초음파(US) 치료는 세포 활성화를 자극하고 조직 재생 및 상처 치유를 촉진하는 비침습적 수단을 제공한다. 그러나 현재의 압전 세라믹 기반 초음파 변환기는 경직되어 있으며 연조직과 기계적으로 부적합하므로 웨어러블 적용에 적합하지 않다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 상호 접속(interdigitated) 전극과 유연한 폴리머 기판 사이의 정전기 공진을 이용하여 고주파 음향파를 생성하는 유전 패치를 개발하였다. 우리는 적용 전압의 주파수를 스윕하는 동안 장치 표면에 올려진 액적의 스트리밍 운동(streaming motion)을 분석하여 공진 주파수를 확인하였다. IDE 간격과 기판 두께를 조절함으로써, 20 MHz에서 음향 공진을 나타내는 유전 음향 공진기 패치(DARP)를 제작하였다. 개발된 DARP는 굽힘 시험에서 굽힘 방향과 무관하게 300 사이클 동안 음향 출력의 95% 이상을 유지하였다. 폴리이미드 기반 장치는 약 50%의 광 투과율을 보였으며, 이는 체내(in situ) 영상 촬영에 유리하다. 상처 치유 분석 결과, DARP 자극 후 5분이 경과하면 섬유아세포의 이동 속도가 1.5배 증가하였다. 또한 DARP가 곡면 및 평면 표면을 가진 조직 모사 하이드로젤에 음향 에너지를 전달할 수 있음을 입증하였다. DARP는 초음파 매개 웨어러블 의료 기기와 재생 치료를 개발하기 위한 플랫폼으로 적용될 수 있다.

초음파는 높은 비용 효율성, 신속한 반응성, 비접촉식 작동과 같은 장점을 바탕으로 화학 공정을 조절하기 위한 대체 도구로서 주목받고 있다. 선행 연구에서는 음향 기포 공동현상이 기능성 물질을 합성하기 위한 에너지를 생성할 수 있음을 보여주었다. 본 연구에서는 초음파 매개 입자 조작 기법을 사용하여 하이드로겔의 물리적 및 화학적 특성의 공간적 분포를 제어하는 방법을 제시한다. 우리는 겔화 과정에서 형성되는 미세 하이드로겔 입자들을 하이드로겔 용액 내에서 국소화할 수 있는 표면 탄성파(surface acoustic wave) 장치를 개발하였다. 표면 탄성파의 적용을 통해 제작된 하이드로겔은 기계적, 물질 전달, 구조적 특성에서의 구배(gradient)를 나타내었다. 이러한 특성 구배를 갖는 겔은 세포 형태를 지시하는 세포 배양 기질로 활용될 수 있음을 입증하였으며, 이는 계면 조직공학(interfacial tissue engineering)에 유익하다. 또한 음향 기반 방법과 특성 구배를 갖는 제작 하이드로겔은 소프트 로보틱스, 생의학 센서, 또는 바이오전자(bioelectronics) 응용을 위한 유연한 고분자 재료 설계에 적용될 수 있다.

액틴 골격 리모델링. 구체적으로, 기계감지와 신호전달은 화학적 자극과 결합되어 사이토카인 생성이 조절되며, 2,4-dinitrochlorobenzene에 대한 반응으로 기질이 더 단단한 경우 케라티노사이트에서 인터루킨-6(IL-6) 생성이 증가한다. 우리는 β1 인테그린과 포컬 어드헤전 키나아스(FAK) 발현이 기질 강성이 증가함에 따라 향상되었고, ERK 및 PI3K/Akt 경로의 활성화가 경화(stiffening) 매개 IL-6 생성에 관여함을 확인하였다. 종합하면, 본 연구 결과는 케라티노사이트의 친염증성 반응을 조절하는 데 있어 기질 경화의 핵심적 역할을 규명하며, 병적 기질 경화와 동반되는 피부 질환에 대한 중요한 임상적 함의를 제공한다.

초음파(US) 치료는 세포 활성화를 자극하고 조직 재생 및 상처 치유를 촉진하는 비침습적 수단을 제공한다. 그러나 현재의 압전 세라믹 기반 초음파 변환기는 경직되어 있으며 연조직과 기계적으로 부적합하므로 웨어러블 적용에 적합하지 않다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 상호 접속(interdigitated) 전극과 유연한 폴리머 기판 사이의 정전기 공진을 이용하여 고주파 음향파를 생성하는 유전 패치를 개발하였다. 우리는 적용 전압의 주파수를 스윕하는 동안 장치 표면에 올려진 액적의 스트리밍 운동(streaming motion)을 분석하여 공진 주파수를 확인하였다. IDE 간격과 기판 두께를 조절함으로써, 20 MHz에서 음향 공진을 나타내는 유전 음향 공진기 패치(DARP)를 제작하였다. 개발된 DARP는 굽힘 시험에서 굽힘 방향과 무관하게 300 사이클 동안 음향 출력의 95% 이상을 유지하였다. 폴리이미드 기반 장치는 약 50%의 광 투과율을 보였으며, 이는 체내(in situ) 영상 촬영에 유리하다. 상처 치유 분석 결과, DARP 자극 후 5분이 경과하면 섬유아세포의 이동 속도가 1.5배 증가하였다. 또한 DARP가 곡면 및 평면 표면을 가진 조직 모사 하이드로젤에 음향 에너지를 전달할 수 있음을 입증하였다. DARP는 초음파 매개 웨어러블 의료 기기와 재생 치료를 개발하기 위한 플랫폼으로 적용될 수 있다.

초음파는 높은 비용 효율성, 신속한 반응성, 비접촉식 작동과 같은 장점을 바탕으로 화학 공정을 조절하기 위한 대체 도구로서 주목받고 있다. 선행 연구에서는 음향 기포 공동현상이 기능성 물질을 합성하기 위한 에너지를 생성할 수 있음을 보여주었다. 본 연구에서는 초음파 매개 입자 조작 기법을 사용하여 하이드로겔의 물리적 및 화학적 특성의 공간적 분포를 제어하는 방법을 제시한다. 우리는 겔화 과정에서 형성되는 미세 하이드로겔 입자들을 하이드로겔 용액 내에서 국소화할 수 있는 표면 탄성파(surface acoustic wave) 장치를 개발하였다. 표면 탄성파의 적용을 통해 제작된 하이드로겔은 기계적, 물질 전달, 구조적 특성에서의 구배(gradient)를 나타내었다. 이러한 특성 구배를 갖는 겔은 세포 형태를 지시하는 세포 배양 기질로 활용될 수 있음을 입증하였으며, 이는 계면 조직공학(interfacial tissue engineering)에 유익하다. 또한 음향 기반 방법과 특성 구배를 갖는 제작 하이드로겔은 소프트 로보틱스, 생의학 센서, 또는 바이오전자(bioelectronics) 응용을 위한 유연한 고분자 재료 설계에 적용될 수 있다.

액틴 골격 리모델링. 구체적으로, 기계감지와 신호전달은 화학적 자극과 결합되어 사이토카인 생성이 조절되며, 2,4-dinitrochlorobenzene에 대한 반응으로 기질이 더 단단한 경우 케라티노사이트에서 인터루킨-6(IL-6) 생성이 증가한다. 우리는 β1 인테그린과 포컬 어드헤전 키나아스(FAK) 발현이 기질 강성이 증가함에 따라 향상되었고, ERK 및 PI3K/Akt 경로의 활성화가 경화(stiffening) 매개 IL-6 생성에 관여함을 확인하였다. 종합하면, 본 연구 결과는 케라티노사이트의 친염증성 반응을 조절하는 데 있어 기질 경화의 핵심적 역할을 규명하며, 병적 기질 경화와 동반되는 피부 질환에 대한 중요한 임상적 함의를 제공한다.

최근 오가노이드는 암 연구에서 널리 활용되고 있다. 그러나 암 오가노이드는 종양의 물리화학적 미세환경을 반영하는 데 한계가 있다. 특히, 혈관 네트워크는 종양에 산소와 영양분을 공급할 뿐 아니라, 암에서 약물이 이동하는 경로로서 중요한 역할도 수행한다. 기존의 방법에서는 혈관화가 통제 불가능한 형태와 속도로 발생한다. 본 연구에서는 표면 탄성파(surface acoustic waves, SAW) 기술을 이용하여 혈관 기저부의 방향성을 조절하고, 혈관 세포를 국소적으로 정렬시켰다. 정렬된 세포는 수일 내에 세포-세포 접촉이 향상되어 혈관계 성숙이 개선되는 양상을 보였다. 오가노이드는 TCGA에 따라 네 가지 분자 아형을 가진 위암 환자에서부터 구축하였다. 오가노이드를 단일세포로 해리한 뒤, HUVEC 세포와의 공배양을 통해 공동배양 구형체(co-culture spheroid)를 형성하였다. 공배양 구형체는 환자 샘플의 특성에 따라 피브로넥틴을 첨가하여 형성하였다. SAW 장치는 인터디지테이티드 트랜스듀서(interdigitated transducer), NiNbO3 기판, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 커버글라스로 구성하였다. 공배양 구형체와 피브린 겔에 혼합된 HUVEC 세포를 장치에 투입한 후, EGM-2 배지에서 흔들어 주면서 표면 탄성파를 이용해 패터닝을 수행하였다. 모델을 고정한 다음, CD31 및 F-actin을 면역형광으로 염색하고 이미징하였다. 혈관 단면을 확인하기 위해 면역조직화학(immunohistochemistry)을 시행하였다. SAW로 패터닝된 혈관은 곧은 선 형태로 잘 정렬되었고, 수일 내에 루멘(lumen) 구조가 형성되었다. 단일배양 구형체와 비교할 때 공배양 구형체를 사용한 경우, 외부 HUVEC와의 상호작용이 향상되어 효율적인 혈관화 오가노이드(vascular organism) 모델을 가능하게 하였다. 이를 뒷받침하는 근거로, PKH 염색을 서로 다른 색으로 수행했을 때 공배양 구형체 내부의 HUVEC와 공배양 구형체 외부의 HUVEC가 상호작용을 통해 연결되는 것이 확인되었다. 또한 우리는 무작위 모델에 비해 패터닝 모델에서 혈관이 더 빠르게 형성되고 더 두꺼워짐을 보여주었으며, 공배양 구형체와의 상호작용 또한 높았다. 면역형광 염색을 통해 구형체에 연결된 혈관 분지의 수가 SAW 모델에서 더 많다는 것을 확인하였다. 추가로 H&E 결과에서 혈관이 선형으로 배열되어 있었고, 관형(tubular) 구조를 형성하기 위해 분화가 적절히 일어났음이 확인되었다. 또한 구형체 내부에서 형성된 혈액의 수가 더 많았다. 현재 본 모델은 FGFR 억제제 및 라무시루맙(ramucirumab)을 FGFR2 증폭 환자유래 오가노이드에 적용하여 항암 효능을 시험하는 데 사용되고 있다. 음향파를 이용하여 효율적인 혈관화 3차원 암 오가노이드 모델을 구축하였다. 본 혈관화 3D 암 오가노이드 연구 플랫폼은 화학항암제, 표적치료제, 면역 체크포인트 억제제 등 다양한 약물을 포함하여 특정 환자에 직접적인 도움을 주는 맞춤형 약물 스크리닝 플랫폼으로 적용될 것이다. 인용 형식: Hyoyoung Kim, Yunam Lee, Byungjun Kang, Un-Jung Yun, Yunjung Choi, So Hui Kim, Hyunki Kim, Hyungsuk Lee, Minkyu Jung. Vascularized 3D cancer organoid research platform using surface acoustic waves [abstract]. In: Proceedings of the American Association for Cancer Research Annual Meeting 2023; Part 1 (Regular and Invited Abstracts); 2023 Apr 14-19; Orlando, FL. Philadelphia (PA): AACR; Cancer Res 2023;83(7_Suppl):Abstract nr 159.

논문 2007946번에서 Polina Anikeeva, Seung-Woo Cho 및 공동연구자들은 탈세포화된 근육 세포외기질과 유도된 골격근 마이오제닉 전구세포를 결합하도록 설계된 합성 폴리머 지지체를 사용하여 골격근 재생을 위한 하이브리드 근육 구성체를 개발하였다. 근육 세포외기질로 개질된 열연(熱延) 섬유 지지체는 재프로그래밍된 근육 조직에 대해 최적의 기계적 견고성과 생화학적 신호를 제공한다. 생체공학적으로 제작된 근육 구성체의 이식은 체내에서 새롭게 근육 재생을 유도하고 기능적 회복을 나타낸다.