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.

축사 내 암모니아 기체 경보를 위한 Lab on chip 기반 센싱 플랫폼

홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),김건우 ( Kim Geonwoo ),장경제 ( Kyoung Je Jang ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

축사에서는 많은 양의 암모니아 기체가 발생하며, 고농도의 암모니아 기체 환경에 노출 될 경우, 인체와 가축의 생장에 해로운 영향을 끼친다. 지난 2021년 2월부터 축사 내 암모니아의 농도를 25ppm 이하로 관리해야 한다는 내용이 법으로 명시되었다. 전기화학, 반도체 등을 이용한 기체의 농도를 측정하는 다양한 센서들이 있지만, 이러한 센서들은 대부분 습도의 변화에 민감하게 영향을 받는다. 본 연구에서는 닌하이드린(ninhydrin)을 이용한 lab on chip (LOC) 기반의 비색 센싱 플랫폼을 고안하였다. 기체는 통과하지만, 소수성인 PDMS의 성질을 이용하여, 습도가 높은 축사환경에서도 큰 영향을 받지 않고 암모니아 기체의 농도를 정량할 수 있다. 비색 정도를 확인하기 위해 LED와 포토다이오드(Photodiode)를 사용하여 흡광도를 측정하였다. PDMS의 두께 및 닌하이드린 수용액의 농도를 조절하여 반응시간이 짧은 PDMS chip의 조건을 찾았고, 최종적으로 다양한 습도환경에서 센싱 플랫폼의 성능을 평가하였다.

암모니아 가스 센싱을 위한 가스투과성이 높은 PDMS 맴브레인의 제작

홍영걸 ( Yeonggeol Hong ),이주영 ( Jooyoung Lee ),배호인 ( Hoin Bea ),장경제 ( Kyoung-je Jang ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

PDMS (Polydimethylsiloxane) 맴브레인은 높은 가스 투과성, 소재의 유연성, 생체적합성 등과 같은 특성을 가지며, 가스 분리, 미세유체 플랫폼, 바이오 센서, 세포배양 등의 다양한 분야에서 활용된다. 특히, PDMS 맴브레인은 기체센서의 기체 분리용 막으로 활용된 사례가 다수 보고되었다. 본 연구에서는 암모니아 가스 농도 측정용 비색센서에 적용할 목적으로 가스투과도를 조절 할 수 있는 PDMS를 개발하고자 하였다. 가스 투과도는 각각 PDMS 맴브레인의 두께, 경화제와 PDMS의 비율, 경화 온도와 같은 매개변수의 조절을 통해 이루어졌다. PDMS의 두께는 스핀코터의 작동 조건의 조절로 조절되었으며, 이 때 사용된 PDMS의 조성은 경화제의 비율로 조절하여 각각 5:1, 10:1, 20:1로 실험하였다. 경화 온도는 50~70 °C 의 범위에서 10°C 간격으로 조절하여 충분히 반응한 후 관찰하였다. 실험을 통해 제작된 시편들의 가스 투과성능 평가 장치를 구축하였다. 실험조건은 일정 공간의 중앙을 제작된 멤브레인으로 분리하여, 양단의 압력 차를 발생시켜 압력에 의한 가스 투과도를 조절하였다. 실험결과 두께는 얇을수록, 경화 온도는 높을수록, 경화제의 비율은 10:1에서 가장 높은 투과도를 확인하였다. 최종적으로 제작된 맴브레인을 암모니아 가스센서에 적용하여 암모니아 가스 투과성과 관련된 맴브레인의 투과성을 평가하였고, 향후 Lab on Chip 기반의 미세유체 가스센싱 플랫폼에 가스투과 막으로 사용성이 높다고 판단하였다.

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.

축사 내 암모니아 기체 경보를 위한 Lab on chip 기반 센싱 플랫폼

홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),김건우 ( Kim Geonwoo ),장경제 ( Kyoung Je Jang ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

축사에서는 많은 양의 암모니아 기체가 발생하며, 고농도의 암모니아 기체 환경에 노출 될 경우, 인체와 가축의 생장에 해로운 영향을 끼친다. 지난 2021년 2월부터 축사 내 암모니아의 농도를 25ppm 이하로 관리해야 한다는 내용이 법으로 명시되었다. 전기화학, 반도체 등을 이용한 기체의 농도를 측정하는 다양한 센서들이 있지만, 이러한 센서들은 대부분 습도의 변화에 민감하게 영향을 받는다. 본 연구에서는 닌하이드린(ninhydrin)을 이용한 lab on chip (LOC) 기반의 비색 센싱 플랫폼을 고안하였다. 기체는 통과하지만, 소수성인 PDMS의 성질을 이용하여, 습도가 높은 축사환경에서도 큰 영향을 받지 않고 암모니아 기체의 농도를 정량할 수 있다. 비색 정도를 확인하기 위해 LED와 포토다이오드(Photodiode)를 사용하여 흡광도를 측정하였다. PDMS의 두께 및 닌하이드린 수용액의 농도를 조절하여 반응시간이 짧은 PDMS chip의 조건을 찾았고, 최종적으로 다양한 습도환경에서 센싱 플랫폼의 성능을 평가하였다.

양액 내 질산이온의 측정을 위한 미세유체 센싱 플랫폼 개발

홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),장경제 ( Kyoung Je Jang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

순환식 수경재배에서 성공적인 작물생장을 위해 양액 내 포함된 양분농도를 측정하여, 생육에 필요한 요소들을 적절하게 보충하여 최적의 양분농도를 유지하는 것이 중요하다. 이를 달성하기 위해 실시간 양액 농도모니터링이 실시되어야 하며, 주로 이온선택성 전극이 사용되어 왔다. 그러나, 이는 개별 이온 농도 모니터링과 내구성에 문제를 갖는 것으로 알려져 있다. 이번 연구에서는 양액 내 주요 성분 중 하나인 질산염의 농도를 측정하기 위하여 대표적인 비색법인 Griess method를 미세유체 시스템에 접목시킨 센싱 시스템을 개발하고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 비색반응이 일어나는 미세유체 채널과 변색 반응을 검출할 수 있는 포토다이오드를 이용한 시스템을 제작하고 표준 시약을 사용하여 센서의 성능을 평가하였다. PDMS와 Glass로 구성된 Chip의 적정 두께를 고려하여, 광원(LED)의 파장대역과 세기, Detector(Photo Diode)와 광원 사이의 간격을 독립변수로 설정하여 Photo Diode로 광도를 측정 하였다. 포토다이오드는 측정하는 LED 광원의 세기에 선형적으로 비례하였고, 이는 spectrometer를 이용하여 측정한 결과와 유사한 패턴을 나타내었다. 또한 표준시약을 사용하여 측정한 결과 역시 농도별로 측정이 가능한 결과를 확인하여 개발된 미세유체 센싱 시스템이 유효한 것을 확인하였다.

Designing Highly Aligned Cultured Meat with Nanopatterns-Assisted Bio-Printed Fat Scaffolds

박상배,홍영걸,박선호,김우찬,권용현,장경제,김장호 한국농업기계학회 2023 바이오시스템공학 Vol.48 No.4

Purpose Over the past decade, cultured meat has attracted considerable attention as a sustainable alternative. Mimicking highly aligned muscle tissues and adipose tissues to replicate real meat poses a significant challenge to the development of cultured meat. Recently, techniques involving co-culture or post-assembly of different types of tissues have been introduced for cultured meat production. However, there is a need for a more straightforward approach for simultaneously replicating muscle and fat tissues. Methods In this study, we developed nano-cultured meat that recapitulates the structural and physiological characteristics of real meat. GelMA was dissolved in an oil-in-water emulsion to create a fat bioink, and a fat scaffold was fabricated using a digital light processing-based 3D printer. Subsequently, the empty spaces within the fat scaffold were filled with myoblastladen hydrogel, followed by integration with nanopatterns. Results The resultant nano-cultured meat not only mimics highly aligned muscle tissue similar to real meat but also allows for the tunable reproduction of fat tissue. Conclusion Overall, the proposed nano-cultured meat offers valuable insights for achieving a high level of maturity and developing customizable next-generation cultured meat.

암모늄 이온 측정을 위한 Lab-on-a-Chip 기반의 비색 센싱 플랫폼 개발

이주영 ( Joo Young Lee ),홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),장경제 ( Kyoung-je Jang ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

순환식 수경재배에서 식물체에 질소를 공급하는 것은 식물 생장에 매우 중요하다. 대부분의 질소는 질산염의 형태로 공급되나, 일정 농도의 암모늄과 함께 공급되어 식물 생장을 촉진한다는 연구 결과가 보고되었다. 이때, 암모늄 이온의 농도가 일정 수준 이하면 작물은 필요한 양의 영양을 공급받지 못하며, 적정 수준의 농도를 초과하면 식물체에 독성물질을 축적할 뿐만 아니라 환경오염을 야기한다. 따라서 암모늄 농도 측정은 작물 재배 및 환경적인 측면에서 매우 중요하다. 그러나 기존의 암모늄 측정 센서는 고가거나 일회용이어서 지속적인 모니터링에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 암모늄 측정을 위한 Lab on a chip 기반의 비색 센싱 플랫폼을 개발하였다. 개발된 센싱 플랫폼은 네슬러 시약 및 RGB 센서를 사용하여 저렴하고 지속적인 암모늄 검출이 가능할 뿐만 아니라 시약 및 시료의 사용량이 매우 적다. 네슬러 시약은 민감도 및 선형구간을 고려하여 20 %v/v로 사용되었고, RGB 센서가 장착된 chip의 검출부에서 네슬러 시약과 다양한 농도의 샘플로 구성된 혼합물의 비색 변화가 감지되었다. 개발된 센싱 플랫폼은 0-70ppm까지의 농도를 측정할 수 있으며, 이를 통해 기존의 센서보다 저렴하고 실시간 모니터링이 가능할 뿐만 아니라, 작물의 최적 생장 조건을 조절하여 식물 생산량을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.

배양육용 바이오잉크 출력을 위한 광개시제 비율 및 UV노광시간의 조사

박상배 ( Sangbae Park ),홍영걸 ( Yeonggeol Hong ),장경제 ( Kyoung-je Jang ),김장호 ( Jangho Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

최근 실제 고기의 식감을 모사하는 배양육의 제작과 관련된 연구가 다수 보고되었다. 지금까지 보고된 다수의 배양육의 미세 조직은 근육조직 지방조직으로 구성되어 있는 실제 근육조직과 미세구조가 크게 다르며, 이 때문에 실제 식감을 모사하기 어렵다고 보고되었다. 이같은 문제를 극복하기 위한 방안으로 삼차원 지지체나 마이크로 캐리어와 같은 소재를 사용하는 시도들이 보고 되었다. 3D 프린터는 삼차원 지지체를 제작하기 위한 가장 유망한 방법으로 꼽히고 있다. 본 연구에서는 식용 지방산과 DLP 방식의 3D 프린터를 사용하여 3차원 지지체 제작하는 방법을 확립하고자 하였다. 지방 지지체용 바이오잉크는 Gelatin methacryloyl (GelMA), Lithium phenyl-2,4,6-trimethyl benzoylphosphinate(LAP), 지방산을 혼합해 제작하였다. 바이오잉크 조성의 최적화를 위해, 광개시제로 사용된 LAP의 농도를 1~4 mM 범위에서 1mM 간격으로 제작하였다. 실험에 사용된 Anycubic mono 4K(Anycubic, Shenzhen, China)는 405 nm의 광원이 적용된 DLP 프린터이며, 프린터의 노광시간은 슬라이싱 소프트웨어인 Photon workshop(Anycubic, Shenzhen, China)에서 노광시간 매개변수 조정을 통해 20~30 초 범위에서 2초 간격으로 설정했다. 본 연구의 모든 실험은 37°C의 온도를 유지한 상태에서 수행되었다. 프린터의 인쇄성능은 수직방향과 수평방향으로 나누어 평가하였다. 수직방향 인쇄성능 평가를 위해 50~500 ㎛ 직경의 원통형 모델이 사용되었으며, 수평방향 인쇄성능 평가를 위해 1000 ㎛의 정사각형 모델을 출력하였다. 바이오잉크의 조성별 세포독성 실험이 수행되었다. 본 연구에 사용된 바이오잉크로 고기의 지방조직을 모사한 형태의 출력물을 얻을 수 있었고, 세포독성 실험결과 LAP의 함량이 가장 낮은 바이오잉크에서 세포독성이 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과를 통해 향후 지방 지지체로서 사용 가능한 배양육용 지방지지체 제작방법을 확립하였다.

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.