈는 (S1) 핸들링 기판 상에 물에 용해되는 희생층을 형성하는 단계;
(S2) 상기 희생층 상에 투명기판을 형성하는 단계;
(S3) 상기 투명기판 상에 변형도 센서 및 약물저장소를 형성하는 단계; 및
(S4) 상기 변형도 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판을 콘택트렌즈 내로 전사시키는 단계를 포함할 수 있다.
단계 (S1)은 핸들링 기판(handling substrate) 상에 희생층을 형성하는 단계이다.
상기 희생층은 핸들링 기판과 투명기판 사이의 접착층의 역할을 수행할 수 있으며, 변형도 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판의 전사(transfer)를 도울 수 있다. 이러한 희생층은 물에 용해될 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 폴리비닐알코올(PVA) 및 덱스트란(DEXTRAN) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
단계 (S2)는 희생층 상에 투명기판을 형성하는 단계로서, 희생층은 접착제의 역할을 수행하므로, 투명기판은 핸들링 기판과 용이하게 부착될 수 있으며, 추후 공정에서 희생층의 용해를 통해 핸들링 기판과 용이하게 박리될 수 있다.
일 구체예에서 투명기판은 광투과성이 뛰어난 재료를 사용할 수 있으며, 전술한 종류를 사용할 수 있다.
단계 (S3)는 투명기판 상에 변형도 센서 및 약물저장소를 형성하는 단계이다.
일 구체예에서 변형도 센서는 (a1) 투명기판 상에 패터닝을 위한 마스크 물질을 형성하는 단계;
(a2) 상기 마스크 물질이 형성된 투명기판에 나노물질을 리프트-오프 공정을 통해 코팅하여 센서 및 회로를 패터닝하는 단계; 및
(a3) 상기 패터닝된 센서 및 회로 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 통해 제조될 수 있다.
단계 (a1)는 투명기판 상에 패터닝을 위한 마스크 물질을 형성하는 단계이다.
상기 마스크 물질은 쉐도우 마스크의 역할을 수행할 수 있으며, 마스크 물질의 사용을 통해 나노물질을 패터닝할 수 있다. 이러한 마스크 물질로 포토레지스트(Photo resistor)로 사용할 수 있는 물질을 제한없이 사용할 수 있다.
단계 (a2)는 마스크 물질이 형성된 투명기판에 나노물질을 리프트-오프 공정을 통해 코팅하여 센서 및 회로를 패터닝하는 단계이다.
상기 단계를 통해 투명기판 상에 나노물질의 패턴을 형성할 수 있다. 상기 나노물질은 전술한 종류를 사용할 수 있으며, 구체적으로 은-금 코어쉘 나노와이어(Ag@Au core-shell nanowire)를 사용할 수 있다.
상기 단계에서 제조되는 나노물질은 안압 센서, 즉 변형도 센서로서 작용할 수 있다. 상기 변형도 센서는 나노물질로 제작되어, 나노물질 사이의 연결과 끊어짐을 이용하여 안구의 곡률 변화에 따른 센서의 저항 변화를 측정하고, 상기 저항 변화에 따른 전류 변화를 통해 안압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 단계에서 제조된 회로는 변형도 센서, 안테나 및 약물저장소를 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
단계 (a3)는 상기 패터닝된 센서 및 회로 상에 패시베이션층을 형성하는 단계이다.
본 단계에서는 페시베이션층을 형성하여 나노물질의 유실을 방지하고 전기적 안정성을 향상시킬 수 있다. 상기 페시베이션층은 전술한 종류의 성분을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 약물저장소는 (b1) 투명기판의 일부 면에 금을 포함하는 전극 패턴을 형성하는 단계;
(b2) 상기 전극 패턴 상에 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰 층을 형성하는 단계; 및
(b3) 투명기판에 약물 방출 통로를 형성하는 단계;를 통해 제조할 수 있다.
단계 (b1)은 투명기판의 일부 면에 금을 포함하는 전극 패턴을 형성하는 단계이다.
본 발명에서 전극 패턴은 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 금 전극 패턴을 투명기판 상에 형성하고, 상기 전극 패턴의 양극 부분이 약물저장소를 감싸는 형태로 제작할 수 있다.
일 구체예에서, 투명기판 상에 적층되는 전극 패턴은 금을 포함하는 금속으로 제작된 양극과 상기 양극에 공통으로 연결된 음극으로 이루어질 수 있다(도 2). 상기 전극은 복수개의 양극이 어레이를 이루는 형태일 수 있다. 상기 전극은 부분에 따라 금과 티타늄로 구성될 수 있다. 상기 전극 패턴을 형성하는 금은 전해질 내에서 인가되는 전압에 의하여 전기 분해되어 제거될 수 있다(도 3). 따라서, 상기 전극 패턴의 양극은 전압에 의하여 수용되는 약물을 전달하는 통로의 게이트(약물방출 채널)로 이용할 수 있다.
단계 (b2)는 전극 패턴 상에 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰 층을 형성하는 단계이다. 상기 약물 웰은 약물을 저장할 수 있다.
이러한 약물 웰을 포함하는 약물 웰 층은 유연하고 생체적합성 성분을 포함할 수 있으며, 구체적으로 PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 및 SU8로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 약물 웰층은 전극 패턴 상에 제작될 수 있다.
단계 (b3)는 투명기판에 약물 방출 통로를 형성하는 단계이다.
단계 (b3)에서 약물 방출 통로는 금 전극이 생체 내 염소 이온과 반응이 일어날 수 있도록 할 수 있으며, 상기 금 전극이 전기화학적 반응으로 녹으면 약물이 방출되는 통로의 역할을 할 수 있다. 상기 약물 방출 통로는 투명기판 상에 천공을 형성하여 제조할 수 있으며, 이때, 천공은 산소를 이용한 반응성 이온 에칭을 통하여 수행할 수 있다(도 4).
또한, 단계 (S4)는 변형도 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판을 콘택트렌즈 내로 전사시키는 단계이다.
희생층 상에 제작된 센서 및 약물저장소는 생체친화적인 물에서 희생층을 녹이면서 전사(fransfer)될 수 있다.
또한, 본 발명은 투명기판 상에 안테나를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 단계는 단계 (S3)시 수행될 수 있으며, 변형도 센서의 제조 방법과 같은 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 녹내장 치료용 무선구동 시스템은 대상체의 안압을 측정하는 투명한 변형도 센서; 및 약물 저장소를 포함하는 무선구동 콘택트렌즈, 및 스마트 안경을 포함할 수 있다.
무선구동 콘택트렌즈는 전술한 콘택트렌즈를 사용할 수 있다. 구체적으로, 무선구동 콘택트렌즈는 변형도 센서 및 약물저장소가 투명기판 상에 형성된다. 그리고, 변형도 센서는 안압 변화에 의한 저항 변화를 측정하며, 상기 안압 변화에 이상이 감지되면 약물저장소에서 약물이 방출될 수 있다.
일 구체예에서, 변형도 센서 및 약물저장소는 ASIC 칩과 연결되어 무선통신을 가능하게 할 수 있다. 상기 변형도 센서와 약물저장소는 ASIC 칩을 통해 외부 시스템에서 송신되는 전기적인 신호를 수신하여 구동할 수 있으며, 변형도 센서에서 감지된 결과를 외부 시스템에 송신하여 데이터를 저장 및 처리하고 약물전달 시스템의 구동을 조절할 수 있다.
일 구체예에서, 약물저장소는 외부 시스템에서 송신된 전기적인 신호를 수신하며, 이에 의해 전극 패턴의 금이 생체 속의 염소 이온에 녹아 AuCl 4-가 되면서, 상기 전극 패턴이 오픈되어 약물이 약물저장소에서 외부로 방출될 수 있다(도 5).
본 발명에서 스마트 안경은 무선으로 전기적인 신호를 송신 또는 수신하여 상기 무선구동 콘택트렌즈의 변형도 센서 및 약물저장소의 구동을 조절할 수 있다. 본 발명은 나노물질을 이용한 transparent electrode, stretchable electronics, complementary metal-oxide semiconductor(CMOS), 유연하고 생체적합성이 뛰어난 micro electro-mechanical system(MEMS), 및 nano electro-mechanical system(NEMS) 기술을 이용하여 마이크로 단위의 장거리 조절이 가능한 스마트 안경을 제공할 수 있다.
상기 스마트 안경에서 전기적인 파워는 무선 inductive power transfer(witricity) 기술을 이용하여 시현할 수 있으며, 스마트 안경에 있는 bluetooth, infra-red(IR)와 radio frequency(RF)를 이용하여 무선통신을 할 수 있다.
스마트 안경의 구동시스템은 안드로이드 OS이며, OMAP 4430 SoC, dual-core를 이용한 CPU와 4GB RAM 메모리가 장착될 수 있다. 디스플레이 화면은 640*360 픽셀로 이루어져 있으며, 음향은 Bone conduction transducer을 사용할 수 있다. 마이크를 통해 목소리를 이용하여 광센서, 바이오 센서, 압력, 온도, 어쿠스틱 EM 센서의 기능들을 조절하며 스마트폰이나 스마트 시계, PC와 페어링될 수 있다. 파워는 내장된 100mAh 리튬 이온전지를 사용하며 자가 파워링을 위해 포토셀이 삽입될 수 있다. 총 무게는 20g 미만이며 Wi-Fi 802.11b/g, Bluetooth, micro USB가 가능할 수 있다. 탑재된 카메라를 이용하여 photos: >15 MP; videos: >720p가 가능할 수 있다.
일 구체예에서 센서는 스마트 안경에서 송신된 전기적인 신호를 통해 구동하며, 상기 신호가 수신된 센서에서는 안압 변화에 의한 안구의 곡률 변화에 따른 나노물질 사이의 전기적 연결과 끊어짐을 이용하여 저항 변화를 측정하여, 안압 변화를 감지하면, 그 결과를 RF 무선 통신을 통해 상기 스마트 안경으로 송신할 수 있다.
또한, 일 구체예에서 약물 전달 시스템은 스마트 안경에서 송신된 전기적인 신호를 통해 구동하며, 상기 약물전달 시스템의 약물저장소를 밀봉하고 있는 금 전극 패턴이 상기 신호를 수신함에 따라 염소 이온에 녹아 AuCl 4-가 되면서 상기 약물전달 저장소가 오픈될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 무선구동 시스템을 사용한 녹내장 치료 방법에 관한 것으로, 구체적으로, 녹내장 환자의 안압 측정을 통한 안압 상태에 따른 녹내장 치료 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 치료 방법에서 콘택트 렌즈 내의 변형도 센서는 정해진 측정 시간에 대상체의 안구에 일정한 전압을 인가하여 저항 변화에 따른 전류 변화를 무선으로 측정하며, 대상체의 안구의 안압 변화에 의한 저항 변화가 설정된 범위 이상으로 측정되면, 약물저장소의 약물 웰을 밀봉하는 전극 패턴의 금이 염소 이온에 녹아 AuCl 4-가 되면서 상기 약물저장소가 오픈될 수 있다. 이때, 안구에 인가되는 전압은 예를 들어, 0.3 내지 0.7 볼트일 수 있다.
일 구체예에서, 변형도 센서는 스마트 안경에서 송신된 전기적인 신호를 통해 구동하고, 상기 신호가 수신된 변형도 센서에서는 안압 변화에 의한 안구의 곡률 변화에 따른 나노물질 사이의 전기적 연결과 끊어짐을 이용하여 저항 변화를 측정하여, 상기 변화 결과를 무선 통신을 통해 스마트 안경 또는 외부로 송신할 수 있다.
일 구체예에서, 약물저장소는 스마트 안경 또는 외부에서 송신된 전기적인 신호를 통해 구동하고, 상기 스마트 안경은 변형도 센서를 통해 송신된 전류 변화 또는 저항 변화를 분석하여, 안압 변화의 이상을 감지하면 약물저장소에 전기적인 신호를 송신하고, 상기 신호가 수신된 약물저장소는 오픈될 수 있다.
또한, 일 구체예에서, 스마트 안경의 무선 전기 코일에서 발생된 파워는 무선구동 콘택트렌즈의 무선전기 안테나에서 수신되고, IC 칩의 제어를 통해 수신된 파워를 센서 및 약물전달 시스템의 구동에 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예.
제조예 1. 변형도 센서 제작
핸들링 기판(handling substrate) 위에 PVA를 스핀코팅(spin coating)하여 희생층을 형성하였다. 희생층이 형성된 기판 위에 파릴린 C를 500 nm 증착하였다. 은-금 코어쉘 나노와이어를 쉐도우 마스크 또는 lift off 기법을 통해 스핀 코팅(spin coating)하여 패터닝하고, 센서의 끝 부분을 고밀도 은-금 코어쉘 나노와이어로 코팅하여 전극을 제작하였다.
제조예 2. 약물저장소 제작
콘택트렌즈에 삽입되는 약물저장소를 제작하는 과정을 도 7에 나타내었다.
핸들링 기판 위에 PVA를 스핀 코팅하여 희생층을 형성하고 그 위에 파릴렌 층을 코팅하였다. 제작된 투명기판 위에 금을 100 nm 증착하여 전극을 형성하였다.
상기 전극 상에 Su8을 사용하여 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰층을 형성하고, 상기 약물 웰에 PVA(5wt%)와 약물을 섞고 로딩 후 말렸다.
이후 PET 필름을 이용하여 약물저장소를 밀봉시키고 파릴렌 층을 증착하여 패시베이션을 진행한 후, 물에 넣어 희생층을 녹인 후 약물전달 시스템을 전사하였다.
약물전달 시스템의 투명기판 부분의 천공을 위하여 포토리소그래피 방법을 통하여 포토레지스트를 약물방출 채널 모양으로 형성하였다. 산소를 이용한 반응성 이온 에칭을 통하여 천공을 형성한 후, 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거하였다.
본 발명에서 도 2는 약물저장소의 전극 구조를 나타내는 이미지이다. 전극 구조는 양극 및 음극을 포함하며, 약물 웰(약물 저장소 및 약물방출 채널은 금 박막에 의해 감싸진 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8은 약물저장소의 유연성을 측정한 사진을 나타낸다.
상기 도 8에 나타난 바와 같이, 약물저장소는 유연성을 가지며, 따라서 콘택트렌즈에 적용 가능함을 확인할 수 있다.
제조예 3. 콘택트렌즈 제작
변형도 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판을 제조하였다. 상기 투명기판에의 변형도 센서 및 약물저장소의 형성은 제조예 1 및 2의 방법을 따라 제조하였다.
상기 투명기판을 콘택트렌즈 제작 용액이 들어있는 렌즈 제작 몰드에 넣고 일정한 압력을 가하면서 약 100℃ 오븐에서 한 시간 동안 열처리를 진행하였다. 상기 렌즈 제작 몰드에 제작된 콘택트렌즈를 떼어내었다.
제조된 콘택트렌즈는 변형도 센서와 약물저장소를 포함한다.
도 9 및 10은 본 발명에 따른 무선구동 콘택트렌즈의 이미지이다. 상기 도 9 및 10에 나타난 바와 같이, 무선구동 콘택트렌즈는 변형도 센서, 안테나 및 약물저장소(약물전달 시스템)을 포함하며, 상기 변형도 센서, 안테나 및 약물저장소는 투명기판 상에 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 변형도 센서 및 안테나는 은-금 코어쉘 나노와이어로 제조되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 11은 제작된 은-금 코어쉘 나노와이어를 이용한 변형도 센서를 렌즈에 삽입한 사진이다.
실험예 1. 변형도 센서의 반응
제조예 3에서 제작된 콘택트렌즈에 대하여 안압의 변화에 따른 저항 및 전류 변화를 측정하였다. 상기 콘택트렌즈는 전술한 제조예 1에서 제조된 변형도 센서를 포함한다.
포텐시오스탯(potentiostat)과 변형도 센서(strain sensor)를 구리선으로 연결한 뒤 0.6 V의 전압을 걸어주었다.
안압의 범위 0 mmHg ~ 50 mmHg 사이의 압력변화를 주기 위하여 안구 모형에 두 개의 주사바늘을 삽입하여 하나는 시린지펌프(syringe pump)를 연결하고 다른 하나는 압력계와 연결하였다.
상기 제작된 콘택트렌즈를 안구 모형과 접착시킨 후 안압 변화에 따른 저항 변화 및 전류 변화를 측정하였다(도 12). 구체적으로, 10 mmHg 마다 약 20 초 동안 압력을 유지한 뒤 다시 압력을 높이며 안압에 따른 저항 및 전류 변화를 관찰하였다.
또한, 토끼의 자세에 따른 변형도 센서의 저항 변화 데이터를 무선으로 측정하였다(도 13).
도 12 및 13은 변형도 센서를 이용한 안압 변화에 따른 저항 변화를, 콘택트렌즈를 사용하여 생체 외 및 생체 내 실험을 통해 측정한 결과를 나타낸다. 상기 도 12 및 도 13에 나타난 바와 같이, 콘택트렌즈에 형성된 변형도 센서를 사용하여 안압 변화를 용이하게 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.
실험예 2. 약물저장소에 의한 약물 방출
제조예 3에서 제작된 콘택트렌즈의 약물저장소에 약물(timolol 또는 latanoprost)을 로딩하여 약물방출 정도를 측정하였다.
도 14는 약물저장소에서 방출된 약물의 흡광도를 측정한 그래프이다.
상기 도 14에 나타난 바와 같이, 약물저장소에서의 약물의 방출이 전기 신호에 의하여 용이하게 일어남을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 상기 변형도 센서 및 약물전달 시스템을 통해, 안압을 실시간으로 측정하고 그에 따른 치료 약물을 콘택트렌즈로부터 적절하게 방출할 수 있다. 따라서, 녹내장 환자의 안압 상태에 따른 피드백 치료 시스템을 통하여 개인 맞춤형 치료(personal therapy)가 가능하다.

Claims (24)

  1. 대상체의 안압을 측정하는 투명한 변형도 센서; 및 약물저장소를 포함하는 무선구동 콘택트렌즈로,
    상기 변형도 센서 및 약물저장소는 투명기판 상에 형성되고,
    상기 변형도 센서는 안압 변화에 의한 저항 변화를 측정하며, 상기 안압 변화에 이상이 감지되면 약물저장소에서 약물이 방출되는 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    콘택트렌즈는 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer)의 탄성중합체; 실리콘 하이드로젤(Silicone hydrogel); 및 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트)(PHEMA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리(유산-글리콜린산)(PLGA) 또는 폴리비닐알코올(PVA)의 고분자 하이드로젤;로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 기반으로 하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    투명기판은 파릴린 C(Parylene C), PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    변형도 센서는 투명기판 상에 형성된 나노물질층; 및
    상기 나노물질층 상에 형성된 패시베이션층을 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    나노물질층에 포함되는 나노물질은 나노입자인 0차원 물질; 나노와이어, 나노 파이버 또는 나노튜브인 1차원 나노물질; 및 그래핀, MoS 2 또는 나노 플레이크인 2차원 나노물질;로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상인 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    나노물질은 생체적합성을 가지는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  7. 제 4 항에 있어서,
    패시베이션층은 파릴린 C(Parylene C), PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    변형도 센서의 구조는 원형 또는 직선을 포함하고,
    안구의 각막을 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    약물저장소는 투명기판의 일부 면에 형성된 금을 포함하는 전극 패턴; 및
    상기 전극 패턴 상에 형성되며, 외측을 향해 인입된 형태의 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰층을 포함하고,
    상기 투명기판에는 천공이 형성되어 있으며, 상기 전극 패턴은 상기 천공을 감싸는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    약물 웰에 포함되는 약물은 녹내장을 치료할 수 있는 약물; 또는 약물을 방출할 수 있는 약물 전달체 및 약물 방출 제어 물질;을 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    유도전류 및 전자기 공명을 통하여 전력 및 신호를 외부로 송신 및 수신하는 원형 안테나를 추가로 포함하며,
    상기 원형 안테나는 투명기판 상에 형성되는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    안테나는 금속 박막물질; 나노입자인 0차원 물질; 나노와이어, 나노 파이버 또는 나노튜브인 1차원 나노물질; 및 그래핀, MoS 2 또는 나노 플레이크인 2차원 나노물질로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈.
  13. 핸들링 기판 상에 물에 용해되는 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 상에 투명기판을 형성하는 단계;
    상기 투명기판 상에 변형도 센서 및 약물저장소를 형성하는 단계; 및
    상기 변형도 센서 및 약물저장소가 형성된 투명기판을 콘택트렌즈 내로 전사시키는 단계를 포함하는 제 1 항에 따른 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    희생층은 폴리비닐알코올(PVA) 및 덱스트란(DEXTRAN)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    투명기판 상에 변형도 센서의 형성은,
    상기 투명기판 상에 패터닝을 위한 마스크 물질을 형성하는 단계;
    상기 마스크 물질이 형성된 투명기판에 나노물질을 리프트-오프 공정을 통해 코팅하여 센서 및 회로를 패터닝하는 단계; 및
    상기 패터닝된 센서 및 회로 상에 패시베이션층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    투명기판 상에 약물저장소의 형성은,
    상기 투명기판의 일부 면에 금을 포함하는 전극 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 전극 패턴 상에 하나 이상의 약물 웰을 포함하는 약물 웰 층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    약물저장소가 형성되는 투명기판은 하나 이상의 천공이 형성되어 있고, 전극 패턴은 상기 천공을 감싸며,
    상기 천공은 투명기판에 전극 패턴을 형성하기 전 또는 형성한 후에 형성되는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    약물 웰을 포함하는 약물 웰 층은 PDMS, 실리콘 엘라스토머(Silicone elastomer), 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 및 SU8로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    투명기판 상에 안테나를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것인 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 콘택트렌즈의 제조 방법.
  20. 대상체의 안압을 측정하는 투명한 변형도 센서; 및 약물 저장소를 포함하는 무선구동 콘택트렌즈; 및
    무선으로 전기적인 신호를 송신 또는 수신하여 상기 무선구동 콘택트렌즈의 변형도 센서 및 약물저장소의 구동을 조절하는 스마트 안경을 포함하는 시스템으로,
    상기 변형도 센서 및 약물저장소는 투명기판 상에 형성되고,
    상기 변형도 센서는 안압 변화에 의한 안구의 곡률 변화에 따른 나노물질 사이의 전기적 연결과 끊어짐을 이용하여 저항 변화를 측정하며, 상기 안압 변화에 이상이 감지되면 약물저장소에서 약물이 방출되는 녹내장 환자의 안압 모니터링 및 녹내장 치료용 무선구동 시스템.
  21. 콘택트 렌즈 내의 변형도 센서는 정해진 측정 시간에 대상체의 안구에 일정한 전압을 인가하여 저항 변화에 따른 전류 변화를 무선으로 측정하며,
    대상체의 안구의 안압 변화에 의한 전류 변화가 설정된 범위 이상으로 측정되면, 약물저장소의 약물 웰을 밀봉하는 전극 패턴의 금이 염소 이온에 녹아 AuCl 4-가 되면서 상기 약물저장소가 오픈되는 것인 제 20 항에 따른 시스템을 사용한 안압 상태에 따른 녹내장 치료 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    변형도 센서는 스마트 안경에서 송신된 전기적인 신호를 통해 구동하고,
    상기 신호가 수신된 변형도 센서에서는 안압 변화에 따른 저항 변화 및 상기 저항 변화에 따른 전류 변화를 측정하며, 상기 변화 결과를 무선 통신을 통해 스마트 안경으로 송신하는 것인 안압 상태에 따른 녹내장 치료 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    약물저장소는 스마트 안경에서 송신된 전기적인 신호를 통해 구동하고,
    상기 스마트 안경은 변형도 센서를 통해 송신된 저항 변화 또는 전류 변화를 분석하여, 안압 변화의 이상을 감지하면 약물저장소에 전기적인 신호를 송신하고, 상기 신호가 수신된 약물저장소는 오픈되는 것인 안압 상태에 따른 녹내장 치료 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    스마트 안경의 무선 전기 코일에서 발생된 파워는 무선구동 콘택트렌즈의 무선전기 안테나에서 수신되고, IC 칩의 제어를 통해 수신된 파워를 센서 및 약물전달 시스템의 구동에 사용하는 것인 안압 상태에 따른 녹내장 치료 방법.
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