생물학적제제 전달 장치에 적합한 모션 솔루션 선택하기

생물학적제제 전달 장치에 적합한 모션 솔루션 선택하기

개요

정의에 따르면 생물학적제제는 면역체계를 조절하거나, 염증반응을 하향조절하거나, 종양 특이적 방어를 지원하는 단백질 및/또는 유도체로 제작된 약물입니다. 일반적인 약물은 화학합성을 통해 제작됩니다. 즉, 특정 화학적 성분을 순차적인 과정에 따라 결합하는 식으로 만들어집니다. 반대로 생물학적제제는 살아있는 유기체를 통해 만들어지며, 생체 시스템(미생물과 같은) 내에서 생명 공학 기술을 통해 제작되고 인간 면역체계의 반응 방식을 바꾸는 방식으로 작용합니다.

항체, 인터류킨, 백신을 포함한 생물학적제제 약품은 수많은 질병 및 증상 처치에 쓰이며 현재 이용 가능한 최신식 치료이기도 합니다. 생물학적제제는 지금껏 암 치료에 혁신을 일으켰고, 면역 관련 증상을 지연 또는 역행시켰으며, 희귀병에 걸린 사람들의 삶을 바꾸는 동시에, 본인의 증상에 효과가 있는 처치를 받을 방도가 없던 수많은 환자에게 희망을 불러왔습니다.

생물학적제제는 기존 저분자 화학적제제 약물과 대비했을 때 더욱 복잡한 구조와 훨씬 큰 분자량을 지녔으며, 그렇기에 매우 점성이 큽니다. 이러한 복잡성 때문에 비용, 과제와 연구 및 개발 면에서의 위험이 증가합니다. 투여 프로필은 적절한 약물 전달에 있어 매우 중요합니다. 따라서 약물 전달 기계가 핵심 역할을 합니다. 전달 기계는 모션 솔루션으로 작동하기에 이러한 장치 개발에 있어 중요합니다.

투여 장치를 위한 모션 솔루션을 살펴보기 전에 약물이 어떻게, 어디에 주입되는지 살펴보는 게 좋겠습니다. 우선 환자의 신체에 약물을 전달하는 3가지 방법부터 알아봅시다(그림 2).

정맥내투여 - 정맥내투여(약어로 IV 처치라 칭함)는 환자의 정맥에 직접 약물을 전달하는 의료 기술입니다. 생물학적제제는 점성이 크다는 문제가 있어 이 방법으로 전달하기는 어렵습니다.
피하투여 - 피하조직은 피부 바로 아래의 지방층과 근육 조직 사이에 위치합니다. 여기에는 혈관이 몇 개 존재하기에 느린 속도로 꾸준히 흡수되어야 하는 약물을 투여합니다. 피하투여로 전달된 약물은 근육내투여보다 더욱 느린 속도로 흡수됩니다.
근육내투여 - 근육내투여 주사는 우선 고려가 되는데, 이는 근육에 있는 혈관이 피하조직 혈관보다 크기도 크고 수도 많기에 약물의 흡수가 빠르기 때문입니다.

위 방식을 고려했을 때 약물 주입에 쓰는 장치는 세 가지 주요 유형으로 나뉩니다(그림 3 및 4).

일회용: 이름 그대로 한 번만 쓰는 장치입니다. 특정한 약물 투여를 위해 설계되었습니다. 약물 전달 시간은몇 초에서 며칠까지 다양하며, 비용 최적화 솔루션이 필요합니다. 예로는 기계 투여기 및 일회용 패치 펌프가있습니다. 패치 펌프는 신체에 직접 착용하며 작은 케이스 안에 저장소, 펌프 기계 및 주입기가 들어있습니다.
제한 활용: 치료 기간 동안 여러 개의 생물학적제제 약물 카트리지를 다는데 쓸 수 있는, 동력을 갖춘솔루션입니다. 별도의 약물과 펌프 유닛을 설치할 수 있는 동시에, 약물 유닛은 일회용으로 쓰되 펌프 유닛은재활용이 가능하다는 장점이 있습니다.
재사용 펌프: 이 장치는 견고하며 튼튼한 데다가 수명이 깁니다. 이런 장치는 다양한 고점도 약물을 다룰 수있는 플랫폼 역할을 하도록 설계되었으며, 따라서 폭 넓은 치료 방법을 제공합니다.

투여 장치의 모션 솔루션에 대한 기술적 요구사항

표 1. 다양한 생물학적제제 약물 장치의 핵심 성능 매개변수 

재사용 생물학적제제 펌프 는 이러한 모션 솔루션에 있어 매우 까다로운 요건을 만족해야 합니다. 이런 유형의 장치는 100N이 넘는 큰 축방향 힘 출력이 필요합니다. 이런 선형력이 필요한 이유는 생물학적제제의 점성이 크기 때문입니다. 다양한 생물학적제제를 지원하는 플랫폼 역할을 할 때, 여기 쓰이는 펌프는 가장 점성이 큰 생물학적제제 약물을 전달할 수 있는 동시에 저점도 약물 전달도 정확히 할 수 있어야 합니다. 이러한 장치는 휴대용이기 때문에 크기 및 중량이 매우 중요한 매개변수가 됩니다. 프리미엄 생물학적제제 장치 모션 솔루션은 외부 직경이 보통 10mm~12mm입니다. 

힘과 크기와는 별도로 재사용 펌프는 견고하며 신뢰성이 있어야 합니다. 제품 보증은 2~5년 사이가 될 수 있고, 모션 솔루션은 적절한 크기여야 하며 사용 1일차부터 펌프 제품수명주기가 끝날 때까지 동일한 정확도를 제공해야 합니다. 모션 솔루션의 경우, 디자이너는 필요 수명 달성을 보장하기 위해 신뢰도가 90%를 초과한다는 걸 보여야 합니다. 

모션 솔루션 선택의 추가 요소로는 피드백, 반복성, 저장 조건이 있습니다. 인코더가 모션 솔루션이 필요한 약물 전달을 제공했다는 걸 확인하여 치료가 성공적이었음을 보장할 것입니다. 또한 인코더는 매번 모든 전달 증분량을 만족했다는 사실 또한 보장할 것입니다. 생물학적제제는 제제별로 저장 요건이 다를 수 있으며, 개중 일부는 냉장 보관이 필요할 수도 있습니다. 이는 더 낮은 온도 및 습도에 오랜 시간 견딜 수 있는 모터와 기어헤드 기능에 반영이 됩니다.

전반적인 무브러시 DC 모터 또는 코어리스 브러시 DC 모터(귀금속 정류가 포함된)가 이런 종류의 장치에 가장 적합합니다. 평 기어헤드 또는 맞춤 설계식 기어헤드는 가용한 최소 크기에서 거대한 토크/힘 밀도를 제공합니다.

제한 활용 생물학적제제 장치 는 제약 산업에서 볼 수 있는 새로운 트랜드입니다. 장기 장치와는 달리 제한 활용 생물학적제제 장치는 펌프 가격 대비 성능 및 수명 면에서 유연함을 제공합니다. 이러한 장치는 보통 단일 생물학적제제 약물 또는 제한적인 약물 공급 위주로 설계되나, 모션 솔루션의 힘 및 크기 요건은 재사용 장치와 비교했을 때 다를 수 있습니다. 

50N~80N 범위의 힘 요구 조건을 만족하는 모션 솔루션이면 보통 충분합니다. 이러한 장치는 배터리로 구동되기에, 여기 쓰이는 펌프 디자인의 핵심 요소는 효율성입니다. 귀금속 정류가 포함된 코어리스 브러시 DC 모터는 고전력 밀도와 신뢰성을 제공하며 이와 같은 긴 배터리 수명 요건을 만족하기에 적합합니다. 평 합성 기어박스 또는 맞춤 설계식 기어헤드는 제한 활용 생물학적제제 응용분야에 이상적인 솔루션을 제공합니다. 

일회용 생물학적제제 장치 는 한 번만 쓰는 응용분야입니다. 약물 장치 기술 업계에서의 고급 연구 및 개발에 있어 적절한 모터 기술을 맞추는 일은 매우 중요합니다. 이러한 장치는 특정 약물과 연결되어 있으며, 따라서 이런 고용량 장치에는 최적화된 모션 솔루션이 핵심이 됩니다.

수많은 모션 솔루션이 이 응용분야에 잘 들어맞습니다. 가장 적합한 모터 기술으로는 캔 스택 스테퍼와 브러시 DC가 있으나, 대체 액추에이터 기술 또한 솔루션이 될 수 있습니다. 캔 스택이나 브러시 DC는 작동용 복잡한 드라이브 전자 장치를 필요로 하는 일부 비 재래식 액추에이터 대비 장점을 보이는 성숙한 기술을 제공합니다.

이러한 응용분야의 듀티 사이클은 한정적이며 몇 초에서 몇 시간 정도에 불과합니다. 응용분야 요구 사항을 기반으로 한, 신뢰성 있는 비용 최적화 모션 솔루션이 이러한 장치에 적합합니다.

생물학적제제 약제 전달 시스템에서의 당면 과제

현대에는 새롭고 혁신적인 약물 제형이 정점을 이루고 있습니다.  IV 약물과 비교할 때 생물학적제제는 피하투여 또는 근육내투여 전달 방법을 사용합니다. 최근 개발된 생물학적제제는 복잡한 약물으로, 분자량이 많게는 150,000Da(달톤)에 달할 수도 있습니다. 생물학적제제 약물의 분자량은 합성 약품의 분자량(수천 달톤 가량)과 비교할 때 상당히 큽니다. 이에 따라 생물학적제제 약물의 점성이 커지며, 결국 이 점성은 약물 전달 장치의 설계에 있어 과제가 됩니다.

표 2. 다양한 생물학적제제 약물 장치를 위한 모션 솔루션의 기술 및 핵심 성능 매개변수 

생물학적제제 약물처럼 생물학적제제 전달 장치는 시장에서는 상대적으로 새로운 상품이자 계속 발전 중입니다. 현재 환경에서 생물학적제제 약물 장치가 마주한 특정 과제는 다음과 같습니다.

고점성 약물을 다룰 능력
대량의 약물 전달
더욱 정확한 전달
더 많은 사람이 접근하기 위한 비용 최적화 솔루션

표 2에 나온 것처럼 이러한 과제 중 일부는 모션 솔루션을 통해 지원 또는 해결할 수 있습니다.

무브러시 및 브러시 모터의 높은 전력 밀도와 기어헤드의 높은 감속 비율로 고점성 약물을 다룸(50Cp 이상)
전력 밀도 덕분에 소량에서 더 큰 부피의 약물을 다루는 데 도움이 됨(10mL~50mL)
절대 인코더 기술이 정확한 약물 전달 모니터링에 도움이 됨(해상도 3~5 um)
신뢰할 수 있는 모터와 기어헤드가 안전한 자택 기반 치료를 위한 긴 장치 수명을 제공함

생물학적제제 약품 전달 장치를 위한 모션 솔루션

앞서 언급했듯 전달 기계를 위한 모션 솔루션은 장치 설계의 핵심이라 할 수 있습니다.  디자인 엔지니어는 다양한 모터 및 기어헤드 기술을 선택할 수 있기에 첫 선택은 고될 수도 있습니다. 이 일을 돕고자 핵심 성능 매개변수를 상세히 설명하는 동시에 서로 다른 기술이 이러한 매개변수를 어떻게 다루는지도 살펴볼 것입니다.

토크 / 전력 – 모든 기술은 토크를 생성할 능력이 있지만, 내부 설계에 따라 출력량이 달라집니다. 슬롯형 
BLDC 설계는 모터에 들어간 구리와 자석의 양이 많기에 BLDC 무슬롯보다 출력 토크가 큽니다. 스테퍼 모터를 고려한다면 하이브리드가 가장 큰 토크 값을 제공합니다.

속도 – 치료의 기간과 흐름을 정하는 건 약물이기에 장치 속도는 고정값이 됩니다. 높은 속도는 무브러시 DC 및 디스크 자석 스테퍼 모터, 중간 속도는 브러시 DC로, 낮은 속도는 스테퍼로 속도 요구 사항을 맞출 수 있습니다. 기어박스를 추가하여 출력 토크를 높이면 모터의 속도 요구 사항이 이에 따라 비율로 증가하기에 시행 전에 반드시 고려를 해야 합니다.

효율성 – 이러한 장치는 배터리로 구동되기에, 배터리 크기를 최대한 작게 하기 위한 효율성은 매우 중요합니다. 브러시 DC 코어리스 및 무브러시 DC 무슬롯은 회전자 설계 때문에 효율성 면에서 최적의 선택입니다.

신뢰성 – 약물 전달 장치는 환자에게 시행할 치료 횟수를 기반으로 한 구체적인 수명 요구 사항을 지닙니다. 모터 수명에 영향을 끼치는 핵심 기술 요소는 정류 및 베어링 시스템입니다. 브러시 DC 모터는 기계적 정류를 지니는데, 이는 모터 수명이 브러시 마모에 따라 결정된다는 걸 의미합니다. 무브러시 DC 및 스테퍼 모터는 전기적 정류를 지니며, 이에 따라 더 긴 모터 수명을 제공할 가능성이 있습니다. 베어링은 모터 수명에 있어 추가 요소로 볼 베어링이 슬리브 베어링보다 더 긴 수명을 제공합니다. 모터 기술은 두 베어링 버전 모두를 제공하며, 일부는 표준으로 나오나 다른 일부는 사용자 정의가 필요합니다.

무게 – 이 장치는 휴대용이기에 모션 솔루션의 무게는 환자의 편의에 있어 중요한 요소로 작용합니다. 브러시 DC 코어리스 모터가 무게 면에서 최적의 선택지입니다.

비용 – 각 기술은 설계를 기반으로 한 비용 프로필을 가집니다. 장치 및 이에 동반되는 치료가 시장 수용을 위한 비용 프로필을 결정하므로 각 기술에 따른 원가 동인을 이해하는 건 매우 중요합니다.

표 3. 다양한 모션 기술의 핵심 성능 매개변수 비교

이 표는 다양한 모터 기술을 서로 비교하여 서로 다른 매개변수에서 각자의 강점을 보여줍니다. 이런가이드라인은 새로운 약물 전달 장치를 만들고자 하는 디자인 엔지니어에게 참조가 됩니다. 모션 솔루션공급업체와 긴밀한 관계를 유지하는 게 장치 개발 시작에 있어 가장 중요한 첫 단계입니다.

요약

현재 수많은 생물학적제제가 개발 중이며, 동시에 다수의 생물학적제제가 시장에 출시되고 있습니다. 최고의 약물 전달 장치를 실현하려면 장치 개발자와 모션 공급업체가 신중한 태도로 공동 개발을 해야 합니다. 생물학적제제 치료의 요구 사항을 기반으로 한 각 장치마다 특정한 문제를 마주할 것이므로, 조기에 모션 공급업체와 협력을 하면 최적의 솔루션을 위한 적합한 액세서리와 함께 적절한 모터 기술을 활용할 길이 열릴 것입니다. 

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그림 1. 생물학적제제 약물(왼쪽) 및 기존 약물(오른쪽)의 분자
그림 2. 생물학적제제 주사에 쓰이는 방법 및 장치
그림 3. 일회용(왼쪽)과 제한 활용(오른쪽) 약물 투여 장치 상세 정보
그림 4. 재사용 약물 투여 장치 개요