미소중력 환경 모사장치 개발 및 미소중력 환경이 인간세포에 미치는 영향력에 대한 실험적 연구 = Development of random Positioning Machine and Experimental Study on the Effect of Microgravity Environment on Human Cells

국문 초록 (Abstract)

생명공학 및 생화학과 같은 바이오 연구 분야에서 세포배양 실험은 대체로 화학적 자극을 통한 연구 분석이 대부분이었지만, 최근 들어 새로운 자극 파라미터로 기계적 자극이 급부상하고 있다. 대표적 기계적 자극은 압축, 인장, 전단, 진동 등이 있으며, 이번 연구에서는 아직까지 연구가 활발하게 진행되지 않은 미소중력이라는 새로운 기계적 자극 파라미터를 세포배양 연구에 접목하였다.
현재 인류는 지구를 벗어나 새로운 우주환경으로 발돋움 하기위해 지속적으로 도전하고 있다. 하지만 인류는 중력이 작용하고 있는 지구환경에 살아가기 알맞게 진화되었기에 중력이 작용하지 않은 우주의 무중력 환경에 대해서 어떠한 영향을 받을지 알 수 없는 실정이다. 실제로 우주정거장에서 임무를 완수하고 귀환한 사람들을 대상으로 건강검진을 진행한 결과 우주 골다공증 및 면역체계의 증폭 등 여러 특이사항이 보고되고 있다. 따라서 우주시대를 대비하여, 미소중력이 인간에게 미칠 영향력을 파악하는 연구의 필요성이 대두되고 있다.
이러한 미소중력 환경은 Random positioning machine(RPM)을 통하여 지상에서 모사할 수가 있다. 기본적인 원리는 지구 중심을 향하고 있는 중력벡터를 2개의 축으로 3차원적으로 회전시켜 줌으로써, 여러 방향으로 중력을 분산시켜 미소중력 환경을 모사하게 된다. 중력벡터의 자취는 2개 축의 회전 각속도에 따라 다르게 형성되기 때문에, 기존의 연구에서는 Random working을 통하여 중력벡터가 3차원 구의 모든 영역을 전부 지나가도록 설정하였다. 하지만 이 경우 2개의 극점에 중력벡터가 상대적으로 집중되는 현상으로 인해, 미소중력 환경이라 가정하기는 불완전한 요소가 있다. 따라서, 이번 연구에서는 중력벡터의 단위면적당 체류하는 시간을 계산하여 극점에서는 중력벡터 자취 체류시간이 짧게 하고 적도부근에서는 상대적으로 길게 설정하여 기존의 극점에 집중되는 불완전성을 보완하였다.
본 연구는 직접 설계 제작한 Random positioning machine을 통하여 개선된 미소중력 환경을 모사하였으며, 미소중력이라는 새로운 자극 파라미터가 인간세포에 미치는 영향력에 대해서 분석하였다. 이러한 연구는 추후 우주시대로 발돋움하기 위한 가장 기초적인 인간세포 분석의 첫걸음으로 자리매김할 수 있을 것이라 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In bio-research fields such as bioengineering and biochemistry, most of the cell culture experiments and analysis were generally conducted through chemical stimulation. However, in recent years, mechanical stimulations have emerged rapidly as new stimulation parameters. Typical mechanical stimulations include compression, tension, shear, and vibration. In this study, a new mechanical stimulation parameter called microgravity, which has not been actively studied, has been applied to cell culture experiments.
Today, humanity continues to challenge itself to move away from the Earth and into a new space environment. However, it is unclear how microgravity environments in the universe will affect humans because they have evolved to be suitable for living on Earth where gravity exists. In fact, medical checkups were conducted on those who returned from their mission at the space station, and many unusual things have been reported, including osteoporosis and amplification of the immune system. Therefore, research is needed to investigate the effects of microgravity on humans in preparation for the space age.
The microgravity environment can be simulated on the ground through a random positioning machine (RPM). The basic principle is to simulate a microgravity environment by dispersing the gravity vector in several directions through rotation of two axes. The trace of the gravity vector is formed differently depending on the rotational angular velocity of the two axes. Therefore, in the previous study, the gravity vector was set to pass all areas of the 3D sphere through random working. In this case, however, it is incomplete to assume microgravity because the gravitational vector is relatively concentrated at the two extremes. So, in this study, a new angular velocity parameter was applied to avoid this limitation.
This study simulates the improved microgravity environment through a random positioning machine designed and manufactured by ourselves and analyzes the influence of a new stimulation parameter called microgravity on human cells. In addition, this research is expected to be the first step in analyzing the most basic human cells in preparation for the future space age.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 목적 1
• Ⅱ. 제 2 장 본 론 3
• 제 1 절 미소중력 환경 모사원리 3
• 제 2 절 미소중력 모사기기 설계 및 제작 8
• 2.1. 외부 프레임 설계 8
• 2.2. 배양기 설계 9
• 2.3. 구동부 설계 16
• 2.4. 기타부품 23
• 2.5. 설계 결과 24
• 제 3 절 미소중력 하에서 세포실험 26
• 3.1. 배양기 내부환경 평가 26
• 3.2. Scaffold 제작 27
• 3.3. 내피세포 실험 28
• 3.4. 중간엽 줄기세포(Mesenchymal Stem Cell, MSC) 실험 33
• 3.5. HeLa세포 실험 40
• Ⅲ. 제 3 장 결론 42
• 참고문헌 44
• Abstract 46