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dc.contributor.advisor Choi, Hong Soo -
dc.contributor.author Kim, Sang Won -
dc.date.accessioned 2017-05-10T08:53:20Z -
dc.date.available 2017-01-18T00:00:00Z -
dc.date.issued 2017 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002322636 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/1486 -
dc.description.abstract Magnetically actuated microrobots were developed as a platform for the cell study and targeted transportation. Fundamental microrobotics for biomedical applications including the targeted therapy, efficient propulsion methods in the micro-scale environment, fundamental principal of magnetic manipulation and electromagnetic coils systems were briefly explained in the beginning of thesis. Proposed microrobots were fabricated with microfabrication technologies including the three dimensional (3D) laser lithography to form the basic structures, and metal sputtering system for deposition of magnetic material and biocompatible material, and are precisely controlled with magnetic fields to swim in the fluid environments. Scaffold shapes of microrobots were fabricated to carry the cells into the specific target area with 3D cell cultured microrobots; bundle of cells are entangled on the porous microrobots. Structures of scaffold type microrobots were designed to apply the various propulsion mechanisms such as pulling, rolling, and Corkscrew motions with cylindrical, hexahedral, spherical, and helical shapes, etc. First, the cylindrical and hexahedral shapes of microrobots were designed and fabricated, which microrobots were manipulated by external magnetic field gradient to pull and push those bulky structures. The maximum averaged translational velocities were evaluated as 50 μm/sec for cylindrical microrobots and 35 μm/sec for hexahedral microrobots under the 800 mT/m of external magnetic field gradient in the de-ionized (DI) water, respectively. The velocities and those pulling translation mechanism would be not suitable for micro-scale swimming environment, because of the low Reynolds number fluid (high viscos force with low inertia force). To enhance the propulsion efficiency in this micro-scale swimming environment, the Corkscrew motion and rolling motion were suggested, and designed the helical and spherical shapes of microrobots, respectively with preserving the previous scaffold shapes. The maximum translational velocities were evaluated as 550 μm/sec for the helical microrobots and 1400 μm/sec for the spherical microrobots under 15 mT of magnetic field intensity and their step-out frequencies in the de-ionized (DI) water, which velocities were dramatically increased than previous cylindrical and hexahedral shapes of microrobots. The power efficiencies of developed four kinds of scaffold type microrobots were also compared among various microrobots developed, which defined as translational velocities per normalized current on the electromagnetic coils system. The power efficiencies for helical and spherical scaffold type microrobots were much higher than those of cylindrical and hexahedral shapes of scaffold type microrobots. Also ciliary microrobots were developed which also use one of the efficient propulsion mechanism in the low Reynolds number fluid inspired by microorganisms such as Paramecium which shows the non-reciprocal stroke motion to translate the body. The fabricated cilia, attached on the ellipsoidal body were manipulated by an electromagnetic coils system which generates stepping magnetic field to actuate the cilia with non-reciprocal motion. The cilia beating motion produces a net propulsive force to translate the microrobots. The magnetic forces on cilium were calculated with various input parameters including magnetic field, cilium length, applied field angle, actual cilium angle, etc., and the translational velocity was measured by experiments. Also the complex trajectory driving and the particle transport experiment were conducted to show the feasibility of the targeted cell or drug delivery. Developed scaffold type microrobots were also manipulated in the microfluidic channels, to show the possibility for microrobots to perform in the blood vessels, or confined environment. The human embryonic kidney (HEK) cell culture, and hippocampal neuronal stem cells (NSCs) culture and differentiation were completed for scaffold type microrobots to show the feasibility for targeted cell transportation. 3D cell cultured microrobots of NSCs were proliferated and the NSCs were differentiated into target cells composing brain tissues such as astrocytes, oligodendrocytes, and neurons.
In summary, magnetically actuated microrobots were developed with various shapes with designated driving mechanisms such as four different shapes of scaffold types and ciliary type. Microfabrication technologies were used to form the basic 3D structures of microrobots, and nickel and titanium were deposited to manipulate by magnetic fields and for the biocompatibility. The position and orientation of developed microrobots were precisely controlled and the driving performances were evaluated and compared among the microrobots. The human embryonic kidney (HEK) cells were cultured on scaffold type microrobots. The hippocampal neuronal stem cells (NSCs) were cultured on scaffold type microrobots and differentiated into specific neuronal cells to show the possibility of NSCs therapy using microrobots. ⓒ 2017 DGIST
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dc.description.tableofcontents 1. INTRODUCTION 11--
1.1 Background 11--
1.1.1 Medical microrobots 11--
1.1.2 Microrobots for regenerative medicine 15--
1.2 Research trend or related research works 18--
1.2.1 Magnetic microrobots 18--
1.2.2 Various driving mechanisms 20--
1.2.3 Bio-scaffolds 23--
1.3 Magnetic manipulation 25--
1.3.1 Magnetic manipulation 25--
1.3.2 Magnetic materials 27--
1.4 Objective of research 31--
2. DESIGN AND FABRICATION OF MICROROBOTS 32--
2.1 Design and fabrication of scaffold type microrobots 32--
2.1.1 3D laser lithography system for microrobots fabrication 33--
2.1.2 Detailed fabrication process for scaffold type microrobots 37--
2.2 Design and fabrication of scaffold type microrobots with higher propusion efficiencies 39--
2.3 Design and fabrication of ciliary microrobots with higher propusion efficiency 45--
2.4 Design and fabrication of microfluidic channels as in-vitro test platforms 48--
3. MAGNETIC MANIPULATION OF MICROROBOTS 51--
3.1 Magnetic manipulation of magnetic materials 51--
3.2 Pulling motion with scaffold type microrobots 53--
3.3 Rolling and Corkscrew motion with scaffold type microrobots 58--
3.4 Stroke motion with ciliary microrobots 63--
3.5 Manipulation of microrobots in the microfluidic channels 73--
3.5.1 Manipulation in the static fluidic channel 73--
3.5.2 Manipulation in the pressure driven channel 74--
4. CELL CULTURE AND DIFFERENTIATION EXPERIMENTS 78--
4.1 Human embryonic kidney 293 cells culture on microrobots 78--
4.1.1 Cell culture and SEM inspection 79--
4.1.2 Immunocytochemistry assay 80--
4.2 Hippocampal neural stem cells culture on microrobots 81--
4.2.1 Detailed protpcols for Hippocampal NSC culture and differentiation 84--
4.2.2 Analysis and cell counting 84--
5. CONCLUSIONS 87
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dc.format.extent 100 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.subject Microrobots -
dc.subject Scaffolds -
dc.subject Targeted therapy -
dc.subject Magnetic manipulation -
dc.subject Micro-fabrication technologies -
dc.subject MEMS technologies -
dc.subject Bio-inspired technologies -
dc.subject Ciliary microrobots -
dc.subject 3D cell culture -
dc.subject Stem cell -
dc.subject Stem cell differentiation -
dc.subject Stem cell therapy -
dc.subject 마이크로로봇 -
dc.subject 지지체 -
dc.subject 표적치료 -
dc.subject 자기장 조작 -
dc.subject 미세공정기술 -
dc.subject MEMS 기술 -
dc.subject 생체모방 기술 -
dc.subject 섬모 마이크로로봇 -
dc.subject 3 차원 세포배양 -
dc.subject 줄기세포 -
dc.subject 줄기세포 분화 -
dc.subject 줄기세포 치료 -
dc.title Design, fabrication and characterization of magnetically actuated microrobots for targeted cell transportation -
dc.title.alternative 표적지향형 세포전달을 위한 자기장 구동의 마이크로로봇의 설계, 제작 및 특성평가 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.2322636 -
dc.description.alternativeAbstract 세포연구 및 표적지향형 수송을 위한 플랫폼으로써 자기장에 의해 조작되는 마이크로로봇이 개발되었다. 본 논문에서는 의용학적 사용을 위한 마이크로로봇으로 표적치료, 미세 환경에서의 효과적인 추진방법, 자기장 조작, 및 전자성 코일 시스템에 관하여 간단히 소개하였다. 제안한 마이크로로봇은 3 차원 레이저 리소그래피로 구조물이 제작되고 및 스퍼터링 시스템을 통해 자성물질 및 생체적합성 물질이 증착되었으며 유체 환경에서 유영하기 위해 정밀 자기장 제어가 실시되었다. 지지체형 마이크로로봇은 세포 크기와 유사한 20 μm내외의 공극을 가지는 다공성 구조물에 3 차원 세포배양을 통해 많은 양의 세포를 특정 목표지점으로 운송할 수 있다. 지지체형 마이크로로봇은 끌림운동, 구름운동, 나사선 추진운동 등의 다양한 구동 메커니즘을 적용할 수 있도록 원통형, 육면체형, 나선형 및 구형 등의 다양한 모양으로 설계되었다. 첫번째로 원통형 및 육면체형과 같은 덩어리 모양의 지지체 마이크로로봇이 설계, 제작되었으며 자기장 기울기에 의해 끌림구동 되었다. 최대 평균속도는 DI water 내에서 800 mT/m 의 자기장 기울기를 인가하였을 때, 원통형의 경우에 50 μm/s,육면체형의 경우 35 μm/s 로 측정되었다. 끌림구동으로 추진하였을 때는 속도 및 추진효율이 비교적 낮은데 이것은 저 레이놀즈 수에서 유체의 점성의 영향이 커지게 되어 끌림구마이크로로봇이 극복하기 힘들어지기 때문이다. 미세 유영환경에서 추진효율을 향상시키기 위해 나사선 추진법 및 굴림 추진법이 제안되었고, 이를 위해 지지체형 로봇을 나사선 모양 및 구형모양으로 각각 제작하였다. 최대 평균속도는 DI water 내에서 15 mT 의 자기장 세기와 각각의 step-out 회전주파수를 인가하였을 때, 나선형 로봇의 경우 550 μm/s 로, 구형의 경우 1400 μm/s 로 측정되었으며, 이것은 기존의 원통형 및 육면체형의 마이크로로봇의 경우에 비해 대단히 증가된 속도이다. 네가지 지지체형 로봇의 에너지 효율은 속도와 자기장 제어기에 인가된 전류값의 비율로 정의되었으며, 이들 로봇들의 에너지 효율이 비교되었다. 원통형과 육면체형 로봇에 비해 나선형과 구형 로봇의 에너지 효율이 월등히 높았다. 또한 저 레이놀즈수 환경에서 고추진 효율을 가지는 로봇의 한 형태로 섬모 마이크로로봇이 개발되었다. 섬모 로봇은 자연에 존재하는 짚신벌레와 같은 미생물의 섬모의 모양과 섬모의 비대칭적 노젓기 운동을 모방하여 제작된 생체모사형 마이크로로봇이다. 긴 타원구형의 몸통의 양쪽에 4 개씩 총 8 개의 섬모가 부착되어 있는 모양의 섬모 마이크로로봇이 제작되었고 stepping 자기장에 의해 섬모의 비대칭적 왕복운동을 구현하였다. 섬모의 비대칭적 노젓기 운동은 로봇이 추진하기 위한 알짜힘을 생성하고, 섬모가 왕복할 때 내는 힘과, 섬모의 휘어짐 각도 등이 계산되었으며 섬모 마이크로로봇의 이동속도 또한 측정되었다. 또한 복잡한 경로 주행, 입자 운송 등이 시현되었으며 이것은 향후 정밀 약물운송의 가능성을 보여주었다. 개발된 나선형 및 구형 지지체 마이크로로봇은 미세 유체채널 내에서 구동되었으며 이것은 혈관 등과 같은 체내 속박된 환경에서 구동의 가능성을 보여주는 것이다. Human embryonic kidney (HEK) 세포 및 hippocampal 뇌줄기세포 (Neuronal stem cell; NSC) 등이 제작된 지지체형 마이크로로봇에 3 차원 배양되었으며, 뇌줄기세포의 경우에는 astrocyte, oligodendrocyte, 및 neuron 으로 분화되는 것을 확인하였다. 결론적으로 다양한 모양과 구동방식을 가지는 다공성 지지체형 마이크로로봇 및 섬모 마이크로로봇이 미세 공정기술을 통해 개발되었다. 로봇의 구조는 3 차원 레이저 리소그래피를 통해 제작되었으며, 표면에 니켈 및 티타늄 코팅을 통해 자성을 띄면서 생체 적합성을 가지도록 제작되었다. 제작된 마이크로로봇은 자기장에 의해 정밀 구동되었으며, 그 속도 및 에너지 효율이 측정 및 비교되었다. 또한 Human embryonic kidney (HEK) 세포배양 및 hippocampal 뇌줄기세포가 제작된 지지체형 로봇에 배양 및 분화되었고, 원하는 위치로 제어되어 향후 세포치료에 응용 가능한 마이크로로봇의 가능성을 확인하였다. ⓒ 2017 DGIST -
dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Robotics Engineering -
dc.contributor.coadvisor Nelson, Bradley -
dc.date.awarded 2017. 2 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.date.accepted 2017-01-18 -
dc.contributor.alternativeDepartment 대학원 로봇공학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Sang Won -
dc.contributor.affiliatedAuthor Choi, Hong Soo -
dc.contributor.affiliatedAuthor Nelson, Bradley -
dc.contributor.alternativeName 김상원 -
dc.contributor.alternativeName 최홍수 -
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Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Ph.D.

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