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시간 분해 직렬 펨토초 결정학을 위한 3차원 프린팅 기반의 초고속 믹싱 및 인젝팅 시스템
지인서 ( Inseo Ji ),강전웅 ( Jeon-woong Kang ),김태영 ( Taeyung Kim ),강민서 ( Min Seo Kang ),권순범 ( Sun Beom Kwon ),홍지우 ( Jiwoo Hong ) 한국화학공학회 2022 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.60 No.2
매우 짧은 펄스 폭의 X선 자유전자 레이저(XFEL)를 이용한 시간 분해능 연속 펨토초 결정학(time-resolved serial femtosecond crystallography, TR-SFX)기법에서 반응 물질과 생체분자 결정 샘플간의 혼합률(mixing rate)과 결정 샘플과 X선 레이저 간의 충돌률(hit rate)은 생체분자의 시분해 구조 변화에 대한 정확한 이미지 획득 및 효율적인 샘플 소비와 같은 TR-SFX의 분석 성능을 결정짓는 핵심인자이다. 본 연구에서는 극초단 내 일어나는 생체분자의 시분해 구조 변화 해석을 위해 초고속 믹싱 기능을 가짐과 동시에 공압 기반의 주문형 액적 젯팅이 가능한 두 가지 다른 방식의 샘플 전달시스템을 고안하였다. 한 방식은 이중 노즐을 통해 토출된 액적의 고속 충돌에 유발된 관성 믹싱을 기반으로 하고 있으며, 다른 방식은 마이크로믹서가 내장된 공압 젯팅을 기반으로 하고 있다. 먼저, 이중 노즐을 통해 토출된 액적의 충돌에 대한 동적 거동 및 액적 내부 관성 유동에 대한 믹싱에 대한 실험 및 수치해석적 연구를 수행하였다. 다음으로 마이크로믹서가 내장된 공압 젯팅 시스템의 성능을 유사한 방법을 통해 평가하였다. 본 연구에서 개발한 샘플 전달시스템은 질환을 유발하는 특정 단백질들의 기작을 규명하거나, 항체 의약품과 신약 후보 물질 탐색하는 데 있어 필수적인 3차원 생체 분자 구조분석 연구에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다. Time-resolved serial femtosecond crystallography (TR-SFX) is a powerful technique for determining temporal variations in the structural properties of biomacromolecules on ultra-short time scales without causing structure damage by employing femtosecond X-ray laser pulses generated by an X-ray free electron laser (XFEL). The mixing rate of reactants and biomolecule samples, as well as the hit rate between crystal samples and x-ray pulses, are critical factors determining TR-SFX performance, such as accurate image acquisition and efficient sample consumption. We here develop two distinct sample delivery systems that enable ultra-fast mixing and on-demand droplet injecting via pneumatic application with a square pulse signal. The first strategy relies on inertial mixing, which is caused by the high-speed collision and subsequent coalescence of droplets ejected through a double nozzle, while the second relies on on-demand pneumatic jetting embedded with a 3D-printed micromixer. First, the colliding behaviors of the droplets ejected through the double nozzle, as well as the inertial mixing within the coalesced droplets, are investigated experimentally and numerically. The mixing performance of the pneumatic jetting system with an integrated micromixer is then evaluated by using similar approaches. The sample delivery system devised in this work is very valuable for three-dimensional biomolecular structure analysis, which is critical for elucidating the mechanisms by which certain proteins cause disease, as well as searching for antibody drugs and new drug candidates.
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유수분리를 위한 3D 프린팅 기술 기반의 마이크로하이드로사이클론
김주완 ( Joowan Kim ),김원진 ( Won Jin Kim ),박승 ( Seung Park ),박채리 ( Cherry Park ),유정흠 ( Jung Heum Yoo ),지인서 ( Inseo Ji ),강전웅 ( Jeon-woong Kang ),김태영 ( Taeyung Kim ),홍지우 ( Jiwoo Hong ) 한국화학공학회 2022 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.60 No.2
생활 폐수나 산업 폐수에 포함된 오일이나 해양 유출유 등은 수질오염 및 생태계 파괴 등의 심각한 환경오염 문제를 야기하고 있다. 대표적인 유수분리기술인 필터(또는 멤브레인)를 사용하는 경우에 분리막의 파울링, 낮은 처리용량 등의 기술적 제약이 있다. 본 연구에서는 원심력을 이용하여 유체내의 입자상 물질이나 밀도가 다른 액체-액체 혼합물을 분리하는 장치인 하이드로사이클론의 장점을 활용하며, 동시에 분리 효율을 증대시키 위하여 고해상도의 3D 프린팅 기술을 도입하여 스케일 다운된 마이크로하이드로사이클론을 제작하였다. 본 연구에서 개발한 마이크로하이드로사이클론을 통해 탈이온수와 올리브유로 이루어져 있는 수중유상 에멀젼을 효과적으로 분리할 수 있음을 증명하였다. Oil contained in domestic and industrial wastewater or marine spilled oil gives rise to severe environmental pollution issues such as water pollution and ecosystem destruction. The membrane filtration method as one of representative oil/water separation strategies has technological challenges such as membrane fouling and low separation rate. In this work, we devise a 3D-printed microhydrocyclone for oil/water separation by utilizing a digital lighting processing-based 3D printer. We demonstrate that the 3D-printed microhydrocyclone can effectively separate oil and water phases from oil-in-water emulsion.
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코로나-19 보호용 페이스 마스크에서의 액적 고속 충돌 거동
최재원 ( Jaewon Choi ),이동호 ( Dongho Lee ),어지수 ( Jisu Eo ),이동근 ( Dong-geun Lee ),강전웅 ( Jeon-woong Kang ),지인서 ( Inseo Ji ),김태영 ( Taeyung Kim ),홍지우 ( Jiwoo Hong ) 한국화학공학회 2022 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.60 No.2
코로나 팬데믹 시대에서 비말(respiratory droplet)을 통한 감염 및 확산을 막기 위해 마스크는 없어서는 안 될 생활 필수품이 되었다. 본 연구에서는 두 가지 다른 타입의 마스크(KF-94 마스크와 덴탈 마스크)가 비말 차단에 얼마나 효과적인지를 파악하기 위하여, i) 각각의 마스크를 구성하고 있는 필터의 젖음성(wettability) 특성을 분석하고, ii) 필터 표면에 빠른 속도로 충돌하는 미소 액적의 동적 거동 특성을 실험적으로 관찰하였다. 각 필터의 구성 재료에 따라 상반된 젖음성 특성, 소수성(hydrophobicity) 또는 친수성(hydrophilicity)을 보임을 확인하였다. 또한, 일정 체적을 갖는 미소 액적을 안정적으로 토출하는 공압 조건을 탐색하고 액적의 충돌 속도 변화에 따른 액적 충돌 거동 변화를 분석하였다. 마스크를 구성하고 있는 필터의 종류와 액적 충돌 속도에 따라 i) 필터를 통과하지 못하거나(no penetration), ii) 필터에 포획(capture)되거나, iii) 필터를 통과(penetration)하는 등의 다른 충돌 후 거동을 보임을 확인하였다. 이러한 결과들은 비말 차단용 마스크 디자인에 있어 매우 기본적이고 유용한 정보를 제공할 뿐만 아니라, 다양한 다공성 표면에서의 액적 거동에 대한 학문적 연구에도 도움이 될 것으로 판단된다. Facial masks have become indispensable in daily life to prevent infection and spread through respiratory droplets in the era of the corona pandemic. To understand how effective two different types of masks (i.e., KF-94 mask and dental mask) are in blocking respiratory droplets, i) we preferentially analyze wettability characteristics (e.g., contact angle and contact angle hysteresis) of filters consisting of each mask, and ii) subsequently observe the dynamic behaviors of microdroplets impacting at high velocities on the filter surfaces. Different wetting properties (i.e., hydrophobicity and hydrophilicity) are found to exhibit depending on the constituent materials and pore sizes of each filter. In addition, the pneumatic conditions for stably and uniformly dispensing microdroplets with a certain volume and impacting behaviors associated with the impacting velocity and filter type change are systematically explored. Three distinctive dynamics (i.e., no penetration, capture, and penetration) after droplet impacting are observed depending on the type of filter constituting the masks and droplet impact velocity. The present experimental results not only provide very useful information in designing of face masks for prevention of transmission of infectious respiratory diseases, but also are helpful for academic researches on droplet impacts on various porous surfaces.
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