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문제 정의
- 본 연구에서는 비접촉식 DOD 방식의 피에조 구동형 잉크젯 프린팅 시스템을 이용하여 콜라겐을 마이크로스피어 형상으로 제작하는 기술을 개발하였다. 또한, 이를 이용하여 3차원 세포배양 기술인 HepG2 세포 담지 마이크로스피어(cell-laden microsphere)를 만드는 연구를 수행하였다.
제안 방법
- HepG 2 세포 배양액(culture medium)은 MEM(Eagle’s Minimum Essential Medium), 10% FBS(fetal bovine serum), 1% Non-Essential Amino Acids, 1% Sodium Pyruvate를 섞어서 제작하였다.
- HepG2 세포가 담지된 콜라겐 마이크로스피어의 제작을 위하여 콜라겐과 HepG2 세포의 혼합액을 잉크젯 프린팅하였다. 콜라겐 수용액과 HepG2 세포가 포함되어있는 배양액을 1:1 (wt%)의 비율로 혼합하여 잉크젯 프린팅 용기(reservoir)에 넣은 후, 50μm 크기를 가지는 잉크젯 프린팅 장치의 노즐을 통하여 광유 속으로 액적을 분사하였다.
- 1과 같이 구성하였다. 구성된 잉크젯 프린팅 장치는 LabVIEW 기반의 소프트웨어와 잉크젯 헤드 컨트롤러(inkjet head controller)를 통해 자동으로 액적의 분사 속도 및 크기를 제어하도록 설계되었다. 잉크젯 프린팅 장치의 용기(reservoir)는 수용액을 보관하며 잉크젯 헤드(inkjet head)로 수용액을 전달한다.
- 3축 스테이지는 스테이지 컨트롤러를 통하여 액적의 위치 제어에 사용되었다. 그리고 측면(side view) CCD 카메라는 액적 형성 관찰에 사용하였으며, 윗면(top view) CCD 카메라는 액적의 위치 관찰에 사용하였다.
- 본 연구에서는 비접촉식 DOD 방식의 피에조 구동형 잉크젯 프린팅 시스템을 이용하여 콜라겐을 마이크로스피어 형상으로 제작하는 기술을 개발하였다. 또한, 이를 이용하여 3차원 세포배양 기술인 HepG2 세포 담지 마이크로스피어(cell-laden microsphere)를 만드는 연구를 수행하였다.
- 본 연구는 비접촉식 DOD 방식의 피에조 구동형 잉크젯 프린팅을 이용하여 바이오 물질인 콜라겐 마이크로스피어를 제작하였다. 프린터 해드를 통하여 콜라겐 용액을 광유가 담겨있는 유리 샬레로 분사하여 마이크로 액적을 형성한 후 이를 겔화 함으로써 다양한 크기를 가지는 콜라겐 마이크로스피어를 제작할 수 있었다.
- 또한 잉크젯 프린팅 장치의 노즐을 쉽게 막는 현상이 발생하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 농도 30%를 가지는 액상 형태인 세포배양용 콜라겐 typeⅠ을 이용하여 마이크로스피어 및 HepG2 세포가 담지된 콜라겐 마이크로스피어를 제작하였다.
- 2(a)). 이러한 수용액의 증발문제를 해결하기 위하여 액적을 광유(mineral oil) 속으로 분사하여 증발을 최소화 하였다. 광유를 유리 샬레에 담은 후에 기판 대신 사용하였다.
- 콜라겐 수용액과 HepG2 세포가 포함되어있는 배양액을 1:1 (wt%)의 비율로 혼합하여 잉크젯 프린팅 용기(reservoir)에 넣은 후, 50μm 크기를 가지는 잉크젯 프린팅 장치의 노즐을 통하여 광유 속으로 액적을 분사하였다.
- 본 연구는 비접촉식 DOD 방식의 피에조 구동형 잉크젯 프린팅을 이용하여 바이오 물질인 콜라겐 마이크로스피어를 제작하였다. 프린터 해드를 통하여 콜라겐 용액을 광유가 담겨있는 유리 샬레로 분사하여 마이크로 액적을 형성한 후 이를 겔화 함으로써 다양한 크기를 가지는 콜라겐 마이크로스피어를 제작할 수 있었다.
- 실험에 사용된 잉크젯 헤드의 노즐(MD-K-140-778) 직경은 50μm 크기를 가지며 30~40μm 직경의 액적 분사가 가능하다. 피에조 구동전압을 잉크젯 헤드 컨트롤러를 통하여 70~150V 범위로 변화시키면서 형성된 액적을 관찰하였다. 3축 스테이지는 스테이지 컨트롤러를 통하여 액적의 위치 제어에 사용되었다.
대상 데이터
- 열적 구동은 노즐 안에 열을 가하면 기포가 발생하여 노즐 밖으로 액적을 분사시키는 방법이며, 피에조 구동방식은 압전소자에 전기를 가하여 변환되는 압력으로 모세관의 체적을 변화시켜 노즐 밖으로 액적을 분사시키는 방법이다.5,6 본 연구에서는 비접촉식 DOD 방식의 피에조 구동형 잉크젯 노즐을 이용하였다.
- 마이크로스피어의 제작에 사용된 콜라겐은 파우더 형태인 콜라겐(collagen typeⅣ; Sigma Aldrich)과 액상 형태인 콜라겐(Bovine collagen typeⅠ; BD bioscience)을 사용하였다. 파우더 형태의 콜라겐은 다양한 농도의 콜라겐을 만들기는 쉬우나 액상으로 녹이기 위한 시간이 걸린다.
- 2(d)는 광유 속에서 형성된 콜라겐 액적을 37℃ 워터 배스(water bath)에서 45분간 겔화하여 형성된 콜라겐 마이크로스피어의 이미지이다. 본 실험에서는 가시화를 위해 콜라겐에 염색염료(Blue Dye)를 섞어 사용하였다. 제작 된 콜라겐 마이크로스피어의 크기는 다양한 분포를 보였다.
- 실험에 사용된 노즐은 50μm 크기를 가지며, 콜라겐 마이크로스피어의 형성조건은 피에조 구동전압 T= 90V, 펄스폭 PL= 72μs, 구동주파수 F= 100Hz 이다.
- 실험에 사용된 잉크젯 헤드의 노즐(MD-K-140-778) 직경은 50μm 크기를 가지며 30~40μm 직경의 액적 분사가 가능하다.
성능/효과
- 광유를 유리 샬레에 담은 후에 기판 대신 사용하였다. 또한, 광유 속으로 분사된 콜라겐은 표면장력 효과로 인하여 액적의 형상을 유지할 수 있었다.
- 액적이 광유 안으로 들어가기 위해서는 광유의 표면장력을 극복할 수 있는 액적의 운동에너지가 필요하며, 또한 광유 안에 들어간 후에 액적의 깊이방향 위치는 광유의 점성(viscosity)과 액적의 운동에너지에 따라 영향을 받는다. 액적의 운동에너지는 피에조의 구동전압으로 조절 할 수 있으며, 구동전압이 작은 경우(T=70V) 액적이 광유 속으로 들어가지 못하고 광유의 표면에 형성됨을 확인하였다. 광유의 점성이 높으면 액적이 광유 속으로 들어가지 못하고 광유의 표면에 형성되기 때문에 광유의 점성은 낮을 수록 액적 형성이 유리하다.
- 측정 결과 콜라겐 마이크로스피어는 직경 100μm, 높이 80μm를 가지는 타원임을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 또한, 콜라겐에 HepG2 세포를 분산시킨 후에 잉크젯팅을 함으로써 세포가 담지된 마이크로스피어를 제작할 수 있었다. 세포가 담지된 마이크로스피어는 세포전달체로 적용될 수 있으며, 세포의 3차원 배양조건을 제공함으로써 보다 정확한 in vitro 세포배양 모델을 수립할 수 있어 추후 다양한 바이오 연구에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
- 5는 콜라겐을 겔화시킨 후 제작된 HepG2 세포가 담지된 콜라겐 마이크로스피어의 이미지이며, 콜라겐 안에 분포 된 HepG2 세포 수도 다양하게 들어가 있음을 확인 할 수 있다. 잉크젯의 주파수 특성상 노즐에서 분사된 액적이 병합하여 최종 액적을 형성하기 때문에 콜라겐 액적의 크기가 넓은 분포를 나타내었고, 일정한 수나 단수의 세포를 액적 안에 넣는 부분은 추가연구가 필요한 것으로 판단된다.
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