Floating-on-Water 폴리머 박막 및 세포 배양용 시그마 마이크로웰 성형 기술

국문 초록 (Abstract)

Polydimethylsiloxane (PDMS)는 열경화성 폴리머 재료로서 멤브레인과 미세 유체 장치, 3차원 세포 구상체(스페로이드)를 만드는 도구인 마이크로웰 등에 널리 활용되고 있다. 이 논문에서는 PDMS의 물리적 특성을 이용하여 새로운 멤브레인 제작법과 새로운 형상의 마이크로웰 제작법을 다룬다. 스핀 코팅 방법이나 캐스팅 방법 등 기존의 멤브레인 제작 방법은 특별한 장비가 필요하거나 숙련된 기술이 필요하거나 대면적의 멤브레인을 제작하기 힘들다는 단점이 있었다. 그러나 물의 표면에 PDMS 용액을 떨어뜨리고 경화시키는 floating on water (FoW) 방법은 매우 간단하고 특별한 장비가 필요 없고 대면적의 멤브레인을 쉽게 만들 수 있다는 장점이 있다. 물의 표면 위에 10 μg의 PDMS의 용액을 떨어뜨리고 경화시키면 약 3 μm의 PDMS 멤브레인이 제작되며 PDMS의 양, 물의 온도, PDMS의 온도를 조절하여 멤브레인의 두께를 변화시킬 수 있다. 또한 FoW 멤브레인이 물의 표면에서 제작된다는 특성을 이용하여 물방울 형상의 멤브레인, 이중층 멤브레인, 멤브레인 slope와 같이 다양한 형상의 멤브레인을 제작할 수 있다. 이러한 다양한 멤브레인의 형상은 세포 배양에 활용될 수 있을 것이다. 시그마웰은 공기의 열팽창을 이용하여 제작된 그리스 문자 시그마(σ) 형상의 마이크로웰이다. 기존의 마이크로웰은 윗면이 열려있기 때문에 떠오르는 세포의 스페로이드를 배양할 수 없었다. 그러나 시그마웰은 갈고리 모양의 지붕이 있기 때문에 떠오르는 세포의 스페로이드를 배양할 수 있다는 장점이 있다. 시그마웰에서 스페로이드가 잘 생성됨을 확인하기 위해서 human adipose-derived stem cell (hASC)을 배양했다. 시그마웰에서 하루안에 hASC의 스페로이드가 생성되었고 3일 동안 배양되었다. 시그마웰에서는 스페로이드가 분비하는 cytokine의 확산이 일반적인 마이크로웰에 비해서 억제되는 효과가 있음을 확산 시뮬레이션을 통해서 확인하였다. 이 논문에서 소개된 FoW 방법과 시그마웰은 앞으로 다양한 분야, 특히 세포 생물학, 조직공학 등 바이오 분야에서 좋은 도구로 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polydimethylsiloxane (PDMS) is a thermosetting polymer material that is widely used in membranes, microfluidic devices, and microwells, which are tools for generating three-dimensional cell spheroids. In this paper, novel membrane fabrication method and unique shape microwell fabrication method using PDMS's physical properties are studied. Conventional membrane fabrication methods, such as a spin coating method or a casting method, require special equipment and skilled techniques or have difficulty in fabricating large-area membranes. However, a floating on water (FoW) method which is dropping and curing the PDMS solution on the surface of the water is very simple, requires no special equipment and can easily fabricate the large-area membranes. Dropping and curing 10 μg of PDMS solution on the surface of water fabricates a PDMS membrane of about 3 μm thickness, and the thickness of the membrane can be varied by controlling the amount of PDMS, water temperature, and PDMS temperature. In addition, using the feature that FoW membrane is fabricated on the surface of the water, various shapes of membranes such as a droplet-shaped membrane, double-layered membrane, membrane slope can be made. These various shapes of membranes can be utilized in cell culture. Sigma-well is a Greek letter sigma (σ) shaped microwell made using a thermal expansion of air. Conventional microwells could not grow the spheroids of floating cells because the top of the microwells is opened. However, Sigma-well has the advantage of being able to cultivate spheroids of floating cells because of its hook-shaped roof. Human adipose-derived stem cells (hASCs) were cultured to confirm the production of spheroids in sigma-well. In Sigma-well, the spheroids of hASC were generated in one day and cultured for 3 days. By computational simulation results, the diffusion rate of cytokine in sigma-well is lower than that in conventional microwell was verified. The FoW method and sigma-well introduced in this paper will be useful tools in various fields, especially in the biological field such as cell biology and tissue engineering.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. Floating-on-Water 기법 3
• 2.1 서론 3
• 2.2 연구 방법 6
• 2.2.1 Floating-on-Water 멤브레인의 제작 방법 6
• 2.2.2 멤브레인의 두께 조절 9
• 2.2.3 멤브레인의 특성 분석법 13
• 2.2.4 통계 분석 16
• 2.3 결과 및 토의 17
• 2.3.1 멤브레인의 제작 결과 17
• 2.3.2 멤브레인의 변형률 분석 23
• 2.3.3 다양한 형상의 멤브레인 26
• 2.3.4 멤브레인의 표면 특성 32
• 2.4 결론 37
• 3. 시그마 형상의 마이크로웰 제작 39
• 3.1 서론 39
• 3.2 연구 방법 42
• 3.2.1 시그마웰의 제작 방법 42
• 3.2.2 세포의 배양 방법 48
• 3.2.3 확산 시뮬레이션 모델 50
• 3.3 결과 및 토의 53
• 3.3.1 시그마웰의 제작 결과 53
• 3.3.2 시그마웰에서 스페로이드 생성 56
• 3.3.3 시그마웰 내에서의 Cytokine의 확산 시뮬레이션 59
• 3.4 결론 63
• 4. 결론 64
• 참고문헌 67
• 국문초록 72
• ABSTRACT 74