Development and Characterization of Horse Bone-derived Natural Calcium Phosphate Powders

장경제,임기택,조우재,선우훈,김장호,정종훈,정필훈 한국농업기계학회 2014 바이오시스템공학 Vol.39 No.2

Purpose: This study was to develop an effective process for fabricating biocompatible calcium phosphate powders (CPPs)using horse bones, and to investigate the characteristics of them. Methods: The characteristics of horse bone powders(HBPs) were investigated according to the different osseous tissue types (compact bone and cancellous bone), bone types(spine and tibia), pretreatment methods (cold water, H2O2, and hot water), sintering time (4, 8 and 12h), and sinteringtemperature (600, 900, 1100 and1300°C). In addition, the grinding methods were compared based on the wet grinding (ballmill) and dry grinding (blade grinder) method to make it as powders. Finally, their cytotoxicity and cell viability werechecked. Results: Regardless of the types of osseous tissues and bones, HBPs were well fabricated as biocompatible CPPs. Itwas also found that the pretreatment methods did not influence on the resultants, showing well-fabricated HBPs. Considering the processing time, the hot water method was the most suitable compared to other pretreatment methods. Further, 12h-sintering time was sufficient to remove residual organic compounds. The sintering temperatures greatlyaffected the properties of bone powders fabricated. The x-ray diffraction (XRD) peak of horse bone sintered at 600°C wasmost closed to that of hydroxyapatite (HA). Our bioactivity study demonstrated that the HBPs fabricated by sintering horsebones at 1300°C showed the best performance in terms of cell viability whereas the HBPs 1100°C showed the cytotoxicity. Conclusions: Using various types of horse bone tissues, biocompatible CPPs were successfully developed. We conclude thatthe HBPs may have a great potential as biomaterials for various biological applications including bone tissue engineering.

Size-Wise Effect of Agricultural By-Product-Derived Calcium Phosphate Composites on Stem Cell Osteogenesis

장경제,박상배,이주오,홍영걸,선우훈,임기택,김장호,정종훈 한국농업기계학회 2023 바이오시스템공학 Vol.48 No.4

Introduction Collagen and other natural polymers including hyaluronic acid and chitosan (CS) are common additives for improving the bone forming capacity and retain the structures of xenografts. The topography of the cell-attaching region on implants has a significant role in the cell behavior. To control the topography of calcium phosphate composites (CPCs) in the cell-attaching regions, equine bone powders (EBPs) with various sizes and CS solutions were used to fabricate CPCs. A correlation between the particle size distribution of the equine bone-derived calcium phosphate composites (EB-CPCs) and behavior of mesenchymal stem cells was observed. The EBPs were classified according to the granule size. The main crystal was hydroxyapatite. Results The results of the surface roughness measurements revealed that in the groups containing hydroxyapatite particles with sizes of 5 μm, 50 μm, and 100 μm, the Rz values were 23.199, 43.274, and 69.701 μm, respectively. The ultimate compressive strengths for the groups with hydroxyapatite sizes of 5 μm, 50 μm, and 100 μm were 1.98 ± 0.058 MPa, 1.36 ± 0.17 MPa, and 1.96 ± 0.14 MPa, respectively. A cell viability analysis revealed that a higher Rz led to elongated shape, resulting in an enhanced cell proliferation. A lower Rz led to rounded shape, resulting in an increased osteogenic differentiation. Conclusion In conclusion, control of the powder particle size in the fabrication of CPCs is an important factor affecting osteogenesis.

양, 염소 및 오리의 스마트 축사 연구개발 현황

장경제 ( Kyoung Je Jang ),심성보 ( Sung-bo Sim ),김현태 ( Hyeon-tae Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

최근 ICT의 급속한 발전에 따라 스마트 생산 시스템과 관련된 기술의 개발이 급속도로 이루어지고 있으며, 스마트팜의 확산도 이에 발맞추어 이루어지고 있다. 최근 급격히 늘어난 육류소비량에 대응하기 위해 국내 축산업의 규모도 확장되고 있는 시점에, 축산업에도 스마트농업을 도입하려는 시도가 이루어지고 있다. 이는 비단 국내에서만 발견되는 현상은 아니며, 정밀 가축 농장(Precision Livestock Farming)이라는 이름으로 세계적으로 확산 추세에 있다. 정밀가축농장은 거의 모든 축종에 대해 적용되고 있으며, 이에 사용되는 기술, 센서, 컴퓨터 도구의 적용에 대한 문헌이 많이 발표되어 있다. 본 문헌 검토의 목표는 양, 염소, 오리 등과 같은 축종에 대한 정밀가축농장과 관련하여 수행된 지난 20여년 간의 국내외 문헌을 조망하는 것이다. 본 고에서는 정밀가축농장을 구축하기 위해 사용되는 장치를 농장 환경관리, 가축의 사양관리, 농장의 경영관리를 위한 세가지 측면으로 나누어 조사하였다. 양, 염소, 오리 등의 축종은 소, 양, 닭 등의 주요 가축보다 사육두수가 적고 규모가 크지 않아 주로 해외의 연구 사례와 일부 국내사례를 조사하였다. 양과 염소의 경우 유럽, 아프리카 일부 지역, 오세아니아의 일부 지역의 목초지에서 사육이 이루어지고 있었다. 사육의 목적은 육류, 양모, 관광상품, 낙농으로 조사되었으며 사육의 형태는 대부분 방목으로 이루어지고 있었다. 이러한 사육 특성 때문에 환경관리는 GPS와 GIS 정보를 이용하여 가축 떼에 의한 목초지의 피해 규모를 정량화하는 데 주목하고 있었으며, 아직 드론 이미지를 이용한 영상 촬영 등을 이용한 접근은 이루어지지 않았다. 가축의 사양은 GPS와 가속도 센서 등을 이용하여 가축 무리의 행동을 예측하고 해석하는 연구가 주를 이루고 있었다. 오리의 경우는 국내 일부 연구가 조사되었으며 다른 축종에 비해 많은 개발이 이루어지지 않고 단순 자동화와 관련된 연구가 조사되었다. 농장관리 시스템은 낙농용 양과 염소와 관련된 연구에서 발견되었고, 사료 투입량 대비 우유 생산능력과 관련된 시스템이 몇 개 조사되었다. 정밀가축농업은 가축의 복지, 생산량, 품질과 같은 주요 요소를 더 쉽고 편하게 관리할 수 있게 함으로써 점점 더 중요한 기술로 다루어질 것으로 예측된다. 소, 돼지, 닭에 치우친 국내 육류소비의 특성 때문에 양과 염소와 같은 축종은 제한적으로 사육되고 있지만, 스마트 축사 기술을 적용하여 경쟁력 있는 생산이 시급하다. 또한, 주요 축종 외에 가장 소비량이 많은 오리에 대해서도 이러한 기술들이 적용된다면 오리의 품질관리 및 생산단가를 낮춤으로 경쟁력 있는 축종을 개발할 수 있을 것으로 기대한다.

말뼈를 이용한 골이식재의 열처리 온도에 따른 세포독성에 관한 연구

장경제 ( Kyung-je Jang ),이명철 ( Myungchul Lee ),임재운 ( Jae Woon Lim ),구종범 ( Jongbeom Ku ),박상배 ( Sangbae Park ),정종훈 ( Jong Hoon Chung ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

여가활동 및 골 관련 질환의 전 세계적인 증가 추세에 따라, 골 결손 및 외상이 증가하는 추세에 있으며, 이 질환의 치료에 사용되는 골이식재의 수요도 꾸준히 증가하는 추세이다. 그 중, 동물의 뼈를 이용하는 이종골이식재는 뛰어난 생체적합성 및 골재생능력으로 치과용 이식재로 꾸준히 사용돼왔다. 본 연구는 말뼈를 이용한 이종골이식재의 열처리에 따른 세포 독성을 평가하여 최적의 골이식재 제조 조건을 확립하는데 그 목적이 있다. 제주산 조랑말뼈가 원재료로 사용되었고, 유기물을 제거하는 가장 일반적인 방법은 열처리 방법이 실시되었다. 유기물이 제거되기 시작하며 재료의 상변화가 일어나는 열처리 온도인 600, 750, 900°C를 사용한 시료가 제작되었다. 각각의 시료는 입도크기에 따라 5, 50, 100 μm로 분류되었다. 이에 따른 시료의 특성은 FT-IR, XRD, XRF을 통해서 조사되었다. 세포독성은 각각의 시료를 세포배양용 배지에 용출시켜, 용출된 배지로 24시간 동안 세포배양을 통해 평가되었다. 시험에 사용된 세포는 MG63, hFMSC, hPULP, hABMSC의 네 종류가 사용되었다, 모든 시료에서 유기물이 제거된 것이 관찰되었으며, 결정의 종류도 동일하게 관찰 되었으나, 결정성에 차이가 있음이 관찰되었다. 세포독성 시험의 경우 900°C로 열처리된 시료를 용출시킨 배지로 배양한 시험군에서 세포독성이 가장 낮게 조사 되었다. 본 연구를 통해 열처리 온도에 따라 말뼈의 결정성의 변화가 있음이 발견되었고, 900°C로 열처리한 시료가 용출물 세포독성이 가장 낮은 것이 확인되었다.

순환식 수경재배에서 NPK 측정을 위한 비색법 기반 Lab on Chip 센싱 플랫폼

홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),장경제 ( Kyoung Je Jang ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

양분의 농도를 측정하여 보충하여 주는 것은 순환식 수경재배에 있어서 중요하며 주로 이온 선택성 전극(ISE)을 통해 농도를 측정하게 된다. 본 연구에서는 수명이 짧은 이온 선택성 전극을 대신하여 Lab on Chip system을 이용하여 양액 내 양분의 농도를 측정하는 센싱 플랫폼을 고안하였다. Microfluidic chip 뿐만 아니라, 연구에 사용된 밸브와 펌프 또한 system의 특성을 고려하여 직접 설계한 뒤 3D 프린터를 이용하여 만들었다. 식물 생장에 중요한 양분인 N, P, K는 독립적인 Chip에서 측정되며, 비색법(Colorimetry)을 이용하여 측정한다. 양액 내에서 질소의 경우 질산염(Nitrate, NO3) 또는 아질산염(Nitrite, NO2)의 형태로 존재하며 인은 인산염(PO4), 칼륨은 칼륨 이온(K)으로 존재한다. 각이온들 측정하기위한 실험방법은, N의 경우 Griess Method를 기반으로 한 시약을 사용하며, P는 Molybdenum Blue, K는 Au NPs를 이용하여 각각의 색 변화에 따른 흡광도를 측정하여 양액 내 이온 농도를 결정하게 된다. 이때, LED와 광 다이오드를 사용하여 흡광도를 측정하게 된다. 비색법의 특성상 감도와 선택성이 뛰어나며, 이는 양액과 같은 heterogeneous한 sample에서 매우 효과적이다. 그리고 Lab on chip 시스템 특성상 Micro volume 수준의 매우 적은 sample과 시약을 소모하며, 지속적인 측정이 가능하여 실시간으로 양액의 농도를 알 수 있고 이온 선택성 전극과 비교하여 경제적이다.

농촌 취약 계층의 안전농작업을 위한 낙상 방지 웨어러블 장치 개발

손현목 ( Hyun-mok Son ),장경제 ( Kyung-je Jang ),이명철 ( Myungchul Lee ),박상배 ( Sangbae Park ),임재운 ( Jae Woon Lim ),김재은 ( Jae Eun Kim ),박지용 ( Jiyoung Park ),김홍배 ( Hongbae Kim ),정종훈 ( Jong Hoon Chung ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

2018년 통계청 조사에 따르면 65세 이상 농촌 고령 인구의 비율이 40%를 넘어섰다고 밝혔다. 이들 농업인 중 육체적 취약 계층인 고령 작업자의 비율이 증가하고 있으며, 특히 건강한 남성에 비해 육체적인 작업 능력이 떨어지는 고령자나 여성과 같은 취약 계층의 농작업에 참여하는 비율이 꾸준히 증가하고 있다. 이들의 경우 만성적인 근골격계 질환 또는 골절 등과 같은 농작업 상해에 취약 할 수 있다. 낙상이란 갑작스런 자세변화로 인해 나의 의지와 상관없이 바닥에 주저앉거나 균형을 잃고 넘어지면서 신체의 일부가 바닥면과 맞닿으면서 발생한다(WHO). 낙상에 의한 부상은 일상이나 작업중 언제 어디서든지 발생 할 수 있으며, 농작업 관련 손상에 관한 연구에 따르면 2011년 전국 농업인 9600명을 대상으로 한 연구에서 약 540명에게서 농작업 손상이 발생하였고, 이들중 145명 (27%)에 달하는 비율로 낙상환자로 보고되었다(kim et al., 2011). 2014년 진행된 연구에 따르면 46,511건의 농작업 재해 중 16,145(35%)건이 낙상으로 인한 사고로 보고 되었다(농업안전보건센터). 따라서 낙상은 농작업 인명 사고중 매우 비중이 높은 사고 원인이라 할 수 있다. 낙상사고가 농작업 취약계층(여성 및 고령자)에게 치명적인 이유는 물리적으로 취약한 뼈가 골절로 이어질 경우, 특히 그 부위가 고관절과 같이 높은 위험 부위일 경우 2차 후유장해로 인한 사망에까지 이를 수 있는 아주 위험한 사고이기 떄문이다(Ann et al., 2018). 또한 낙상 환자의 경우 그 재발생 확율이 매우 높으며, 예방대책 외에는 별다른 안전 조치가 마련되어 있지 않아 그 개발에 대한 필요성에 대한 수요가 날로 증가하고 있다. 농업이 현대화되고 편이장비는 날로 증가하고 있지만 농작업을 대상을 모니터링 하고 농작업자의 안전을 지켜주기 위한 웨어러블 장치는 아직 상용화 되지 못하고 있다. 최근 미국에서는 애플워치4를 통해서 고령자의 낙상검출 기능을 추가하고 이를 마케팅에 적극 활용하였다(2019). 새롭게 출시한 스마트 워치4 버전에는 내장된 가속도 자이로센서를 통해 검출한 낙상 상황을 응급신호로 주변에 알릴 수 있는 기능을 선보였다. 이탈리아 앙코나 대학교의 정보통신공학전공에서는 바닥면 스피커를 통해서 일상의 움직임과 낙상신호를 따로 분별 할 수 있는 기술을 개발하였다(Diego Droghini et al., 2017). 이 신 기술은 소리센서로부터 가상공간에서 발생한 신호를 측정하여 데이터베이스화하고 검출된 신호를 분류하는 머신러닝 기술이 적용되었다. 콜롬비아 메데인에 위치한 안티오퀴아 대학의 한 연구팀에서는 가속도와 자이로센서 신호를 개발한 마이크로프로세서를 통해 측정하여, 실험 당시 촬영한 비디오 영상과 함께 데이터화하여 이를 다른 사용자들에게도 공개하여 활용 할 수 있는 데이터베이스를 공개하였다(Angela Sucerquia et al., 2016). 이러한 연구들이 활발하게 진행되고 있지만 이들 중 상용화에 성공한 경우는 매우 드물다. 국내에서도 최근 딥러닝기술과 데이터 마이닝에 관한 연구들이 활발히 진행되면서 이러한 모바일 기능이 포함된 ICT기반 기술을 농업 분야에도 적용하려는 시도가 있었다. 농진청에서는 농업인의 안전활동을 위한 ICT 기반의 농업시설 안전관리 시스템에 관한 연구를 진행하여 다양한 유해환경 및 농작업을 분류하고 이를 기술적인 해결방법을 찾기 위한 모색을 하였다(농진청, 2018). 2016년에 설립한 국내에 한 스타트업 기업은 산업체 학교 연구소가 협동으로 개발한 낙상 감지 기술을 상품에 적용하여 ‘산업용 낙상 보호에어백’을 출시하였다(Safeware, 2018). 한국생산기술연구원, 한경대학교, Safeware가 공동으로 개발한 이 기술은 산업용 현장의 추락사고에 대비한 기술로 선보였다. 연세대학교에서는 임계값을 최적화 하는 방법을 통해 낙상을 미리 예측할 수 있는 기술을 알고리즘에 적용하여 이를 통해 고령자 낙상 보호 에어백 시스템을 개발하였다(Kim et al., 2017). 한편, 한국전자통신연구원에서는 휴대폰을 통한 고령자 위급상황을 자동으로 인식하고 구급시 필요한 위치정보를 알려주는 ‘낙상 감지 휴대폰(일명: 낙상폰)을 이용한 개인 위급상황 경보 시스템 (PEAS : Personal Emergency Alarming System)을 개발하였다(ETRI, 2007). 이러한 신기술이 개발되고 상용화가 시도되고 있지만 여전히 농촌에 있는 농작업자 들은 고립된 시설환경과 원예시설 등에서 제한된 안전장비에 의존하고 있다.

농촌 고령자를 위한 낙상검출 안전장치 개발

손현목 ( Hyun-mok Son ),장경제 ( Kyung-je Jang ),이명철 ( Myungchul Lee ),김홍배 ( Hongbae Kim ),박상배 ( Sangbae Park ),임재운 ( Jae Woon Lim ),김재은 ( Jae Eun Kim ),박지용 ( Jiyoung Park ),정종훈 ( Jong Hoon Chung ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

최근 농진청 통계에 따르면 농촌인구의 고령화율은 이미 초고령사회로 들어섰다. 이 중 65세 이상 고령자는 매년 높은 비율로 낙상을 경험하고 있으며, 낙상에 의한 골절사고 등 이어지는 합병증에 의해 사망하는 환자의 수 또한 1/4에 달하고 있어 고령자의 낙상은 중요한 사회적 이슈로 인식되고 있다. 특히 농촌과 같이 고립된 작업환경 조건에서 사고가 발생할 경우 신속한 대응 조치가 어려워 안타까운 인명 피해로 이어질 수 있어 이에 대한 예방책이 절실히 요구되고 있다. 본 연구의 목적은 낙상을 검출할 수 있는 측정 시스템을 개발하고, 이를 이용하여 낙상과 같은 사고에 대처할 수 있는 안전장치를 개발하고자 한다. 시스템 구성을 위해 컨트롤러로는 상용 컨트롤러를 이용하였고, 3축 가속도와 자이로 센서 신호를 분석하여 일정 동작의 역치값(threshold)을 넘어 섰을 때 낙상 신호를 검출하도록 구성하였다. 낙상 신호는 무선 송수신 장치를 이용하여 낙상이 검출되는 상태를 모바일로 전송하여 모니터링이 가능하도록 시스템을 구성하였다. 낙상을 가정한 테스트를 수행한 결과 걷거나 앉는 일상적 움직임에서는 낙상이 검출되지 않았고, 균형을 잃고 넘어질 때 낙상을 검출할 수 있는 시스템을 개발하였다.

Chitosan-PEG Hydrogels via Click Chemistry for Protein Delivery

박상배,박선호,권용현,김우찬,장경제,김장호 한국공업화학회 2023 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2023 No.1

배양육용 지방 지지체의 물성 및 세포생존능 평가

홍영걸,박상배,김장호,장경제 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

배양육은 동물의 체세포를 배양하여 만들어지는데, 세포를 근육 및 지방조직으로 분화시켜 실제 고기조직의 식감과 맛을 재현하는 것은 매우 중요하며, 실제 고기와 같이 지방조직과 근육조직을 적절하게 배치할 필요가 있다. 이는 근육세포와 지방세포를 공생 배양하거나, 각각의 세포를 개별적인 증식 및 분화 배지에서 배양하여 별도의 조합하는 과정을 필요로한다. 본 연구에서 지방조직을 대체할 수 있는 하이드로 갤 기반의 지방 지지체를 개발하였다. 개발된 지지체를 배양육에 활용하기 위하여, 지방 지지체의 물성 및 세포 생존능이 평가되었다. O/W emulsion과 젤라틴 메타크릴로일(gelatin methacryloyl, GelMA) 하이드로 갤을 기반으로 하는 Fat-bioink와 Digital Light Processing (DLP) 3D 프린터를 활용하여 제작된 지방 지지체의 세포 생존능은 Live and Dead assay kit 및 WST-1을 활용하여 검증되었으며, 만능시험기를 통해 측정된 압축강도를 바탕으로 응력 변형률 곡선 및 압축계수를 얻었다. 지방 지지체의 세포 생존능은 1, 3, 5일에 걸쳐 평가되었으며, 개발된 지방 지지체의 세포친화도가 배양육 생산에 알맞은 수준인 것을 확인하였다. 물성평가는 GelMA 하이드로 갤, 우육, 돈육, 지방 지지체 샘플에 대해 수행되었으며, 제작된 지방 지지체는 GelMA 하이드로 갤과 비교하여 실제 고기와 유사한 물성을 가지는 것으로 평가되었다. 따라서 본 연구에서 개발된 지방 지지체는 실제 고기와 유사한 물성을 바탕으로 하여 배양육에서 지방조직을 대체하는 한편, 근육세포의 배양에 적합한 세포 친화도를 가져 배양육용 지방 대체제 및 지지체로 적합하고 판단된다.

Study on Physiochemical Properties of Horse Bone Powders Derived from Various Bone Sites and Areas

조우재 ( W J Cho ),장경제 ( K J Jang ),정종훈 ( J H Chung ) 한국농업기계학회 2013 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.18 No.2