Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B (대한기계학회논문집B)

The Korean Society of Mechanical Engineers (대한기계학회)
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Laser Induced Microjet Drug Delivery System: Drug Permeation Depending on Laser Wavelength and Pulse Duration

레이저 유도 마이크로젯을 활용한 약물 전달 방식: 레이저 파장 및 펄스길이에 따른 약물 침투 분석

  • Jang, Hun jae (School of Aerospace Engineering, Seoul Nat'l Univ.) ;
  • Ham, Hwi chan (School of Aerospace Engineering, Seoul Nat'l Univ.) ;
  • Yoh, Jai ick (School of Aerospace Engineering, Seoul Nat'l Univ.)
  • 장헌재 (서울대학교 기계항공공학부) ;
  • 함휘찬 (서울대학교 기계항공공학부) ;
  • 여재익 (서울대학교 기계항공공학부)
  • Received : 2017.02.07
  • Accepted : 2017.04.07
  • Published : 2017.07.01
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Abstract

For transdermal drug delivery, needless injection system is composed of laser and microjet injector. Main mechanism of microjet injector is the laser-induced bubble. Nd:YAG and Er:YAG laser are used as a power source. Laser parameters such as pulse duration and wavelength are considered, which are core parameters to control the bubble motion. The Nd:YAG laser, pulse duration is short than bubble life time making cavitation like bubble while in Er:YAG laser, long pulse duration and high absorption in water drive bubble as a boiling bubble. Detailed motion of bubble and microjet is captured by the high speed camera. So it is observed that microjet characteristics are determined by the bubble behavior. The performance of drug delivery system is evaluated by fluorescent staining of guinea pig skin.

경피를 통한 약물 전달 방식에 있어, 본 연구에서 제안하고 있는 바늘 없는 주사기 시스템은 레이저와 마이크로젯 인젝터로 구성 되어 있다. 이때 마이크로젯 인젝터의 핵심 메커니즘은 레이저 유도버블이다. 동력원으로 Nd:YAG와 Er:YAG, 두 종류의 레이저가 사용되었다. 버블의 특성을 결정짓는 레이저 변수인 펄스폭, 파장 등이 본 연구에서 고려되었다. Nd:YAG 레이저의 경우에 펄스폭이 버블의 생존 시간보다 짧기 때문에 캐비테이션에 가까운 버블을 형성하는 반면 Er:YAG 레이저의 경우에 펄스폭이 상대적으로 길고 물에서의 흡수가 잘 되기 때문에 보일링 버블이 만들게 된다. 버블 및 마이크로젯의 자세한 움직임은 초고속 카메라를 통해 촬영되었다. 이와 같은 과정을 통하여 마이크로젯의 특성이 버블에 의해 결정되는 것을 본 연구를 통해 관찰되었다. 약물 전달 성능은 기니어피그 조직에 형광물질을 침투한 결과로 부터 분석하였다.

Keywords

References

  1. Mitragotri, S., 2005, "Immunization without Needles," Nat. Rev. Immunol, Vol. 5, pp. 905-916. https://doi.org/10.1038/nri1728
  2. Kendall, M. A. F., Chong, Y. F. and Cock, A., 2007, "The Mechanical Properties of the Skin Epidermis in Relation to Targeted Gene and Drug Delivery," Biomaterials, Vol. 28, pp. 4968-4977. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2007.08.006
  3. Brown, M. B., Martin, G. P., Jones, S. A. and Akomeah, F. K., 2006, "Dermal and Transdermal Drug Delivery Systems," Current and future prospects. Drug deliv., Vol. 13, pp. 175-187.
  4. Arora, A., Hakim, I., Baxter, J., Rathnasingham, R., Srinivasan, R., Fletcher, D. A. and Mitragotri, S., 2007, "Needle-free Delivery of Macromolecules Across the Skin by Nanoliter-volume Pulsed Microjet," Proc. Natl. Acad. Sci., Vol. 104 pp. 4255-4260. https://doi.org/10.1073/pnas.0700182104
  5. Han, T. and Yoh, J. J., 2010, "A Laser based Reusable Microjet Injector for Transdermal Drug Delivery," J. Appl. Phys., Vol. 107, pp. 103-110.
  6. Prausnitz, M. R. and Langer, R., 2008, "Transdermal Drug Delivery," Nat. Biotechnol., Vol. 26, pp. 1261-1268. https://doi.org/10.1038/nbt.1504
  7. Doukas, A. G. and Kollias, N., 2004, "Transdermal Drug Delivery with a Pressure Wave," Adv. Drug Deliv. Rev., Vol. 56, pp. 559-579. https://doi.org/10.1016/j.addr.2003.10.031
  8. Sarno, M. J., Blase, E., Galindo, N., Ramirez, R., Schirmer, C. L. and Trujillo-juarez, D. F., 2000, "Clinical Immunogenicity of Measles, Mumps and Rubella Vaccine Delivered by the Injex Jet Injector: Comparision with Standard Syringe Injection," Pediatr. Infect. Dis. J., Vol. 19, pp. 839-842. https://doi.org/10.1097/00006454-200009000-00006
  9. Han, T., J. and Yoh, J. J., 2011, "Drug Injection into Fat Tissue with a Laser based Microjet Injector," J. Appl. Phys., Vol. 109, 093105. https://doi.org/10.1063/1.3584813
  10. Hale, G. M. and Querry, M. R., 1973, "Optical Constants of Water in the 200nm to 200 ${\mu}m$ Wavelength Region," Appl. Opt., Vol. 12, pp. 555- 563. https://doi.org/10.1364/AO.12.000555
  11. Plesset, M. S. and Prosperetti, A., 1977, "Bubble Dynamics and Cavitation," Ann. Rev. Fluid Mech., Vol. 9, pp. 145-185. https://doi.org/10.1146/annurev.fl.09.010177.001045