SLA 3D 프린팅 방식 기반의 미세 유체 시스템 제작을 위한 소수성 표면 처리 연구

임도진,허재욱,배서준 한국화학공학회 2024 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.62 No.1

SLA (Stereo Lithography Apparatus) 방식은 액체 상태의 광경화성 레진(Resin)이 자외선 레이저에 닿으면 고체가되는 원리를 활용한 3D 프린팅 방식으로 다양한 분야에서의 활용도가 증가하고 있다. 본 연구에서는 이 SLA 3D 프린팅 출력물의 표면 특성 중 소수성과 투명도를 개선하여 미세 유체 시스템의 제작에 활용하기 위한 기초 연구를 수행하였다. SLA 출력물은 소수성 코팅 방법을 이용해 표면 소수성의 특성을 개선할 수 있었으나, 소수성 코팅 방법의종류에 따라 다양한 환경에서의 코팅 유지력은 차이를 보였다. 또한, 미세 유체 시스템의 제작에 요구되는 충분한 투명도와 소수성의 특성을 함께 확보하기 위해 선행된 연구에서 제안한 투명도 확보 방법에 소수성 코팅을 적용하여 접촉각의 변화를 비교하였다. Teflon 코팅법이 이산화 티타늄 코팅법과 비교하여 우수한 투명도의 확보가 가능하며, 다양한 환경에 노출되었을 때 높은 코팅의 유지력을 가져 미세 유체 시스템의 제작에 활용되기에 적합한 소수성 코팅법으로 제안되었다. 마지막으로 본 연구를 통해 제안된 미세 유체 시스템의 제작에 적합한 소수성 코팅 방법인 Teflon 코팅법 중 Fluoropel 800을 이용하여 디지털 미세 유체 시스템 중 하나인 액적 접촉 충전 현상(Electrophoresis of Charged Droplet, ECD) 칩을 SLA 3D 프린팅으로 제작, 액적의 조작을 성공적으로 시연함으로써 SLA 3D 프린팅 기술의 미세유체 시스템의 제작에 활용 가능성을 확인하였다. The SLA (Stereolithography Apparatus) method is a type of 3D printing technique predicated on the transformation of liquid photocurable resin into a solid form through UV laser exposure, and its application is increasing in various fields. In this study, we conducted research to enhance the hydrophobicity and transparency of SLA 3D printing surfaces for microfluidic system production. The enhancement of surface hydrophobicity in SLA outputs was attainable through the application of hydrophobic coating methods, but the coating durability under different conditions varied depending on the type of hydrophobic coating. Additionally, to simultaneously achieve the required transparency and hydrophobic properties for the fabrication of microfluidic systems, we applied hydrophobic coatings to the proposed transparency enhancement method from prior research and compared the changes in contact angles. Teflon coating was proposed as a suitable hydrophobic coating method for the fabrication of microfluidic systems, given its excellent transparency and high coating durability in various environmental conditions, in comparison to titanium dioxide coating. Finally, we produced an Electrophoresis of Charged Droplet (ECD) chip, one of the digital microfluidics systems, using SLA 3D printing with the proposed Teflon coating method (Fluoropel 800). Droplet manipulation was successfully demonstrated with the fabricated chip, confirming the potential application of SLA 3D printing technology in the production of microfluidic systems.

비전도성 매질 내 이온성 액체 액적의 충전 현상

임도진 한국청정기술학회 2014 청정기술 Vol.20 No.4

Ionic liquid (IL) is a salt presents in a liquid form at room temperature. Recently, it attracts huge attention due to itspossibilities as a clean solvent, electrolyte, and catalyst. In the present work, the charging behavior of six different ILs wereinvestigated using droplet contact charging phenomenon in a dielectric medium. Basically, the charging of an IL droplet can beexplained by a perfect conductor theory. However, there were several different features depending on the species of ions of ILs,which requires rigorous molecular level modeling of charge transport through electrochemical reaction of IL. We hope the presentresults contribute to build up fundamental understanding of electrochemical charge transport of IL. 이온성 액체는 상온에서 액체로 존재하는 이온성염으로 최근 청정 공정에 사용될 수 있는 용매, 전해질, 촉매로써 주목받고있다. 본 연구에서는 비전도성 매질 내 액적의 접촉 충전 현상을 이용하여 여섯 가지 서로 다른 이온성 액체에 대한 충전 거동을 고찰하였다. 이온성 액체 액적의 충전 현상은 이전 수용 액적의 충전 현상과 유사한 특징을 나타내었으며 기본적으로완전 도체 이론으로 설명이 가능하였다. 하지만 이온 종류에 따른 상세 거동은 다소의 변화가 관찰되었다. 본 연구의 결과는청정 용매 및 촉매로 각광 받고 있는 이온성 액체의 전기화학적 특성을 이해하고 분석하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Next generation digital microfluidic technology: Electrophoresis of charged droplets

임도진 한국화학공학회 2015 Korean Journal of Chemical Engineering Vol.32 No.6

Contact charging of a conducting droplet in a dielectric medium is introduced as a novel and useful digital microfluidic technology as well as an interesting scientific phenomenon. The history of this phenomenon, starting from original observations to its interpretations and applications, is presented. The basic principle of the droplet contact charging is also presented. Several fundamental aspects of the droplet contact charging from view points of electrochemistry, surface science, electrocoalescence, and electrohydrodynamics are mentioned. Some promising results for future applications and potential features as a next generation digital microfluidic technology are discussed, especially for 3D organ printing. Finally, implications and significance of the proposed technology for chemical engineering community are discussed.

디지털 전기천공을 이용한 미세조류 내 단백질 전달 연구

임도진,Im, Do Jin 한국화학공학회 2018 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.56 No.1

본 연구에서는 기 개발된 액적 접촉충전 기반의 디지털 전기천공 기술을 이용해 미세조류에 단백질을 전달하는 연구를 수행 하였다. Chlamydomonas reinhardtii 중 세포벽이 존재하는 야생종 cc-125에 적용한 결과, 살아 있는 세포의 핵 내부로 형광 단백질 GFP가 10% 이상의 비교적 높은 효율로 전달될 수 있음을 확인하였다. 또한 인가 전기장의 크기 변화에 따른 단백질 전달 효율을 살펴봄으로써 최적의 단백질 전달 효율을 위한 전기천공 전기장 조건을 도출하였다(960 V/cm). 전달 물질의 크기에 따른 영향 분석을 위해 추가로 수행한 핵산 염색 형광 염료 Yo-Pro-1의 전달 특성 분석 결과, 크기에 따른 차이가 존재함에도 최적의 전달 효율을 나타내는 인가 전기장의 세기 조건은 매우 유사한 경향을 보였다. 마지막으로 본 연구 결과의 의미 및 크리스퍼 유전자 가위 기술의 적용 등 향후 활용방안에 대해서 논의하였다. In the present study, we performed electroporation to deliver protein into microalgae using previously developed digital electroporation system. Green fluorescence protein was successfully delivered into a live microalgae cell nucleus without cell wall removal. By investigating the effects of applied voltage on the protein delivery efficiency, optimal electroporation electric field condition was found (960 V/cm). We also investigated the delivery of Yo-Pro-1 into cell to examine the size effects of delivered materials and found that there is little size effects on the optimal condition. Finally, the implications of the present results and future work are discussed.

신진연구자 컬럼 : 액적 접촉충전 현상의 원리와 응용

임도진 한국화학공학회 2014 NICE Vol.32 No.6

액적 접촉충전 기반 디지털 미세유체 시스템

임도진 한국생물공학회 2015 BT NEWS Vol.22 No.1

디지털 미세유체를 이용한 미세녹조류 형질전환에서의 세포벽의 영향 분석

임도진(Do Jin Im) 한국청정기술학회 2015 청정기술 Vol.21 No.2

디지털 미세유체 전기천공 시스템을 활용하여 미세녹조류에 대한 형질전환 실험을 통해 기존 상용화 장치 대비 높은 유전자 전달 효율과 세포 생존도를 확인하였다. 전기천공의 주요 파라미터인 인가전압 및 인가시간 변화를 주며 세포벽이 존재하는 세포종과 세포벽이 없는 세포종에 대한 비교 실험을 수행하였다. 이를 통해 식물 세포의 전기천공에서 세포벽의 역할은 단순히 유전체의 전달을 방해하는 부정적 요소로만 작용하지 않는 다는 사실을 확인하였다. 병렬화 및 온 칩 세포 배양 등을 통해 제안된 디지털 전기천공 기술이 향후 새로운 청정 형질전환 방법으로써의 가능성도 확인하였다. Digital microfluidic electroporation system was used for the transformation of microalgae and we have obtained higher transformation efficiency and viability than that of conventional method. Key parameters of electroporation such as pulse voltage, number, and duration time were systematically investigated for two different microalgal strains with and without cell wall. We have found that cell wall does not always have negative effects on the gene transformation of microalgae. Parallel processing of proposed digital microfluidic electroporation was demonstrated together with on chip culture of microalgae.

[테마기획 - N-BT 융합기술] 마이크로 및 나노 유동학

강인석,임도진 대한기계학회 2004 기계저널 Vol.44 No.10

전기천공시스템에서 Propidium Iodide와 Yo-Pro-1의 농도에 따른 세포 생존율과 전달효율 평가

배서준,임도진 한국화학공학회 2019 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.57 No.6

In this study, basic research was conducted to provide guidelines for selecting fluorescent dye and using proper concentration of fluorescent dye to use evaluation of cell viability and fluorescent dye delivery efficiency. Propidium iodide and Yo-Pro-1 were used as fluorescent dyes. In the evaluation of cell viability and the efficiency of delivery using Propidium Iodide and Yo-Pro-1, the histogram of each fluorescent dye was different depending on the type of fluorescent dye and the concentration used. These results were related to the characteristics of the fluorescent dyes used. This was related to the properties of the fluorescent dyes used. From these results, it was found that the analytical results depending on the characteristics of the fluorescent dyes used in the cell analysis. The effect of the fluorescent dye on the cell was confirmed, but it was confirmed that it did not affect the analysis result. In addition, the influence of interference between fluorescent signals was confirmed when two or more kinds of fluorescent dyes were used for analysis. The higher the concentration of Yo-Pro-1 was, the larger the effect of interference was, and the concentration of Propidium Iodide did not affect the interference of fluorescence signal. This study confirmed that the evaluation of the cell viability and the evaluation of the delivery efficiency were influenced by the type and concentration of the fluorescent dyes and it was related to the characteristics of the fluorescent dyes. Based on the results, appropriate concentrations of fluorescent dyes suitable for evaluation of cell viability and delivery efficiency were suggested. Key words: Fluorescent dye, Propidium Iodide, Yo-Pro-1, Cell viability 본 연구에서는 전기천공시스템에서 형광 염료를 사용한 세포 생존율 평가와 형광 염료를 전달 물질로 하여 세포 내부로의 전달 효율 평가를 통해 세포의 생존율과 전달 물질의 전달 효율 평가에 사용하기 적합한 형광 염료의 선정 및사용에 적절한 농도에 대한 가이드라인을 제시 할 수 있는 기초 연구를 수행하였다. 형광 염료로는 Propidium Iodide 와 Yo-Pro-1을 사용하였다. Propidium Iodide과 Yo-Pro-1을 사용한 세포 생존율 평가와 전달 효율의 평가에서 각 형광염료의 유세포 분석 히스토그램의 모양은 형광 염료의 종류와 사용한 농도에 따라 다른 것을 확인하였다. 이는 사용하는 형광 염료의 특성과 연관이 있는 것으로 이 결과를 통해 세포 분석에 사용하는 형광 염료의 특성에 따라 분석 결과가 달라지는 것을 알 수 있었다. 형광 염료 자체가 세포 생존률에 미치는 영향은 크지 않음을 확인하였다. 또한 두종류 이상의 형광 염료를 사용하여 분석을 하는 경우 발생할 수 있는 형광 신호 간의 간섭 영향을 확인하였다. 간섭의영향은 Yo-Pro-1의 농도가 높을수록 큰 것으로 확인되었으며 Propidium Iodide의 농도는 형광 신호의 간섭에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 본 연구를 통해 형광 염료의 종류와 농도에 따라 세포 생존율 평가와 전달 효율의 평가결과가 영향을 받는 것을 확인했으며 이는 형광 염료의 특성과 연관이 있는 것으로 판단된다. 또한, 본 연구 결과를 토대로 세포 생존율 평가와 전달 효율 평가에 적절한 형광 염료의 선정과 사용에 적절한 농도를 제시하였다.

미세유체시스템 제작을 위한 3D 프린팅 방식 및 소재 별 표면특성 비교

배서준,임도진 한국화학공학회 2019 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.57 No.5

In this study, basic research was conducted to provide guidelines for selecting printers and materials suitable for each application case by analyzing 3D printing method and surface characteristics of materials suitable for microfluidic system. We have studied the surface characteristics according to the materials for the two typical printing methods: The most commonly used method of Fused Deposition Modeling (FDM) printing and the relatively high resolution method of Stereolithography (SLA) printing. The FDM prints exhibited hydrophilic properties before post - treatment, regardless of the material, but showed hydrophobic properties after post - treatment with acetone vapor. It was confirmed by the observation of surface roughness using SEM that the change of the contact angle was due to the removal of the surface structure by post-treatment. SLA prints exhibited hydrophilic properties compared to FDM prints, but they were experimentally confirmed to be capable of surface modification using hydrophobic coatings. It was confirmed that it is impossible to make a transparent specimen in the FDM method. However, sufficient transparency is secured in the case of the SLA method. It is also confirmed that the electroporation chip of the digital electroporation system based on the droplet contact charging phenomenon was fabricated by the SLA method and the direct application to the microfluidic system by demonstrating the electroporation successfully 본 연구에서는 미세유체 시스템 제작에 적합한 3D 프린팅 방식 및 소재 별 표면특성 분석을 통해 각 응용 사례에적합한 프린터 및 소재 선정에 가이드라인을 줄 수 있는 기초 연구를 수행하였다. 가장 보편적으로 사용되는 적층 방식과 해상도가 상대적으로 높은 광경화 방식에 대해 프린팅 방식과 소재에 따른 표면 특성을 살펴보았다. 적층 방식의프린트물은 소재에 무관하게 후처리 전에는 친수성 특성을 보이나 아세톤 증기에 의한 후처리 후에는 소수성 특성을보임을 확인할 수 있었다. SEM을 이용한 표면 조도 관찰을 통해 이러한 접촉각의 변화가 후처리에 의한 표면의 결 구조의 제거에 기인한 것임을 확인하였다. 광경화식 프린트물은 적층식 대비 친수성의 특성을 보였으나 소수성 코팅을이용해 표면 개질이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 두 프린팅 방식 중 투명한 재질이 요구되는 경우, 적층 방식은투명한 시편을 만드는 것이 불가능함을 확인하였으며 광경화 방식의 경우 충분한 투명도가 확보됨을 확인하였다. 액적 접촉충전 현상에 기반한 디지털 전기천공 시스템의 electroporation chip을 광경화 방식으로 제작하였으며 성공적으로 전기천공을 시연함으로써 미세유체 시스템에 직접 적용이 가능함 또한 확인하였다.