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미경 강전
5 years ago
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1 생체기계공학 / 기계공학으로 꿈꾸는생명연장 POSTECH 기계공학과도준상

2 이번시간에는! 생체기계공학 기계공학과생명공학의융합 치료를위한공학기술, 3D 프린팅기반조직재생 자연에서배우는자연모사기계

3 생체기계공학 - 기계공학과 생명공학의융합 POSTECH 기계공학과도준상

4 [ 학습목차 ] 생체기계공학 융합학문의필요성 다양한생체기계공학분야 ( 예시 ) - 진단을위한미세유체장치 - 수술용로봇 - 3D 프린팅기술을이용한조직재생 - 생체모사공학 - 기계생물학

5 1. 생체기계공학 융합학문의필요성 1) 생명공학 생명현상의이해와조절을기반하여인류에게이로운물질과서비스를생성하는학문 생명공학의다양한분야 ( 예시 ) - 농작물생산증대를위한종자개량이나유전자조작기술개발 - 새로운의료기술개발 - 생명현상을보다잘이해하기위한기술개발 - 생명현상을모사하는기술개발 생명공학의특성 - 과학과기술의발전과함께그범위가넓어지고있음 - 고부가가치미래지향적산업창출의기회가많음

6 2) 생체기계공학 1. 생체기계공학 융합학문의필요성 생명공학과기계공학의융합을통하여생명공학의난제를기계공학적접근방법과도구를이용하여해결하고자하는학문 기계공학의새로운분야로확장중 다양한생체기계공학분야 ( 예시 ) - 진단을위한미세유체장치 - 생체영상장비 - 수술용로봇 - 3D 프린팅기술을이용한조직재생 - 생체모사공학

7 1) 진단을위한미세유체장치 2. 생체기계공학의다양한분야 Lab Chip 출처 : #1

8 2. 생체기계공학의다양한분야 2) 수술용로봇 출처 : #2 출처 : #3

9 2. 생체기계공학의다양한분야 3) 3D 프린팅기술을이용한조직재생 STL format Loop construction Beam path generation Medical data (CT/MRI) 3D CAD Model CAD/CAM System Fabricated 3D Structure 3D Printing System Code Generation 출처 : #4

10 2. 생체기계공학의다양한분야 4) 생채모사공학 출처 : #5

11 5) 기계생물학 (Mechanobiology) 2. 생체기계공학의다양한분야 생체내의기계적환경이세포의기능에영향을미침! 출처 : #6 출처 : #7

12 자료출처 #1 칩안의실험실 ; Lab on a chip. Yager et al. Nature 442, 412 (2006). #2 수술용로봇을사용한수술시연, #3 수술용로봇을사용하는의사, #4 3차원영상과 3D 프린팅을사용한조직재생, 박정훈외, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.38, #5 생체모사공학을응용한다양한로봇들, Lepora et al. Bioinspir. Biomim. 8, (2013). #6 혈류의빠르기가혈관에미치는영향, Hahn and Schwartz. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10, 53 (2009). #7 다양한조직의기계적물성, Buxboim et al. J. Cell Sci. 123, 297 (2010).

13 치료를위한공학기술, 3D 프린팅기반조직재생 POSTECH 기계공학과도준상

14 [ 학습목차 ] 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅기반조직재생 - 환자맞춤형재생치료의필요성 - 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅기술 - 환자맞춤형재생치료사례소개 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 - 생체조직의복잡성과세포 3D 프린팅의필요성 - 세포 3D 프린팅의기술적어려움 - 세포 3D 프린팅사례소개 자료준비 : POSTECH 조동우교수연구실

15 1. 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 1) 환자맞춤형재생치료의필요성 조직손상이가벼울경우, 인체조직의재생능력에의해자연치유가가능 출처 : #1 조직손상의범위가재생능력을초과한경우자연치유가어려우며, 손상된부위는환자마다다름. 따라서환자맞춤형재생치료가필요 출처 : #2

16 1. 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 2) 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 MRI/ CT 조직손상 환자데이터추출 동일형상디자인및 3D 프린팅 조직손상부위이식 조직재생 출처 : #3

17 3) 3D 프린팅기술개요 1. 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 가상의 3D 디지털데이터를이용하여 3D 구조물을제작 2D 단면을제작하고이를적층하는방식으로매우복잡한형상의구조물제작이가능 광조형기술, 분사적층기술등다양한방식이존재

18 1. 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 4) 광조형기반 3D 프린팅 자외선레이저 광경화성수지 자외선이미지 출처 : #4 출처 : #5 빛에의해경화되는광경화성수지 ( 액체 ) 를이용 UV 레이저, 또는이미지를광경화성수지에조사하여선택적으로경화시킴으로써 2D 단면을제작하는방식 선스캐닝, 이미지투영등을이용

19 1. 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 5) 분사적층기반 3D 프린팅 시린지 공압스크류플런저 노즐 출처 : #6 출처 : #7 시린재내에탑재된액체상태의재료를노즐을통해서분사하여 2D 단면을제작하는방식 재료는종류에따라열을가하여녹이거나, 액체상태의재료를탑재하게됨 재료를분사하기위해공압, 플런저, 스크류등을이용

20 1. 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 6) CAD/CAM 기반환자맞춤형재생치료 STL format Loop construction Beam path generation Medical data (CT/MRI) 3D CAD Model CAD/CAM System Fabricated 3D Structure 3D Printing System Code Generation 출처 : #8

21 1. 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 7) 3D 프린팅을통해제작한다양한생체재료구조물 무릎관절연골 1 귀인공혈관망 2 치아 출처 : #9 출처 : #10 대퇴골후두 ( 목젖 ) 척추 3 출처 : #11

22 1. 환자맞춤형재생치료를위한 3D 프린팅 8) 3D 프린팅을이용한환자맞춤형치료사례 정상광대뼈와의대칭을통한함몰부형상모델생성 함몰된광대뼈로인해눈의평형이맞지않는환자함몰된광대뼈의재건이필요 3D 프린팅으로제작된환자맞춤형인공지지체 수술 3 달후

23 1) 우리몸의조직과장기 2. 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 세포조직장기 Cardiac muscle cells Skeletal muscle cells Tubule cells of the kidney Red blood cells Smooth muscle cells(in gut) 출처 : #12 출처 : #13 출처 : #14

24 2. 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 2) 3D 세포프린팅의필요성 인체내대부분의조직은두종류이상의세포가특정위치에배열되어있어각자세포자신의기능을수행하고주변세포와상호작용을함으로써그형태와기능을유지한다. 출처 : #15 출처 : #16 출처 : #17

25 3) 3D 세포프린팅기술 2. 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 3D 프린팅을이용하여세포및생체재료를함께프린팅하는기술 생체환경모사에용이하며, 세포친화도가우수 인공지지체기반조직공학의새로운대안 프린팅된내피세포의자가결합에의한혈관형성 출처 : #18 하지만, 세포와하이드로젤만으로는 3 차원구조물의제작이어렵기때문에형상유지및충분한물성을위한골격이필요

26 2. 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 4) 골 - 연골조직복원을위한디자인 무릎관절골 - 연골복합조직 무릎관절결손부위 세포를파종한일반생체재료구조체 출처 : #19 세포프린팅구조체 : 같은재료, 조직특이적성장인자 세포프린팅구조체 : 다른재료, 조직특이적성장인자 출처 : #20

27 2. 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 5) 3D 세포프린팅기술을이용한골 - 연골모사체제작 출처 : #21 세포프린팅구조체제작공정 열가소성생체고분자를이용하여틀을제작 뼈조직재생특이적재료 (atelocollagen) 및성장인자 (BMP-2) 를줄기세포와함께틀내부에분사 다음층제작을위해열가소성생체고분자를이용하여틀을제작 연골조직재생특이적재료 (CB-HA) 및성장인자 (TGF-β) 를줄기세포와함께틀내부에분사 연골조직재생특이적재료를가교시키기위한가교제 (DAH-HA) 분사

28 2. 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 6) 3D 세포프린팅기술을이용한골 - 연골조직복원 골-연골조직의결손 5 mm 5 mm Defect Group 1 Group 2 Group 3 Group 4 3D scaffold + cell 8 주후의연골조직생성정도를육안으로확인한결과, 골 - 관절조직을구성하는성분의하이드로젤이포함된세포프린팅구조체 (group4) 에서가장많은연골이재생됨 골 - 관절조직을구성하는성분의하이드로젤을이용한세포프린팅구조체가 8 주후에연골조직을가장많이형성함 이식체 < 조직학적관찰 (Massons trichrome 염색 )> 출처 : #22 출처 : #23 연골

29 2. 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 7) 3D 세포프린팅을위한바이오잉크 세포가봉입되어함께프린팅되는생체재료 재생하고자하는조직과유사한미세환경을제공하는것이관건 외부자극으로부터세포를보호 바이오잉크의조건 : 생체적합성, 적절한점성, 충분한기계적강도 출처 : #24 출처 : #25 출처 : #26 출처 : #27 출처 : #28 Hyaluronic acid/dextran Alginate/gelatin PEG/gelatin-based synthetic materials Me-HA/Me-Gel based synthetic materials

30 2. 장기기능복원을위한 3D 세포프린팅 8) 탈세포화조직유래바이오잉크 연골조직심장조직지방조직 Optical Histological 탈세포화조직유래바이오잉크의다양한물성 Viscosity at 15 C Gelation kinetics 50μm 100μ m 50μm 100μ m Mechanical properties * * 출처 : #29

31 자료출처 #1 조직의손상과자연치유, #2 손상된두개골의 3D 영상복원, M. Schieker, et al., European Journal of Trauma, No.2, 2006 #3 환자맞춤형조직재생과정, #4 광조형기반 3D 프린터, 박정훈외, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.38, #5 광경화성수지, J. H. Park, et al., Annals of biomedical engineering, 2016, #6 분사적층기반 3D 프린터, 박정훈외, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.38, #7 노즐의종류, J. H. Park, et al., Annals of biomedical engineering, 2016, #8 3차원영상과 3D 프린팅을사용한조직재생, 박정훈외, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.38, #9 인공무릎관절연골 3D 프린팅, J.-H. Shin, et al., J. Micromech. Microeng., Vol. 22, 2012 #10 인공혈관망 3D 프린팅, J. W. Jung, et al., IJPEM, Vol.13, 2012 #11 인공척추 3D 프린팅, H.-W Kang, et al., Biofabrication, Vol. 4, 2012 #12 체내의다양한세포들, #13 체내의다양한조직들,

32 자료출처 #14 체내의다양한장기들, #15 피부조직, #16 심장조직, #17 위장조직, #18 3D 프린팅을이용한혈관형성, V. Mironov, et al., Organ printing: Tissue spheroids as building block, Biomaterials, Vol.30,2009. #19 무릎관절조직, X. Li, et al., Biomimetic biphasic scaffolds for osteochondral defect repair, Regenerative Biomaterials,2015. #20 세포프린팅을이용한골 - 연골복합조직복원실험, J.-H. Shim, et al., Biofabrication,Vol.8, #21 세포프린팅기술을이용한골 - 연골모사체제작과정, J.-H. Shim, et al., Biofabrication,Vol.8, #22 골 - 연골조직의결손 #23 세포프린팅을이용한골 - 연골복합조직복원실험결과, J.-H. Shim, et al., Biofabrication,Vol.8, #24 바이오잉크, C. J. Ferris, et al., Bio-ink for on-demand printing of living cells, Biomaterial Science, Vol.1, 2013 #25 하이드로젤 - Hyaluronic acid/dextran, T. Vermonden et al. Biomacromolecules, 2011; #26 하이드로젤 - Alginate/gelatin, R. Zhang et al., J. of Bioactive and Compatible Polymers, 2005;

33 자료출처 #27 하이드로젤- PEG/gelatin-based synthetic materials, R. Shah et al., Advanced Materials, 2014; #28 하이드로젤- Me-HA/Me-Gel based synthetic materials, J. Butcher et al., Acta Biomaterialia, 2013 #29 탈세포와조직유래바이오잉크, F. Pati, et al., Nature Comm., Vol.5, 2014.

34 자연에서배우는자연모사기계 POSTECH 기계공학과도준상

35 [ 학습목차 ] 자연모사를위한기계공학원리 - 자연모사의필요성 - 자연모사의기계공학적접근 분석, 설계, 제조 - 자연모사제품개발 다양한자연모사기계 - 사막딱정벌레모사수분포집장치 - 구조색 미세구조와빛의상호작용에의한색의발현 - 구조색기반센서 자료준비 : POSTECH 김동성교수연구실

36 1. 자연모사를위한기계공학원리 1) 자연모사를통한공학적문제해결 출처 : #1 출처 : #2 물총새부리 신칸센열차 ( 물총새부리모사 ) 다이빙시물의저항 물튀김최소화 고속주행에따른공기저항 에너지손실및소음최소화 자연이갖는구조적특징 공학적해결책도출

37 2) 자연속특이한현상들 1. 자연모사를위한기계공학원리 출처 : #3 게코도마뱀은왜벽을잘탈까? 연잎은왜물에안젖을까? 출처 : #4 상어는왜물속에서빠를까? 출처 : #5

38 3) 자연내미세구조의중요성 1. 자연모사를위한기계공학원리 자연이갖는구조적특징 게코도마뱀발바닥 출처 : #6 연잎표면 출처 : #7 출처 : #8 상어비늘

39 4) 자연모사의기계공학적접근 1. 자연모사를위한기계공학원리 공학적접근 ( 체계화 ) 단순모방 자연 현상 이해, 분석 구현, 공정, 최적화 제품 < 상어의비늘구조 > < 상어비늘모방구조 > < 상어비늘구조적용수영복 > 출처 : #9 1 자연현상에대한분석과이해 기계공학 2 구조제작, 생산

40 2. 다양한자연모사기계 2) 사막딱정벌레 (Desert Beetle) 수분포집 출처 : #10 출처 : #11 물을구하기어려운사막에서독자적으로공기에서물을얻음 안개낀날바람부는쪽으로등을세우면등표면에있는돌기에물방울이맺힘

41 3) 사막딱정벌레수분포집원리 2. 다양한자연모사기계 딱정벌레등껍질표면 딱정벌레껍질에는친수성, 소수성부분이둘다존재 출처 : #12 소수성표면 친수성돌기 소수성표면 습도가높고바람에있는날 소수성표면 물방울붙지못하고움직임 친수성표면 움직이는물방울이맺힘 친수성돌기 딱정벌레입으로들어감

42 4) 사막딱정벌레수분포집모사 2. 다양한자연모사기계 딱정벌레등껍질표면원리를이용 등껍질구조와경사를이용하여물방울이잘맺히게함 출처 : #13 출처 : #14 딱정벌레등껍질의경사와공기중의수분을포집하는원리를활용 출처 : #15 사막에서물을얻을수있는 Dew bank bottle 를제작

43 2. 다양한자연모사기계 5) 구조색 미세구조와빛의상호작용에의한색의발현 자연속의화려한색상 생체의구조가을만든다? : 색채에의존하지않고물체의구조에의해나타나는유채색 출처 : #16

44 2. 다양한자연모사기계 6) 구조색의원리 염료색의원리 구조색의원리 백색광 θ θ 파란색빛의보강간섭 빨간색빛의상쇄간섭 염료의색상에해당하는빛만반사시키고, 이외의빛은흡수시켜색상을보임 계층적구조에의해빛의경로가달라지고, 특정길이의파장이보강간섭이되어세기가강해진파장의빛이우리눈에들어오게된다

45 2. 다양한자연모사기계 7) 푸른모르포나비구조색특성 공기중일때, 에탄올에젖었을때, 푸른모르포나비 (Morpho Butterfly) 출처 : #19 θ θ 공기 에탄올 출처 : #17 나무모양의미세구조 출처 : #18 날개속에스며드는액체의종류가달라지면, 유체층을통과할때파장의경로가달라져보강 간섭되는파장이변함

46 2. 다양한자연모사기계 8) 푸른모르포나비구조색모사가스센서 출처 : #20 출처 : #21 푸른모르프나비날개구조 날개모사인공구조 출처 : #22 인공기체센서 기체종류에따른색깔변화 푸른모르프나비날개구조를인공적으로모사하여다양한기체를감지할수있는센서개발

47 9) 장수풍뎅이표면구조색 2. 다양한자연모사기계 헤라클레스장수풍뎅이 (Hercules beetle) 습도가올라감에따라등껍질의나노크기의구멍에물이찬다 습도에변하는등껍질의색깔 굴절률이달라져색변화가생긴다 낮은습도굴절률 : 1, 높은습도굴절률 : 1.33 출처 : #23

48 2. 다양한자연모사기계 10) 장수풍뎅이표면구조색모사수분센서설계및제작 제작된다공성나노구조모델 물이차는나노사이즈의다공성구조 다공성나노구조모델제작방법 출처 : #24

49 2. 다양한자연모사기계 11) 장수풍뎅이표면구조색모사수분센서작동 마른상태 젓은상태 습도에따라색이변하는등껍질모사다공성나노구조제작 출처 : #25

50 자료출처 #1 물총새부리, #2 신칸센열차, #3 게코도마뱀발바닥, #4 연잎위의물방울, #5 상어의비늘, #6 전자현미경사진- 게코도마뱀발바닥, Autumn, K. (2006). How gecko toes stick. American Scientist 94, #7 전자현미경사진- 연잎위의물방울, Y-T Cheng and D Rodak, Appl. Phys. Lett , 2005 #8 전자현미경사진- 상어의비늘, #9 상어비늘구조적용수영복, #10 사막딱정벌레, #11 사막딱정벌레등에맺힌물방울, Water capture by a desert beetle, Andrew R. Parker et al, Nature 414, 2001 #12 전자현미경사진- 사막딱정벌레등의구조, Water capture by a desert beetle, Andrew R. Parker et al, Nature 414, 2001 #13 사막딱정벌레수분포집원리, [K-, Park et al.nature.2016]

51 자료출처 #14 사막딱정벌레수분포집원리, [K-, Park et al.nature.2016] #15 사막딱정벌레를모사한 dew bank bottle, #16 생체의다양한구조색, Jiyu Sun et al. RSC Adv., , #17 푸른모르포나비, #18 전자현미경사진- 푸른모르포나비의날개, Potyrailo et al. nature photonics., (2007) #19 구조색의변화, Jiyu Sun et al. RSC Adv., , #20 푸른모르포나비의날개구조, Potyrailo et al. Nature communicationi (2015) #21 푸른모르포나비날개모사인공구조, Potyrailo et al. Nature communicationi (2015) #22 인공구조를사용한기체센서, Potyrailo et al. Nature communicationi (2015) #23 장수풍뎅이표면의구조색과미세구조, Jae Hyun Kim et al., Applied physics Letters. 97, (2010) #24 장수풍뎅이표면의구조를모사한다공성나노구조, Jae Hyun Kim et al., Applied physics Letters. 97, (2010) #25 다공성나노구조를사용한수분센서, Jae Hyun Kim et al., Applied physics Letters. 97, (2010)

융합인재교육 ( S T E A M ) 프로그램 2

융합인재교육 ( S T E A M ) 프로그램 2 content 유리창청소부의추락사를막아라 03 04 유리창청소부의추락사를막아라! 09 젖지않고스스로깨끗해지는 17 얼마나작아야하는걸까? 27 마법의유리창만들기 은나노를활용한의류디자인하기 은나노를활용한의류디자인하기 44 43 패션에도새로운바람이분다 48 은은은색일까? 56 우리만의나노의류만들기 66 나노기술과함께더불어사는삶 81 82 나노기술과함께더불어사는삶