Full metadata record
| DC Field | Value | Language |
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| dc.contributor.advisor | Choi, Hong Soo | - |
| dc.contributor.author | Lee, Won Jun | - |
| dc.date.accessioned | 2017-05-10T08:51:19Z | - |
| dc.date.available | 2015-01-12T00:00:00Z | - |
| dc.date.issued | 2015 | - |
| dc.identifier.uri | http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000001922107 | en_US |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/20.500.11750/1392 | - |
| dc.description.abstract | A new ultrasonic cell stimulation system was designed and fabricated using 10 by 10 and 10 by 29 piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) arrays. The sizes of pMUT arrays are 2.5 by 2.5 mm and 2.27 by 6.84 mm. The diameter and pitch of pMUT arrays are 120 µm and the measured resonance frequency of each single pMUT element was 1.494 MHz in water. The acoustic peak pressures are 0.22 MPa and 0.18 MPa for 10 by 10 pMUT and 10 by 29 pMUT, respectively. The spatial average temporal average (SATA) intensity are 612.8 ± 183 mW/cm2 and 200 ± 22 mW/cm2 which are converted by the acoustic pressure of 10 by 10 and 10 by 29 pMUT array. The fabricated pMUT arrays were attached on print circuit boards (PCBs) and wire bonding was done for electrical connection. Each PCB and pMUT array was coated with parylene C for biocompatibility and waterproofing. For cell culturing, a twelve-well transwell was assembled one a PCB with ten pMUT arrays by epoxy. After curing the epoxy, polydimethylsiloxane (PDMS) was coated on the epoxy to enhance biocompatibility of the ultrasonic cell stimulation system. The size of the cell stimulation system is 13.4 ☓ 17.3 ☓ 2.5 cm and it is small enough to place the whole system in an incubator. The fabricated ultrasonic cell stimulation system was used for cell stimulation to characterize the effect of ultrasonic cell stimulation for proliferation of PC12 cells. Ultrasonic cell stimulations were performed for 16 groups in combination of stimulation time for 5 min, 10 min, 20 min, and 30 min and duty cycle for 15 %, 30 %, 50 % and 70 %. There was also a control group without ultrasonic stimulation. All of the stimulated groups showed positive effect on cell proliferation. For the most significant effect, the 5 min stimulation group showed more increased number of the cells as 238 %. Furthermore, the proliferation pattern was different along the stimulation time, not duty cycle. As a result, short stimulation time and long stimulation time occurred different tendency. Short stimulation groups showed 118 %, 122 %, and 134 % increase rate of cell number during stimulation, however long stimulation groups showed 117 %, 105 %, and 152 % increase rate of cell number during stimulation. Long time stimulation group has different increase pattern after last stimulation. In this thesis, new ultrasound cell stimulation system using the pMUT was developed for overcoming the limitation of conventional cell stimulation system using bulk ceramic transducer. After cell stimulation for PC12 cells, all stimulation group has averagely 150 % increase rate of cell number than control group. ⓒ 2015 DGIST |
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| dc.description.tableofcontents | 1. INTRODUCTION 8-- 1.1 Background 8-- 1.2 Necessity of cell stimulation using ultrasound 9-- 1.3 Research trend or Related research works 12-- 1.3.1 Cell stimulation sytem with bulk transducer 12-- 1.3.2 Capacitive micromachined ultrasonic transducers (cMUT) 13-- 1.4 Objective of research 15-- 2. DESIGN AND FABRICATIONS 17-- 2.1 Cell stimulation system design 17-- 2.2 Fabrication Process 20-- 2.2.1 Fabrication process for 2-D pMUT array 20-- 2.2.2 Assemble the 2-D pMUT array and 12-well transwell 24-- 3. CHARACTERIZATION AND EXPERIMENT SETUP 28-- 3.1 Impedance analyze of the 2-D pMUT array 28-- 3.2 Intensity of the 2-D pMUT array 30-- 3.3 Cell stimulation setup 33-- 3.3.1 Cell stimulation plan 33-- 3.3.2 Cell culture 34-- 3.3.3 Cell statistical analysis 34-- 3.3.4 Immunocytochemistry 34-- 4. RESULTS AND DISCUSSIONS 36-- 4.1 Electrical characterization of the pMUT array 36-- 4.2 Acoustic characterization 37-- 4.3 Results of the cell stimulation 43-- 4.4 Discussion 54-- 5. CONCLUSIONS 56-- REFERENCES 58-- APPENDIX 65 |
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| dc.format.extent | 66 | - |
| dc.language | eng | - |
| dc.publisher | DGIST | - |
| dc.subject | Piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) | - |
| dc.subject | Cell stimulation system | - |
| dc.subject | 12-well transwell | - |
| dc.subject | PC 12 cell | - |
| dc.subject | Proliferation | - |
| dc.subject | 세포 자극 시스템 | - |
| dc.subject | 12 웰 트랜스웰 | - |
| dc.subject | PC12 세포 | - |
| dc.subject | 세포분열 | - |
| dc.title | A novel ultrasonic stimulation system to enhance cell viability using piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) with transwells | - |
| dc.title.alternative | pMUT 과 transwell 을 이용한 세포의 활동성 증진을 위한 초음파 세포 자극 시스템의 개발 | - |
| dc.type | Thesis | - |
| dc.identifier.doi | 10.22677/thesis.1922107 | - |
| dc.description.alternativeAbstract | 기존의 초음파를 이용한 세포 자극 시스템의 경우 벌크 세라믹 트랜스 듀서를 이용하여 만든 물리치료용 초음파 자극기를 이용하여 세포 실험을 진행 하였다. 이러한 자극기의 경우 가격이 비쌀 뿐만 아니라 크기가 커서 인큐베이터 안에서 작동을 하기에 어려움이 있다. 인큐베이터 안에서 세포 실험을 진행하지 못할 경우 외부환경에 세포가 노출되어 오염의 위험이나 외부환경의 유입에 의한 정확한 세포실험이 이루어 질 수 없다. 이러한 단점을 보완하고자 pMUT 을 이용한 세포 자극 시스템을 개발하였다. pMUT 은 미세가공기술 (MEMS)을 이용하여 마이크로 단위의 트랜스 듀서이다. 특히 본 논문에서 제작된 pMUT 의 경우 Top cross over to bottom (TCTB) 라는 공정 기술을 이용하여 2D pMUT 어레이에서 원하는 부위의 트랜스 듀서만 개별적으로 작동 시킬 수 있게 만들어 주는 공정 기술이다. 또한 이 기술은 기존의 벌크 세라믹 트랜스 듀서가 가지고 있던 전기적 연결을 위한 와이어링 문제도 해결 하였다. 본 연구에서는 120µm 의 직경을 가지는 트랜스 듀서를 제작하였으며 1.5 MHz 의 공진 주파수를 갖게 제작하였다. 제작된 pMUT 의 공진 주파수는 기존연구에서 세포자극으로 쓰이는 주파수 영역이다. 가로세로 각각 10 개, 29 개, 10 개, 10 개로 제작된 pMUT 어레이를 이용하였으며 세포 배양과 자극을 위해 12 개의 배양 접시를 가지는 트랜스웰을 이용하였다. 이 트랜스웰의 경우 세포배양을 위한 내부 웰이 따로 존재하여 세포의 배양을 좀 더 쉽게 해 주었다. 트랜스웰의 크기에 맞게 PCB 를 제작하여 12 개의 배양접시의 중앙에 각각 pMUT array 가 위치하게 제작하였다. 트랜스웰의 바닥을 모두 제거하여 기존의 세포 자극 시스템의 사용시 초음파 강도의 감쇄 문제를 해결 하였다. 또한 pMUT 이 부착된 PCB 를 방수와 생체적합성을 위해 페릴렌 C 로 코팅을 하였다. PCB 와 바닥이 제거된 트랜스웰은 에폭시와 PDMS 를 이용하여 접착하였다. 제작된 초음파 세포 자극 시스템의 성능을 평가하기 위해 AIMS 를 이용하여 pMUT 어레이에서 발생되는 음압과 강도를 측정하였다. 측정결과 10 by 10 pMUT 은 0.25 MPa ± 0.002 MPa 10 by 29 pMUT 은 0.18 MPa ± 0.03 MPa 음압이 측정되었다. 특히 10 by 29 pMUT 어레이의 음압은 강도로 변환 하였을 때 200 ± 22 mW/cm2 의 강도로 변환 되었다.이러한 강도와 음압은 기존의 세포 실험에서도 사용 되었다. 제작과 평가가 끝난 초음파 세포자극 시스템을 이용하여 PC12 세포의 분열을 촉진 시키는 연구를 수행하였다. 세포 실험에는 4 개의 자극 시간과 4 개의 자극 주기의 조합으로 비교군 포함하여 17 개의 파라미터로 실험을 진행하였다. 전체 실험은 총 2 번씩 진행 되었다. 세포자극 결과 초음파 자극을 받은 모든 그룹의 분열이 촉진되어 컨트롤 그룹보다 대략 150 %의 증가율을 보였다. 그 중에서도 5 분 15%의 자극 조건이 238 %의 증가율로 가장 좋은 반응을 보였다. 또한 크게 자극 시간과 자극 주기의 파라미터를 주었는데 그 중에서도 자극 시간에 따라 분열의 메커니즘이 다른 것을 확인하였다. 5 분과 10 분처럼 짧은 시간의 자극과 20 분, 30 분처럼 긴 시간의 자극에서의 결과가 달랐다. 짧은 시간의 경우 날짜의 증가에 따라 118 %, 122 %, 134 %로 선형적으로 세포가 증가하였으나 긴 자극에서는 1 일에서 3 일 까지는 평균 12 %의 증가율을 보였으나 3 일에서 4 일째 자극에서 세포의 수가 급격히 151 % 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 시간에 따라 세포의 분열에 영향을 미치는 메커니즘이 다르다는 것을 확인 할 수 있었다. 추후 연구를 통해 본 논문에서 소개된 시스템과 pMUT 을 이용한다면 정확한 메커니즘 규명과 초음파를 이용한 세포 자극 파라미터를 확립 할 수 있을 것으로 기대가 된다. ⓒ 2015 DGIST |
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| dc.description.degree | Master | - |
| dc.contributor.department | Robotics Engineering | - |
| dc.contributor.coadvisor | Choi, Ji Woong | - |
| dc.date.awarded | 2015. 2 | - |
| dc.publisher.location | Daegu | - |
| dc.description.database | dCollection | - |
| dc.date.accepted | 2015-01-12 | - |
| dc.contributor.alternativeDepartment | 대학원 로봇공학전공 | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Lee, Won Jun | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Choi, Hong Soo | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Choi, Ji Woong | - |
| dc.contributor.alternativeName | 이원준 | - |
| dc.contributor.alternativeName | 최홍수 | - |
| dc.contributor.alternativeName | 최지웅 | - |
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- Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Master
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