말뼈를 이용한 골이식재의 열처리 온도에 따른 세포독성에 관한 연구

장경제 ( Kyung-je Jang ),이명철 ( Myungchul Lee ),임재운 ( Jae Woon Lim ),구종범 ( Jongbeom Ku ),박상배 ( Sangbae Park ),정종훈 ( Jong Hoon Chung ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

여가활동 및 골 관련 질환의 전 세계적인 증가 추세에 따라, 골 결손 및 외상이 증가하는 추세에 있으며, 이 질환의 치료에 사용되는 골이식재의 수요도 꾸준히 증가하는 추세이다. 그 중, 동물의 뼈를 이용하는 이종골이식재는 뛰어난 생체적합성 및 골재생능력으로 치과용 이식재로 꾸준히 사용돼왔다. 본 연구는 말뼈를 이용한 이종골이식재의 열처리에 따른 세포 독성을 평가하여 최적의 골이식재 제조 조건을 확립하는데 그 목적이 있다. 제주산 조랑말뼈가 원재료로 사용되었고, 유기물을 제거하는 가장 일반적인 방법은 열처리 방법이 실시되었다. 유기물이 제거되기 시작하며 재료의 상변화가 일어나는 열처리 온도인 600, 750, 900°C를 사용한 시료가 제작되었다. 각각의 시료는 입도크기에 따라 5, 50, 100 μm로 분류되었다. 이에 따른 시료의 특성은 FT-IR, XRD, XRF을 통해서 조사되었다. 세포독성은 각각의 시료를 세포배양용 배지에 용출시켜, 용출된 배지로 24시간 동안 세포배양을 통해 평가되었다. 시험에 사용된 세포는 MG63, hFMSC, hPULP, hABMSC의 네 종류가 사용되었다, 모든 시료에서 유기물이 제거된 것이 관찰되었으며, 결정의 종류도 동일하게 관찰 되었으나, 결정성에 차이가 있음이 관찰되었다. 세포독성 시험의 경우 900°C로 열처리된 시료를 용출시킨 배지로 배양한 시험군에서 세포독성이 가장 낮게 조사 되었다. 본 연구를 통해 열처리 온도에 따라 말뼈의 결정성의 변화가 있음이 발견되었고, 900°C로 열처리한 시료가 용출물 세포독성이 가장 낮은 것이 확인되었다.

양, 염소 및 오리의 스마트 축사 연구개발 현황

장경제 ( Kyoung Je Jang ),심성보 ( Sung-bo Sim ),김현태 ( Hyeon-tae Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

최근 ICT의 급속한 발전에 따라 스마트 생산 시스템과 관련된 기술의 개발이 급속도로 이루어지고 있으며, 스마트팜의 확산도 이에 발맞추어 이루어지고 있다. 최근 급격히 늘어난 육류소비량에 대응하기 위해 국내 축산업의 규모도 확장되고 있는 시점에, 축산업에도 스마트농업을 도입하려는 시도가 이루어지고 있다. 이는 비단 국내에서만 발견되는 현상은 아니며, 정밀 가축 농장(Precision Livestock Farming)이라는 이름으로 세계적으로 확산 추세에 있다. 정밀가축농장은 거의 모든 축종에 대해 적용되고 있으며, 이에 사용되는 기술, 센서, 컴퓨터 도구의 적용에 대한 문헌이 많이 발표되어 있다. 본 문헌 검토의 목표는 양, 염소, 오리 등과 같은 축종에 대한 정밀가축농장과 관련하여 수행된 지난 20여년 간의 국내외 문헌을 조망하는 것이다. 본 고에서는 정밀가축농장을 구축하기 위해 사용되는 장치를 농장 환경관리, 가축의 사양관리, 농장의 경영관리를 위한 세가지 측면으로 나누어 조사하였다. 양, 염소, 오리 등의 축종은 소, 양, 닭 등의 주요 가축보다 사육두수가 적고 규모가 크지 않아 주로 해외의 연구 사례와 일부 국내사례를 조사하였다. 양과 염소의 경우 유럽, 아프리카 일부 지역, 오세아니아의 일부 지역의 목초지에서 사육이 이루어지고 있었다. 사육의 목적은 육류, 양모, 관광상품, 낙농으로 조사되었으며 사육의 형태는 대부분 방목으로 이루어지고 있었다. 이러한 사육 특성 때문에 환경관리는 GPS와 GIS 정보를 이용하여 가축 떼에 의한 목초지의 피해 규모를 정량화하는 데 주목하고 있었으며, 아직 드론 이미지를 이용한 영상 촬영 등을 이용한 접근은 이루어지지 않았다. 가축의 사양은 GPS와 가속도 센서 등을 이용하여 가축 무리의 행동을 예측하고 해석하는 연구가 주를 이루고 있었다. 오리의 경우는 국내 일부 연구가 조사되었으며 다른 축종에 비해 많은 개발이 이루어지지 않고 단순 자동화와 관련된 연구가 조사되었다. 농장관리 시스템은 낙농용 양과 염소와 관련된 연구에서 발견되었고, 사료 투입량 대비 우유 생산능력과 관련된 시스템이 몇 개 조사되었다. 정밀가축농업은 가축의 복지, 생산량, 품질과 같은 주요 요소를 더 쉽고 편하게 관리할 수 있게 함으로써 점점 더 중요한 기술로 다루어질 것으로 예측된다. 소, 돼지, 닭에 치우친 국내 육류소비의 특성 때문에 양과 염소와 같은 축종은 제한적으로 사육되고 있지만, 스마트 축사 기술을 적용하여 경쟁력 있는 생산이 시급하다. 또한, 주요 축종 외에 가장 소비량이 많은 오리에 대해서도 이러한 기술들이 적용된다면 오리의 품질관리 및 생산단가를 낮춤으로 경쟁력 있는 축종을 개발할 수 있을 것으로 기대한다.

Study on Physiochemical Properties of Horse Bone Powders Derived from Various Bone Sites and Areas

조우재 ( W J Cho ),장경제 ( K J Jang ),정종훈 ( J H Chung ) 한국농업기계학회 2013 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.18 No.2

순환식 수경재배에서 NPK 측정을 위한 비색법 기반 Lab on Chip 센싱 플랫폼

홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),장경제 ( Kyoung Je Jang ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

양분의 농도를 측정하여 보충하여 주는 것은 순환식 수경재배에 있어서 중요하며 주로 이온 선택성 전극(ISE)을 통해 농도를 측정하게 된다. 본 연구에서는 수명이 짧은 이온 선택성 전극을 대신하여 Lab on Chip system을 이용하여 양액 내 양분의 농도를 측정하는 센싱 플랫폼을 고안하였다. Microfluidic chip 뿐만 아니라, 연구에 사용된 밸브와 펌프 또한 system의 특성을 고려하여 직접 설계한 뒤 3D 프린터를 이용하여 만들었다. 식물 생장에 중요한 양분인 N, P, K는 독립적인 Chip에서 측정되며, 비색법(Colorimetry)을 이용하여 측정한다. 양액 내에서 질소의 경우 질산염(Nitrate, NO3) 또는 아질산염(Nitrite, NO2)의 형태로 존재하며 인은 인산염(PO4), 칼륨은 칼륨 이온(K)으로 존재한다. 각이온들 측정하기위한 실험방법은, N의 경우 Griess Method를 기반으로 한 시약을 사용하며, P는 Molybdenum Blue, K는 Au NPs를 이용하여 각각의 색 변화에 따른 흡광도를 측정하여 양액 내 이온 농도를 결정하게 된다. 이때, LED와 광 다이오드를 사용하여 흡광도를 측정하게 된다. 비색법의 특성상 감도와 선택성이 뛰어나며, 이는 양액과 같은 heterogeneous한 sample에서 매우 효과적이다. 그리고 Lab on chip 시스템 특성상 Micro volume 수준의 매우 적은 sample과 시약을 소모하며, 지속적인 측정이 가능하여 실시간으로 양액의 농도를 알 수 있고 이온 선택성 전극과 비교하여 경제적이다.

농촌 고령자를 위한 낙상검출 안전장치 개발

손현목 ( Hyun-mok Son ),장경제 ( Kyung-je Jang ),이명철 ( Myungchul Lee ),김홍배 ( Hongbae Kim ),박상배 ( Sangbae Park ),임재운 ( Jae Woon Lim ),김재은 ( Jae Eun Kim ),박지용 ( Jiyoung Park ),정종훈 ( Jong Hoon Chung ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

최근 농진청 통계에 따르면 농촌인구의 고령화율은 이미 초고령사회로 들어섰다. 이 중 65세 이상 고령자는 매년 높은 비율로 낙상을 경험하고 있으며, 낙상에 의한 골절사고 등 이어지는 합병증에 의해 사망하는 환자의 수 또한 1/4에 달하고 있어 고령자의 낙상은 중요한 사회적 이슈로 인식되고 있다. 특히 농촌과 같이 고립된 작업환경 조건에서 사고가 발생할 경우 신속한 대응 조치가 어려워 안타까운 인명 피해로 이어질 수 있어 이에 대한 예방책이 절실히 요구되고 있다. 본 연구의 목적은 낙상을 검출할 수 있는 측정 시스템을 개발하고, 이를 이용하여 낙상과 같은 사고에 대처할 수 있는 안전장치를 개발하고자 한다. 시스템 구성을 위해 컨트롤러로는 상용 컨트롤러를 이용하였고, 3축 가속도와 자이로 센서 신호를 분석하여 일정 동작의 역치값(threshold)을 넘어 섰을 때 낙상 신호를 검출하도록 구성하였다. 낙상 신호는 무선 송수신 장치를 이용하여 낙상이 검출되는 상태를 모바일로 전송하여 모니터링이 가능하도록 시스템을 구성하였다. 낙상을 가정한 테스트를 수행한 결과 걷거나 앉는 일상적 움직임에서는 낙상이 검출되지 않았고, 균형을 잃고 넘어질 때 낙상을 검출할 수 있는 시스템을 개발하였다.

농촌 취약 계층의 안전농작업을 위한 낙상 방지 웨어러블 장치 개발

손현목 ( Hyun-mok Son ),장경제 ( Kyung-je Jang ),이명철 ( Myungchul Lee ),박상배 ( Sangbae Park ),임재운 ( Jae Woon Lim ),김재은 ( Jae Eun Kim ),박지용 ( Jiyoung Park ),김홍배 ( Hongbae Kim ),정종훈 ( Jong Hoon Chung ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

2018년 통계청 조사에 따르면 65세 이상 농촌 고령 인구의 비율이 40%를 넘어섰다고 밝혔다. 이들 농업인 중 육체적 취약 계층인 고령 작업자의 비율이 증가하고 있으며, 특히 건강한 남성에 비해 육체적인 작업 능력이 떨어지는 고령자나 여성과 같은 취약 계층의 농작업에 참여하는 비율이 꾸준히 증가하고 있다. 이들의 경우 만성적인 근골격계 질환 또는 골절 등과 같은 농작업 상해에 취약 할 수 있다. 낙상이란 갑작스런 자세변화로 인해 나의 의지와 상관없이 바닥에 주저앉거나 균형을 잃고 넘어지면서 신체의 일부가 바닥면과 맞닿으면서 발생한다(WHO). 낙상에 의한 부상은 일상이나 작업중 언제 어디서든지 발생 할 수 있으며, 농작업 관련 손상에 관한 연구에 따르면 2011년 전국 농업인 9600명을 대상으로 한 연구에서 약 540명에게서 농작업 손상이 발생하였고, 이들중 145명 (27%)에 달하는 비율로 낙상환자로 보고되었다(kim et al., 2011). 2014년 진행된 연구에 따르면 46,511건의 농작업 재해 중 16,145(35%)건이 낙상으로 인한 사고로 보고 되었다(농업안전보건센터). 따라서 낙상은 농작업 인명 사고중 매우 비중이 높은 사고 원인이라 할 수 있다. 낙상사고가 농작업 취약계층(여성 및 고령자)에게 치명적인 이유는 물리적으로 취약한 뼈가 골절로 이어질 경우, 특히 그 부위가 고관절과 같이 높은 위험 부위일 경우 2차 후유장해로 인한 사망에까지 이를 수 있는 아주 위험한 사고이기 떄문이다(Ann et al., 2018). 또한 낙상 환자의 경우 그 재발생 확율이 매우 높으며, 예방대책 외에는 별다른 안전 조치가 마련되어 있지 않아 그 개발에 대한 필요성에 대한 수요가 날로 증가하고 있다. 농업이 현대화되고 편이장비는 날로 증가하고 있지만 농작업을 대상을 모니터링 하고 농작업자의 안전을 지켜주기 위한 웨어러블 장치는 아직 상용화 되지 못하고 있다. 최근 미국에서는 애플워치4를 통해서 고령자의 낙상검출 기능을 추가하고 이를 마케팅에 적극 활용하였다(2019). 새롭게 출시한 스마트 워치4 버전에는 내장된 가속도 자이로센서를 통해 검출한 낙상 상황을 응급신호로 주변에 알릴 수 있는 기능을 선보였다. 이탈리아 앙코나 대학교의 정보통신공학전공에서는 바닥면 스피커를 통해서 일상의 움직임과 낙상신호를 따로 분별 할 수 있는 기술을 개발하였다(Diego Droghini et al., 2017). 이 신 기술은 소리센서로부터 가상공간에서 발생한 신호를 측정하여 데이터베이스화하고 검출된 신호를 분류하는 머신러닝 기술이 적용되었다. 콜롬비아 메데인에 위치한 안티오퀴아 대학의 한 연구팀에서는 가속도와 자이로센서 신호를 개발한 마이크로프로세서를 통해 측정하여, 실험 당시 촬영한 비디오 영상과 함께 데이터화하여 이를 다른 사용자들에게도 공개하여 활용 할 수 있는 데이터베이스를 공개하였다(Angela Sucerquia et al., 2016). 이러한 연구들이 활발하게 진행되고 있지만 이들 중 상용화에 성공한 경우는 매우 드물다. 국내에서도 최근 딥러닝기술과 데이터 마이닝에 관한 연구들이 활발히 진행되면서 이러한 모바일 기능이 포함된 ICT기반 기술을 농업 분야에도 적용하려는 시도가 있었다. 농진청에서는 농업인의 안전활동을 위한 ICT 기반의 농업시설 안전관리 시스템에 관한 연구를 진행하여 다양한 유해환경 및 농작업을 분류하고 이를 기술적인 해결방법을 찾기 위한 모색을 하였다(농진청, 2018). 2016년에 설립한 국내에 한 스타트업 기업은 산업체 학교 연구소가 협동으로 개발한 낙상 감지 기술을 상품에 적용하여 ‘산업용 낙상 보호에어백’을 출시하였다(Safeware, 2018). 한국생산기술연구원, 한경대학교, Safeware가 공동으로 개발한 이 기술은 산업용 현장의 추락사고에 대비한 기술로 선보였다. 연세대학교에서는 임계값을 최적화 하는 방법을 통해 낙상을 미리 예측할 수 있는 기술을 알고리즘에 적용하여 이를 통해 고령자 낙상 보호 에어백 시스템을 개발하였다(Kim et al., 2017). 한편, 한국전자통신연구원에서는 휴대폰을 통한 고령자 위급상황을 자동으로 인식하고 구급시 필요한 위치정보를 알려주는 ‘낙상 감지 휴대폰(일명: 낙상폰)을 이용한 개인 위급상황 경보 시스템 (PEAS : Personal Emergency Alarming System)을 개발하였다(ETRI, 2007). 이러한 신기술이 개발되고 상용화가 시도되고 있지만 여전히 농촌에 있는 농작업자 들은 고립된 시설환경과 원예시설 등에서 제한된 안전장비에 의존하고 있다.

양액 내 질산이온의 측정을 위한 미세유체 센싱 플랫폼 개발

홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),장경제 ( Kyoung Je Jang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

순환식 수경재배에서 성공적인 작물생장을 위해 양액 내 포함된 양분농도를 측정하여, 생육에 필요한 요소들을 적절하게 보충하여 최적의 양분농도를 유지하는 것이 중요하다. 이를 달성하기 위해 실시간 양액 농도모니터링이 실시되어야 하며, 주로 이온선택성 전극이 사용되어 왔다. 그러나, 이는 개별 이온 농도 모니터링과 내구성에 문제를 갖는 것으로 알려져 있다. 이번 연구에서는 양액 내 주요 성분 중 하나인 질산염의 농도를 측정하기 위하여 대표적인 비색법인 Griess method를 미세유체 시스템에 접목시킨 센싱 시스템을 개발하고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 비색반응이 일어나는 미세유체 채널과 변색 반응을 검출할 수 있는 포토다이오드를 이용한 시스템을 제작하고 표준 시약을 사용하여 센서의 성능을 평가하였다. PDMS와 Glass로 구성된 Chip의 적정 두께를 고려하여, 광원(LED)의 파장대역과 세기, Detector(Photo Diode)와 광원 사이의 간격을 독립변수로 설정하여 Photo Diode로 광도를 측정 하였다. 포토다이오드는 측정하는 LED 광원의 세기에 선형적으로 비례하였고, 이는 spectrometer를 이용하여 측정한 결과와 유사한 패턴을 나타내었다. 또한 표준시약을 사용하여 측정한 결과 역시 농도별로 측정이 가능한 결과를 확인하여 개발된 미세유체 센싱 시스템이 유효한 것을 확인하였다.

축사 내 암모니아 기체 경보를 위한 Lab on chip 기반 센싱 플랫폼

홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),김건우 ( Kim Geonwoo ),장경제 ( Kyoung Je Jang ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

축사에서는 많은 양의 암모니아 기체가 발생하며, 고농도의 암모니아 기체 환경에 노출 될 경우, 인체와 가축의 생장에 해로운 영향을 끼친다. 지난 2021년 2월부터 축사 내 암모니아의 농도를 25ppm 이하로 관리해야 한다는 내용이 법으로 명시되었다. 전기화학, 반도체 등을 이용한 기체의 농도를 측정하는 다양한 센서들이 있지만, 이러한 센서들은 대부분 습도의 변화에 민감하게 영향을 받는다. 본 연구에서는 닌하이드린(ninhydrin)을 이용한 lab on chip (LOC) 기반의 비색 센싱 플랫폼을 고안하였다. 기체는 통과하지만, 소수성인 PDMS의 성질을 이용하여, 습도가 높은 축사환경에서도 큰 영향을 받지 않고 암모니아 기체의 농도를 정량할 수 있다. 비색 정도를 확인하기 위해 LED와 포토다이오드(Photodiode)를 사용하여 흡광도를 측정하였다. PDMS의 두께 및 닌하이드린 수용액의 농도를 조절하여 반응시간이 짧은 PDMS chip의 조건을 찾았고, 최종적으로 다양한 습도환경에서 센싱 플랫폼의 성능을 평가하였다.

배양육용 바이오잉크 출력을 위한 광개시제 비율 및 UV노광시간의 조사

박상배 ( Sangbae Park ),홍영걸 ( Yeonggeol Hong ),장경제 ( Kyoung-je Jang ),김장호 ( Jangho Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

최근 실제 고기의 식감을 모사하는 배양육의 제작과 관련된 연구가 다수 보고되었다. 지금까지 보고된 다수의 배양육의 미세 조직은 근육조직 지방조직으로 구성되어 있는 실제 근육조직과 미세구조가 크게 다르며, 이 때문에 실제 식감을 모사하기 어렵다고 보고되었다. 이같은 문제를 극복하기 위한 방안으로 삼차원 지지체나 마이크로 캐리어와 같은 소재를 사용하는 시도들이 보고 되었다. 3D 프린터는 삼차원 지지체를 제작하기 위한 가장 유망한 방법으로 꼽히고 있다. 본 연구에서는 식용 지방산과 DLP 방식의 3D 프린터를 사용하여 3차원 지지체 제작하는 방법을 확립하고자 하였다. 지방 지지체용 바이오잉크는 Gelatin methacryloyl (GelMA), Lithium phenyl-2,4,6-trimethyl benzoylphosphinate(LAP), 지방산을 혼합해 제작하였다. 바이오잉크 조성의 최적화를 위해, 광개시제로 사용된 LAP의 농도를 1~4 mM 범위에서 1mM 간격으로 제작하였다. 실험에 사용된 Anycubic mono 4K(Anycubic, Shenzhen, China)는 405 nm의 광원이 적용된 DLP 프린터이며, 프린터의 노광시간은 슬라이싱 소프트웨어인 Photon workshop(Anycubic, Shenzhen, China)에서 노광시간 매개변수 조정을 통해 20~30 초 범위에서 2초 간격으로 설정했다. 본 연구의 모든 실험은 37°C의 온도를 유지한 상태에서 수행되었다. 프린터의 인쇄성능은 수직방향과 수평방향으로 나누어 평가하였다. 수직방향 인쇄성능 평가를 위해 50~500 ㎛ 직경의 원통형 모델이 사용되었으며, 수평방향 인쇄성능 평가를 위해 1000 ㎛의 정사각형 모델을 출력하였다. 바이오잉크의 조성별 세포독성 실험이 수행되었다. 본 연구에 사용된 바이오잉크로 고기의 지방조직을 모사한 형태의 출력물을 얻을 수 있었고, 세포독성 실험결과 LAP의 함량이 가장 낮은 바이오잉크에서 세포독성이 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과를 통해 향후 지방 지지체로서 사용 가능한 배양육용 지방지지체 제작방법을 확립하였다.

축사 내 암모니아 기체 경보를 위한 Lab on chip 기반 센싱 플랫폼

홍영걸 ( Yeong Geol Hong ),김건우 ( Kim Geonwoo ),장경제 ( Kyoung Je Jang ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

축사에서는 많은 양의 암모니아 기체가 발생하며, 고농도의 암모니아 기체 환경에 노출 될 경우, 인체와 가축의 생장에 해로운 영향을 끼친다. 지난 2021년 2월부터 축사 내 암모니아의 농도를 25ppm 이하로 관리해야 한다는 내용이 법으로 명시되었다. 전기화학, 반도체 등을 이용한 기체의 농도를 측정하는 다양한 센서들이 있지만, 이러한 센서들은 대부분 습도의 변화에 민감하게 영향을 받는다. 본 연구에서는 닌하이드린(ninhydrin)을 이용한 lab on chip (LOC) 기반의 비색 센싱 플랫폼을 고안하였다. 기체는 통과하지만, 소수성인 PDMS의 성질을 이용하여, 습도가 높은 축사환경에서도 큰 영향을 받지 않고 암모니아 기체의 농도를 정량할 수 있다. 비색 정도를 확인하기 위해 LED와 포토다이오드(Photodiode)를 사용하여 흡광도를 측정하였다. PDMS의 두께 및 닌하이드린 수용액의 농도를 조절하여 반응시간이 짧은 PDMS chip의 조건을 찾았고, 최종적으로 다양한 습도환경에서 센싱 플랫폼의 성능을 평가하였다.