미세 홈 구조에 의한 모세관 현상으로 빠른 침투, 주사기 대비 통증 해소 기대
현재 사용하고 있는 실린지 주사기는 해부학적으로 앞어금니 독사(왼쪽)의 독전달 원리와 비슷하며 본 연구에서 제안한 방식은 뒷어금니 독사(오른쪽)의 독전달 원리와 동일하다.
(그림 : 숭실대학교 제공)
독이 들어 있는 침샘(Duvernoy’s glands)은 있으나 특이하게 독을 밀어내는 근육 조직이 없다. 독을 밀어낼 압력을 만들 필요 없이 홈(groove)이 있는 이빨이 피부에 박히면 벌어진 피부 틈으로 모세관 현상에 의해 독이 자연스럽게 빨려 들어가는 원리를 이용하기 때문이다.
(그림 : 숭실대학교 제공)
기존의 실린지 주사기와 바늘(오른쪽)은 현재까지 유일하게 각질을 뚫고 피부로 액체약물을 전달하는 장치이다.
새롭게 디자인된 주사기(왼쪽)는 그 크기가 수백 마이크로 미터로 머리카락 굵기의 두세 배 정도이며, 실린지(펌프)가 없는 것이 그 특징이다. 각각의 마이크로 구조체는 독립적으로 실린지 주사기와 같은 기능을 수행한다.
(그림 : 숭실대학교 제공)
(그림 : 숭실대학교 제공, 표지 사진으로 활용 예정)
▲ (왼쪽)실제 제작된 독사 어금니 모사 약물 전달 패치
(오른쪽)독사 어금니 모사 약물 전달 패치 개념도
독사 어금니 모사 구조체가 피부에 박혔을 때 피부에 미세한 틈이 형성되고, 모세관현상에 의해 약물이 아주 빠르게 흡수 되는 모습을 형상화한 일러스트
(그림 : 숭실대학교 제공)
맨아래 이미지: 실제 진피(각질, 파란색)을 뚫고 마이크로 구조체(붉은색)가 들어간 것을 확인 할 수 있다. 또한 미세한 틈이 보이는데 이 틈으로 다양한 액체 약물 및 기능성 물질들이 들어가게 된다.
(그림 : 숭실대학교 제공)
배원규 교수(숭실대)·정훈의 교수(UNIST) 연구팀이 독사의 어금니(fang)를 모사해 고분자 약물 등을 피부 안으로 빠르게(15초 이내) 그리고 효율적으로 전달할 수 있는 액상약물 전달 패치를 고안해냈다고 한국연구재단(이사장 노정혜)이 밝혔다.
피부 장벽(각질조직)을 뚫고 압력으로 약물을 밀어 넣는 기존 실린지 주사 대신 거부감이 적고 통증이 완화된 붙이는 패치 형태의 액상 약물 전달 방식을 제안한 것이다.
피부 침투를 위한 바늘과 액체를 밀어 넣기 위한 실린지가 결합된 실린지 주사기는 백 년이 지난 현재까지도 백신 등의 정량적 전달 방법으로 사용되고 있다.
거부감과 통증을 줄일 마이크로니들(microneedle) 패치가 고안됐으나 액상약물이 대부분인 실정에서 효능에 영향을 미칠 수 있는 약물의 고체화 과정이 필요한 것이 단점이었다.
이에 연구진은 큰 압력 없이 가볍게 패치를 눌러 붙임으로써 수 초 내에 액상약물을 그대로 전달할 수 있는 방법을 제안했다.
결정적인 단서는 독을 밀어 넣는 압력기관이 없음에도 수 초만에 먹이의 피부 안쪽으로 독을 전달하는 뒷어금니독사(Rear-fanged Snake)에서 얻었다.
아주 미세한 홈(groove)이 있는 어금니가 피부 표면에 아주 미세한 홈을 만들고 그 홈을 따라 모세관 현상에 의해 아무런 외력 없이 독이 침투하는 원리를 이용한 것이다.
연구진은 반도체 공정을 이용해 어금니 모사 구조체 100여개를 배열한 엄지 크기의 스탬프형 약물 전달 패치를 제작하고 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션했다.
그 결과 머리카락 굵기 두세 배 길이의 어금니 모사 구조체 하나 하나가 각각 실린지 주사기와 같은 기능을 하는 것을 확인했다.
나아가 마우스 및 기니피그 모델에 해당 패치를 부착해 특별한 외력 없이 5초 만에 백신 및 유효성분이 전달되는 것을 확인했다.
배원규 교수는 "자연모사공학의 문제 해결 기법을 이용해 기존 실린지 주사기의 장점인 액체약물을 그대로 전달하면서도 큰 바늘과 높은 압력으로부터 기인하는 거부감이나 통증을 극복한 것“이라고 의의를 설명했다.
교육부 기초연구사업(기본연구)의 지원으로 수행된 이 성과는 사이언스 트랜스레이셔널 메디슨(Science Translational Medicine) 8월 1일(한국시간)자 표지로 게재됐다.
논문명은 ‘Snake fang–inspired stamping patch for transdermal delivery of liquid formulations’, 저자는 배원규(제1저자, 공동 교신저자, 숭실대), 정훈의(공동 교신저자, UNIST), 고한길(UNIST), 소진영(숭실대), 이훈(UNIST), 이찬호(숭실대), 이동훈(University of Connecticut), 안유진(UNIST), 이상현(UNIST), 이경훈(UNIST), 전준하(숭실대), 김형호(숭실대), 전누리(서울대), 정웅규(UNIST), 송창선(건국대), 김태성(UNIST), 김유천(KAIST) 등이다.