초록 ▼

본 연구에서는 지난 3년의 연구기간 동안 전기활성고분자(Electroactive polymer, 이하 EAP)의 특성을 이용해 생체 내 역학적 환경을 모사하고 기계적 자극을 제어할 수 있는 세포배양 시스템을 구축하여 조직의 발달과 발현세포의 표현형(Cell phenotype)을 제어하고자 하였다. 이를 달성하기 위해서는 최우선적으로 핵심재료인 EAP에 대한 기계적 물성 측정과 전기적 자극에 따른 EAP의 기본적인 거동 파악이 필수이므로 1차년도에는 “온도, 수분환경에서 일방향 인장, 응력완화, 크리프시험을 통한 EAP의 주요 기계적

본 연구에서는 지난 3년의 연구기간 동안 전기활성고분자(Electroactive polymer, 이하 EAP)의 특성을 이용해 생체 내 역학적 환경을 모사하고 기계적 자극을 제어할 수 있는 세포배양 시스템을 구축하여 조직의 발달과 발현세포의 표현형(Cell phenotype)을 제어하고자 하였다. 이를 달성하기 위해서는 최우선적으로 핵심재료인 EAP에 대한 기계적 물성 측정과 전기적 자극에 따른 EAP의 기본적인 거동 파악이 필수이므로 1차년도에는 “온도, 수분환경에서 일방향 인장, 응력완화, 크리프시험을 통한 EAP의 주요 기계적 특성의 측정”과 “전압공급 (ON/OFF)에 따른 EAP의 기계·전기적 거동과 다양한 변형률 속도 실험연구”를 주요 목표로 설정하여 연구를 진행하였다. 1차년도 연구를 통해 P(VDF-TrFE) copolymer와 유전성 탄성체, 그리고 기계·전기적 물성향상을 위해 점토입자(Organically modified montmorillonite, OMMT)를 첨가하여 제작한 OMMT-실리콘 복합재료를 생체모사 환경에 노출시키고 다양한 기계적 특성을 파악하였다. 또한 메카노규제 이론에 근거하여 세포 및 생체조직의 분화·성장과정을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 2차년도에는 1차년도에서 획득한 데이터베이스를 기반으로 “5~20% 수준의 대변형과 다양한 변형률 속도에 빠르게 대응하는 EAP 세포배양 장치 구성”과 “메카노규제 이론을 적용한 세포분화 거동의 유한요소 모델링 기법 연구”를 주요 연구목표로 설정하였다. 편향변형률에 기초한 메카노규제 이론을 가상의 골 조직에 적용하여 세포분화 예측을 시도하고자 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS (ver.6.10-1)를 사용하여 세포자극판과 조직의 기본적인 모델링을 수행하였다. 이와 더불어 기존의 EAP 액추에이터의 2차원 평면변형 거동의 단순성을 탈피하고 보다 더 다양한 3차원 거동을 유도하기 위해 요철구조를 가진 EAP 필름의 제조가능성을 확인하였으며 경질의 전극으로 인한 EAP 필름의 변형량 감소를 최소화하기 위해 신축성이 우수한 연성전극을 PEDOT:PSS에 자이리톨을 첨가하여 개발한 후 기계 및 전기적 성능평가를 수행하였다. 지난 2년간 구축해온 연구 결과들을 바탕으로 마지막 3차년도에는 “EAP 세포배양 장치를 이용한 다양한 역학적 환경에 따른 세포증식실험 및 관계 규명”과 “실제 EAP 거동에 대한 해석기법의 도입과 보완된 메카노규제 이론을 적용한 세포분화과정의 해석적 모사” 연구를 수행하였다. 실제 세포배양실험을 진행하기에 앞서 2차년도에 개발한 모델링 기법을 바탕으로 ABAQUS에서 제공하는 User's subroutine (UMAT)을 이용하여 조직에 가해지는 변형이력에 따른 표현형의 발현량을 분석하고 세포분화 정도를 상대적으로 예측하였다. 또한 OMMT-실리콘 복합재료의 다양한 조건에 따른 (Pre-stretching, OMMT 함량) 활성 변형률을 측정하였으며 실험 결과를 바탕으로 세포배양에 적합한 구동기의 형상과 제작 조건을 선정하였다. 액추에이터에서 발생하는 활성 변형률을 보다 용이하게 세포에 전달하기 위해 PDMS 필름을 사용하여 연성 세포배양 접시를 제작하였다. 기계적 자극을 제외한 다른 배양조건은 모두 동일하게 설정한 상태에서 실험군과 대조군을 나누어 배양을 진행하였으며 실험이 완료된 후 각 배양접시에서 세포를 수확하고 셀 카운팅과 면역 세포 화학 (Immunocyto-chemistry) 방법을 활용하여 EAP 동적 배양 시스템의 효과를 확인하였다. 자극의 주파수(1Hz, 3Hz)와 지속 시간(6hours, 12hours) 두 가지 실험 변수를 조절하면서 각 실험군의 생존률과 분화율을 확인하였다. 연성 세포배양접시를 사용하는 경우에도 기존의 플라스틱 배양접시와 유사한 수준의 생존률 확보가 가능함을 확인하였으며, 기계적 자극을 가한 경우 더 많은 중간엽줄기세포가 다른 형태로 분화하는 긍정적인 연구 결과를 도출하였다.
본 연구를 통해 EAP 액추에이터 설계 연구를 가속화 할 수 있는 기틀을 마련하였으며, 생적합성이 충분히 고려된 배양 시스템을 활용하여 실제 세포 및 조직을 배양하고 긍정적인 결과를 도출함으로써 EAP 액추에이터의 세포생물학 분야 활용 가능성을 확인하였다. 이와 더불어 EAP 액추에이터가 활용될 수 있는 다양한 산업 분야에서 참고가능한 설계 지침을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 지난 3년간 본 연구를 진행한 결과, 해외 우수 저널 논문게재(4편, 2015년 12월 게재논문 1편 포함), 국내 논문상 수상(2회), 그리고 고안한 세포배양장치 및 배양접시 구조의 국내특허 출원/등록 (5건) 및 해외특허출원(1건) 등 우수한 연구실적을 확보한 바 해당분야 핵심기술 확보가 성실히 이루어진 연구결과라고 판단된다.