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미세바늘의 필요성 2018-01-22T00:34:24+00:00

미세바늘의 필요성

의료 현장에서 혈액을 채취하거나 약물을 전달하는 행위는 검사나 치료를 위해서 기본적인 것이나, 그 방법들에 따라서 비효율적이거나 환자가 고통을 느끼는 등의 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 혈액 채취 및 약물전달에 있어서 가장 기본이되는 주사기는 혈액을 채취할 수 있는 유일한 도구 이면서, 혈관이나 체내 조직에 약물을 직접 주입하기 때문에 효율이 높은 약물 전달 도구이다. 그러나, 환자들이 느끼는 통증이나 공포가 매우 크고, 감염의 위험이 있으며, 사용할 때에 전문기술이 요구된다. 특히 당뇨환자의 경우, 하루에 4 ~ 12회에 걸쳐 손가락 끝에서 혈액을 채취하는데, 이는 매우 고통스럽고, 위험하며, 번거로운 일이다. 한편, 경구용 약의 경우에는 간편한 방법이나 소화작용에 의해서 분해가 될 수 있고, 복용한 양의 일부만 흡수가 되며, 흡수가 되더라도 간을 통과하면서 대부분의 성분들이 걸러지게 되므로, 약물 전달 효율이 매우 낮다.

위와 같은 약물 전달 방식은 투여하고자 하는 약물이 일시에 체내로 전달되므로, 약물이 체내로 흡수되면 혈장 내의 약물 농도가 급속도로 증가하여 정점에 도달한 후에 체내의 대사작용에 의해서 약물의 농도가 점차 낮아진다. 그러나 이러한 약물 농도 프로파일은 적정한 농도보다 높을 때는 인체에 해를 끼칠 수 있고 적정한 농도보다 낮을 때는 약물의 효과를 기대하기 어렵다. 따라서 효과적인 약물 전달을 위해서는 적정 농도의 약물을 지속적으로 체내에 투여하여 혈장 내의 약물 농도를 적정 수준으로 장시간 유지할 수 있어야 한다.

금연 보조제나 관절염 치료제와 같이 피부에 붙이는 패치를 이용한 약물 전달 방법은 위에서 언급한 문제들을 해결할 수 있다. 피부를 통하여 약물이 전달되므로 소화기관이나 간의 대사작용에 의한 약물의 변형을 방지할 수 있으며, 사용이 간편하고 환자가 느끼는 고통도 적다. 피부를 통한 약물 전달의 가장 큰 장점은 약물을 지속적으로 전달할 수 있다는데 있다. 따라서 피부를 통한 약물 전달 방법은 혈장 내의 약물 농도를 오랜 시간 동안 적정 농도로 유지시킬 수도 있다.

그러나 피부는 체내의 수분을 비롯한 여러 물질들이 외부로 유출되는 것을 방지할 뿐만 아니라 외부의 해로운 물질이 체내로 유입되는 것을 차단하는 중요한 역할을 수행하고 있기 때문에 약물 전달이 쉽게 이루어지지는 않는다. 피부층 중에서도 최외각에 있는 약 10 – 20 μm 두께의 각질층이 약물을 체내로 전달하는데 가장 큰 장벽이 된다. 각질층은 친수성이거나 분자량이 큰 약물의 경우에는 거의 투과를 시키지 않으며 투과가 가능한 약물은 매우 느리게 투과를 시키기 때문에, 기존의 수동적인 확산에 의한 패치제로는 소수성이면서 분자량이 500 Da이하이고 투여량이 milligram 이하로 요구되는 약물만 가능하였다. 이와 같은 제한조건 때문에 기존의 패치제에 적용 가능한 약물은 전 세계적으로 약 20여종에 불과하다.

피부를 통한 약물 전달을 보다 효과적으로 하기 위해서는 각질층을 파괴시키거나 각질층을 통과시키는 능동적인 전달 방법이 필요하다. 이에 chemical enhancer나 전기장, 초음파등의 다양한 방법으로 약물의 전달 효율을 높이는 연구들이 진행되어 왔다. 그 중에서도 미세바늘을 이용한 방법은 μm 스케일의 구멍을 효과적으로 형성하며, 신경이 분포하지 않는 표피층(두께: 50 – 100 μm)까지만 침투할 수 있도록 제작이 가능하고 신경이 분포하는 진피층까지 바늘이 침투하더라도 극히 일부의 신경만 자극하므로 통증이 거의 없기 때문에, 피부를 통한 약물 전달에 있어서 효과적인 방법으로 떠오르고 있다.

미세바늘은 각질층에 미세구멍을 형성하기 때문에 약물의 소수성 여부나 분자량에 상관없이 약물 전달이 가능하며, in vitro 실험에서 수동적인 확산에 의한 방법보다 피부 투과성이 약 10,000배 정도 우수하면서도, sand paper나 tape를 이용하여 각질층을 제거하는 방법에 비하여 피부에 주는 손상은 적다. 또한 사용에 있어서 전문기술이 요구되지 않으며, 미세바늘이 있는 패치와 일반 패치와의 통증의 차이를 사람들은 거의 느끼지 않는 것으로 보고되고 있으므로, 미세바늘은 사용이 간편하고 편리한 약물 전달 도구이다. 일반 패치제와 마찬가지로 미세바늘을 이용한 약물 전달 방법은 소화기관에 의한 분해나 간의 대사작용에 의한 약물의 변형을 방지할 수 있으며, 약물의 투여량을 장시간에 걸쳐서 일정하게 조절할 수 있으므로 혈장 내의 적정 약물농도를 오래도록 유지할 수 있는 장점도 지니고 있다. 특히, 미세바늘은 약물 전달 깊이를 조절할 수 있기 때문에 백신 접종이나 알레르기 테스트에서는 기존의 방식보다 효과면에서도 더 우수할 것으로 기대된다.

표피층에는 체내로 침입한 병원균을 가장 먼저 인지하여 효과적인 면역 반응을 일으키는 Langerhans 세포가 다량으로 분포되어 있다. 이러한 Langerhans 세포는 다른 세포들과 비교하여 다양한 면역반응을 유도하는데 있어서 1,000배 정도 효과적인 것으로 보고되고 있다. 따라서 백신은 Langerhans 세포를 표적으로 전달되는 것이 효과적이며 미세바늘은 그 용도에 적합한 특성을 지니고 있다. 또한 알레르기 반응 검사는 알레르기를 유도하는 물질을 피부에 바른 후에 약 1mm 깊이의 란셋으로 찔러서 피부에 도포된 알레르기 유도 물질을 피부로 전달하여 일정 시간이 경과한 후의 피부 상태를 관찰하는 방법으로 이루어지는데, 이 때 바늘이 필요 이상으로 침투되면 염증 반응이 발생하여 정확한 알레르기 반응 여부를 판별할 수 없게 된다. 또한 환자는 고통을 느끼며, 의료진은 찌를 때의 강도 조절과 재현성 유지에 있어서 어려운 점도 있다. 따라서 표피층까지만 침투하는 미세바늘은 이와 같은 문제들을 개선할 수 있으며, 약물의 투여량도 적절하게 줄여서 가려움증이 지속되는 시간도 단축시킬 수 있다.

미세바늘은 약물을 전달하는 용도뿐만 아니라 혈액을 추출하는 용도로도 이용될 수 있다. 미세바늘을 micro total analysis system (micro-TAS)에 집적화 시키면, health index marker가 다량 포함된 혈액을 지속적으로 체크하는 휴대용 Health Monitoring System (HMS)의 구현이 가능하다. 또한 이러한 HMS는 미세바늘을 이용한 약물전달시스템(Drug Delivery Systems; DDS)과 결합되어 휴대용 진단 및 치료기기의 실현을 가능하게 할 수도 있다. 한편, 피부가 단단해지거나 색이 변한 상처에 바늘로 인위적인 상처를 주면, 콜라겐이 깨어진 후에 재배열하면서 피부는 부드러워지고 멜라닌 색소도 다시 생기는 효과가 있는데, 이 시술을 미세바늘을 이용해서 수행하면 ‘tattoo gun’이나 ‘Nocor needle’을 이용할 때보다 피부층에 가하는 거시적인 손상은 줄이면서도 미세적인 자극은 증가시킬 수 있어서 더 효과적일 수 있다.