중저온형 세리아계 음극지지형 SOFC의 제조공정 최적화 및 성능향상 연구

최윤겸 세종대학교 대학원 2012 국내석사

본 연구에서는 높은 이온전도도를 가지며 탄화수소계 연료에 대한 촉매특성도 우수한 세리아계 물질을 전해질과 전극요소로 채택한 음극 지지형 중 저온 고체산화물 연료전지를 제작하고 그 특성을 관찰하였다. 특히 음극 지지체인 Ni-GDC 의 미세구조를 변화시키며, 이에 따른 음극 특성 및 전체 연료전지의 전기화학적 성능변화를 중점적으로 연구하였다. 이를 위해 음극지지체의 공정방법으로 분무건조/일축가압성형 및 테이프캐스팅 두 가지 방법을 사용하였다. 두 경우 모두 지지체 제조를 위한 과립 또는 슬러리 제조시 solid loading 조건 및 기공전구체의 분산조건을 조절하여 음극기판의 미세구조를 조절 할 수 있다. 각각의 방법으로 제조한 음극지지체 위에는 스크린 인쇄법으로 음극기능층과 전해질 막을 형성한 뒤 각각 1430 ℃ 와 1380 ℃ 에서 공소결 하여 음극/전해질 반전지를 제작하였다. 공소결된 반전지 위에는 마찬가지로 스크린 인쇄법을 이용하여 양극기능층과 양극집전막을 형성한 뒤 950 ℃ 에서 소결하여 단전지를 완성하였다. 음극구조를 달리하여 제작된 2 cm x 2 cm 버튼셀은 그 전기화학적 특성을 평가해 본 결과 성능에 있어서 큰 차이를 보였는데 분무건조법/일축가압성형법으로 기판을 제조한 단전지의 경우 650 ℃ 에서 940 mW cm-2 의 성능을 보였으나 테잎캐스팅법으로 제조한 단전지의 경우 같은 조건에서 540 mW cm-2 성능을 보였다. 이러한 성능차이를 음극지지체의 미세구조 차이로부터 설명하기 위해 음극지지체의 미세구조를 화상분석기법을 적용하여 정량화 하고, 그 미세구조적 인자와 지지체의 물성 그리고 단전지 성능간의 상관관계를 분석하였다. 또한 음극지지체 자체의 물성을 확보하기 위해 직류 4단자법을 이용하여 음극기판의 전기전도도를 측정하였다. 이로부터 단전지 출력손실의 주 요인이 되는 ohmic저항과 분극저항에 미치는 음극미세구조 영향을 분석하였다.

골조직공학을 위한 천연/합성 고분자 지지체의 염증 반응 평가

장지은 전북대학교 일반대학원 2013 국내석사

Development of Highly Porous and Functionally Designed Drug Eluting Nanofibers

이정복 경희대학교 대학원 2012 국내박사

조직공학 (Tissue engineering)은 질병 또는 사고로 인하여 생체조직이나 장기의 손상을 입은 환자들에게 인공 (man-made)의 생체조직이나 장기를 공급할 수 있는 흥미로운 방법이다. 조직공학은 손상된 조직의 재건을 위한 세포, 세포가 성장할 수 있는 공간을 제공해 주는 지지체 (scaffold), 그리고 세포의 성장, 증식, 분화를 촉진할 수 있는 성장인자의 세 가지 인자가 가장 중요하다. 그 중에서 지지체는 세포의 성장에 있어 없어서는 안되는 매우 중요하며, 이러한 지지체는 천연/합성 고분자를 이용하여 염 침출법, 동결건조법, 전기방사법 등을 통해 제작할 수 있다. 그 중에서 전기방사법은 우리 몸의 세포 외 기질 (extracellular matrix, ECM) 성분과 유사한 구조를 가지는 나노섬유를 제작할 수 있으며, 현재 매우 널리 사용되고 있는 지지체 제작방법이다. 전기방사법을 통해 제작된 나노섬유는 다공성의 나노 ~ 마이크로의 섬유직경을 가지는 섬유시트 형태의 지지체이며, 매우 넓은 표면적을 가지는 것이 특징이다. 나노섬유는 세포의 점착력(adhesion), 이동(migration), 증식(proliferation)에 큰 도움을 준다. 전기방사법은 1882년 Raleigh가 액체의 낙하시 정전기력이 표면장력을 극복할수 있다는 계산이 과학적 토대가 되어, 1934년에 독일의 엔지니어인 Formhals에 의해 특허를 받은 방법이다. 전기방사는 electrostatic force에 의해 낮은 점도 상태의 polymer를 사용하여 순간적으로 섬유형태로 방사하여 product를 얻는 방법이다. 전기방사는 일반적으로 섬유의 지름을 수 나노미터로 가늘게 만드는 기술이다. Core-shell 섬유 또는 hollow 섬유같은 특별한 구조의 섬유도 전기방사를 이용한 방법으로 만들 수 있다. 그리고 단일섬유가닥을 여러번 겹치는 방법으로 nonwoven를 제작할 수 있다. 현재 많은 과학자들이 조직공학에서의 세포지지체로서 전기방사를 통한 나노섬유지지체 제작에 관심을 두고 있다. 나노섬유를 바탕으로 한 지지체의 제작에 사용되는 고분자는 매우 광범위하며, 그 중 가장 많이 사용되고 있는 생체적합성, 생분해성 합성 및 천연 고분자는 poly(glycolic acid) (PGA), poly(L-lactic acid) (PLLA), poly(ε-caprolactone) (PCL)과 그들의 공중합체인 poly(lactide-co-ε-caprolactone), segmented PU와 천연고분자인 collagen, gelatin, 그리고 chitosan 등이 있다. 나노섬유 지지체와 함께 조직 재생을 위하여 사용되는 세포는 mesenchymal stem cell, neural stem cell, keratinocyte, cardiomyocytes, chondrocyte, smooth muscle cell, fibroblast, osteoblast, 그리고 endothelial cell 등이 있으며, 이들을 이용하여 각각 피부, 골, 연골, 신경, 심장, 혈관, 그리고 폐 조직의 재생에 사용되고 있다. 일반적으로 세포 지지체로서의 나노섬유 지지체의 섬유 직경은 약 100nm~수 um 정도로 사용 목적에 따라 변화되어 지고 있다. 나노섬유 지지체와 일반적인 필름 지지체를 비교하였을 때, 나노섬유 지지체의 세포 점착력과 증식력이 월등히 높다. 일반적으로 섬유의 직경이 작아질수록 세포에 대한 적합성은 높아진다. 지지체의 표면에서 섬유들이 만드는 다공성(pore)들이 세포의 점착(adhesion)과 증식을 높여주며, 세포들은 이러한 다공성(pore)들을 만드는 섬유를 따라 점착하는 특성을 보인다. 본 연구에서는 이러한 나노섬유 지지체에 약물 및 성장인자를 탑재하여 물리, 화학, 그리고 생물학적으로 세포의 성장, 증식, 분화에 보다 적합한 나노섬유 지지체를 제작 및 분석하였다. 나노섬유 지지체에서 가장 큰 문제 중의 하나는 세포의 성장 및 증식과정에서 나노섬유 지지체 내부로의 침투(infiltration)되지 않는다는 점이다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 ultra-sonication을 통해 밀집되어있는 나노섬유를 분산시켜 공극의 크기를 조절하고, 또한 나노섬유 지지체의 두께를 조절함으로써, 나노섬유 지지체에서의 세포의 3차원 성장 및 증식이 가능하도록 하였다. The current challenge in tissue engineering scaffold is to fabricate a scaffold for the distribution and growth of cells. Electrospun nanofiber sheet have been shown to mimic the structure of extracellular matrix (ECM). Nanofibers produced using electrospinning possess unique advantage that is similar to nano-scaled nonwoven fibrous structure of ECM. Although these nanofibers have shown great potential for use as tissue engineering scaffolds, a significant problem that affects tissue engineered electrospun nanofibrous scaffolds is poor infiltration of cells into the 3D structure. In this study, we prepared three different types of nanofiber scaffolds, PLGA/Gelatin/HAp composite nanofiber, three-dimensional nanofiber scaffold, and nanocylinders. Physical manipulation can enhance cellular infiltration into electrospun scaffolds. These three dimensional showed great promise for design of cell permeable nanofibrous scaffolds for tissue engineering applications. To fabricate three-dimensional nanofibrous scaffold, electrospun nanofiber was treated ultra-sonication. The porosity of electrospun nanofibers was highly enlarged by ultra-sonication in an aqueous solution. The cell infiltration potential was greatly increased with respect to an increase in pore size and porosity. These three dimensional nanofibrous scaffolds fabricated by an ultra-sonication process allowed cells to infiltrate easily into the scaffold. And, poly (L-lactic acid) (PLLA), a biodegradable and biocompatible polyester, was electrospun to produce nanofibers that were treated with an amino group containing base in order to fabricate polymeric nanocylinders. The aspect ratio of the PLLA nanocylinders was tunable by varying the aminolysis time and density of the amino group containing base. The effects of changes in nanofibrous morphology of the PLLA nanocylinders/macro-porous gelatin scaffolds on cell adhesion and proliferation were evaluated. These results indicate that the gelatin/PLLA nanocylinder composite is a promising way to fabricate 3D nanofibrous scaffolds that accelerates cell adhesion and proliferation for tissue engineering.

경조직 재생을 위한 인산칼슘 코팅된 3차원 PDLLA 지지체 제조

김소희 단국대학교 2009 국내석사

현대의학의 발달로 질병치료를 위한 수많은 혁신적인 기술이 개발되었고, 이는 인간의 평균 수명을 크게 연장시키는데 기여하였다. 그러나 이와 더불어 변화된 식생활과 환경적 요인 등에 의하여 노인성 질환이 급격히 증가하는 추세이다. 따라서 현재 전 세계적으로 질병과 사고에 의해 손상된 경조직 대체 및 재생을 위한 다양한 형태의 생체재료 및 임플란트에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 연구에서는 생분해성 고분자 PDLLA를 이용하여 3차원 다공성 지지체를 제조하고 지지체의 뼈 재생능력을 향상시키기 위하여 외부 및 내부 표면을 인산칼슘을 이용하여 표면 개질하였다. 제조된 지지체의 물리화학적인 특성을 다양한 방법을 이용하여 분석하였다. SEM 관찰 결과, 지지체는 다공성이 매우 높았으며 기공간의 상호연결성 또한 매우 좋았다. 또한 SEM, FT-IR, EDS 분석을 통하여 형성된 박막이 지지체의 외부 뿐 만 아니라 기공내부까지 전체적으로 코팅된 것을 확인하였다. 지지체의 세포적합성은 rat으로부터 추출한 중간엽 줄기세포의 이용하여 분석하였다. 세포 증식의 경우 코팅된 지지체가 코팅하지 않은 지지체에 비해 낮게 나타났으나 장기간 배양한 경우 그 차이가 줄어들었다. 이러한 결과는 인산칼슘 코팅이 생체적합성을 가짐을 보여준다. ALP 활성도 측정을 통해 확인한 골원성(osteogenic)의 분화정도는 코팅된 지지체에서 훨씬 더 높은 수준으로 나타났다 인산칼슘 박막을 형성시키기 위한 다양한 방법이 존재하지만 본 연구에서 수행한 코팅 방법은 단시간 내에 지지체의 기공 내부까지 코팅이 가능하며, 이를 위한 장치가 매우 간편하고, 경제적으로도 경쟁력이 높은 코팅방법이라고 할 수 있다. 결론적으로, 제조된 지지체는 인산칼슘을 이용하여 표면을 개질하는 경우, 본래의 지지체의 특성에 비하여 생물학적인 기능이 탁월하게 향상되는 것을 알 수 있었다. 이 연구에서 표면 개질한 지지체는 뼈 조직의 재생력 향상을 위한 대체 재료로서 응용될 수 있을 것이다. Recent advances in the fields of biotechnology and bioengineering make it possible to treat fatal human diseases. On the other hand, bone-related diseases in elderly generations, even in younger generations, became an increasingly serious problem due to the changes in dietary habits and modern life style. Bone tissue engineering has been evolved in order to provide better solutions for this contemporary health problem. Various types of biomaterials for bone substitutes and promotion of bone regeneration have been developed or under investigation. In this study, biodegradable polymeric porous scaffold was fabricated using poly(D,L-lactic acid) (PDLLA). Calcium phosphate thin film was formed on outer and inner surfaces of the scaffold in order to enhance the bone regeneration capability of the scaffold. The physicochemical properties of the scaffold were analyzed using various analytical methods. SEM observation illustrated that the prepared scaffold possesses a highly porous 3D structure. Calcium phosphate thin film was successfully formed on the surfaces of the scaffold confirmed by SEM, FT-IR and EDS analyses. The cytocompatibility of the scaffolds was evaluated by the responses of mesenchymal stem cells (MSC) derived from rat to the scaffolds. MSC proliferation was lower on the coated scaffold compared to the uncoated one. But the difference became less significant with extended culture period. This result suggests that calcium phosphate coating is biocompatible. Osteogenic differentiation of MSC, however, was evaluated by measuring alkaline phosphatase activity and showed much greater level on the coated scaffold than that on the uncoated scaffold. In conclusion, the results of this study confirmed that the biological ability of the modified scaffold was substantially improved by the formation of calcium phosphate thin film on the surface of scaffold compared to pure PDLLA. Therefore, this method can be applied to the biomaterials for bone substitutes for the enhancement of bone regeneration.

천연/합성지지체를 이용한 척수 신경 및 연골 재생에 관한 연구

송정은 전북대학교 일반대학원 2013 국내박사

The goal of this study is to confirm the possbility of application on regeneration of spinal nerve and cartilage from scaffolds using natural bone tissue derived demineralized bone particle (DBP) with tissue engineered methods like structural and physical properites analysis. Once spinal cord by external stimulus is damaged, regeneration of axon is interrupt caused by cystic cativy and glial scar formation (gliosis). Thus, to fill the cystic cativy, scaffold as a carrier is needed. Synthetic PLGA has been widely used as a biomaterial for DDS and tissue engineered porous scaffold because PLGA have high biocompatibility and biodegrabability. However, lack of bioactivity material and hydrophobicity affect on low cell attatchment and acid, breakdown product of PLGA, induced imflammatory. DBP consists of collagen, residue calcium, proteoglycan and organic product, and stimulates differentiation of cells and reduces imflammatory. So, DBP as a natural material is used due to these advantages. Thus, to compliment limitation of PLGA, DBP mixed PLGA nerve channel for implant scaffolds were fabricated for this study. For regeneration of spinal cord, DBP/PLGA for implant scaffolds were prepared by freeze drying method. To amplify effects of regeneration of spinal cord, schwann’s cells were seeded on DBP/PLGA scaffolds and these scaffolds were implanted. In addtion, to fill the space, induce growth of axon and help functional recovery, DBP gel was filled between scaffold and cut axon. At 2, 4, and 8 weeks after implantation, DBP/PLGA scaffold, DBP gel and SCs seeded scaffold have better effects than other groups through carried gross analysis, behavior evalutation, and histological analysis. Development of therapy for early regeneration is important because recovery of cartilage damage or atrophy is very difficult. To development the therapy, it is needed to enough space to secret extracellular matrix and 3 D structure to interact cell-substrate. So, 0, 10, 20, 40 and 80 wt% of DBP contained PLGA scaffolds were prepared by solvent casting/salt leaching. By seeding costal cartilage as a potential alternative, DBP contents giving positive effects on cell attachment and proliferation in vitro and in vivo environment were confirmed and applied for cartilage regeneration. MTT and SEM carried out for attachment and proliferation of cells and sGAG and analysis of collagen contents were conducted for secretion of extracellular matrix. Also, in vivo histology result showed that 80 wt% DBP contained PLGA scaffolds were better than others on attachment and proliferation on cells. Alginates have been used widely for regeneration of cartilage. Thus, 0, 10, 20, 40 and 80 wt% of DBP to alginates were mixed and prepared to sponge type scaffolds. FT-IR and DSC for structural analysis, compressive strength for hardness, SEM, RT-PCR, sGAG and collagen contents for attachment and ECM production and histology evaluation of various content DBP/Alginate sponge were carried out. These results showed that 20% DBP/Alginate scaffolds have good proliferation rate and sGAG and collagen contents are increased for 1 to 3 weeks. Also, histology result from implantation showed same of them. There are many studies about encapsulation of cells into alginate. Encapsuled cartilage induced loss of function and hyperplasia of macrophage by host immune rejection response when it implant in vivo. To overcome these problems, Korbutt method was applied to purify by removing mannuronic acid from alginate because mannuronic acid is the cause of immune rejection. 1% DBP into high purified alginate scaffolds were prepared and seeded cartilage cells. They were made to microcapsule and confirmed the effects. MTT for attachment and proliferation, sGAG and collagen contents, and RT-PCR for evaluation of specific expression genes were carried. Also, immunostainning of implanted scaffolds into nude mice was conducted. These results demonstrated that 1% DBP contained high purified alginate microcapsule is better proliferation rate and gives a positive effect on maintaining phenotype. The results of this study suggested that the application of DBP/PLGA scaffolds, DBP/Alginate sponge and DBP containing alginate capsule showed the possiblility on regenerating cartilage and spinal nerve. 본 연구에서는 천연 골조직으로부터 유래된 탈미네랄화된 골분 (demineralized bone particle, DBP)이 포함된 지지체를 제작하여, 이에 대한 구조적, 물리적 특성 등을 분석하여, 조직공학적으로 척수 신경과 연골 재생에서 응용 가능성을 확인할 목적으로 연구를 진행하였다. 외부 자극으로 인해 척수가 손상되면, 척수 내에 낭포성 공동 (cystic cavity)과 신경교성반흔으로 인해 축삭의 재생을 방해받게 된다. 따라서 낭포성 공동을 채워주기 위해서 세포 담체인 지지체가 필요하다. 합성고분자인 PLGA는 높은 생체 적합성, 생분해성, 가공성을 가져 조직공학적 다공성 지지체, 약물전달 시스템 등의 생체재료로 널리 쓰고 있다. 그러나 생체 활성 물질 결여와 소수성으로 인해 세포 부착이 어렵고, 분해산물인 산으로 인해 염증반응을 일으킨다고 보고되고 있다. DBP는 콜라겐, 잔류 칼슘, 프로테오글리칸 및 유기물질의 분해성분 등으로 구성되어 있으며, 세포분화를 자극하며, 염증반응을 감소시켜 광범위하게 임상에 사용되는 생체 활성 천연재료이다. 따라서 PLGA의 단점을 보완하기 위하여 천연재료인 DBP와 혼합하여 DBP/PLGA 신경유도관을 제작하였다. 척수 신경 재생에서 DBP/ PLGA지지체는 얼음입자 동결건조법으로 제조하고, 축삭의 재생 효과를 증대시키기 위해 슈반세포 (shwann cell, SCs)를 파종하여, 완전 절단된 척수 손상 모델의 절단된 척수사이에 이식하였다. 또한 남아있는 공극을 메꾸고, 축삭의 성장 유도하여, 척수 신경의 기능적 회복을 돕고자 지지체와 잘려진 축삭 사이에 DBP겔을 넣어주었다. 이식 후 2, 4 및 8 주 동안 육안 분석, 행동학적 평가, 조직학적 평가를 통해 확인한 결과 DBP/PLGA지지체, DBP겔과 SCs이 파종된 지지체가 다른 군들에 비해서 신경유도 효과가 높음을 확인하였다. 연골은 손상이나 퇴화 시 재생하기 어려워, 조기에 재생시켜주는 치료방법 개발이 매우 중요하다. 또한 조직을 이루는 세포외 기질이 충분히 분비될 수 있는 공간과 세포와 기질간의 상호작용을 할 수 있도록 3차원 구조의 지지체가 개발되어야한다. 따라서 DBP/PLGA지지체는 용매캐스팅/염추출법을 이용하여 0, 10, 20, 40 그리고 80 wt% 비율로 DBP를 혼합하여 함량별로 제조하였다. 연골 세포의 잠재적 대안으로 사용되는 늑연골세포를 파종하여 생체 내·외 환경에서 세포의 부착 및 증식에 가장 적합한 DBP/PLGA의 함량을 확인하고, 연골재생에 적용하고자 하였다. MTT, SEM 분석을 통해 세포의 증식과 부착을 확인하고, sGAG와 콜라겐 함량 분석을 통해 세포외 기질분비를 확인하였다. 또한, 생체 내 환경에서 조직학적 염색을 실시한 결과 80 wt%의 DBP함량에서 세포의 부착 및 증식이 가장 효과적인 것을 확인하였다. 연골 재생시 Alginate는 연구를 위해 많이 이용되는 소재이다. 따라서 Alginate에 0, 10, 20, 40 그리고 80 wt% 비율로 DBP를 혼합하여, 3차원 스펀지 형태로 지지체를 제조하여 연골재생 효과를 알아보고자 하였다. 함량별 DBP/Alginate 스펀지의 구조적 분석을 위해 FT-IR, DSC, 스펀지의 강도를 측정하기 위해 압축강도, 연골세포 부착과 세포외 기질의 생성량을 알아보기 위해 SEM, RT-PCR, sGAG와 Collagen의 함량, 조직학적 평가를 실시한 결과 20% DBP/Alginate 스펀지에서 세포의 증식률이 가장 높았으며, 1 주에서 3 주동안 sGAG와 콜라겐의 양의 증가율이 가장 높았다. 연골세포가 파종된 DBP/Alginate 스펀지를 누드마우스 피하에 이식한 뒤 적출하여 조직학적 염색을 실시한 결과에서도 같은 결과를 얻었다. 세포를 Alginate로 캡슐화 시킨 연구는 주를 이루고 있다. 캡슐화 시킨 연골세포는 체내 이식시 Alginate에 대한 숙주의 면역거부반응으로 인하여 세포의 기능상실, 대식세포의 과 증식으로 인하여 이식의 문제점을 야기시킨다. 이러한 문제점을 극복하고자 Korbutt 방법을 이용하여 정제과정을 거쳐 단백질 함량을 감소시키고 면역거부반응을 일으킨다고 보고된 만뉴론산의 함량을 감소시킨 고순도 Alginate를 제조하였고, Alginate에 1% DBP을 포함시켜 연골세포를 파종한 뒤 미세캡슐을 제조하여, 연골 재생효과를 확인하고자 하였다. MTT 분석을 통하여 세포의 부착 및 증식률을 관찰하였고, sGAG와 콜라겐 함량 측정과 연골세포의 특정유전자 표현형을 확인하기 위하여 PCR을 실시하였다. 또한 연골세포가 파종된 미세캡슐을 누드마우스의 피하에 이식한 뒤 적출하여 면역화학적 염색을 실시하였다. 실험 결과 1%의 DBP를 함유한 고순도 Alginate 미세캡슐에서 가장 높은 세포 증식률을 보였고 표현형 유지에도 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. DBP를 이용한 이번 연구 결과를 통해서 척수 신경과 연골 조직공학에 DBP/PLGA지지체, DBP/Alginate 스펀지, DBP가 포함된 Alginate 캡슐의 응용가능성을 제시할 수 있다.

Nanoscale design and highly durable electrochemical activities of platinum/carbon black-based electrocatalysts processed by cathodic arc deposition

나현웅 Graduate School, Yonsei University 2020 국내박사

In recent years, sustainable methods of producing future energy systems have been extensively studied to replace fossil fuel-based energy sources. Of the possible new sources of energy, hydrogen powered fuel cells have provide an efficient and eco-friendly pathway for energy conversion with only water and heat as the byproducts. The catalysts is utilized as a means to convert into electrical energy via electrochemical reaction that enables more efficient and selective. The state-of-theart electrocatalyst are platinum group-based metals (PGMs) dispersed in the form of nanoparticles (NPs) on a carbon black (CB) support, in order to achieve a sufficient of active sites that can be utilized in catalyst. Carbon materials as a support, however, inevitably lead to catalytic efficiency losses due to aggressive fuel cell operation conditions in acidic media. To overcome this drawbacks, non carbon supports materials such as oxides, carbides and nitrides have been introduced as an alternates. In spite of insufficient stability, CB has beneficial properties such as outstanding electronic conductivity and surface area are present that can be utilized in support materials. In this thesis, CB was still applied as a principal support material, functionalization by introducing secondary phase were used to create different structure of surface and induce interaction between metal catalyst and support. First of all, conductive indium tin oxide (ITO) NPs are deposited by cathodic arc deposition (CAD). Depending on the number of arc discharges, the content and particle size of ITO NPs were increased linearly, confirming the stability of the process. The high crystalline ITO NPs were deposited having an average particle size of ~4.1 nm to ~7.9 nm depending according to number of arc discharges without the post-heating process. The CAD process was demonstrated to be a very effective process for the synthesis of secondary NPs with a high surface area on a CB support. In terms of electrochemical properties, the intermediate ITO NPs introduced between the Pt catalyst and the CB support not only inhibit Pt migration and coalescences, but also contribute to carbon monoxide (CO) tolerance by hydrogen spillover. The structure and surface state of the support are extensively affects the electrocatalyst performance. Secondly, the novel approach which based on the low-temperature in situ synthesis of tungsten carbide on CB support by CAD method, as an intermediate phase for Pt-based electrocatalysts were proposed. This nonconventional in situ synthesis of tungsten carbide NPs in a few nm-scale comes from the direct reaction of tungsten with carbon provided from the CB support at highly energetic arc plasma atmosphere, prior to the deposition of Pt NPs. There is no supply of external additional carbon for the tungsten carbide synthesis since the CB support acts as a source of carbon. Beyond the anticipating benefits from the intermediate tungsten carbide NPs between the Pt and CB support in terms of electrochemical activities, the unexpected accompanying effects, e.g., enhanced oxidation of W, reduced oxidation of Pt, and graphitization of amorphous carbon, were found to contribute additionally to the improved catalytic reactions. These observations were assumed as the origins of the electrocatalytic enhancements in case of the in situ synthesis of tungsten carbide for CB-supported Pt catalysts. Finally, improved catalytic behavior has been studied through the formation of graphite carbon layers using metallic Ni NP as a template on amorphous CB supports. The graphitic carbon layer encapsulated Ni NP on CB are demonstrated as a resultant of low solid solubility of carbon in metal Ni. As the first step, very uniform Ni NPs intentionally deposited onto CB support by the CAD method where an intensive kinetic energy enables Ni NP to react with CB support. A subsequent annealing/cooling process induces the dissolution of carbon into Ni and then the precipitation of carbon out of the Ni NP during the cooling stage. The precipitated carbon exists as crystalline graphic carbon and forms a shell layer around the core Ni. The complete catalyst structure of Pt/graphitic carbon/Ni/CB results in an enhancement of the half-wave potential after the accelerated durability test (ADT) with 5,000 cycles, which is even better than that of Johnson Matthey catalyst (HiSPEC 3000) and homemade Pt/CB catalyst containing same Pt. 최근에, 화석 연료 기반 에너지원을 대체하기 위한 미래 에너지 시스템을 생산하는 지속 가능한 방법이 광범위하게 연구되어 왔다. 가능한 새로운 대체 에너지 공급원 중, 수소를 동력으로 하는 연료전지는 에너지 변환을 위한 효율적이고 친환경적인 경로를 제공한다. 촉매는 보다 효율적이고 선택적인 전기화학 반응을 통해 전기 에너지로 전환하는 수단으로서 활용된다. 현재 가장 보편화된 촉매의 형태는 촉매에 사용될 수 있는 충분한 활성 부위를 달성하기 위해 탄소 지지체 상에 나노입자 형태로 분산된 백금족 금속이다. 그러나, 지지체로서 탄소 물질은 산성매질의 연료전지 작동조건 하에서 탄소부식 (산화) 과 같은 불안정성을 동반하며 이로 인해 촉매활성의 열화를 초래한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 최근에는 산화물, 탄화물 및 질화물과 같은 비탄소계 지지체 물질연구 또한 활발히 진행되고 있다. 연료전지 작동조건 하에서의 불충분한 안정성에도 불구하고, 카본블랙의 높은 전기 전도성 및 비표면적은 지지체 물질로써 우수한 특성을 갖는다. 따라서 본 논문에서 탄소는 여전히 주요 지지체 물질로 적용되었으며, 2차상의 기능성 나노입자를 도입하여 지지체의 물리적 표면 구조변화를 통해 금속 촉매와 지지체 사이의 부가적인 상호 작용을 유도하였다. 먼저, 2차상 지지체 물질로써 ITO 나노입자를 음극 아크 증착 (CAD) 공정에 의해 증착하였다. 아크 방전의 횟수에 따라 ITO 나노 입자의 함량 및 입자크기가 선형적으로 증가하여 공정의 안정성을 확인하였다. 결정성 ITO입자를 합성하기 위한 후열처리 공정 없이 아크 방전 횟수에 따라 약 4.1 nm ~ 7.9 nm의 평균 입도를 갖는 우수한 결정성의 ITO입자가 제조되었다. CAD공정은 카본블랙 지지체 상에 높은 표면적을 갖는 2차상 나노입자의 합성에 매우 효과적인 공정임을 확인하였다. 전기화학 특성의 관점에서 백금촉매와 카본블랙 지지체 사이에 도입된 중간상 ITO 나노입자는 백금의 이동 및 성장을 억제할 뿐 아니라, hydrogen spillover 에 의해 일산화탄소 (CO) 내성향상에 기여하였다. 지지체의 구조 및 표면 상태는 전기촉매 성능에 광범위한 영향을 미친다. 둘째로, 카본블랙 지지체 위에 2차상 텅스텐 카바이드의 저온 in situ 합성이 연구되었다. 수nm 크기의 텅스텐 카바이드 나노입자를 합성하기 위한 이러한 비전통적인 in situ 합성법은 고 에너지의 CAD 공정에서 카본블랙 지지체로부터 제공되는 탄소와 텅스텐의 직접반응에서 비롯된다. 카본블랙 지지체가 탄소의 공급원으로 작용하기 때문에 텅스텐 카바이드 합성을 위한 외부의 추가적인 탄소의 공급이 요구되지 않는다. 전기 화학적 활성의 측면에서, 백금입자와 카본블랙 지지체 사이의 2차상 텅스텐 카바이드 나노입자로 인한 예측되는 이점 이외에, W의 산화 강화, 백금 표면에서의 산화 감소 및 비정질 구조의 카본블랙의 개선된 흑연화도는 촉매활성 향상에 추가적으로 기여하였다. 마지막으로, 비정질 카본블랙 지지체 위에 금속 Ni나노입자를 이용한 흑연탄소층 형성을 통해 향상된 촉매거동이 연구되었다. Ni 입자 외부에 둘러싸인 흑연탄소층은 금속 Ni 입자내 탄소의 고체 용해도의 결과로서 형성된다. 첫 번째 단계로서, CAD 공정에 의한 높은 운동 에너지를 갖는 Ni 종 (species)이 탄소와 반응하도록 카본블랙 위에 템플릿으로써 균일하게 증착되었다. 추가적인 어닐링/냉각 공정은 금속 Ni 입자내 탄소의 용해 및 석출을 유발한다. 석출된 탄소는 금속 Ni나노입자 외부에 높은 결정화도를 갖는 흑연층을 형성한다. Pt/graphitic carbon/Ni/CB의 최종 촉매구조는 5,000 사이클의 가속화 실험 후, 상용촉매(HiSPEC 4000, Johnson Matthey)와 비교하여 백금입자의 낮은 성장과 ~2배의 half wave potential 값을 유지하며 우수한 안정성을 나타내었다.

젤란검기반 지지체를 이용한 조직공학적 디스크 재생

김하늘 전북대학교 일반대학원 2013 국내석사

조직공학은 생체 내에서 완전히 흡수되고 세포와 친화력이 있는 고분자 지지체에 새포를 배양하여 생체조직에 이식함으로써 새로운 실질 조직을 형성할 수 있도록 유도하는 일련의 기법이다. 세포만 이식하는 것보다 지지체를 이용하면 세포가 안정적으로 조직 재생을 할 수 있는 환경이 제공되기 때문에 조직공학에 있어 지지체는 매우 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 추간판 디스크 재생을 위한 지지체 연구의 일환으로 본래 디스크 조직과 유사한 재생을 유도할 수 있는 지지체 개발을 위한 연구를 수행하기 위하여 천연고분자 물질인 젤란검을 이용하였다. 젤란검은 에로디아속의 수초로부터 분리된 Pseudomonas elodea를 사용하여 탄수화물을 순수배양 발효시켜 얻은 고분자 다당류로써 그 생체적합성과 세포친화적인 여러 장점들로 인정받고 있다. 젤란검은 가교시 15mM의 EDC를 적용하였으며, 1, 2 및 3%함량으로 지지체를 제조하여 이를 적외선 분광기, 다공도 및 물 흡수성 실험을 통해 특성 분석하였다. 세포의 증식률은 MTT(3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide)분석법을 사용하였다. In vivo 환경에서 지지체와 세포간의 상호작용을 확인하기 위하여, 이를 wistar rat의 피하에 이식 후 적출하여 면역조직화학염색법 (ED-1)을 통해 염증의 발현도를 분석 하였다. 젤란검 하이드로겔에 세포를 3차원 지지체로 파종하기 위하여 함량별로 제조된 젤란검 하이드로겔을 동결건조 하여 다공을 형성하였다. 함량은 선행 연구와 같은 비율로 제조하였고 함량별로 크기가 다른 다공과 관련한 세포활성을 중점으로 연구를 진행하였다. 지지체의 다공크기와 세포활성에 끼치는 영향 등을 연구하고자 MTT분석법으로 파종된 AF 세포의 생존률과 증식률을 확인하였으며, in vitro환경에서 RT-PCR, 글리코사미노클리칸 (GAG), 콜라겐 양 측정등을 통해 세포의 표현형 유지확인 및 세포외기질 (ECM)에 대해 가지는 젤란검의 영향을 측정하였다. 결과적으로 본 연구로 함량별로 제작된 젤란검의 특성 분석을 통하여 생체 적합성을 확인하였고, 세포의 활성을 증가시키는 다공이 있는 젤란검 기반 지지체의 연구를 통해 향후 조직공학적 지지체로써 AF 조직 재생을 위한 응용가능성을 증명하였다.

천연재료로서의 오리발 유래 콜라겐을 이용한 조직공학적 응용

김수민 전북대학교 일반대학원 2016 국내석사

조직공학에서 사용하는 재료에서 천연고분자는 천연물질, 동물 등에서 유래한 고분자로 매우 우수한 생체적합성을 가지고 있다. 따라서 이를 지지체로 제조시 체내에 이식 후 염증반응이 적을 뿐만 아니라, 뛰어난 생체 기능성과 생분해성을 가지고 있다. 많은 천연고분자 중에서 콜라겐은 우리 몸속에서 결합조직을 이루는 주요한 단백질로서, 신체구성 단백질중 매우 많은 부분을 차지한다. 하지만 콜라겐은 나이가 들수록 체내에서 합성하는 능력을 잃게된다. 이러한 이유로 콜라겐 개발에 대한 지속적인 연구가 진행되고 있다. 하지만 콜라겐을 생체재료로써 적용시, 추출수율이 낮으며 가격이 매우 비싸다는 단점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 축산폐기물인 오리발로부터 일련의 가공법을 거쳐 획득한 콜라겐을 생체 소재로 적용하려 하였다. 본 연구에서는 오리발에서 추출한 콜라겐을 생분해성 고분자인 PLGA에 첨가하여 지지체를 제조함으로써 조직공학적으로 사용될 수 있는 지지체를 제안하였다. 지지체의 물리, 화학적 특성 및 염증 반응을 알아보았으며 오리발 유래 콜라겐을 다량 함유할수록 염증반응이 완화되며 기계적 성질 및 증식이 우수함을 확인 하였다. 천연고분자인 실크, 소장 점막하조직, 골 미네랄화 탈분 및 오리발 유래 콜라겐을 함유한 PLGA지지체에서 rbBMSCs를 골형성세포로 분화 시켜 줄 수 있는 골 조직공학을 위한 지지체로서의 확인을 하였다. 각각의 지지체에 대하여, MTT를 통하여 세포 증식도를 측정하였고, ALP 활성도 분석으로 분화 거동을 확인하였으며 조직학적평가를 통해 오리발 유래 콜라겐을 함유한 지지체의 경우 가장 빠르게 골분화가 시작되는 것을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 오리발 유래 콜라겐을 실크와 혼합하여 각막내피세포의 이식재로서의 평가를 하였다. 오리발 유래 콜라겐이 함유될수록 세포증식률이 증가하였으며 면역형광염색을 통해 필름에서 세포의 기능이 잘 유지됨을 확인하였다. 이로써 오리발 유래 콜라겐은 조직공학에서 합리적이고 유용한 생체재료로 응용 될 것으로 사료된다.

지방조직유래 줄기세포와 복합지지체 기반의 인공골조직 연구

배준범 인제대학교 2008 국내박사

목적:콜라겐은 조직의 재건과 재생을 위한 지지체로서 널리 사용되는 생체재료이며, 우수한 생체적합 특성을 지녔다. 세포-매개성 수축은 지지체 내 기공 구조의 변화를 초래하고, 그 결과 지지체 내부로 가스 및 영양분 교환이 제한되는 단점이 지적되었다. 본 연구는 피브린과 콜라겐 스펀지로 구성된 복합 지지체와 지방조직 기원 줄기세포 (adipose tissue?derived stem cells, ASC)를 기반으로 하여 조직공학적 골조직을 구축하고자 하며, 복합 지지체 내 피브린 보강에 따른 콜라겐 스펀지의 세포?매개성 수축, ASC의 성장과 분화에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 방법:콜라겐 스펀지와 콜라겐 스펀지와 피브린으로 구성된 복합 지지체 내로 ASC를 파종한 후 dexamethasone, ascorbic acid, β-glycerol phosphate을 포함한 배지로 2주간 배양하였다. 지지체의 세포-매개성 수축 정도는 육안사진을 촬영하여 형태계측학적 방법으로 분석하였다. 지지체 내 DNA를 정량 분석하여 ASC 성장특성을 분석 비교하였다. 알칼리산인산효소 (alkaline phosphatase, ALPase) 활성도, 미네랄화 정도, 골조직 특이 유전자 발현을 분석하여 지지체 내 ASC의 조골세포로의 분화 정도를 비교 분석하였으며, 인공 골조직을 nude mice의 근육 내로 이식한 후 지지체에 따른 골조직 형성 정도를 비교 분석하였다. 결과:피브린이 보강된 복합지지체는 세포-매개성 수축에 강한 물리적 특성을 보였으며, 복합지지체 내 세포의 성장은 콜라겐 스펀지 단독 지지체보다 세포의 성장이 유의하게 증가되어 있었다 (p < 0.05). 지지체 내 ALPase 활성도, 미네랄화 침착, 골조직?특이 mRNAs 발현은 복합지지체에서 콜라겐 스펀지 단독 지지체보다 증가되어 있었다 (p < 0.05). 복합지지체와 ASC로 구성된 인공 골조직은 콜라겐 스펀지와 ASC로 구성된 인공 골조직보다 생체 내 골조직 형성이 증가되어 있었다. 결론:피브린과 콜라겐으로 구성된 복합지지체는 조직공학적 인공 골조직 재건을 위한 유용한 지지체로서 사용될 수 있으며, 또한 지방조직 기원 줄기세포는 골조직 재건과 재생을 위한 유용한 세포원으로 적용될 수 있을 것으로 생각된다. Objectives:Porous collagen sponge is the one of the most commonly used biomaterial for the correction or regeneration of tissue defects and shows outstanding biocompatibility. However the major drawback of this matrix is too weak to cell?mediated contraction which results in alteration of porous structures, impendence of exchanges of gases and media. In this study, composite scaffold composed of fibrin and collagen sponge was used for bone tissue engineering and investigated the effects of fibrin reinforcement into collagen sponge on cell-mediated contraction, proliferation, and osteogenic differentiation of adipose tissue?derived stem cells (ASC). Methods:ASC was seeded on collagen sponge alone and fibrin reinforced collagen sponge (composite scaffold) and cultured for up to 2 weeks under culture media supplemented with dexamethasone, ascorbic acid, and β-glycerol phosphate. Cell-mediated contraction was determined by photoplanimetric method. Fluorometric DNA measurement was performed to determine growth kinetics of ASC in each type of scaffolds. The degrees of osteogenic differentiation were analyzed by alkaline phosphatase (ALPase) activity, degree of mineralization and bone?specific mRNAs expression, histological evaluation. In vivo bone formation was also determined after implantation of engineered bone tissue into nude mice. Results:Composite scaffold showed significantly delayed cell?mediated contraction compared with collagen sponge alone (p < 0.05). The ASC growing in composite scaffold was significantly increased than that in collagen sponge alone (p < 0.05). Moreover, ALPase activity, mineralization and bone-specific mRNAs were gradually increased throughout the culture period and significantly increased in composite scaffold than collagen sponge alone (p < 0.05). In vivo bone formation was more evident in mice implanted with artificial bone tissue fabricated by ASC and composite scaffold. Conclusion:Composite scaffold composed of fibrin and collagen sponges is promising matrix for fabrication tissue engineered bone tissue and cultured ASC could be used as valuable cell source for regeneration and reconstruction of bone tissue.

다공성 금속 지지체상에 DC 마그네트론 스퍼터링법으로 제조된 팔라듐-니켈 합금 수소분리막의 특성 연구

김낙천 경기대학교 대학원 2017 국내석사

Pd-based membranes were used for the hydrogen purification for improving conversions by shifting the reaction equilibrium. For commercial application, Pd-based membranes for reaction/separation process need a high permeability and a competitive price due to reduced usage of noble palladium materials. In this study, we developed a method to surface modification of porous stainless steel support treated by rough polishing and ceramic powder filling. This surface treatment was treated to reduce hydrogen permeation resistance at the interface between Pd alloy hydrogen separation layer and porous stainless steel support and to facilitate thin sputter deposition. Finally, ultra-thin Pd-Ni alloy membranes were prepared by sputter coating on the modified porous stainless steel support. This membrane leads to the performance improvement in hydrogen permeability. Therefore, our Pd-Ni alloy membranes are expected to be applicable to reaction/separation process for hydrogen purification and separation due to high hydrogen permeability and thin, dense Pd-Ni alloy film. 팔라듐 합금 수소분리막은 수소투과도가 우수하지만 귀금속에 속하는 팔라듐에 의한 가격 상승과 불균일한 다공성 금속 지지체 표면 특성에 따른 분리층 두께 증가로 수소투과 특성 및 경제성 저하 등의 문제점이 존재한다. 따라서, 분리층의 두께를 감소시키기 위해서는 다공성 금속 지지체의 표면에 적절한 기공 분포와 서브 마이크론 이하의 조도 등 특성들이 요구되며 분리층의 미세구조가 매우 치밀해야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 다공성 금속 지지체 상에 매우 얇은 팔라듐-니켈 합금 수소 분리층을 코팅하기 위해 다공성 스테인리스 강 지지체를 이용하였으며, 표면 연마, 분말 매립, 플라즈마 표면처리의 전처리 공정을 통해 수소 분리층 코팅이 균일하도록 지지체 표면을 개질하고, 그 상부에 DC 마그네트론 스퍼터링법으로 치밀한 미세구조의 팔라듐/니켈 수소 분리층을 형성하였다. DC 마그네트론 스퍼터링법으로 자성체인 니켈을 타겟을 이용하여 치밀한 미세구조를 갖는 니켈 박막을 만들기 위해 공정 압력, DC 파워 및 타겟 두께 등의 스퍼터 공정 변수를 제어하고, 스퍼터 장비 시스템을 개조하여 치밀질의 미세구조를 가지는 니켈 박막을 제조하였다. 최종적으로, 본 연구에서 연구된 팔라듐-니켈 합금 수소분리막은 전처리된 다공성 스테인리스 강 지지체상에 매우 얇은 3 ㎛ 두께의 수소 분리층을 코팅하여 수소분리막의 수소 투과·선택 특성을 평가하였다. 따라서, 수소 분리층 두께를 감소시킴과 동시에 귀금속인 팔라듐보다 상대적으로 저렴한 니켈 금속을 합금 원소로 사용함으로써 팔라듐 사용량을 줄여 가격경쟁력을 향상시키고 수소 투과도를 향상시킴으로써 반응/분리 동시공정에 적용될 것으로 기대된다.