자기 치료 로봇 구동을 위한 LabVIEW 시뮬레이션 및 Deep Learning 기반의 스마트 전자기 제어 시스템 연구

Batgerel, Tumurbaatar 전북대학교 일반대학원 2019 국내박사

The use of Artificial intelligence Neural Networks and deep learning method appears to be a suitable approach for robotics motion analysis in a degrees-of-freedom and electromagnetic manipulation system environment. Robotics brings expertise in the planning and control sof mechanisms with many degrees of freedom in uncertain environments. Nanotechnology teaches innovative approaches to fabricating nanoscale machines. Deep Learning techniques have shown to perform well on a large variety of problems both in Computer Vision and Biomedicals, Health Informatics reaching and often surpassing the state of the art on many tasks. The dissertation is focused of this thesis was to create a deep learning algorithm for trajectory planning of Magnetic Treatment Robotics (MTRs), create a system for trajectory control, develop software and verify the functioning of the algorithm in practice. This thesis introduces a new design of electromagnetic auto manipulation (EMAM) system and feed-back deep learning method, a neural network system for wireless control of MTRs for biomedical applications. In Addition, IONP/MSC-loaded Janus microspheres were tested by magnetic manipulation for targeted mesenchymal stem cells (MSC) delivery for cartilage repair using an electromagnetic manipulation (EMM) device. Our innovative EMAM system is designed for each dual solenoid coil to an independent power supply, as well as the coil of the solenoid is programmed to switch serial and parallel connections. Generally, can be working thirteen state, dual three sets and seven state combinations mode of coils have been used for each actuation direction and the addition of two mode six special features. In addition, this is another possibility for this research proposes a deep learning-based tumors cell nuclei detection technique from H&E stained images in anticipation of providing much inspiration for the future of precision histology. This system consists of a hardware design for smart manipulating the movement of nanoscale materials and MTRs that has magnetic properties. It can generate a high gradient magnetic field in the forms the pondermotive force distribution which allows the motion MTRs in the smart desired direction. Various types of actuation methods for MTRs have been proposed. Among the actuation methods, electromagnetic based actuation (EMA) has been considered a promising actuation mechanism. The system can be managed programing Joystick or automatically. The software is real time camera video supported by the deep learning method for LabVIEW simulation system, the detection of object function through NI-Vision Assistant and tracking function complete Math script node in the LabVIEW simulation. Manage intelligent treatment of robotics on deep learning algorithm supported on smart software configurations and electromagnetic manipulation devices. Trajectory that was formed in each method is not measured because MTRs do not have any sensors and there is no universal reliable trajectory measurement system. Feasible results can be achieved when trajectory of MTRs is monitored with real time video camera and image processing. Finally, configuration and specification of the design are presented and its performance was examined through simulation. 인공 지능을 이용한 시스템 제어 방법 중, 신경망 및 딥러닝 기법은 전자기 제어 시스템 환경에서의 마이크로 나노 로봇 동작 제어에 매우 적합한 기술이다. 특히 최근의 나노 기술은 나노 기계 제어 시스템과 더불어 새로운 혁신적인 접근법을 제시하고 있다. 그 중 딥러닝 기술은 컴퓨터 응용분야 및 의과학, 헬스케어 분야등 다양한 분야에 산적한 문제들을 분석하고 해결할 수 있는 방법을 제시하고 있다. 이에 본 연구에서는 딥러닝 기법을 통해 전자기제어 치료용 나노 로봇 (Magnetic Treatment Robotics)의 이동 궤도를 분석할 수 있는 알고리즘을 개발하고, 이를 바탕으로 전자기 자동제어 (EMAM) 시스템을 검증 하는 것을 목표로 하였다. 연구에 사용된 자성치료로봇 (MTR)은 야누스 타입의 마이크로 구체 (중간엽줄기세포가 탑재된 자성철나노입자 (IONP / MSC))형태를 가지고 있으며, 전자기 제어장치 (EMAM)를 이용하여 연골 재생을 위한 표적치료기법의 구현 가능성을 확인하였다. 개발된 EMAM 시스템은 독립적인 전원 공급 장치에 연결된 각각의 이중 원통형 코일로 설계되었으며, 각 원통형 코일은 직렬 및 병렬 연결로 전환되도록 프로그래밍하였다. 이 장치는 세 쌍의 원형코일을 통해 6가지 방향으로 자기 유도를 통해 나노로봇을 제어하도록 설계되었다. 추가적으로 딥러닝 알고리즘을 통해 H & E로 염색된 이미지에서 종양 세포 핵 만을 검출할 수 있는 기술 또한 개발하여 연구를 수행하였다. 개발된 자기장제어시스템은 나노 물질의 이동 경로를 정밀하고, 지능적으로 제어 하기 위하여 자성치료로봇 (MTR)을 특정 방향으로 이동하게 하거나 혹은 회전 등의 모션을 취하게 만드는 폰더 모티브 힘 분포 형태의 높은 기울기 자기장을 생성 할 수 있게 하였다. 개발된 전자기 구동 제어 시스템은 조이스틱을 이용하여 구동하거나 시스템에 탑재된 자동모드를 이용하여 나노로봇을 제어 할 수 있도록 하였다. 시스템의 소프트웨어는 LabVIEW 기반으로 실시간 카메라를 통한 비디오 레코딩과 NI-Vision Assistant를 통한 객체 기능 탐지 및 나노로봇 추적이 가능하도록 개발하였고, MathScript노드와 LabVIEW딥러닝 툴킷이 적용되었다. 본 연구를 통해 개발된 자성치료로봇시스템의 지능형치료법은 딥러닝 기반으로 센서 피드백 없이 실시간 비디오 및 이미지 처리로 궤적을 모니터링할 수 있으며, 기존 보다 치료의 정확도를 향상 시킬 수 있었다. 또한 시스템의 정확도는 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였으며, 향후 본 시스템의 임상으로의 적용이 가능할 정도의 정확도를 확보 하였다.

새로운 멀티 노즐 전기 방사 시스템을 이용한 비혈관 스텐트 코팅층 강화 및 임피던스 측정방식의 스텐트 내구성 시험기 개발

박찬희 전북대학교 대학원 2012 국내박사

현재 대부분의 비혈관 스텐트의 코팅방법으로는 디핑(Dipping)법이 주로 사용되고 있으나, 쉽게 찢어지며 균일한 필름 두께를 만들기가 어려운 단점이 있다. 그러나, 전기방사법을 이용하게 되면, 균일한 두께의 필름을 제작할 수 있으며, 세포 증식 및 약물 방출등을 위한 다공성 구조의 스텐트 표면을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, 현재 전기 방사법 또한 2개 이상의 폴리머를 사용하여 나노 섬유층을 형성 하기에는 고분자에 따른 최적 전압 크기, Solvent 농도 를 맞추기가 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 스텐트 표면 강화를 위하여 3축 로봇 시스템을 이용하여 스텐트 코팅 위치를 완벽하게 제어 할 수 있고, 2개 노즐의 각도를 조절 하여 스텐트 코팅층을 강화 할 수 있는 새로운 전기 방사 시스템을 개발하였다. 그리고 개발된 새로운 멀티 노즐 전기 방사 장치를 기반으로 폴리 우레탄과 나일론-6, 탄소나노튜브(MWNT)를 노즐 각도 80° 와 90°로 구분하여 스텐트에 방사한 뒤, 제작된 코팅층의 표면 분석 및 기계적 강도 성능 평가를 수행하였다. 또한 탄소나노튜브(MWNT/PU)와 폴리우레탄을 이용하여 위와 동일한 방법으로 전기 방사 및 기계적 강도 평가를 수행 하였다. 실험 결과 폴리 우레탄과 나일론-6의 경우, 두 개의 노즐을 사용하였을 때(80°=10.8 ±0.3Mpa, 90°=11.5 ±0.6Mpa)가 하나의 노즐에서 폴리우레탄(7.8 ±1.5Mpa)과 나일론-6(5.7 ±2.2Mpa)을 방사 한 경우보다 더 높은 기계적 강도를 보였다. 또한 두 개의 노즐을 사용한 경우가(80°=134 ±30 nm, 90°=118 ±30 nm) 한 개의 노즐을 사용한 경우 보다(496 ±139 nm) 더 작은 나노 섬유를 형성하였다. 그리고 MWNT/PU 복합제와 폴리 우레탄의 경우도 멀티 노즐을 사용한 경우가 하나의 노즐을 사용였을 때 보다 기계적 강도가 약 64% 향상되었다. 그러나 폴리우레탄 한 개의 노즐을 사용한 경우가(239 to 584 nm) MWNT/PU 복합제 멀티 노즐 보다(843 – 1058 nm) 더 작은 나노 파이버 분포를 보였다. 이유는 멀티노즐 전기방사의 경우 난류의 영향으로 나노 파이버가 서로 휘감기는 구조로 생성되기 때문이다. 한편, 본 연구에서는 스텐트의 전반적인 성능 향상을 위하여 자기 연마법을 이용하여 스텐트 표면 거칠기를 향상 시키고자 하였다. 이를 위하여 자기 연마 실험 장치를 준비 하였으며, 연마 시간, RPM 을 변화 시켜 가면서 실험한 결과 200RPM으로 40초 연마한 경우가 가장 좋은 표면 거칠기를 보였다. 또한 위 조건에서 실험한 스텐트는 카테터 Pull out 테스트 결과 2.8 ±0.1 N 으로 가장 작게 측정되었다. 마지막으로, 본 연구에서는 스텐트의 성능평가 항목에서 가장 중요한 내구성을 평가 할 수 있는 세계 최초 스텐트 임피던스 측정 방식의 내구성 시험기를 개발하였다. 임피던스 측정 방식의 내구성 시험기는 스텐트를 휘스톤 브리지 회로의 하나의 저항 성분으로 구성 하여 스텐트 와이어의 파괴 유무를 실시간으로 감지 할 수있도록 개발 되었다. 개발된 내구성 시험기의 주요 구성사항으로는 Pulsitile압력을 가하기 위하여 VCM(Voice coil motor) 모터를 사용하였으며, 정확한 압력 측정을 위하여 2 개의 압력센서와 온도측정을 위한 온도 센서 2개, 그리고 SBF의 원활한 흐름을 위하여 순환 펌프등으로 구성되어 있다. 실험 결과 113, 011, 200 회에서 스텐트 파괴가 감지 되었으며, 실제로 스텐트 와이어 1개가 파괴었음을 2개의 샘플에서 확인할 수 있었다. 본 연구는 비혈관 스텐트의 성능 향상을 위하여 새로운 멀티 노즐 전기방사 시스템 개발하였으며, 이를 기반으로 폴리우레탄, 나일론-6, MWNT/PU등을 이용한 스텐트 코팅층 강화 연구를 진행하였다. 실험 결과 멀티 노즐을 사용한 경우에서 더 강한 스텐트 코팅층을 얻을 수 있었으며, MWNT/PU를 제외한 실험 조건에서 더 작은 크기의 나노 파이버를 얻을 수 있었다. 또한, 스텐트의 표면 거칠기를 향상 시키기 위한 자기연마법 연구결과 200RPM, 40초에서 가장 좋은 표면 거칠기 및 Pull out 테스트 결과를 얻을 수 있었으며, 스텐트의 전기적 임피던스를 측정하여 내구성을 평가 할 수 있는 시험기도 개발하였다. 본 연구 결과는 향후, 3세대 약물 방출 스텐트 코팅 기술 개발을 위한 기반 구축 및 기초 연구 결과 로서 활용될 수 있을 뿐만 아니라 스텐트 양산 기술 및 평가 기술 로도 활용 할 수 있을 것으로 판단 된다. This thesis presents the design, fabrication and assessment of novel evaluation technologies, which include multinozzle electrospinning, magnetic polishing, and durability testing, with the aim of improving the overall performance of non-vascular stents in terms of their biocompatibility, and durability. For this propose, I have developed a robotic controlled multinozzle electrospinning set-up. Mostly, coating of non-vascular stents is carried out by dip-coating method. But the film formed by dip-coating method is easily torn out due to its non-homogeneousness. Furthermore, it is difficult to control the thickness of film which may not be practical for this application. Coating of stents by electrospinning process may be better technology as it provides a large surface to volume ratio of coated material, homogeneousness coating, and porous structure for cell proliferation and differentiation. However, mass production of this process is a major chalange. Therefore, automatic multi-nozzle electrospinning system device equipped with a three axial robot system, a high speed camera for monitoring electrospinning, computer system for controlling robot, and a chamber for injection gas, which can produce homogeneous and strong stent coating, is needed for this propose. A new prototype was developed with an easily controllable multinozzle electrospining set-up. For performance evaluation of this new device, composite elecltrospun nanofiber produced from polyurethane and nylon 6, were characterized and investigated for their physical and mechanical properties. The electrospun nanofiber made by this new device has good mechanical strength compared with conventional method. Using this new electrospinning device, we could test many parameters and configuration such as coaxial nozzle system, change of nozzle angle, kind of injection gas, etc.. Furthermore, it could also be applied for the mass production of stent coating system. Using this multinozzle electrospinning system, composite nanofiber of neat polyurethane (PU) and multiwalled carbon nanotubes/polyurethane (MWNT/PU) have also been fabricated by angled two-nozzle electrospinning. The morphological, thermal, and mechanical properties of the electrospun nanofibers were evaluated. The diameter of electrospun neat PU and composite nanofibers range from 239 to 1058 nm was measured. The two-nozzle electrospun PU/(MWNT/PU) composite nanofibers show curly, randomly-oriented, and non-uniform fibers with interfiber bonding, and are generally bigger in size than single-nozzle electrospun nanofibers. The tensile strength of the neat PU/PU nanofiber blend obtained from two-nozzle electrospinning is 25% higher than that obtained from neat PU single-nozzle electrospinning. The incorporation of MWNTs in the composite nanofiber increases the tensile strength as much as 64% without sacrificing the elongation, makes the composite nanofiber more thermally stable, and improves the thermal stability of polymer matrix. The present results show that side-by-side angled two-nozzle electrospinning can improve the quality of the electrospun nanofibers, and produces curly morphology non-uniform fiber distribution that could be well used as scaffolds for tissue engineering. For the first time, the use of magnetic polishing is reported here to improve the surface finishing of titanium-nickel stents for better performance. The effects of polishing time and rotational speed on the average surface roughness, surface chemical contents, and push-out load were investigated. Magnetic polishing showed promising results in producing a smooth surface while maintaining a constant chemical content at the surface of stent. The best result was obtained at 200 rpm and for 40 s of polishing. Finally, a novel durability tester based on impedance measurement was designed and fabricated. A preliminary investigation of the prototype was carried out using a potential sensing method to monitor vascular stent fractures continuously. A potential measurement system consisting of Wheatstone bridge circuit and signal conditioning circuit was designed for the cardiovascular stent durability and fatigue test. Each end of a bare and polyurethane-covered Nitinol vascular stent was electrically connected to the potential measurement system and then immersed either in simulated body fluid (SBF) media or distilled water at 36.4 ±1°C. When the stent experienced fracture (i.e., a cut), its electrical potential decreased with an increase in electrical resistance. This method successfully measured fractures in the stent regardless of location. Furthermore, the number of cycles at the onset of stent fracture was accurately detected and continuously monitored using this technique. Thus, the present fracture detection method, regarding to our knowledge is the first time reported to use electrical potential measurement for stent durability test, gives a fast, real-time, accurate, and efficient detection of fractures in stent during in vitro fatigue and durability test.

천연고분자로 안정화 한 금과 산화철 나노입자의 다기능성 나노벡터로서의 유전자 전달 및 치료

산타라흐바타 전북대학교 대학원 2007 국내박사

나노기술과 나노의약은 비교적 새로운 연구 분야이다. 나노기술은 100 nm 이하의 크기로 이루어진 구조를 다루는 기술이며 나노의약은 나노바이오 기술을 이용하여 생체 외 (ex-vivo) 진단 기법과 분자 이미지의 인류 건강에 대한 응용, 분자로부터 전기생리학까지 생리학적인 관찰에 쓰이는 스마트 체 내 (in vivo) 용구뿐만 아니라 외과용 마이크로/나노 기법 또는 유전자/약물 전달을 위한 나노벡터를 이용한 치료 기술로 구성된다. 본 논문은 효율적인 DNA 전달 시스템과 암 진단을 위하여 다기능성 혼성 나노벡터로서 고분자로 안정화시킨 금 나노입자 (GN)의 합성과 산화철 나노입자(IOPs)를 고찰하였다. GN 과 IOPs를 안정화하기 위한 출발 고분자로서 천연 다당류인 키토산을 사용하였다. 먼저 키토산은 생리적 pH에서 키토산의 1차 아민을 aliphatic fatty acid halide(Nac), N-actyl-L-cystine (LNAC), lectobionic acid(LA)로 화학적으로 개질하여 수용성 키토산을 제조하였다. 이러한 개질제의 각각의 특징은 aliphatic halide는 acid chloride가 존재하고, LNAC는 thiol기가 존재하며, LA는 간 표적 특성이 있다는 것이다. 개질한 모든 키토산은 핵자기공명기(¹H NMR), 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR)와 X선 회절분석기(XRD)로 물성을 측정하였다. 본 논문은 첫 장에서 유전자 전달, 유전자 치료 방법의 형태, 현행 유전자 전달 방법의 장단점과 전달시스템에서 혼성 나노벡터의 사용 가능성에 대하여 집중적으로 고찰하였다. 나머지 세 장은 GN과 IOPs의 합성 및 특성, 유전자 전달과 이미지에서 다기능성 나노벡터로서의 잠재적인 가능성에 대하여 살펴보았다. 더욱 세밀하게 살펴보면, 두 번째 장은 환원제의 존재 하에서 금 염(gold salt)을 사용한 단순 자체 침전법을 통한 GN의 합성에 대하여 살펴보았으며, 다음으로 수용성 thiol로 개질한 키토산은 금 나노입자용 코팅제로서 사용하였다. 합성한 혼성 GN은 수십 나노의 크기와 양이온성을 가지며 약 3달 이상을 생리적 pH에서 안정함을 다양한 분광학과 생리화학적인 특성을 통하여 확인하였다. 생리적 pH에서 잘 분산된 LNAC-키토산 안정화 금 나노입자(LNAC-Chi/GN)는 평균크기가 약 10-12 nm인 구형 입자였으며 다양한 정상 및 암세포 주에서 독성을 전혀 나타내지 않았다. 더욱이 양성 LNAC-Chi/GN은 DNA와 잘 결합하였으며 뉴클레아제의 분해로부터 DNA를 잘 보호해 주었다. LNAC-Chi/GN은 비개질 키토산과 개질 키토산(LNAC-Chi)보다 in vitro와 in vivo 유전자 전달의 효율을 크게 증가시키는 결과를 보여주었다. 가까운 장래에 콜리이드성 LNAC-Chi/GN 혼성 나노입자는 고분자 단독 연결 유전자 전달체보다 더 우수한 나노벡터가 될 것이다. 또한 본 논문에서 3, 4장은 magnetite인 Fe₃O₄를 IOPs시스템으로 사용하였다. IOPs는 iron chloride 염을 사용하여 화학적인 합성에 의해서 준비하였다. 상의 순도와 자화(magnetization)를 높이기 위하여 chloride 전구체의 비, 환원제의 양, 반응 조건, hydroxide와 금속의 비, 반응시간 및 온도와 같은 몇 가지 예비 인자를 미리 결정하였다. 다음으로 수용성 키토산(Nac-Chi, LA-Chi, GC)을 IOPs의 코팅제로 사용하였다. 합성한 혼성 IOPs(Nac-Chi/IOPs, GC/IOPs)가 더 작은 크기, 단분산 형태, 양성을 띠면서 약 3개월 이상을 생리적 pH에서 높은 안정성을 유지함을 다양한 분광학 및 생리화학적인 특성을 통하여 확인하였다. 제조한 혼성 IOPs는 DNA 전달체와 MRI 조영제로 사용하였다. 혼성 IOPs는 상업적으로 생산중인 다른 입자와 비교해 볼 때 무독성, 높은 DNA 결합력, 보호능력 및 높은 조영효과를 보여주었다. 특히 3장에서는 Nac-IOPs의 합성, 특성, 생체적합성과 MR 이미지뿐만 아니라 DNA와 결합에 대하여 살펴보았으며, 4장은 in vitro 및 in vivo에서 세포의 내부화 및 자기력에 대한 평가를 하였다. 마지막으로 5장에서는 간 지향 물질의 합성과 특성을 고찰하였으며 생체 적합성, 생물학적 분배, 세포 섭취율, MR 이미지뿐만 아니라 자기력화(magnetofection) 결과를 요약하였다. Nac-IOPs와 GC-IOPs의 실험 결과는 전반적으로 높은 콜로이드 안정성, 단분산 형태, 용이한 제조 기술뿐만 아니라 자기력에 의한 끌림 용이 특성에서 개선된 성능을 보여주었다.

삼차원적 나노섬유 전기방사법 개발과 최적화 및 제자리 치환법을 통한 촉매제 활용전략 : 조직공학용 삼차원 나노합성섬유의 개발

황태인 전북대학교 일반대학원 2019 국내박사

나노 기술의 발전은 다양한 종류의 실용적인 생체재료를 제작 및 사용할 수 있는 토대를 만들었다. 나아가 생체재료 및 인체에 대한 이해가 깊어짐에 따라 기존에 간과된 물성들이 새롭게 주목을 끌고 있다. 최근에는 나노지형, 나노복합물질, 물질의 강성 등 재료들의 나노 레벨에서의 다양한 특성들이 인접한 세포의 운명을 결정한다는 사실이 여러 차례 보고되었다. 조직 공학은 조직 재생을 촉진하기 위해 생체 모방 및 세포 친화적 인 환경을 조성하는 것을 목표로 한다. 이런 면에서 내재적으로 세포 외 기질 (ECM)의 자연 구조를 지닌 나노섬유(electrospun nanofibers)는 조직 공학 분야에서 다양한 방식으로 이용되고 있다. 이러한 목적을 위해 전기방사 나노섬유의 형태학 및 물리 화학적 특성을 개선시키기위한 지속적인 노력이 있어왔다. 특히 삼차원적 나노 섬유는 실제 생체 조직에 가깝게 세포의 구면체를 만들 수 있는 기초기술이다. 아직까지 그 메커니즘이 완전히 설명되지는 않았지만, 락트산 (유산)의 전기방사용 용액의 단순한 첨가가 기존 방사 중합체들을 3D 섬유로 제작하는데 도움을 준다. 이러한 락트산은 산도 및 잠재적인 독성으로 인해 3D 섬유 제조 공정에서 삼차원 구조 제작의 촉매제 역할로 사용된 후에 구조체에서 완벽하게 제거한다. 하지만 이러한 락트산은 높은 산도에도 역사적으로 다양한 분야에서 사용되어 왔으며, 인체 전반에서 끊임없이 생산되고 소모되는 대사성산물이다. 특히 중추 및 말초신경계 전반에서 에너지원으로 사용될 뿐만 아니라, 배아 발달 과정 및 신경 신호의 전달에 관여한다고 밝혀졌다. 따라서 락트산은 조직 공학적으로 단순한 3D 형성 촉매제를 넘어 지지체의 기능화의 재료로 사용될 수 있다. 이 연구에서는 락트산을 이용한 삼차원적 나노 섬유 생산과 조직 지지체 제작을 위한 전략을 선행했다. 이 연구의 주요 초점은 3D 생체 활성 발판의 제작 및 3D 형성 메커니즘을 밝히는 것이다. 전기 방사 섬유 예측 시스템을 개발하기 위해 먼저 점도 및 용매 증발 속도를 동시에 모니터링할 수 있는 매우 정밀한 QCN-D 장치가 사용되었다. QCN-D 결과와 섬유의 품질 사이의 비교 연구를 통해 전기 방사 이전에 섬유의 질을 예측 평가하는 가능성을 확인했다. 이후 락트산을 통한 삼차원적 입체성 구조의 전기방사 섬유 제작은 폴리카프로락톤 (PCL), 폴리L- 락트산 (PLLA) 및 셀룰로스 아세테이트 (CA) 등의 다양한 중합체를 통해 연구되었다. 이후 락트산은 수산화칼슘 (Ca(OH)2)과 반응시켜 섬유상에 칼슘 락테이트 (CaL) 분자를 제자리 생산하는데 이용되었다. 또한 Ca(OH)2의 염기가 동시에 CA 성분을 셀룰로오스로 동시에 치환하는 것을 확인하였습니다. 결론적으로, 본 연구는 새로운 방식의 간단한 조직 인공 지지체 제조 기술을 최적화하였고, 개발된 지지체용 섬유는 하이드로겔 및 나노 입자와 같은 다양한 기술과 손쉽게 결합시켜 새로운 지지체 개발에 이용될 수 있을 것으로 기대된다. Nanotechnology has enabled scientists to tailor the materials to provide the biomaterials on demand. As the understanding of biomaterials being deepened, various overlooked features has drawn significant attention. Recently, it has been featured that the properties of biomaterials at the nanoscale including nanotopography, presence of disparate nanomaterials, and the level of stiffness can signal the fate of adjacent cells. The tissue engineering aims to create the biomimetic and cell-friendly environment to promote tissue regeneration. In this regard, electrospun nanofibers naturally mimicking the intrinsic architecture of the extracellular matrix (ECM) has drawn burgeoning interests in the field of tissue engineering. There have been ongoing efforts to improve the morphologic and physicochemical properties of electrospun nanofibers. In particular, the three-dimensionality of nanofibers demonstrated to possibly generate cell spheroid rather closer to the physiologic tissue. Although the mechanism behind the 3D formation has not been explained, lactic acid (LA) has eased the production of 3D fiber as simply blended to the precursor solution.In the 3D fiber production process, after the physically catalytic role ended, the metabolic acid is oftentimes thoroughly removed because of the potential toxicity. Despite the acidity, LA with a historical reputation is constantly produced throughout the human systems, then utilized. Especially, there has been reliable evidence that the nervous system including both central and peripheral make use of the lactic acid from the embryonic development and operate the transmittance of signals. Therefore, LA can play the roles beyond the catalytic agent for 3D formation in tissue engineering. Herein, the research preceded the 3D formation of nanofiber production and further improvement for tissue scaffolding applications. The main focus of the research is to reveal the mechanism behinds the 3D formation and development of 3D bioactive scaffolds. For developing the electrospinning predicting system, the highly precise QCN-D device has been employed by benefiting the simultaneous monitoring for the viscosity and the solvent evaporation rate. The possibility of pre-assessment of the quality of the electrospun fibers has been displayed by a comparative study between the QCN-D result and the quality of the fibers. The induction of self-assembled 3D dimensionality in the electrospun fiber has been investigated with different polymers polycaprolactone (PCL), poly L-lactic acid(PLLA), and cellulose acetate(CA). The LA on the fibers was further exploited to produce calcium lactate (CaL) molecule by reacting with calcium hydroxide (Ca(OH)2) on 3D fibrous structures. Also, the Ca(OH)2 concurrently was able to convert CA components in the fibers into cellulose. In conclusion, the versatile facile tissue scaffold producing technique has been optimized and is expected to be synergistically combined with various techniques such as hydrogel, and nanoparticle for the treatment and diagnosis.

암 치료진단용 제어합성 및 산화철 나노입자 기반의 표면 처리

아라띠람 전북대학교 일반대학원 2016 국내박사

나노기술은 나노의학에서 최근 많은 관심과 급격한 발전을 보이고 있는 분야이다. 나노기술 기반의 치료법들의 특수성으로 인해 다양한 분야의 과학자들의 관심을 받고 있으며 그 중에서도 특히 암치료진단학 분야에서 주목을 받고 있다. 최근의 암치료에 관한 연구동향은 암의 이른 진단 및 최소한의 부작용을 가진 효과적인 치료법을 개발하는 것이다. 이러한 연구적 관심에 있어서 생체친화적 자성 나노입자(MNPs)는 MRI, 세포 및 조직들의 표적화, 약물전달, 온열치료 등에 사용될 수 있는 다양한 물성들로 인해 암 치료진단학에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 여겨진다. 최근 생체친화적 자성 나노입자의 온열치료에 이용될 수 있는 교번자기장 내 발열성, 암세포 특이적인 약물전달 성질, 또한 물분자의 자기장내 양자방출을 가속화시키는 성질을 이용한 MRI T2 영상에서의 조영제로서의 역할 등의 다양한 기능적 특성과 그 상승작용으로 인해 인해 암진단학에서의 사용을 위한 이 물질의 관심이 증폭되고 있다. 그러므로 본 연구는 자성 나노입자와 약물들을 이용하여 MRI 효율성을 증대시키며, 단일 온열치료나 항암화학치료 기반의 기존 일반적인 치료법들보다 우월한 치료 효율을 보이는 다기능성 치료적 나노시스템 개발을 목적으로 한다. 본 연구는 독특하게 기능화된 자성나노입자와 나노섬유들을 포함한 상승작용적 암치료를 위해 다양한 나노합성들을 제시한다. 이 연구의 주된 목적은 자극반응성 약물 전달과 MRI 영상의 향상 그리고 일부의 온열치료적효과를 동시에 가능하게 하는 스마트 기능화 전략 설계에 있다. 암특이적 항암 약물전달을 위해 암세포 주변의 산성 환경에서 낮은 pH에 반응하여 약물이 방출되는 pH반응성 약물전달체계가 이용된다. 홍합 추출물의 카테콜 그룹들의 독특한 특성을 이용한 poly (2-Hydroxyethyl methacrylate-co-dopamine methacrylamide) p(HEMA-co-DMA) and poly (methyl methacrylate-co-dopamine methacrylamide) p(MMA-co-DMA)와 같은 혼성 중합체들을 합성하여 강자성 산화철 나노입자들과 자성 나노섬유들의 표면기능화에 사용하였다. 이 상승작용적 항암치료법은 붕산을 포함하고 있는 bortezomib(BTZ)을 앞서 말한 폴리머들의 카테콜기들에 중합시켜 제작되었다.홍합 유래물을 이용한 스마트 자성 나노섬유는 또한 현저한 MRI 영상 향상을 통해 추가적인 항암치료적 상승효과를 보였다. 또한 연구의 일부로 암세포 특이적 약물 방출 및 내시경적 온열치료법에 사용가능한 체내 삽입용 스마트 자성 나노섬유 장치를 제작하여 in vitro 실험이 완료되었다. 이 IONPs를 위해서, 생체친화적, 생체재흡수성폴리머인 poly(d,l-lactide-co-glycolide) (PLGA)를 전기방사법을 이용하여 나노섬유매트를 제작하였고, 암특이적 약물전달을 위해 BTZ와 카테콜의 pH반응성 결합을 이용했다. 독창적인 강자성 중심부-외피 형태의 망간 철 나노입자(MFNPs) 는 다공성 이산화규소 나노입자들에 쌓여(MSMFNPs) 항암제인 독소루비신(DOX)과 결합시켜 온열치료 및 항암치료의 병용치료로 사용되기 위해 개발되어 그 항암치료의 효과를 체외 실험을 통해 실험되었다. MSMFNPs를 통해 잠재적으로 양이온성 약물전달에 이용하기 위해 이 나노입자는 풍부한 카복실기와 하이드록실 그룹을 가지며 pH반응성을 보이는 1, 2-cyclohexanedicarboxylic anhydride (CDA)를 클릭링커로 이용했다. 산화 그라핀-산화철-독소루비신(GO-IO-DOX)을 이용한 암진단치료적인 플랫폼 또한 제작되어 사용되었고, 이 스마트 자성 나노플랫폼이 교번자기장내에서 열전달을 하는 온열치료적 제제로서와 암특이적으로 pH반응성 약물 전달기능을 통한 항암제제, 또한 T2 조영제로서 MRI 영상을 향상 시키는 기능을 동시에 해낼 수 있음이 보였다. 결론적으로, 근래의 연구들은 성공적으로 항암치료 및 진단을 동시에 수행할 수 있는 독창적인 나노합성법들을 개발하는 것에 성공했다. Nanotechnology is rapidly advancing with burgeoning interest in the field of Nanomedicine. The uniqueness of Nanotechnology-based therapeutics has been attracted scientists from various research areas especially in the field of cancer theranostics. The frontiers of cancer research include the early detection of cancer as well as the cancer treatment with few side effects. Therefore in this regard biocompatible magnetic nanoparticles (MNPs) play an important role in cancer theranostics by combining its various properties include magnetic resonance imaging (MRI), cell and tissue targeting, drug delivery and hyperthermia. Recently there has been a critical thrust aroused towards a synergistic cancer theranostics by combining the unique heat generation property of the magnetic nanoparticles in an alternating magnetic field (AMF) to induce hyperthermia along with the exclusive drug delivery properties specific for cancer cells as well as the enhanced ability of magnetic nanoparticles to accelerate the MRI relaxation process of the surrounding water protons as a T2 contrast agents for MRI. Therefore the present research aims to develop multifunctional therapeutic nanosystems incorporating both magnetic nanoparticles and drugs, and apply their superior efficacy in treating cancer compared to either hyperthermia or chemotherapy as standalone therapies along with MRI performance. The research put forward different nanoformulations for the synergistic cancer therapy including uniquely functionalised magnetic nanoparticles and nanofibers. Main focus of the research include the design of smart functionalization strategies for the magnetic nanoparticles to enable stimuli-responsive drug delivery along with mild hyperthermia and enhanced MRI response. For the tumor specific anticancer drug delivery, pH responsive drug delivery system is mainly employed by benefiting the slightly acidic extracellular environment of tumor tissues, which allow for pH-triggered release of the anticancer drugs. The unique properties of mussel-inspired multiple catecholic groups –presenting unique copolymers such as poly (2-Hydroxyethyl methacrylate-co-dopamine methacrylamide) p(HEMA-co-DMA) and poly (methyl methacrylate-co-dopamine methacrylamide) p(MMA-co-DMA) are synthesized and exploited to surface functionalize the superparamagnetic iron oxide nanoparticles and fabricate magnetic nanofibers respectively. The synergistic anticancer therapy application is made possible by conjugating the borate containing anticancer drug Bortezomib (BTZ) to the catechol moieties presented by the formers. Besides the synergistic anticancer efficacy, the mussel inspired smart magnetic nanofibers also exhibits remarkable MRI property. An implantable smart magnetic nanofiber device for endoscopic hyperthermia treatment and tumor triggered controlled drug release is also fabricated and tested in vitro as part of the research. For this IONPs incorporated nanofiber matrix were developed by electrospinning the biocompatible and bioresorbable polymer poly(d,l-lactide-co-glycolide) (PLGA) and the tumor triggered anticancer drug delivery is realized by the pH sensitive binding of catechol and BTZ. A novel superparamagnetic core–shell manganese ferrite nanoparticles (MFNPs) encapsulated mesoporous silica nanoparticles (MSMFNPs) loaded with anticancer drug doxorubicin (DOX) for the combined application of hyperthermia and chemotherapy was also developed and tested its antitumor efficacy in vitro. Inorder to exploit the MSMFNPs, for the potential applications of cationic drug delivery, the nanoparticles are modified by a click linker, 1, 2-cyclohexanedicarboxylic anhydride (CDA), possessing an abundance of carboxyl and hydroxyl groups, exhibiting pH-sensitivity. A theranostic cancer platform using Graphene Oxide–Iron Oxide-Doxorubicin (GO-IO-DOX) is also fabricated to apply for its efficacy in cancer theranostics and found that the smart magnetic nanoplatform acts both as a hyperthermic agent that delivers heat when an alternating magnetic field is applied and a chemotherapeutic agent in a cancer environment by providing a pH-dependent drug release to administer a synergistic anticancer treatment with an enhanced T2 contrast for MRI. Thus in conclusion, the current research succeeded in developing unique nanoformulations for the synergistic anticancer treatment and diagnosis.

탄소나노튜브 및 그래핀 함유 하이퍼브랜치 폴리우레탄 나노복합체의 특성과 플라스몬 광열 효과

이동훈 건국대학교 대학원 2015 국내석사

탄소나노튜브와 그래핀은 뛰어난 역학적, 전기적, 열적, 광학적 특성을 갖고 있어 이상적인 고분자 강화재로 사용될 수 있다. 최근에는 나노탄소의 광에 대한 표면 플라스몬 특성이 알려지면서 이를 이용한 새로운 나노탄소 응용에 관한 연구가 크게 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 근적외선 레이저 조사에 의한 나노탄소의 광열 효과를 고분자 복합체에서 효과적으로 이용할 수 있는 전략을 수립하고, 이를 토대로 나노탄소/고분자 복합체를 제조하여 복합체의 역학적, 전기적 및 광열 특성을 고찰함과 동시에 고분자 작동기로서의 응용성에 대하여 토의하였다. 나노탄소의 광열 효과를 효율적으로 이용하기 위하여 고분자 복합체의 제조에 있어서 얇은 다중벽 탄소나노튜브(TWNT)와 환원그래핀옥사이드(RGO)를 여러 가지 비율로 하이브리드화시켜 고분자 매트릭스 내에 나노탄소를 3차원적으로 결합되도록 하였다. 또한 나노탄소의 분산 향상을 위하여 하이퍼브랜치 구조의 폴리우레탄을 합성하여 고분자 매트릭스로 사용하였다. 그 결과 나노탄소는 하이퍼브랜치 폴리우레탄(HBPU)에 잘 분산되었으며, 탄소나노튜브와 그래핀을 함께 하이브리드한 HBPU 복합체가 그렇지 않은 복합체에 비하여 더 우수한 역학적 및 전기적 성질을 보였으며, 레이저에 의한 복합체의 광열 특성도 같은 효과를 나타내었다. 특히 무게비 7/3의 TWNT/RGO 나노탄소를 사용한 복합체가 가장 우수한 역학적, 전기적 및 광열 성질을 나타내었는데, 이는 고분자 매트릭스 내에 1차원 TWNT와 2차원 RGO가 가장 잘 하이브리드화되어 시너지 효과를 나타내었기 때문이다. 뿐만 아니라 TWNT/RGO/HBPU 복합체를 이용한 레이저 응답 형상회복 거동의 측정으로부터 본 연구에서의 고분자 복합체가 작동기로서 잘 응용될 수 있음을 보여 주었으며, 작동 특성은 인장모드 뿐만 아니라 굽힘모드에서 모두 우수한 성능을 보여 주었다. 그래핀옥사이드(GO)에 poly(ε-caprolactone)diol (PCL)을 기능화한 그래핀(GO-PCL)과 HBPU로 이루어진 복합체를 in-situ 중합법으로 제조하여 복합체의 역학적, 전기적 및 광열 특성을 고찰하였다. GO에 대한 PCL의 기능화는 FT-IR X-ray diffraction 및 X-ray photoelectron spectroscopy 측정으로부터 확인할 수 있었으며, 투과전자현미경 관찰에서 GO-PCL 나노쉬트가 잘 박리된 구조로 나타났음을 알 수 있었다. 또한 복합체에서의 GO-PCL은 HBPU 매트릭스에 잘 분산된 구조로 복합화 되었음이 SEM 관찰에서 알 수 있었는데, 그 결과 복합체의 역학적 및 광열 특성이 기능화하지 않은 GO 복합체에 비하여 크게 증가하였다. 뿐만 아니라 광열 효과에 의한 레이저 형상회복 거동도 PCL로 기능화한 GO를 사용함에 따라 향상되었다. 따라서 본 연구에서의 나노탄소 하이브리드 및 기능화한 나노탄소를 이용한 하이퍼브랜치 복합체는 우수한 역학적, 전기적 및 광열 성질을 얻는데 매우 효과적이었으며, 레이저에 의한 remote-control이 가능한 작동기 응용에 크게 기대된다. Carbon nanotubes (CNTs) and graphene can be used as an ideal filler material to reinforce the polymers due to their superior mechanical, electrical, thermal and optical properties. Recently the photothermal effect of nanocarbon materials due to the localized surface plasmon resonance has received much attention. This study focused the enhancement in the mechanical, electrical, and photothermal properties of nanocarbon-based polymer composites by using the hybrids of carbon nanotubes and graphene as well as the functionalized graphene for reinforcement of the polymer matrix. The laser-responsive shape memory actuator was also demonstrated. The nanocarbon/polymer composites were prepared by using the hybrids of thin-walled carbon nanotubes (TWNTs) and reduced graphene oxide (RGO) for reinforcement in hyperbranched polyurethane (HBPU). The mechanical, electrical, and photothermal properties of the composites were enhanced largely due to formation of three dimensional network structure between one-dimensional TWNTs and two-dimensional RGO nanosheets. Particularly the 7/3 (w/w) TWNT/RGO composites showed the best results in the mechanical properties of breaking stress and modulus, electrical conductivity, and the photothermal effect due to near infrared laser. The composites also demonstrated good photothermal shape recovery in both extension and bending modes, which shows a potential application as remote-controlled actuator. The HBPU composites including the functionalized GO (GO-PCL) with poly(ε-caprolactone)diol (PCL) were also prepared by in-situ polymerization. The functionalization of GO with PCL was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy measurements. The presence of PCL molecules on the GO sheets was observed by transmission electron microscopy. The composites showed enhanced mechanical and photothermal properties compared to the GO-based composites due to increased interaction between the functionalized GO and HBPU molecules. The strategy of use of combined nanocarbon hybrids and functionalized graphene in this study was very effective for not only reinforcement of polymers but also fabrication of laser-responsive shape memory actuator.

은 나노입자가 부착된 나노가지 TiO2 나노섬유 제조 및 광촉매 특성

이천 전북대학교 대학원 2010 국내석사

본 연구에서는 이산화티탄늄 나노가지가 부착된 이산화티탄늄 나노섬유에 은 나노입자를 부착한 결과 광촉매 효과가 매우 향상되었다. 이 나노섬유에 대하여 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 형태학적 특성을 조사하였고, 결정학적 구조와 화학적 구성을 분석하기 위해 X-선 회절계(XRD)와 X-선 광전자 분광계(XPS)를 이용하였다. 또한 이 나노섬유에 관하여methylene blue 와 methyl orange 두 염료를 이용하여 광촉매 특성을 분석하였다. 그 결과 은이 포함된 이산화티탄늄 나노가지가 부착된 이산화티탄늄 나노섬유는 30분 동안에 methylene blue 염료의 약 90 % 를 분해하였으며, methylene orange 염료에 있어서는 약 85 % 가 80분 내에 분해되었다.

미세다공성 규조토를 활용한 천연오일함유 나노섬유의 항균성 효과 및 지속성 연구

손병철 전북대학교 일반대학원 2020 국내석사

본 연구의 목표는 식물에서 추출한 항균 에센셜 오일을 규조토에 흡착시켜서 제조한 항균 물질과 폴리우레탄을 전기방사 하여 천연항균물질을 이용한 항균나노섬유를 제조하고 복합나노섬유의 표면, 물리, 화학적 특성 항균성을 평가함으로써, 자연항균물질을 활용한 항균나노섬유제품 개발을 위한 기초자료를 제시하고자 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 규조토의 흡착 특성을 이용하여 에센셜 오일을 흡착시켜 제작한 항균 물질을 PU와 함께 전기방사를 진행하였으며, 최적 방사 조건은 PU 7.5wt%, 규조토 12.5wt% 에센셜 오일 25wt%였다. 상기 solution 농도에서 적합한 전기방사 조건은 공급 속도 1ml/hr, 니들 게이지 21, 전압 17kV, 방사거리 15 cm로 확인하였다. SEM 분석 결과 제조한 에센셜 오일 흡착시킨 규조토를 PU 나노섬유가 커버하고 있는 구조가 형성된 것을 학인하였다. 제조한 PU + 규조토 + 에센셜 오일 복합나노섬유의 특성을 평가하였으며, 인장강도 평가 결과, 규조토와 에센셜오일을 포함한 복합나노섬유가 PU 나노섬유보다 기계적 강도가 약해지는 것을 확인 할 수 있었다. 접촉각 평가 결과, 규조토를 활용한 복합나노섬유가 에센셜 오일만 활용한 나노섬유에서 59°에서 109° 로 소수성 특성을 늘리는 것을 확인하였으며, XRD 분석을 통해 규조토가 박리없이 PU와 잘 결합되어 전기방사가 되었다는 것을 확인할 수 있었다. 항균성 평가 결과 수증기 증류법으로 추출한 항균 에센셜 오일의 항균효과가 높은 것을 확인 할 수 있었으며, 항균지속성 평가 결과 에센셜 오일을 규조토에 흡착시켜서 제작한 PU + 규조토 + 에센셜 오일 복합 나노섬유가 에센셜 오일만 활용해서 제작한 나노섬유보다 각각의 최적 방사조건에서 많은 에센셜 오일을 보유할 수 있기 때문에 지속성이 높은 것을 확인 할 수 있었다 따라서 실험결과를 통해 규조토와 에센셜 오일을 이용한 폴리우레탄 나노섬유는 공기청정, 항균마스크, 과일 포장 등 다양한 분야에 이용될 수 있을 것으로 예상되며 규조토에 흡착 특성을 활용하면 운드드레싱, 약물 방출 섬유 등 바이오 메디컬 분야에도 활용될 수 있을 것으로 예상된다. In this study, as the demand for natural materials increases, Antimicrobial essential oils(AEO) extracted from plants with antimicrobial components such as 4-terpineol, γ-terpinene, and α-terpinene are utilized by utilizing the adsorption characteristics of diatomite(Dia) with porosity. It intended to manufacture composite nanofibers using natural antibacterial substances that have been absorbed and used for electrospinning to increase their antimicrobial persistence. PU + Dia + AEO composite nanofibers prepared by electrospinning were evaluated by SEM, UTM, Contact angle, XRD, and antibacterial and antimicrobial persistence. PU diatomite essential oil composite nanofibers can contain a large amount of essential oils through the characteristics of diatomite than nanofibers using only essential oils. PU + Dia + AEO composite nanofibers are expected to be used in various fields such as air cleaning, antibacterial masks, fruit packaging, etc., and the adsorption characteristics of diatomaceous earth can be expected in biomedical fields such as wound dressing and drug release fiber.

슈퍼 커패시터용 3차원 MXene 유연 중공 나노섬유와 Ni-Mn 탄소 나노 섬유 전극 개발

Alajami, Mohannad 전북대학교 일반대학원 2019 국내석사

The synthesis of a flexible electrode material from MXene nanofibers with outstanding electrochemical results has been successful and thoroughly discussed in chapter II. The novel electrospun Ti3C2Tx Hollow nanofiber electrode demonstrated a high cyclic voltammetry performance with a respectful potential window, as well as establishing a long Galvanostatic charge-discharge cycle time. Electrochemical evaluation resulted in a maximum specific capacitance of 1282.2 Fg-1 at a current density of 1Ag-1 in a potential window from -0.1V to 0.4V. The assessed electrode’s stability reached 87.4% after performing 10000 cycles under the current density of 10Ag-1. This achieved results are very promising for a storage devices and supercapacitor application. Nevertheless, using the wastes laid by human body in the production of energy sources through urea electro-oxidation achieved two goals at once. The synthesis of a catalyst that can treat the urine produced from the human body by electro-oxidation to yield hydrogen as well as treating the foul water. The bimetallic nanoparticles decorated carbon nanofiber catalyst prepared with 10 wt% Manganese acetate showed the best behavior towered both onset potential and current density. Chapter III debates the observed performance improvements under a specific calcination temperature of 850°C. Overall, the best onset potential and current density reached was with the 10wt% sample under 850°C calcination temperature and they were 230 mV (vs Ag/AgCl) and 79 mA cm-1 respectively. It was concluded that the carbon nanofibers prepared from poly(vinyl alcohol) revealed higher electric conductivity compared to the commercially available nanofibers obtained from the expensive polyacrylonitrile polymer.

하드코팅 수지용 사다리형 폴리실세스퀴옥산/알루미늄옥사이드 나노복합체 개발

안예진 건국대학교 대학원 2019 국내석사

최근에는 경량화, 유연성, 집적화 및 다기능 전자 장치에 대한 수요가 증가하고 있지만 전자 장치가 사용 환경에서 노출되는 기계적 특성에 대하여 여전히 많은 문제가 남아있다. 기계적 특성을 높이기 위해 전자기기에 적용 가능한 코팅 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 중에서도 유-무기 하이브리드 소재를 이용한 하드코팅 소재가 각광받고 있다. 본 논문에서는 유-무기 하이브리드 소재인 사다리형 폴리실세스퀴옥산에 경화 가능한 지환식 에폭시 기능기를 가진 고분자를 중합했다. 또한, 경화 후 기계적 특성을 높이기 위해 소량의 알루미늄옥사이드(Al2O3) 나노 입자를 고분자 매트릭스에 도입해 나노 복합체를 만들었다. 나노 입자의 효과를 확인하기 위해 나노 입자가 첨가한 것과 첨가하지 않은 것을 비교해 특성 분석을 진행했다. 경화 후 필름의 투과도를 확인하기 위해 자외선 가시광선 분광법을 측정했으며, 열적 안정성을 측정하기 위해 열중량분석기를 측정했다. 그 결과 95% 이상의 높은 투과도와 420℃ 이상의 열적 안정성을 나타냈다. 또한, 경화도를 측정하기 위해 푸리에 변환 적외선을 통해 지환식 에폭시의 경화정도를 측정했으며, 이에 따른 기계적 특성을 확인하기 위해 나노-압입 실험과 연필 경도 시험을 진행했다. Al2O3 나노 입자가 없을 때 약 90% 정도의 에폭시 전환율을 보이며, 나노 입자를 첨가했을 때는 95%이상의 에폭시 전환율을 보였다. 두가지 필름 모두 열경화 이후에 에폭시 전환율이 증가한 것을 보였으며, 나노 입자 0.3 중량% 첨가했을 때 가장 높은 기계적 특성을 가지는 것을 확인하여 Al2O3 나노 입자를 소량 첨가했을 때 기계적 특성 향상에 도움이 된다는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 유연한 백본을 가지며 경화 밀도가 높은 사다리형 실록산고분자가 전자기기에 적용 가능한 투명한 내마모성 필름에 사용가능성이 있음을 확인할 수 있었다. Recently, demands have grown for flexible, lightweight, and multifunctional electronic devices, but still many problems remain with respect to the mechanical properties of the electronic devices exposed to the environment of use. In order to improve mechanical properties, coating materials applicable to electronic devices have been actively studied. Among them, hard coating materials using an organic-inorganic hybrid material are attracting attention. In this paper, polymer with curable cycloaliphatic epoxy functional group was polymerized on ladder type polysilsesquioxane (LPSQ) which is a hybrid material of organic - inorganic. After curing, a small amount of aluminum oxide (Al2O3) nanoparticle was introduced to improve the mechanical properties. In order to confirm the effect of nanoparticle, characteristics of nanoparticle were compared with pure LPSQ and LPSQ-Al2O3. After curing, UV-Visible spectroscopy was measured to determine the transmittance of the film, and the thermal stability was measured by thermogravimetric analysis (TGA). As a result, a high transmittance of 95% and a thermal stability of about 450°C were exhibited. The degree of conversion of cycloaliphatic epoxy was measured by Fourier transform ingrared (FT-IR), and nanoindentation and pencil hardness tests were conducted to confirm the mechanical properties. The epoxy conversion of about 90% after thermal curing was observed both with and without aluminum oxide nanoparticle, and it was confirmed that the highest mechanical properties were obtained when 0.3wt% of nanoparticle was added. As a result, it was confirmed that a ladder-type siloxane polymer having a flexible backbone and a high crosslinking density is likely to be used in a transparent abrasion-resistant film applicable to electronic devices.