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서원 옥
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1 J. of the Korean Sensors Society Vol. 18 No. 2 (2009) pp j q j w w z z * **Á * ***Á * ***Á * ****Á ****Á * ***Á y * ** *** Micro-tissue collecting tool for diagnosis of micro-spike biopsy *** Hyo-young Jeong* ** Kyo-in Koo* *** Sangmin Lee* *** Jae-won Ban* *** Hosoo Park* *** Seoung-Min Bang**** Si-Young Song****S and Dong-Il Dan Cho* ** *** Abstract We have developed and reported several micro-spikes for minimally invasive biopsy. In this paper a micro-tissue collecting tool for tissue diagnosis extracted by micro-spike is presented. Using proposed polydimethy-siloxane (PDMS) micro-tissue collecting tool which has a negative micro-spike structure in a porous chamber the extracted tissue in a micro-spike is effectively detached. The gastro-intestinal tissue of a pig is extracted in an in vivo environment and then it is detached from a micro-spike using the PDMS micro-tissue collecting tool. A fine clinical picture of the detached tissue is acquired. Key Words : micro-spike micro-detaching tool micro-tissue collecting tool biopsy diagnosis 1. e w» œ x. y» ell j q j w y w w j q j ww [1].» ell l w. v w ü xk [2] q j (shank) œ š w šƒ w [3]. w. v w w w» ell w wš»(barb) w e ƒ w j q j j q j w ell w. w z q v [4-9]. w j q j el w y. l š w m»(barb)ƒ w w» w z (shank). j q j w w. w z Fig. 1 j q j j q j»(barb)ƒ (shank). j q j ƒ j q j * w y lœ / œ / l l(asri / ISRC / NB & SRC Seoul National University) ** w œ wx (Interdisciplinary Program of Bioengineering Seoul National University) *** w œ w»fulœw (School of Electrical Engineering and Computer Sciences Seoul National University) **** w w y»ü (Department of Internal Medicine College of Medicine Yonsei University) Corresponding author: dicho@snu.ac.kr (Received : January Accepted : February ) ü j q j l š û. z z f w z w. z ü ƒ w w. z 122

마이크로 스파이크로 채취한 조직의 진단을 위한 미세 조직회수도구 Fig. 1. 21 Tissue extracting mechanism with micro-spike. 수도구 파라핀 블록으로 만드는 것이 가능해 진다.

조직회수도구의 구조 조직회수도구는 채취된 조직을 분리하는 챔버와 분 리된 조직의 유실을 막는 커버로 구성된다. 조직회수도 구에는 세 개의 마이크로 스파이크 역상 구조가 배열되 어있어 세 개의 마이크로 스파이크로부터 채취조직을 분리 할 수 있다. 챔버의 크기는 가로 15 mm 세로 7.25 mm 높이는 1.7 mm이고 커버의 크기는 가로 15 mm 세로 4.

그 후 조직이 분리된 마이 크로 스파이크를 조직회수도구에서 제거하고 분리된 조 직의 유실을 막기 위하여 챔버의 양 끝 음각 레일을 따 라서 커버를 끼우게 된다. Fig. 3에서 보는 것과 같이 조직회수도구의 챔버는 총 4개의 층으로 구성된다. 첫 번째와 네 번째 층에는 직경 0.

2 마이크로 스파이크로 채취한 조직의 진단을 위한 미세 조직회수도구 Fig Tissue extracting mechanism with micro-spike. 수도구 파라핀 블록으로 만드는 것이 가능해 진다. 또 한 조직회수도구를 polydimethylsiloxane (PDMS)로 제 작하여 조직회수도구를 포함한 파라핀 블록의 슬라이싱 이 가능하도록 하였다. 본 연구에서는 상기 조직회수도 구를 조직분리 파라핀 블록 제작 파라핀 블록 슬라이 싱 및 염색에 적용함으로써 생체 내에서 마이크로 스파 이크로 채취한 돼지 위장 조직의 세포관찰에 성공하였 다. 2. 조직회수도구의 구조 조직회수도구는 채취된 조직을 분리하는 챔버와 분 리된 조직의 유실을 막는 커버로 구성된다. 조직회수도 구에는 세 개의 마이크로 스파이크 역상 구조가 배열되 어있어 세 개의 마이크로 스파이크로부터 채취조직을 분리 할 수 있다. 챔버의 크기는 가로 15 mm 세로 7.25 mm 높이는 1.7 mm이고 커버의 크기는 가로 15 mm 세로 4.5 mm 높이는 1 mm이다. Fig. 2는 본 논문에서 제시한 조직회수도구를 사용하 여 마이크로 스파이크로 채취한 조직을 마이크로 스파 이크로부터 분리하는 과정의 개념도이다. 채취된 조직 을 가진 마이크로 스파이크를 조직회수도구로 밀어 넣 고 마이크로 스파이크를 아래로 내리면서 마이크로 스 파이크와 조직을 분리한다. 그 후 조직이 분리된 마이 크로 스파이크를 조직회수도구에서 제거하고 분리된 조 직의 유실을 막기 위하여 챔버의 양 끝 음각 레일을 따 라서 커버를 끼우게 된다. Fig. 3에서 보는 것과 같이 조직회수도구의 챔버는 총 4개의 층으로 구성된다. 첫 번째와 네 번째 층에는 직경 0.7 mm의 구멍이 가로 세로로 배열되어 있어 파라핀 블록 제작 과정에서 챔버 안으로의 용액 침투를 원활하 게 해준다. 두 번째 층은 채취된 조직을 가진 마이크로 스파이크가 조직회수도구 내로 들어가기 위한 층이다. 입구의 폭은 마이크로 스파이크의 폭과 같은 크기로 센서학회지 제 권 제 호 Fig. 2. Fig. 3. Schematic of operation of the proposed microtissue collecting tool (a) (b) Inserting the microspike into chamber (c) Detaching the tissue by pushing down the micro-spike (d) Inserting the cover (e) Retaining the tissue in the micro-tissue collecting tool. 4 layers composition of micro-tissue collecting tool (a) chamber- 1 layer 4 layer (b) chamber -2 layer (c) chamber -3 layer (d) cover. st th nd rd 마이크로 스파이크가 조직회수도구로 들어갈 때 마이 크로 스파이크를 인도해 주는 역할을 한다. 세 번째 층 은 마이크로 스파이크와 마이크로 스파이크로 채취된 조직을 분리하는 층이다. 두 번째 층에서 세 번째 층으 123

정효영 구교인 이상민 반재원 박호수 방승민 송시영 조동일 22 Fig. 4. Fabrication process for micro-tissue collection tool (a) Silicon wafer molding process (b) PDMS replica layer and bonding process.

PDMS prepolymer (10:1 part A:B sylgard 184 Silicone Elastomer Kit Dow-corning)를 Si wafer 주형에 붓고 도포한다.

3 정효영 구교인 이상민 반재원 박호수 방승민 송시영 조동일 22 Fig. 4. Fabrication process for micro-tissue collection tool (a) Silicon wafer molding process (b) PDMS replica layer and bonding process. 로 마이크로 스파이크를 내리면서 조직은 마이크로 스 Fig. 4(b)는 PDMS layer를 만들고 각각의 PDMS layer를 파이크와 분리되고 역상의 상단 부에 놓여지게 된다. 접착하는 공정도이다. PDMS prepolymer (10:1 part A:B sylgard 184 Silicone Elastomer Kit Dow-corning)를 Si wafer 주형에 붓고 도포한다. PDMS가 도포된Si wafer 공정 과정 주형을 60 C의 가열판에서 3시간 동안 경화한 후 경화 조직회수도구를 제작하기 위하여 Si wafer를 주형으 된 각 PDMS 층을 떼어낸다. 각 PDMS 층의 접착은 다 로 사용하여 PDMS layer를 만든 후 각각의 PDMS 음과 같은 도장 접착 공법을 사용한다. 혼합한 PDMS layer를 접착하는 기법을 사용하였다. Fig. 4(a)는 Si prepolymer를 dummy Si wafer에 도포한 후 PDMS layer wafer 주형 제작 공정도이다. 1 mm Si wafer 에 silicon 를 찍어서 PDMS layer에 얇은 PDMS prepolymer 층이 dioxide 증착 및 패터닝 하였다. 그 후 감광막 제거 공정 생기게 한다. 그리고 각각의 PDMS layer를 접착한 후 을 거쳐서 deep RIE로 마이크로 스파이크의 두께만큼 60 C의 가열판에서 3시간 동안 경화한다. Fig. 5는 접착 Si wafer를 500 µm 식각하였다. Silicon dioxide 제거 후 된 조직회수도구를 보여준다. PDMS가 Si wafer 주형에서 잘 떨어지도록 Si wafer 위 에 C F 을 증착시켜 소수성으로 표면 처리하였다. 실험 결과 조직회수도구를 사용하여 마이크로 스파이크로부터 조직이 분리되는 것을 검증하기 위한 실험으로 돼지에서 추출한 소장에 마이크로 스파이크를 사용하여 조직을 채 취한 후 고정 및 염색하여 관찰하였다. 고정 및 관찰과정 은 다음과 같다. 채취 조직을 4 % paraformaldehyde에 24 시간 이상 넣어 고정한 후 30 분간 PBS용액에서 세척 (washing)을 2번 하였다. 그 후 Hematoxylin & Eosin 염색 방법(Hematoxylin 5 분 DI water 5 분 3번 Eosin 1 분 DI water 5 분 2번)으로 세포염색 후 조직회수도구를 사용하여 마이크로 스파이크로부터 조직을 분리하였다. Completely bonded micro-tissue collecting tool. Fig. 6에서 보이는 것처럼 조직회수도구에 의해 마이크로 3. o [11] o [10] [12] Fig J. Kor. Sensors Soc. Vol. 18 No

마이크로 스파이크로 채취한 조직의 진단을 위한 미세 조직회수도구 Fig 6. Extracting the tissue from micro-spike using microtissue collecting tool. 스파이크로부터 조직이 분리되었다. Fig. 7은 마이크로 스파이크로 조직을 채취하고 최종 적으로 채취된 조직의 세포사진을 얻는 과정을 보여준 다.

이후 파라핀 침투과정을 거쳐 파라핀 블록 으로 제작하였다. 조직회수도구가 들어있는 파라핀 블록 을 5 µm로 슬라이싱 한 후 Hematoxylin & Eosin 염색 방 법으로 염색하였다. 염색된 조직의 사진을 Fig. 8에서 볼 수 있다. 기존 핀셋을 이용한 조직 분리 방식으로는 조 Fig 7. Fig 8.

결 론 이번 연구에서 제작된 조직회수도구는 마이크로 스 파이크로 채취한 조직의 분리와 후속 조직관찰을 가능 하게 한다. 개발된 조직회수도구는 마이크로 스파이크 를 사용한 생검 시 채취조직 분리 문제 조직의 유실 문 제 파라핀 블록 슬라이싱 문제에 대한 해결 방법을 제 시하였다.

4 마이크로 스파이크로 채취한 조직의 진단을 위한 미세 조직회수도구 Fig 6. Extracting the tissue from micro-spike using microtissue collecting tool. 스파이크로부터 조직이 분리되었다. Fig. 7은 마이크로 스파이크로 조직을 채취하고 최종 적으로 채취된 조직의 세포사진을 얻는 과정을 보여준 다. 우선 돼지 위장까지 내시경을 삽입 후 마이크로 스 파이크가 장착된 카테터로 돼지 위장 조직을 채취하였 다. 그 후 카테터에서 마이크로 스파이크를 분리하고 4 % paraformaldehyde에 넣어서 채취된 조직을 고정한 다. 고정된 채취조직을 분리하기 위한 과정으로 조직회 수도구를 사용하여 마이크로 스파이크에서 채취 조직 을 분리한다. 이후 파라핀 침투과정을 거쳐 파라핀 블록 으로 제작하였다. 조직회수도구가 들어있는 파라핀 블록 을 5 µm로 슬라이싱 한 후 Hematoxylin & Eosin 염색 방 법으로 염색하였다. 염색된 조직의 사진을 Fig. 8에서 볼 수 있다. 기존 핀셋을 이용한 조직 분리 방식으로는 조 Fig 7. Fig Optical micrograph of gastro-intestine tissue of a pig using micro-tissue collecting tool X400. 직 사진 획득률이 약10 % 내외였다. 하지만 조직회수도 구를 사용할 경우 조직 세포 사진 획득률을 90 %이상 으로 올릴 수 있었다. 5. 결 론 이번 연구에서 제작된 조직회수도구는 마이크로 스 파이크로 채취한 조직의 분리와 후속 조직관찰을 가능 하게 한다. 개발된 조직회수도구는 마이크로 스파이크 를 사용한 생검 시 채취조직 분리 문제 조직의 유실 문 제 파라핀 블록 슬라이싱 문제에 대한 해결 방법을 제 시하였다. 동물 생체 내에서 채취한 조직으로 획득한 세포 사진은 조직회수도구의 임상 적용 가능성을 보여 주고 있다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 조직회수도 Diagnosis process for micro-spike biopsy using micro-tissue collecting tool (a) extracting tissue using micro-spike catheter (b) tissue fixation (c) tissue detaching (d) paraffin embedding (e) sectioning (f) H&E staining. 센서학회지 제 권 제 호

5 24 z Á Á Á Á y Á Á Á j q j ty j» w. 21» v p» x j l ( swƒ» (Pohang accelerator laboratory) x w. š x [1] Donald C. Zavola Diagnostic fiberoptic bronchoscopy: Techniques and results of biopsy in 600 patients Chest vol. 68 no. 1 pp [2] K. L. Woods B. S. Anand R. A. Cole M. S. Osato Robert M. Genta H. Malaty I. E. Gurer and D. De Rossi Influence of endoscopic biopsy forceps characteristics on tissue specimens : results of a prospective randomized study Gastrointestinal endoscopy vol. 49 no. 2 pp [3] DD. Wadas and RA. Sanowski Complications of the hot biopsy forceps technique Gastrointestinal endoscopy vol. 34 no. 1 pp [4] ¼ x ½ A novel microbiopsy tool for microsurgery w wz ww z pp w [5] S. Byun J. M. Lim S. J. Paik A. Lee K. Koo S. Park J. Park B. D. Choi J. M. Seo K. Kim H. Chung S. Y. Song D. Jeon and D. Dan Cho Barbed micro-spikes for micro-scale biopsy J. Micromech. Microeng. vol. 15 no. 6 pp U [6] A. R. Lee S. J. Paik S. G. Park M. J. Jeong K. I. Koo H. M. Choi J. M. Seo K. A. Kim H. Chung S. Y. Song S. M. Bang D. Y. Jeon J. M. Lim and D. I. Cho 3D silicon-micromachined microbiopsy tool and In-vivo experiment The 13th International Conference on Solid-State Sensors Actuators and Microsystems vol. 2 pp Seoul Korea [7] S. K. Park A. R Lee M. J. Jeong H. M. Choi S. Y. Song S. M. Bang S. J. Paik J. M. Lim D. Y. Jeon S. K. Lee C. N. Chu and D. I. Cho A disposable MEMS-based micro-biopsy catheter for the minimally invasive tissue sampling IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Edmonton Canada [8] G. S. Kim S. K. Park K. I. Koo H. M. Choi M. J. Jung S. Y. Song S. M. Bang and D. I. Cho Nickel micro-spike for micro-scale biopsy using liga process The 9th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation pp Daegu Korea 2006U [9] G. S. Kim S. Park K. Koo M. Jeong H. Choi S. Paik S. M. Bang S. Y. Song and D. Dan Cho Micro spike for endoscopic gastro biopsy Asia- Pacific Conference of Transducers and Micro-Nono Technology Singapore Singapore 2006U [10] «w z PDMS»q d ql wz 14«6 y pp [11] J. Oberhammer and G. Stemme Bcb contact printing for patterned adhesive full-wafer bonded 0-level packages J. Microelectromech. Syst. vol. 14 no. 2 pp J. Kor. Sensors Soc. Vol. 18 No

마이크로 스파이크로 채취한 조직의 진단을 위한 미세 조직회수도구 구교인 정효영 2008년 연세대학교 의용전자공학과 졸업 (공학사) 2008년~현재

주관심분야 : Bio-MEMS Retinal prostheses MEMS 관성센서 2008년 국민대학교 전자과 졸업(공학사) 2008년 ~ 현재

인턴 수료 2000년~2004년 세브란스병원 내과전공의 수료 임의 2006년~2007년 연세의대 내과학교실 소 화기내과 전임강사 2007년~현재

(소화기) 연구강사 1993년~1999년 연세대학교 의과대학 내과 (소화기) 조교수 1996년~1998년 Vanderbilt Cancer

1999년~2005년 연세대학교 의과대학 내과 (소화기) 부교수 2000년~2005년 연세대학교 의과대학 약리학 부교수 교수 2005년~현재

Bio-MEMS Biomimetics 방승민 박호수 2 공학부 박사과정 주관심분야 : Bio-MEMS Retinal prostheses

전기컴퓨터공학부 졸업(공학사) 2005년 ~ 현재 서울대학교 전기컴퓨터 18 2003년 서울대학교 전기컴퓨터공학부 졸업 (공학사) 2003년~ 현재

1984년 미국 Massachusetts Institute of Technology (석사) 1988년 미국 Massachusetts

6 마이크로 스파이크로 채취한 조직의 진단을 위한 미세 조직회수도구 구교인 정효영 2008년 연세대학교 의용전자공학과 졸업 (공학사) 2008년~현재 서울대학교 바이오엔지니 어링전공 석사과정 주관심분야 : Lap on a Chip Bio-MEMS Capsular endoscope 공학부 박사과정 주관심분야 : Bio-MEMS Retinal prostheses MEMS 관성센서 2008년 국민대학교 전자과 졸업(공학사) 2008년 ~ 현재 서울대학교 전기컴퓨터 공학부 석사과정 주관심분야 : Bio MEMS Micro-pump 1996년 의사면허 취득 1999년~2000년 세브란스병원 인턴 수료 2000년~2004년 세브란스병원 내과전공의 수료 임의 2006년~2007년 연세의대 내과학교실 소 화기내과 전임강사 2007년~현재 연세의대 내과학교실 소화 기내과 조교수 2004년~2006년 연세의대 소화기내과 전 조동일 송시영 1990년~1993년 연세대학교 의과대학 내과 (소화기) 연구강사 1993년~1999년 연세대학교 의과대학 내과 (소화기) 조교수 1996년~1998년 Vanderbilt Cancer Center Cell Biology Post Doc. 1999년~2005년 연세대학교 의과대학 내과 (소화기) 부교수 2000년~2005년 연세대학교 의과대학 약리학 부교수 교수 2005년~현재 연세대학교 의과대학 약리학 교수 2005년~현재 연세대학교 의과대학 내과 2009 공학부 석사과정 주관심분야 : Lap on a Chip Bio-MEMS Biomimetics 방승민 박호수 2 공학부 박사과정 주관심분야 : Bio-MEMS Retinal prostheses Capsular endoscope 2007년 연세대학교 전기전자공학부 졸업 (공학사) 2007년 ~ 현재 서울대학교 전기컴퓨터 2005년 서울대학교 전기컴퓨터공학부 졸업(공학사) 2005년 ~ 현재 서울대학교 전기컴퓨터 년 서울대학교 전기컴퓨터공학부 졸업 (공학사) 2003년~ 현재 서울대학교 전기컴퓨터 반재원 이상민 센서학회지 제 권 제 호 년 미국 Carnegie Mellon University (학사) 1984년 미국 Massachusetts Institute of Technology (석사) 1988년 미국 Massachusetts Institute of Technology (박사) 1987년 ~ 1993년 미국 Princeton University 교수 1993년 ~현재 서울대학교 전기컴퓨터공 학부 교수 이사장 2008~현재 서울대학교 자동화연구소 소장 주관심분야 : MEMS 태양전지 2003년~2007년 한국 MEMS기술연구조합

10(3)-09.fm

10(3)-09.fm w y wz 10«3y 253~258 (2010.12.) Journal of Korean Society of Urban Environment ³ w Á» Á Á y w y œw (2010 11 22, 2010 12 9 k) Study on Determine of Detention Pond in Small Developed Area In-Soo Chang ½