DRIE 공정을 적용한 SU-8 캔틸레버 어레이의 제작 및 심근세포 수축성 평가 = Fabrication of a DRIE-Based SU-8 Cantilever Array and Evaluation of Cardiomyocyte Contractility

국문 초록 (Abstract)

심장질환은 전 세계 사망 원인 중 가장 높은 비중을 차지하며, 신약 개발 과정에서도 안전성 및 효용성 검증에 많은 시간과 비용이 소요된다. 특히 초기 후보 물질의 상당수가 심근 독성 문제로 탈락하고 있어, 신뢰성 있는 In-vitro 모델의 필요성이 강조되고 있다. 본 연구에서는 심근세포의 수축 특성을 정밀하게 측정할 수 있는 SU-8 기반 캔틸레버 어레이를 제안하고, 그 기계적 및 전기적 특성을 종합적으로 평가하였다. 기존의 캔틸레버 센서는 수작업 기반 분리 공정으로 인해 제작 안정성 및 재현성 부족 등의 한계를 지니고 있었다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 Deep Reactive Ion Etching(DRIE) 공정을 적용하여 캔틸레버와 바디를 동시에 형성함으로써 후공정에서 발생하는 손상을 최소화하고, 높은 균일성과 수율을 확보하였다. 또한, SU-8 캔틸레버 상에 금속 스트레인 센서를 집적하여 세포 수축에 따른 미세 변위를 전기적 신호로 안정적으로 변환할 수 있도록 구현하였다. 제작된 캔틸레버 어레이는 온도 및 배양액 환경에서의 신호 안정성, 변위에 따른 저항 및 전압 변화, 세포 배양 실험 등 다양한 평가를 통해 기초 특성을 검증하였다. 본 캔틸레버 어레이는 DRIE 기반 고수율 제작 기술을 바탕으로 심근세포의 기계적 반응을 정확하게 측정할 수 있는 유효한 도구임을 입증하였으며, 향후 세포 수축 특성을 실시간 전기적 신호 형태로 직접 측정하는 시스템으로 확장될 수 있는 기반을 제공한다. 이러한 특성은 본 캔틸레버 어레이가 심근 독성 평가, 약물 반응 모니터링, 심장질환 관련 메커니즘 연구 등 다양한 후속 응용 연구에 적용될 수 있는 기반을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cardiovascular diseases remain the leading cause of mortality worldwide, and the development of new therapeutics requires substantial time and cost, particularly due to stringent safety and efficacy evaluations. A significant proportion of early-stage drug candidates fail because of cardiotoxicity, underscoring the need for reliable in-vitro models. In this study, we propose an SU-8–based cantilever array capable of precisely quantifying the contractile behavior of cardiomyocytes, and we comprehensively evaluate its mechanical and electrical characteristics. Conventional cantilever sensors often suffer from limited fabrication stability and reproducibility due to manual release steps. To address these limitations, we employed a Deep Reactive Ion Etching (DRIE) process to simultaneously define the cantilever and supporting body, thereby minimizing post-processing damage and ensuring high uniformity and yield. A metal strain sensor was integrated onto the SU-8 cantilever to enable stable conversion of cellular contractions into measurable electrical signals. The fabricated cantilever array was validated through a series of assessments, including signal stability under temperature and culture medium conditions, resistance and voltage changes with displacement, and cell culture experiments. The results demonstrate that the proposed DRIE-based cantilever array provides a robust tool for accurately evaluating the mechanical responses of cardiomyocytes and establishes a foundation for future systems capable of real-time electrical monitoring of cellular contractile activity. These characteristics support the cantilever array’s potential applicability in cardiotoxicity screening, drug response monitoring, and mechanistic studies related to cardiac diseases.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 1
• 나. 연구 동향 2
• 다. 연구 내용 및 방법 3
• 2. 본론 4
• 가. SU-8 캔틸레버 어레이의 설계 4
• 나. SU-8 캔틸레버 어레이의 제작 8
• 3. 결과 및 고찰 18
• 가. SU-8 캔틸레버 어레이의 제작성 평가 18
• 나. SU-8 캔틸레버 어레이의 기초 특성 평가 19
• 1) 온도 환경에서의 변화 실험 19
• 2) 배양액 환경에서의 변화 실험 21
• 3) 변위에 따른 저항 변화 실험 22
• 4) 변위에 따른 전압 변화 실험 24
• 다. SU-8 캔틸레버 어레이의 세포 실험 결과 30
• 4. 결론 및 향후 계획 33
• 가. 결론 33
• 나. 향후 계획 34
• 참고문헌 35
• Abstract(영문초록) 38