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문제 정의
- 본 실험에서는 레이저 플루언스의 증가에 따른 혈관 벽 손상 및 천공과정에서 천공 및 절제 임계 플루언스가 혈관 내부의 혈액 특히 장파장에서 흡수가 매우 강한 헤모글로빈의 존재에 의하여 영향을 받는가와 혈관 두께가 혈관 천공 임 계치에 미치는 영향을 정량적으로 측정하고자 하였다. 한편 예측되는 임계치의 결과가 생체 내에서 절제된 혈관의 경우 적출한 개체 및 생물학적인 상태에 따라 혈관의 물리 화학적인 구성에 따라 매우 상이할 것으로 판단되어 다음과 같은 혈관 모사 시스템을 제작 사용하였다.
- 본 실험에서는 초고속 레이저를 이용하여 혈관 벽 절제 및 천공과정에서의 임계 레이저 플루언스 혈관 내부의 혈액의 존재, 특히 헤모글로빈의 존재에 의하여 영향을 받는가와 혈관 벽의 두께가 각각의 과정의 임계치에 미치는 영향을 정량적으로 측정하고자 하였다. 어블레이션 임계 플루언스는 유체와 직접 접촉하고 있는 PDMS 필름의 두께뿐만 아니라 유체의 종류에 대하여서도 영향을 받지 않고 있음을 알 수 있었으나, 천공과정에서의 임계치는 PDMS 필름과 직접 접촉하고 있는 유체의 종류에는 큰 영향을 받지 않으나 필름의 두께에는 큰 영향을 받는 것을 실험적으로 관찰하였다.
제안 방법
- 즉, 혈관을 모사한 미세 유체 디바이스를 제작하여 덮개로 사용된 PDMS (polydiemthylsiloxane) 필름에 .초고속 레이저를 집속하여 조사함으로써 환경을 조절하였다";
- 4개의 hemo group 을 가진 혈액 단백질인 헤모글로빈(Sigma, 0.025g/ml) 실험 군과 DI water 를 유체로 사용하는 대조군을 만들고, 채널이 있는 PDMS 위에 두 다른 두께의 PDMS 필름을 덮어 펨토초 레이저에 의한 절재와 천공 실험을 수행하였다. 이때 미세 유체 관(μ-chmnnel) 입구에 미디엄(medium)을 가득 채우고 출구 쪽은 면(cotton)을 접촉함으로써 미세 유체관에 유체가 계속적으로 흐르게 하여 혈관을 좀더 잘 모사할 수 있도록 하였다.
- 단일펄스 조건하에서 레이저 플루언스를 변화하며 레이저 빔을 PDMS 의 표면에 집속하여 어블레이션과 천공실험을 수행하였다. 결과물은 주사전자 현미경 (SEM, Hitachi, S-800)을 이용하여 어블레이션 직경을 측정하여 어블레이션 임계치를 결정하였으며, 레이저 조사된 PDMS 의 후면을 동일한 SEM 이미지를 관찰하여 천공 임계 플루언스를 결정하였다.
- 또한 레이저 파워는 한국표준과학연구원에서 교정된 ECPR(Laser probe, rsp- 590)를 이용하여 교정된 파워 미터(Coherent, OP2- vis) 로 측정하였다. 교정된 실험장치의 플루언스절대값은 실리콘 웨이퍼의 어블레이션 임계치를 결정함으로써 그 유용성을 확인하였다.
- 단일펄스 조건하에서 레이저 플루언스를 변화하며 레이저 빔을 PDMS 의 표면에 집속하여 어블레이션과 천공실험을 수행하였다. 결과물은 주사전자 현미경 (SEM, Hitachi, S-800)을 이용하여 어블레이션 직경을 측정하여 어블레이션 임계치를 결정하였으며, 레이저 조사된 PDMS 의 후면을 동일한 SEM 이미지를 관찰하여 천공 임계 플루언스를 결정하였다.
- 레이저의 플루언스는 ND 필터를 이용하여 조절하였다. 또한 레이저 파워는 한국표준과학연구원에서 교정된 ECPR(Laser probe, rsp- 590)를 이용하여 교정된 파워 미터(Coherent, OP2- vis) 로 측정하였다. 교정된 실험장치의 플루언스절대값은 실리콘 웨이퍼의 어블레이션 임계치를 결정함으로써 그 유용성을 확인하였다.
- 실험에 사용한 레이저는 증폭된 Ti:sapphire 레이저로써(Quantronix, USA) 15Ofs 의 펄스폭, 1kHz 반복률, 800nm 파장을 갖는다. 레이저 빔은 개구수(Numerical Aperture)가 0.4 값을 가지는 대물렌즈를 이용하여 PDMS 필름 표면에 초점을 맞춰 실험을 실행하였다. 1kHz 의레이저 펄스 열로부터 단일 펄스만을 뽑아 내기 위 해 열림 지 연 시간이 0.
- 한편 상판의 중간에는 직경 20mm 의 원형 모양을 천공하여 조사되는 레이저가 상판에 영향이 없도록 하였다. 미세 유체관을 형성하기 위하여 두께가 50jim 인 PDMS 필름에 너비 200pm 와 길이 30mm 의 직사각형 모양의 유로를 초고속 레이저 공정 법을 이용하여 저〕작하였다. Fig.
- 어블레이션 임계치 결정을 위하여 레이저 플루언스를 0.3-8 J/cm2 범위에서 조절하였다. Fig.
- 025g/ml) 실험 군과 DI water 를 유체로 사용하는 대조군을 만들고, 채널이 있는 PDMS 위에 두 다른 두께의 PDMS 필름을 덮어 펨토초 레이저에 의한 절재와 천공 실험을 수행하였다. 이때 미세 유체 관(μ-chmnnel) 입구에 미디엄(medium)을 가득 채우고 출구 쪽은 면(cotton)을 접촉함으로써 미세 유체관에 유체가 계속적으로 흐르게 하여 혈관을 좀더 잘 모사할 수 있도록 하였다. 또한 덮개로 사용된 PDMS 필름은 실험 전에 충분히 swelling 할 수 있도록 24시간 동안 증류수 속에 담가 두었다가 실험 직전에 사용하였다.
- 한편 예측되는 임계치의 결과가 생체 내에서 절제된 혈관의 경우 적출한 개체 및 생물학적인 상태에 따라 혈관의 물리 화학적인 구성에 따라 매우 상이할 것으로 판단되어 다음과 같은 혈관 모사 시스템을 제작 사용하였다. 즉, 혈관을 모사한 미세 유체 디바이스를 제작하여 덮개로 사용된 PDMS (polydiemthylsiloxane) 필름에 .
대상 데이터
- 각각의 대조군(Di wafer)과 실험군(헤모글로빈) 의 덮개로 사용한 PDMS 필름은 혈관의 상태를 고려하여 24시간 동안 물에 담가 완전히 젖은 상태로 나뉘어서 실험을 진행하였고 이에 이용된 10)Am 두께의 PDMS 는 총 19 개, 20nm 에서는 총 5 개를 사용하였다. 단일펄스 조건하에서 레이저 플루언스를 변화하며 레이저 빔을 PDMS 의 표면에 집속하여 어블레이션과 천공실험을 수행하였다.
- 1(c)에서 보여주고 있다. 실험에 사용한 레이저는 증폭된 Ti:sapphire 레이저로써(Quantronix, USA) 15Ofs 의 펄스폭, 1kHz 반복률, 800nm 파장을 갖는다. 레이저 빔은 개구수(Numerical Aperture)가 0.
- 단면의 세장비 (aspect ratio) 는 약 15 정도이다. 제작된 유로는 스핀코팅 (spinbating) 법으로 제작된 10um 및 20um의 두 다른 두께를 갖는 PDMS 필름을 덮개로 사용하여 미세유로를 완성하였다.
성능/효과
- (1) 혈관을 모사한 미세 유체관 내부의 유체가 DI water 에서 헤모글로빈으로 치환되는 경우에도 혈관 벽을 모사한 PDMS 필름의 절제 및 천공에 관여하는 임계 플루언스에는 영향을 미치지 못한다.
- (2) 또한 혈관 벽의 초고속레이저를 이용한 천공 과정에서 적어도 레이저 파워를 낮은 상태에서 유지하는 경우 열적인 손상기작의 관여는 거의 없이 광학적인 어블레이션 기작이 주로 관여하여 열적-기계적인 손상을 최소화하며 초미세 혈관 수술이 가능하다.
- (3) 혈관벽의 손상의 정도는 잘 알려진 광학적인 침투에 의한 어블레이션 기작 만으로도 어느 정도 예측 가능하다.
- 레이저 플루언스가 증가함에 따라 먼저 망막의 내부 한계층(inner limiting layer)이 최초 절제되고, 다음에는 혈관의 일부분이 어블레이션 되고 마침내 혈관이 천공이 일어난다’ 이때 혈관 아래 부분을 구성하고 있는 망막 내부 층에서는 어떠한 손상도 주지 않고 혈관만을 선택적으로 천공할 수 있음을 확인하였다.5 이상의 일련의 과정에서 관측되는 초고속 레이저 유발 절제 및 천공에 관여하는 임계 플루언스와 변화 정도와 잘 일치함을 보여 주었다.
- 측정하여 보고하였다. 레이저 플루언스가 증가함에 따라 먼저 망막의 내부 한계층(inner limiting layer)이 최초 절제되고, 다음에는 혈관의 일부분이 어블레이션 되고 마침내 혈관이 천공이 일어난다’ 이때 혈관 아래 부분을 구성하고 있는 망막 내부 층에서는 어떠한 손상도 주지 않고 혈관만을 선택적으로 천공할 수 있음을 확인하였다.5 이상의 일련의 과정에서 관측되는 초고속 레이저 유발 절제 및 천공에 관여하는 임계 플루언스와 변화 정도와 잘 일치함을 보여 주었다.
- 있다. 본 연구의 결과로부터 초고속 레이저를 이용한 수술에서 절제 혹은 제거되는 조직의 깊이는 식 (3)에서 보여주는 바와 같이 어블레이션 임계 플루언스 및 광침투 깊이(6)로 매우 간단하게 예측할 수 있다. 특히 레이저 플루언스의 증가에 따라 제거되는 조직의 깊이가 동일한 함수이므로 잘 조절된 레이저 에너지 조사를 통하여 절제 깊이를 매우 정교하게 제어할 수 있을 것이다.
- 측정하고자 하였다. 어블레이션 임계 플루언스는 유체와 직접 접촉하고 있는 PDMS 필름의 두께뿐만 아니라 유체의 종류에 대하여서도 영향을 받지 않고 있음을 알 수 있었으나, 천공과정에서의 임계치는 PDMS 필름과 직접 접촉하고 있는 유체의 종류에는 큰 영향을 받지 않으나 필름의 두께에는 큰 영향을 받는 것을 실험적으로 관찰하였다.
- 한편 PDMS 의 두께가 20nm 인 경우의 레이저 플루언스에 대한 레이저 스폿 크기의 의존성은 전체적으로 10|im 두께의 PDMS 기판의 경우와 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 즉, 20nm 의 두께의 PDMS 에서 임계치값은 유체가 DI water 인 경우와 헤모글로빈의 경우 각각 약 1.2 J/cm2 과 1.4 J/cm2 으로 확인되었다.
- 그러나 또 다른 실험군에서는 이상의 SEM 이미지상 레이저스폿이 2J/cn? 이상의 경우에서만 관찰되기도 한다. 한편, DI water 를 유체로 사용한 경우에도 스폿이 관찰되는 경향 및 스폿 크기의 플루언스 의존성은 헤모글로빈의 경우와 거의 동일한 것으로 확인할 수 있었다.
후속연구
- (4) 마지막으로 가장 중요한 사항은 이상의 결과를 이용하여 혈관벽의 두께가 각기 다른 종류의 혈관에 대한 천공을 레이저 플루언스를 제어함으로써 매우 선택적으로 수행할 수 있을 것으로 예즉된다.
- 특히 레이저 플루언스의 증가에 따라 제거되는 조직의 깊이가 동일한 함수이므로 잘 조절된 레이저 에너지 조사를 통하여 절제 깊이를 매우 정교하게 제어할 수 있을 것이다. 이러한 초고속레이저 수술법을 이용하여 얇은 벽을 갖는 비정상적인 혈관만을, 비교적인 두꺼운 벽을 갖는 정상적인 혈관의 천공을 피하면서도 선택적이고 안전하게 제거 및 절제하는 수술에 매우 효과적일 수 있을 것으로 예측이 가능하다.
- 본 연구의 결과로부터 초고속 레이저를 이용한 수술에서 절제 혹은 제거되는 조직의 깊이는 식 (3)에서 보여주는 바와 같이 어블레이션 임계 플루언스 및 광침투 깊이(6)로 매우 간단하게 예측할 수 있다. 특히 레이저 플루언스의 증가에 따라 제거되는 조직의 깊이가 동일한 함수이므로 잘 조절된 레이저 에너지 조사를 통하여 절제 깊이를 매우 정교하게 제어할 수 있을 것이다. 이러한 초고속레이저 수술법을 이용하여 얇은 벽을 갖는 비정상적인 혈관만을, 비교적인 두꺼운 벽을 갖는 정상적인 혈관의 천공을 피하면서도 선택적이고 안전하게 제거 및 절제하는 수술에 매우 효과적일 수 있을 것으로 예측이 가능하다.
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