정확하고 신뢰할 수 있는 입자 수 농도 측정은 임상 진단, 환경 모니터링, 산업 응용 등 다양한 분야에서 필수적이다. 유세포분석(flow cytometry)은 이러한 측정에 널리 사용되며, 계수 비드(counting beads)를 사용하는 방식이 일반적인 접근법이다. 그러나 이 방법은 표적 입자의 크기가 계수 비드의 크기와 다를 경우 크기 의존적 편향(size-dependent bias)을 유발할 수 있다. 본 연구는 크기 의존적 편향을 평가하기 위해, 기존의 계수 비드 기반 방법과, 정의된 시료 부피에 대해 총 계수를 수행하는 시료 루프(sample loop) 기반 방법을 체계적으로 비교하였다. 실험 결과, 두 방법은 크기가 유사한 비드에 대해서는 유사한 농도를 산출하지만, 계수 비드와 표적 입자 간에 유의한 크기 차이가 있는 경우 불일치가 발생함을 보여주었다. 이러한 편향의 원인을 규명하기 위해 힘 평형(force balance) 분석에 기반한 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과 큰 비드는 더 강한 힘을 받아 검출 영역 쪽으로 이동이 용이한 반면, 작은 비드는 전체 이동을 방해하는 브라운 운동(Brownian motion)의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 관찰된 크기 의존적 편향에 대한 기전적 설명을 제공하며, 유체역학적 거동(hydrodynamic behavior)의 차이가 비드의 분포와 운동의 변이를 유발함을 확인하였다. 크기 의존적 편향을 최소화하는 시료 루프 방법을 사용하고, 본 연구 결과로부터 도출된 경험적 방정식을 적용함으로써 입자 수 농도 측정에서의 편향을 예측하고 완화하기 위한 신뢰할 수 있는 접근법을 제시한다. 따라서 본 연구는 입자 수 농도 측정을 위한 보다 정밀하고 추적 가능(traceable)한 방법의 개발에 기여하며, 생물학적 및 산업적 응용 전반에 대한 함의를 가진다.

포타슘-이온 전지는 전 세계적인 리튬 부족 문제를 해결하기 위한 유망한 대안으로 주목받고 있다. 그러나 K-이온 삽입 과정에서 흑연 전극이 심각하게 팽창함으로써 전기화학적 성능이 크게 저해된다. 본 연구에서는 전기화학적 거동과 기계적 거동을 모두 분석하기 위해, 3차원 입자 네트워크 모델에 밀도범함수이론 계산으로부터 도출된 확산계수와 기계적 성질을 통합하는 포괄적 다중스케일 모델링 접근법을 제시한다. 연구 결과, K-이온 농도는 확산계수, 영률(Young's modulus), 전단탄성률(shear modulus)과 같은 재료 특성에 영향을 미치며, 이는 포타슘-흑연 삽입 화합물의 전기화학적 성능과 기계적 안정성에 중대한 영향을 준다는 점을 보여준다. 특히, 본 연구는 K-이온 농도가 더 낮음에도 불구하고 KC24가 KC16에 비해 우수한 기계적 성질을 나타낸다는 사실을 밝혀냈는데, 이는 정전기적 상호작용의 강화에 기인한다. 또한 재료 특성의 농도 의존성은 전기화학적 및 기계적 모델링의 정확성을 위해 중요하며, 상수값을 사용하면 상당한 불일치가 발생한다. 본 연구의 결과는 포타슘-이온 전지를 정밀하게 예측하고 최적화하기 위해 K-이온 농도와 staging 전이 전반을 고려하는 것이 중요함을 강조한다. 아울러 본 연구는 고도화된 모델링 기법을 통해 기계적 열화를 완화하고 포타슘-이온 전지 성능을 향상시키기 위한 향후 연구의 기반을 마련한다.

현재 변압기(CT) 기반 에너지 수확 방법은 저전력 장치에서 상당한 주목을 받고 있다. 고성능 CT를 개발하기 위해서는 B-H 곡선의 정확한 추정이 필수적이며, 이는 CT 재료의 전자기적 거동과 밀접하게 연관되기 때문이다. 그러나 기존의 B-H 곡선 추정 방법은 공정 복잡성과 높은 비용을 포함하여 몇 가지 단점에 직면해 있다. 본 연구에서는 실험을 통해 얻어진 저항-전압 데이터에 기반하여 B-H 곡선을 추정하는 직관적인 방법을 제시하였다. 추정된 B-H 곡선을 바탕으로 CT 코어의 성능을 산출하였으며, 가장 정확한 경우에서 실험 결과와 비교했을 때 오차가 2.6%에 불과한 것으로 나타났다. 또한 공기 간극의 존재로 인해 발생하는 분할 코어 성능 저하를 분석하였다. 분할 코어의 공기 간극 형성은 표면 거칠기와 밀접한 관련이 있었고, 이는 코어 성능에 유의미한 영향을 미쳤다. 성능 저하를 최소화하는 공기 간극 범위를 예측하고, 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다. 본 연구는 자기 CT 코어 재료의 B-H 곡선을 얻기 위한 간단한 접근법을 강조한다. 본 연구는 코어 형상과 권장 공기 간극 범위를 포함한 고려사항을 바탕으로 고성능 CT 코어를 개발하는 데 필요한 설계 지침을 제공한다고 믿는다.

정확하고 신뢰할 수 있는 입자 수 농도 측정은 임상 진단, 환경 모니터링, 산업 응용 등 다양한 분야에서 필수적이다. 유세포분석(flow cytometry)은 이러한 측정에 널리 사용되며, 계수 비드(counting beads)를 사용하는 방식이 일반적인 접근법이다. 그러나 이 방법은 표적 입자의 크기가 계수 비드의 크기와 다를 경우 크기 의존적 편향(size-dependent bias)을 유발할 수 있다. 본 연구는 크기 의존적 편향을 평가하기 위해, 기존의 계수 비드 기반 방법과, 정의된 시료 부피에 대해 총 계수를 수행하는 시료 루프(sample loop) 기반 방법을 체계적으로 비교하였다. 실험 결과, 두 방법은 크기가 유사한 비드에 대해서는 유사한 농도를 산출하지만, 계수 비드와 표적 입자 간에 유의한 크기 차이가 있는 경우 불일치가 발생함을 보여주었다. 이러한 편향의 원인을 규명하기 위해 힘 평형(force balance) 분석에 기반한 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과 큰 비드는 더 강한 힘을 받아 검출 영역 쪽으로 이동이 용이한 반면, 작은 비드는 전체 이동을 방해하는 브라운 운동(Brownian motion)의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 관찰된 크기 의존적 편향에 대한 기전적 설명을 제공하며, 유체역학적 거동(hydrodynamic behavior)의 차이가 비드의 분포와 운동의 변이를 유발함을 확인하였다. 크기 의존적 편향을 최소화하는 시료 루프 방법을 사용하고, 본 연구 결과로부터 도출된 경험적 방정식을 적용함으로써 입자 수 농도 측정에서의 편향을 예측하고 완화하기 위한 신뢰할 수 있는 접근법을 제시한다. 따라서 본 연구는 입자 수 농도 측정을 위한 보다 정밀하고 추적 가능(traceable)한 방법의 개발에 기여하며, 생물학적 및 산업적 응용 전반에 대한 함의를 가진다.

포타슘-이온 전지는 전 세계적인 리튬 부족 문제를 해결하기 위한 유망한 대안으로 주목받고 있다. 그러나 K-이온 삽입 과정에서 흑연 전극이 심각하게 팽창함으로써 전기화학적 성능이 크게 저해된다. 본 연구에서는 전기화학적 거동과 기계적 거동을 모두 분석하기 위해, 3차원 입자 네트워크 모델에 밀도범함수이론 계산으로부터 도출된 확산계수와 기계적 성질을 통합하는 포괄적 다중스케일 모델링 접근법을 제시한다. 연구 결과, K-이온 농도는 확산계수, 영률(Young's modulus), 전단탄성률(shear modulus)과 같은 재료 특성에 영향을 미치며, 이는 포타슘-흑연 삽입 화합물의 전기화학적 성능과 기계적 안정성에 중대한 영향을 준다는 점을 보여준다. 특히, 본 연구는 K-이온 농도가 더 낮음에도 불구하고 KC24가 KC16에 비해 우수한 기계적 성질을 나타낸다는 사실을 밝혀냈는데, 이는 정전기적 상호작용의 강화에 기인한다. 또한 재료 특성의 농도 의존성은 전기화학적 및 기계적 모델링의 정확성을 위해 중요하며, 상수값을 사용하면 상당한 불일치가 발생한다. 본 연구의 결과는 포타슘-이온 전지를 정밀하게 예측하고 최적화하기 위해 K-이온 농도와 staging 전이 전반을 고려하는 것이 중요함을 강조한다. 아울러 본 연구는 고도화된 모델링 기법을 통해 기계적 열화를 완화하고 포타슘-이온 전지 성능을 향상시키기 위한 향후 연구의 기반을 마련한다.

현재 변압기(CT) 기반 에너지 수확 방법은 저전력 장치에서 상당한 주목을 받고 있다. 고성능 CT를 개발하기 위해서는 B-H 곡선의 정확한 추정이 필수적이며, 이는 CT 재료의 전자기적 거동과 밀접하게 연관되기 때문이다. 그러나 기존의 B-H 곡선 추정 방법은 공정 복잡성과 높은 비용을 포함하여 몇 가지 단점에 직면해 있다. 본 연구에서는 실험을 통해 얻어진 저항-전압 데이터에 기반하여 B-H 곡선을 추정하는 직관적인 방법을 제시하였다. 추정된 B-H 곡선을 바탕으로 CT 코어의 성능을 산출하였으며, 가장 정확한 경우에서 실험 결과와 비교했을 때 오차가 2.6%에 불과한 것으로 나타났다. 또한 공기 간극의 존재로 인해 발생하는 분할 코어 성능 저하를 분석하였다. 분할 코어의 공기 간극 형성은 표면 거칠기와 밀접한 관련이 있었고, 이는 코어 성능에 유의미한 영향을 미쳤다. 성능 저하를 최소화하는 공기 간극 범위를 예측하고, 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다. 본 연구는 자기 CT 코어 재료의 B-H 곡선을 얻기 위한 간단한 접근법을 강조한다. 본 연구는 코어 형상과 권장 공기 간극 범위를 포함한 고려사항을 바탕으로 고성능 CT 코어를 개발하는 데 필요한 설계 지침을 제공한다고 믿는다.

3차원(3D) 세포 배양 플랫폼은 최근 조직 또는 종양의 생체 내 미세환경을 재현할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 구형(스페로이드) 형성을 위한 조절 가능하고 다용도의 엘라스토머(탄성중합체) 웰 구조와, 이를 조절 가능한 3D 세포 배양 플랫폼으로서의 현장(in situ) 분석에 활용하는 방법을 제시한다. 엘라스토머 구형 웰은 주형이나 고가의 장비 없이, 비혼화성 액체 폴리디메틸실록산(PDMS) 위에 존재하는 수성 액적 사이의 1단계 계면 반응을 이용하여 제작하였다. 표면장력이 서로 다르기 때문에, 다양한 크기와 곡률을 갖는 구형 웰이 액체 PDMS 위에 자발적으로 형성되며, 이는 손쉽게 제어할 수 있다. 이러한 최적화된 웰들의 어레이를 사용하여, 종양세포와 섬유아세포를 공배양함으로써 각 웰 내에서 단일 종양 스페로이드를 높은 효율(최대 97%)로 성공적으로 형성하였다. 이는 암 조직의 복잡한 미세환경을 반영하기 위한 것이다. 또한 계면 웰 내부에서 형성된 종양 스페로이드는 약물 반응을 관찰하고, 반응성 산소종(ROS)을 모니터링하는 데 직접 적용되어, 약물 또는 그 3D 미세환경에 대한 종양세포의 반응을 규명하였다. 본 연구에서 제안하는 플랫폼은 항암 치료제와 종양 미세환경에 대한 다중양식(multimodal) 분석에 유의미한 기여를 제공할 것으로 기대한다.

췌관 선암종(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)은 발생 빈도는 비교적 낮지만 사망률이 높으며, 주로 조기 발견의 어려움으로 인해 그 치명성이 크다. 현재의 조기 단계 PDAC 진단을 위한 최첨단 방법들은 대체로 침습적이고 시간이 오래 걸리며 신뢰성이 낮은데, 이는 췌장암의 조기 발견과 관련된 어려움 때문이다. 본 연구에서는 SELFI로 명명된 신호 증강(signal-enhanced) 측면 흐름 면역분석법(lateral flow immunoassay)을 이용하여 PDAC의 조기 진단을 빠르고 민감하게 수행하는 방법을 제시한다. 우리는 SELFI를 개발하였으며, 이는 실리카 나노입자 위에 집합(조립)된 플라즈모닉 금 나노입자(plasmonic gold nanoparticles, AuNPs)가 형성하는 다중 핫스팟(multiple hotspots)을 통해 강한 색도(colorimetric) 신호를 생성한다. 우리의 SELFI 분석법은 20 nm AuNPs를 사용하는 기존의 측면 흐름 면역분석법과 비교하여 검출 한계(limit of detection)를 10,123배 증가시키며, 15분 이내에 결과를 제공한다. 우리는 수신자 조작 특성(receiver operating characteristic, ROC) 곡선과 효소결합 면역흡착 분석법(enzyme-linked immunosorbent assay)보다 더 큰 곡선 아래 면적(area under the curve)을 통해 SELFI가 PDAC의 조기 진단을 가능하게 함을 입증하였다. SELFI의 효과적인 진단 특성은 PDAC의 신속한 식별을 향상시킬 수 있으며, 다른 여러 질환의 조기 진단에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

췌관 선암종(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)은 대개 예후가 불량한 후기 단계에서 발견되기 때문에 발생률과 사망률이 높다. 그러나 현재의 PDAC 조기 진단을 위한 최첨단 방법들은 대체로 침습적이고 시간이 많이 소요되며 신뢰성이 낮은데, 이는 췌장암의 조기 발견과 관련된 어려움 때문이다. 본 연구에서는 SELFI(signal-enhanced lateral flow immunoassay)라는 신호 증강 측면유동 면역분석법을 이용하여 PDAC를 조기에 진단하기 위한 신속하고 민감한 방법을 보고한다. 우리는 실리카 비드(silica bead) 위에 결합된 플라즈모닉 금 나노입자(plasmonic gold nanoparticles, AuNPs)들이 형성하는 다중 핫스팟(multiple hotspots)을 통해 강한 색도계 신호를 생성할 수 있는 SELFI를 개발하였다. 우리의 SELFI 분석법은 20 nm AuNPs를 사용하는 기존 측면유동 면역분석법과 비교하여 검출한계(limit of detection)를 28배 향상시켰으며, 결과를 15분 이내에 제공하였다. 우리는 수신자 조작 특성(receiver operating characteristic, ROC) 곡선과 효소결합 면역흡착 분석법(enzyme-linked immunosorbent assay) 대비 더 큰 곡선 아래 면적을 통해, SELFI가 PDAC의 조기 진단에 활용될 수 있음을 입증하였다(****P < 0.0001). SELFI의 유효한 진단 특성은 PDAC의 적시 식별을 향상시킬 수 있으며, 다른 여러 질환의 조기 진단에도 활용될 가능성이 있다.