급격히 증가하는 전 세계 고령 인구로 인해 근육 위축은 노인(older individuals)에서 약 40%에 영향을 미치며, 일상 활동에 중대한 장애를 초래한다. 그러나 약물 축적과 연관된 부작용, 심부 근육 조직으로의 약물 표적 전달의 어려움, 그리고 유선 연결 또는 배터리 의존형 외부 전원 시스템에 기반한 현행 치료 기기의 고유한 한계로 인해 그 치료는 여전히 도전적이다. 본 연구에서는 항건조 특성을 지니고 전기활성 약물 방출을 가능하게 하는 ARMS(Active Releasing Muscle Stimulation) 하이드로겔과 결합하여, 신체 부착형 온-타겟 자극(BOOST) 시스템을 도입한다. BOOST 시스템은 조직의 정전용량(tissue capacitance)에서 전하가 축적되는 현상을 활용함으로써, 무배터리로 무선 전달되는 전기자극과 피부로부터 심부 근육 층까지의 동시 약물 전달을 가능하게 한다. 또한, 체내 전장 증폭(in-body field amplification)은 심부 조직을 표적으로 하는 전기장을 생성하여 약물의 심부 침투를 가능하게 한다. 더불어 전기적 결합(electrically bound) 덱사메타손 포스페이트(dexamethasone phosphate, Dex) 분자를 포함하는 전기반응성 ARMS 하이드로겔과 결합할 경우, BOOST 시스템은 상승적(synergistic) 성능을 나타내어 표적 내부 전기자극과 심부 근육 조직으로의 효율적인 Dex 침투를 달성함으로써 효과적인 경피-근육 전달을 구현한다. ES와 Dex의 동시 적용은 산화 스트레스에 의해 심각하게 손상된 근육 세포를 효과적으로 회복시키며, 근육 위축의 병리학적 조건을 모사한다.

전기분해 셀과 함께.

서론: 폐동맥 고혈압(PAH)은 폐동맥의 혈압이 상승하여 우심부전 및 심지어 돌연 심장사까지 유발할 수 있는 불치병이다. 일산화질소(NO)는 PAH를 강력하게 조절하는 물질이다. 그러나 외인성 NO의 치료 효과는 그 농도에 의존하며, 반감기가 매우 짧다. 가설: 우리는 폐의 침착을 조절하기 위해 제어된 다공성 구조를 갖는 NO 방출 흡입기를 제조하였다. 방법 및 결과: 마이크로 크기 기공을 갖는 NO 방출 흡입기는 분무화 효율을 향상시켰다. 또한 cGMP 발현과 대식세포의 극성화(편향)를 평가하였다. 슬라이드 유리 위의 NO-MPs의 양을 확인하기 위해, Nile red의 형광 강도를 광발광 분광법으로 분석하였다. 공초점 이미지와 마찬가지로, 0.8k BPEI/NO-MPs는 25k BPEI/NO-MPs보다 더 하부 영역에 도달할 수 있었다. 내피성 일산화질소 합성효소(eNOS)가 생성하는 NO는 혈관 평활근 세포에서 cGMP를 증가시켜 혈관 확장을 유도한다. 따라서 내피의 물리적 생성과 유사한 0.05–0.4 nmol cm -2 min -1 범위 내에서의 NO 전달이 혈관 항상성을 회복하는 데 필요하다. 이에 따라, BPEI0.8k/NO-MPs는 건강한 내피의 환경을 모사하는 0.277 nmol cm -2 min -1의 NO를 방출한 반면, BPEI25k/NO-MPs는 0.548 nmol cm -2 min -1로 더 높은 농도를 보였다. BPEI0.8k/NO-MPs는 세포에서 cGMP 합성을 증가시켰으나, BPEI25k/NO-MPs는 초기 급격 방출로 인해 부작용을 나타냈다. 세포 집단을 정량했을 때, BPEI0.8k/NO-MPs는 M1-유사 세포의 수는 감소시키고 M2-유사 세포의 수는 증가시켰다. 또한 형광활성화 세포분류(FACS) 분석을 통해 세포의 단백질 및 유전자 수준을 확인한 결과, BPEI0.8k/NO-MPs 처리군에서 항염증 인자들이 증가하였다. 결론: 새롭게 개발된 BPEI/NO 방출 흡입기는 심부 폐까지 NO를 전달할 수 있으며 PAH 치료의 잠재력이 있다.

사물인터넷(Internet of Things, IoT) 시대에 센서와 소형 전자기기의 광범위한 사용이 확산됨에 따라, 마찰대전 나노발전기(triboelectric nanogenerators, TENGs)는 높은 효율, 다양한 재료와의 호환성, 낮은 비용을 바탕으로 지속 가능하고 재생 가능한 에너지원으로 부상하였다. 그러나 기존의 TENG는 전류 출력이 낮고, 향상된 전류 출력을 연속적으로 생성하기 위해 큰 기계적 입력이 필요하다. 본 연구에서는 증기(흡기) 구동 수직 플러터 TENG(inhalation‐driven vertical flutter TENG, IVF‐TENG)로서 증폭된 전류 출력을 갖는 장치를 개발하였다. IVF‐TENG는 흡기 동안 두 가지 유형의 기계적 거동을 동시에 나타내며, 고주파 연속 전기 전압과 폐회로 전류(closed-circuit current, I_CC) 출력을 각각 17 V와 1.84 μA로 생성한다. 또한 매 흡기 주기의 시작과 끝에서 정전기 방전 전압과 I_CC 출력이 각각 456 V와 288 mA로 나타난다. 사용자 위치를 표시하는 조명으로서, IVF‐TENG는 매 흡기마다 직렬로 130개의 LED와 병렬로 140개의 LED를 구동할 수 있다. IVF‐TENG는 커패시터 660 μF를 몇 초의 방전 과정으로 충전하여, 상용 Bluetooth 추적기를 구동하고 Bluetooth 신호를 스마트폰으로 무선 전송할 수 있다. 더 나아가 IVF‐TENG는 출력 파형을 통해 사용자의 호흡 상태 또는 화학전 작용제(GB, DMMP 등)의 존재를 감지할 수 있다.

급격히 증가하는 전 세계 고령 인구로 인해 근육 위축은 노인(older individuals)에서 약 40%에 영향을 미치며, 일상 활동에 중대한 장애를 초래한다. 그러나 약물 축적과 연관된 부작용, 심부 근육 조직으로의 약물 표적 전달의 어려움, 그리고 유선 연결 또는 배터리 의존형 외부 전원 시스템에 기반한 현행 치료 기기의 고유한 한계로 인해 그 치료는 여전히 도전적이다. 본 연구에서는 항건조 특성을 지니고 전기활성 약물 방출을 가능하게 하는 ARMS(Active Releasing Muscle Stimulation) 하이드로겔과 결합하여, 신체 부착형 온-타겟 자극(BOOST) 시스템을 도입한다. BOOST 시스템은 조직의 정전용량(tissue capacitance)에서 전하가 축적되는 현상을 활용함으로써, 무배터리로 무선 전달되는 전기자극과 피부로부터 심부 근육 층까지의 동시 약물 전달을 가능하게 한다. 또한, 체내 전장 증폭(in-body field amplification)은 심부 조직을 표적으로 하는 전기장을 생성하여 약물의 심부 침투를 가능하게 한다. 더불어 전기적 결합(electrically bound) 덱사메타손 포스페이트(dexamethasone phosphate, Dex) 분자를 포함하는 전기반응성 ARMS 하이드로겔과 결합할 경우, BOOST 시스템은 상승적(synergistic) 성능을 나타내어 표적 내부 전기자극과 심부 근육 조직으로의 효율적인 Dex 침투를 달성함으로써 효과적인 경피-근육 전달을 구현한다. ES와 Dex의 동시 적용은 산화 스트레스에 의해 심각하게 손상된 근육 세포를 효과적으로 회복시키며, 근육 위축의 병리학적 조건을 모사한다.

전기분해 셀과 함께.

서론: 폐동맥 고혈압(PAH)은 폐동맥의 혈압이 상승하여 우심부전 및 심지어 돌연 심장사까지 유발할 수 있는 불치병이다. 일산화질소(NO)는 PAH를 강력하게 조절하는 물질이다. 그러나 외인성 NO의 치료 효과는 그 농도에 의존하며, 반감기가 매우 짧다. 가설: 우리는 폐의 침착을 조절하기 위해 제어된 다공성 구조를 갖는 NO 방출 흡입기를 제조하였다. 방법 및 결과: 마이크로 크기 기공을 갖는 NO 방출 흡입기는 분무화 효율을 향상시켰다. 또한 cGMP 발현과 대식세포의 극성화(편향)를 평가하였다. 슬라이드 유리 위의 NO-MPs의 양을 확인하기 위해, Nile red의 형광 강도를 광발광 분광법으로 분석하였다. 공초점 이미지와 마찬가지로, 0.8k BPEI/NO-MPs는 25k BPEI/NO-MPs보다 더 하부 영역에 도달할 수 있었다. 내피성 일산화질소 합성효소(eNOS)가 생성하는 NO는 혈관 평활근 세포에서 cGMP를 증가시켜 혈관 확장을 유도한다. 따라서 내피의 물리적 생성과 유사한 0.05–0.4 nmol cm -2 min -1 범위 내에서의 NO 전달이 혈관 항상성을 회복하는 데 필요하다. 이에 따라, BPEI0.8k/NO-MPs는 건강한 내피의 환경을 모사하는 0.277 nmol cm -2 min -1의 NO를 방출한 반면, BPEI25k/NO-MPs는 0.548 nmol cm -2 min -1로 더 높은 농도를 보였다. BPEI0.8k/NO-MPs는 세포에서 cGMP 합성을 증가시켰으나, BPEI25k/NO-MPs는 초기 급격 방출로 인해 부작용을 나타냈다. 세포 집단을 정량했을 때, BPEI0.8k/NO-MPs는 M1-유사 세포의 수는 감소시키고 M2-유사 세포의 수는 증가시켰다. 또한 형광활성화 세포분류(FACS) 분석을 통해 세포의 단백질 및 유전자 수준을 확인한 결과, BPEI0.8k/NO-MPs 처리군에서 항염증 인자들이 증가하였다. 결론: 새롭게 개발된 BPEI/NO 방출 흡입기는 심부 폐까지 NO를 전달할 수 있으며 PAH 치료의 잠재력이 있다.

사물인터넷(Internet of Things, IoT) 시대에 센서와 소형 전자기기의 광범위한 사용이 확산됨에 따라, 마찰대전 나노발전기(triboelectric nanogenerators, TENGs)는 높은 효율, 다양한 재료와의 호환성, 낮은 비용을 바탕으로 지속 가능하고 재생 가능한 에너지원으로 부상하였다. 그러나 기존의 TENG는 전류 출력이 낮고, 향상된 전류 출력을 연속적으로 생성하기 위해 큰 기계적 입력이 필요하다. 본 연구에서는 증기(흡기) 구동 수직 플러터 TENG(inhalation‐driven vertical flutter TENG, IVF‐TENG)로서 증폭된 전류 출력을 갖는 장치를 개발하였다. IVF‐TENG는 흡기 동안 두 가지 유형의 기계적 거동을 동시에 나타내며, 고주파 연속 전기 전압과 폐회로 전류(closed-circuit current, I_CC) 출력을 각각 17 V와 1.84 μA로 생성한다. 또한 매 흡기 주기의 시작과 끝에서 정전기 방전 전압과 I_CC 출력이 각각 456 V와 288 mA로 나타난다. 사용자 위치를 표시하는 조명으로서, IVF‐TENG는 매 흡기마다 직렬로 130개의 LED와 병렬로 140개의 LED를 구동할 수 있다. IVF‐TENG는 커패시터 660 μF를 몇 초의 방전 과정으로 충전하여, 상용 Bluetooth 추적기를 구동하고 Bluetooth 신호를 스마트폰으로 무선 전송할 수 있다. 더 나아가 IVF‐TENG는 출력 파형을 통해 사용자의 호흡 상태 또는 화학전 작용제(GB, DMMP 등)의 존재를 감지할 수 있다.

에너지 수확을 위한 유용한 도구로서 트라이보일렉트릭 나노발전기(triboelectric nanogenerators, TENGs)는 저중량, 저비용, 높은 전력 밀도 측면에서 다른 에너지 수확 방법에 비해 주목할 만한 장점을 보인다. 휴대용 전자기기 분야에서의 적용 가능성에도 불구하고, TENGs는 작동 중 높은 표면 전하 밀도로 인해 제한된 최대 출력만을 나타낸다. 또한 TENGs는 본질적으로 교류(AC)를 생성하므로, 휴대용 전원으로는 정류 회로(rectifying circuit)와 같은 추가 전기 회로가 반드시 필요하다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 단순한 기계적 구성요소의 추가를 통해 증폭된 전기 전류를 제공하면서도 교류와 직류 출력 모두를 생성할 수 있는 트라이보일렉트릭 생성 메커니즘을 구축하였다. 제안된 기둥형(pillar-type) TENG(P‐TENG)은 전극 간 접촉으로 인해 작동 중 발생하는 전기적 손실을 최소화하여 전자가 직접 흐를 수 있도록 한다. 더 나아가, P‐TENG의 소형화 및 휴대용 변형 모델을 설계하여 일상생활 활동에서 발생하는 기계적 에너지를 수확할 수 있게 하였다.

웨어러블 전기자극 장치는 운동 수행을 향상시키고 회복을 돕는 데 기여할 수 있으나, 기존 시스템은 흔히 외부 전원 공급원과 배선을 필요로 하여 기동성을 제한하고 전자폐기물(e-waste)을 유발한다. 본 연구에서는 의류에 자극을 직접 통합하여 추가 장치의 필요성을 없앤, 완전 섬유 기반 전기자극 시스템인 WE‐Stim을 소개한다. 체결합 에너지 전이(body‐coupled energy transfer, BcET)와 도전성 및 절연성 재료의 고유한 배열을 활용하여, WE‐Stim은 배터리나 발전기 없이도 요구 시(on‐demand) 전기 자극을 제공한다. 시스템은 유한요소해석(finite element analysis, FEA)을 통해 설계되었으며, 인체 생리학적 성능 시험과 착용성(웨어러빌리티) 연구를 통해 검증되었다. 결과는 근력 수행 능력의 상당한 향상뿐 아니라 근육통과 부종의 감소를 보여주었다. WE‐Stim은 일상 사용을 위한 무선의 효율적 자극을 제공함으로써 전통적 시스템의 한계를 해결하는, 웨어러블 전기자극을 위한 실용적이고 지속가능한 해결책을 제시한다.

고속 탄도 충격과 같은 충격은 kHz까지의 충격파 주파수를 발생시켜 비관통성 손상과 재료 파괴를 유발한다. 점탄성체는 사슬 이완과 사슬 간 상호작용의 해리(dissociating interchain interaction)를 통해 에너지를 소산할 수 있다. 그러나 폴리머 사슬은 쉽게 정렬되므로 kHz 충격파에 대한 댐퍼로는 적합하지 않다. 본 연구에서는 용매화(solavation) 효과에 의해 유도된 초고밀도(ultra-packed) 점탄성체를 고주파 충격파를 감쇠하기 위한 효과적인 접근법으로 제시한다. 이는 얽힘이 풀리는 과정(untangling)을 지연시키는 에너지 소산 메커니즘이 있기 때문이다. 이 메커니즘은 사슬 간 상호작용의 해리와 응력 이완에 의해 규명된다. 따라서 고(高)노즐 속도 화기 시험에서 치명적인 손상 없이 우수한 감쇠 효과를 보였다. 본 연구를 통해 얽힘의 포장(밀도) 변화, 이완 에너지, 에너지 소산 효율 간의 정량적 관계를 제시한다.