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Nature, Mimetics, and You
—Let's Innovate Together.

#1210/1211, 156, Gwanggyo-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si,

Gyeonggi-do, Republic of Korea 16506

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Soft Microdenticles on Artificial Octopus Sucker Enable Extraordinary Adaptability and Wet Adhesion on Diverse Nonflat Surfaces

Soft Microdenticles on Artificial Octopus Sucker Enable Extraordinary Adaptability and Wet Adhesion on Diverse Nonflat Surfaces

Soft Microdenticles on Artificial Octopus Sucker Enable Extraordinary Adaptability and Wet Adhesion on Diverse Nonflat Surfaces

Science ‎Advanced | Research Article

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Science ‎Advanced | Research Article

개요

자연을 모사한 나노/마이크로 구조체 제조 기술은 개인의 건강한 피부 관리를 위한 패치형 웨어러블 디바이스 플랫폼 응용분야로 연구개발이 활발히 진행되고 있다.


피부 건강 모니터링의 목적의 패치형 웨어러블 디바이스는 소비자의 피부에 패치가 얼마나 잘 붙어 있는지에 대한 점착력과 피부 체액의 추출 할 수 있는 힘이 매우 중요하다. 소비자의 피부에 웨어러블 디바이스를 부착해 피부 체액을 수집 및 분석하여 피부 상태의 결과를 실시간 모니터링을 할 수 있다면 건강관리를 유용하게 할 수 있다.


물방개 다리의 마이크로구조를 모사한 MicroPlunger(이하 MP) 구조체는 건조/습윤 환경에서 사람의 피부에 반복적이고 다방향의 점착력 특성을 갖고 있다.

개요

자연을 모사한 나노/마이크로 구조체 제조 기술은 개인의 건강한 피부 관리를 위한 패치형 웨어러블 디바이스 플랫폼 응용분야로 연구개발이 활발히 진행되고 있다.


피부 건강 모니터링의 목적의 패치형 웨어러블 디바이스는 소비자의 피부에 패치가 얼마나 잘 붙어 있는지에 대한 점착력과 피부 체액의 추출 할 수 있는 힘이 매우 중요하다. 소비자의 피부에 웨어러블 디바이스를 부착해 피부 체액을 수집 및 분석하여 피부 상태의 결과를 실시간 모니터링을 할 수 있다면 건강관리를 유용하게 할 수 있다.


물방개 다리의 마이크로구조를 모사한 MicroPlunger(이하 MP) 구조체는 건조/습윤 환경에서 사람의 피부에 반복적이고 다방향의 점착력 특성을 갖고 있다.

개요

자연을 모사한 나노/마이크로 구조체 제조 기술은 개인의 건강한 피부 관리를 위한 패치형 웨어러블 디바이스 플랫폼 응용분야로 연구개발이 활발히 진행되고 있다.


피부 건강 모니터링의 목적의 패치형 웨어러블 디바이스는 소비자의 피부에 패치가 얼마나 잘 붙어 있는지에 대한 점착력과 피부 체액의 추출 할 수 있는 힘이 매우 중요하다. 소비자의 피부에 웨어러블 디바이스를 부착해 피부 체액을 수집 및 분석하여 피부 상태의 결과를 실시간 모니터링을 할 수 있다면 건강관리를 유용하게 할 수 있다.


물방개 다리의 마이크로구조를 모사한 MicroPlunger(이하 MP) 구조체는 건조/습윤 환경에서 사람의 피부에 반복적이고 다방향의 점착력 특성을 갖고 있다.

개요

자연을 모사한 나노/마이크로 구조체 제조 기술은 개인의 건강한 피부 관리를 위한 패치형 웨어러블 디바이스 플랫폼 응용분야로 연구개발이 활발히 진행되고 있다.


피부 건강 모니터링의 목적의 패치형 웨어러블 디바이스는 소비자의 피부에 패치가 얼마나 잘 붙어 있는지에 대한 점착력과 피부 체액의 추출 할 수 있는 힘이 매우 중요하다. 소비자의 피부에 웨어러블 디바이스를 부착해 피부 체액을 수집 및 분석하여 피부 상태의 결과를 실시간 모니터링을 할 수 있다면 건강관리를 유용하게 할 수 있다.


물방개 다리의 마이크로구조를 모사한 MicroPlunger(이하 MP) 구조체는 건조/습윤 환경에서 사람의 피부에 반복적이고 다방향의 점착력 특성을 갖고 있다.

피부 건강을 분석하기 위해 MP 구조체 내에서 피부 체액을 수집하는 능력과 pH에 따라 색이 변하는 특성이 있는 소재로 구성된 하이드로겔(이하 HG)을 함유시켰다.


MP 구조체 내 HG를 함유한(이하 HG-MP) 패치형 웨어러블 디바이스 플랫폼은 피부에 정밀하게 부착되어 피부 내 체액을 수집해 pH에 따라 색이 변화하는 연구를 수행하였다. 피부의 pH에 따라서 피부 건강도를 확인 또는 진단 할 수 있기 때문이다.

피부 건강을 분석하기 위해 MP 구조체 내에서 피부 체액을 수집하는 능력과 pH에 따라 색이 변하는 특성이 있는 소재로 구성된 하이드로겔(이하 HG)을 함유시켰다.


MP 구조체 내 HG를 함유한(이하 HG-MP) 패치형 웨어러블 디바이스 플랫폼은 피부에 정밀하게 부착되어 피부 내 체액을 수집해 pH에 따라 색이 변화하는 연구를 수행하였다. 피부의 pH에 따라서 피부 건강도를 확인 또는 진단 할 수 있기 때문이다.

피부 건강을 분석하기 위해 MP 구조체 내에서 피부 체액을 수집하는 능력과 pH에 따라 색이 변하는 특성이 있는 소재로 구성된 하이드로겔(이하 HG)을 함유시켰다.


MP 구조체 내 HG를 함유한(이하 HG-MP) 패치형 웨어러블 디바이스 플랫폼은 피부에 정밀하게 부착되어 피부 내 체액을 수집해 pH에 따라 색이 변화하는 연구를 수행하였다. 피부의 pH에 따라서 피부 건강도를 확인 또는 진단 할 수 있기 때문이다.

피부 건강을 분석하기 위해 MP 구조체 내에서 피부 체액을 수집하는 능력과 pH에 따라 색이 변하는 특성이 있는 소재로 구성된 하이드로겔(이하 HG)을 함유시켰다.


MP 구조체 내 HG를 함유한(이하 HG-MP) 패치형 웨어러블 디바이스 플랫폼은 피부에 정밀하게 부착되어 피부 내 체액을 수집해 pH에 따라 색이 변화하는 연구를 수행하였다. 피부의 pH에 따라서 피부 건강도를 확인 또는 진단 할 수 있기 때문이다.

피부에 HG-MP를 적용한 후 색이 변화될때, 휴대폰 카메라로 촬영을 하여 색 분석 어플리케이션으로 분석을 하여 피부의 pH의 결과를 제시하는 연구 결과를 수행한 논문입니다.

피부에 HG-MP를 적용한 후 색이 변화될때, 휴대폰 카메라로 촬영을 하여 색 분석 어플리케이션으로 분석을 하여 피부의 pH의 결과를 제시하는 연구 결과를 수행한 논문입니다.

피부에 HG-MP를 적용한 후 색이 변화될때, 휴대폰 카메라로 촬영을 하여 색 분석 어플리케이션으로 분석을 하여 피부의 pH의 결과를 제시하는 연구 결과를 수행한 논문입니다.

피부에 HG-MP를 적용한 후 색이 변화될때, 휴대폰 카메라로 촬영을 하여 색 분석 어플리케이션으로 분석을 하여 피부의 pH의 결과를 제시하는 연구 결과를 수행한 논문입니다.

도입

유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어, 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통합하기 위해 다양한 분야에서 많은 노력이 기울여졌다. 이는 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇 공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신충성 E 스킨 분야에 발전을 이끌고 있다.


바이오 기반 점착 구조를 가진 생체 전자 시스템은 신체 표면에 부착되어 효과적인 사람-기계 상호작용을 개발, 특히 진단과 치료를 위한 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 점착력과 적응성 뿐만 아니라 생체액 수집 능력이 필요하다.


다양한 유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통하는데 많은 노력을 했으며, 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신축성 E 스킨의 발전에 박차를 가했다. 바이오 기반 점착 구조를 갖는 생체 전자 시스템은 신체 내부/외부 표면에 부착함으로써 효과적인 사람-기계 상호작용의 개발과 관련된 광범위한 관심을 끌어왔다. 진단과 치료를 위한 첨단 바이오 전자공학을 실현하기 위해 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 강력하고 적응력 있는 점착뿐만 아니라 생리학적 정보의 정량적, 시공간적 측정을 위해 다양한 생체액 (예) 땀, 침, 눈물, 혈액)을 포착할 수 있는 능력이 필요하다.


미세 유체 네트워크, 이온 영동 및 전기 삼투 흐름과 같은 기술을 사용하여, 생체 신호의 상세한 프로파일링을 제공하기 위해 제자리 신체 전자 시스템은 신체 땀을 수집한다. 지금까지 피부에 부드럽고 부착 가능한 패치에 조립된 수동 또는 능동 검출 성분 (예) 젖산, 크레아티닌, 포도당, NA, Cl, pH, 요산 또는 티로신)에 의한 분석을 가능하게 하는 땀 수집 미세 유체 회로의 주목할 만한 발전이 제시됐다. 특히, 사람 피부 표면 pH는 미생물 (또는 박테리아) 집략화를 방지하기 위한 피부 장벽 기능을 제어하는 생화학적 및 의학적 연구 측면에서 임상적 기준으로서 결정적인 중요성을 가지고 있다. 먼지나 햇빛에 노출되거나 과도한 호르몬 또는 보호구 착용으로 유발되는 부적절한 pH 수준의 경우, 특정 pH 의존성 효소는 사람 피부에 보호할 수 있는 막을 형성하는 기능을 할 수 없으며, 종종 인체에 염증성 피부 질병

감염과 같은 심각한 피부 질병을 일으킨다. 피부 질병의 정확한 제자리 진단과 개인화된 치료을 위해 pH 수준의 재사용 가능하고 즉각적인 정량화와 함께 생체액의 쉽고 직접적인 수집이 매우 필요하다.


pH-모니터링 피부 패치 장비의 특징은 정교한 시스템, 동적인 움직임을 통한 과도한 땀 분비 또는 다른 외부 자극 없이 사용자의 건강에 대한 간단하고 저렴하며, 믿을 수 있는 피드백을 제공할 수 있다. 추가적으로 스마트 피부 패치 시스템보다 높은 기능성을 달성하기 위해 가역성, 사람 친화적 사용과 견고한 부착성에 대한 새로운 접근법이 요구되어 있다. 아크릴 기반 점착제의 비가역적인 장기 점착은 낮은 통기성에 의해 맞물린 피부에 불편함을 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수년 동안 연구자들은 진단 웨어러블 기기의 생체에 매우 적합한 피부 부착 가능한 구성 요소를 포함하여 다양한 점착 기술에 영향을 미친 동물의 버섯 모양 점착 부속물을 조사했다. 특정 표면에 대한 van der Waals 상호작용을 기반으로 하는 강력하고 가역적인 부착 능력에도 불구하고, 이러한 성능은 건조한 환경에 국한된다. 결과적으로, 최근에는 수중 생물에 의해 영감을 받은 나노/마이크로빨판이 건조하거나 젖은 표면에 매우 등각적인 부착을 위해 개발되었다. 그러나, 인공적인 빨판은 물리적 자극을 다른 방향으로 지지할 수 없는 음각 구조로 인해 인체 피부에 대한 다방향 점착성을 얻기 어렵다. 무엇보다 앞서 언급한 구조는 유체 기반 화학 바이오마커를 지속적으로 포착할 수 있는 특정 공간이 없는 구조적 특징 때문에 생체액을 포착하는 pH 센서가 아닌 등각 기계전기 센서와의 통합에 적합할 것이다. 수컷 물방개들은 습윤 및 불규칙한 표면에 강한 부착 및 위치 지정을 위해 앞다리에 흡입 컵과 같은 구조와 원형의 미세한 공간을 가진 spatula setae의 독특한 구조를 진화시켰다. 생체 기반 점착제를 개발하기 위한 생물학적 시스템의 재료 및 구조 역학은 아직 완전히 이해되지 않았다.


이 연구에서 우리는 피부 건강에 대한 지속적인 분석을 제공하기 위해 인체 표면의 각질층에서 유체를 쉽게 포착할 수 있는 부드럽고 생체에서 영감받은 plunger가 있는 영리하고 일체형인 점착제에 대한 전례 없는 디자인을 제시한다. 우리의 이종 생체 기반 나노구조는 기존 피부 계면 장치의 3가지 주요 과제를 해결한다. 1) 피부 수분 쉽게 포착 2) 빠르고 정확한 pH 분석을 위한 비색 센서와 기계 학습 프레임워크 통합 3) 건조/습윤 환경에서 불규칙적인 인체 피부에 대한 생체 적합성이 높고 가역적인 부착. 수컷 물방개 setae의 흡입 plunger에서 영감을 받아 우리는 건조/습윤 환경에서 인체 피부에 매우 견고하고 반복 가능하고 다방향성 점착력을 확립했다. 추가적으로 물방개 구조에 영감을 받은 구조 (DIA)의 공간 내에 생체액을 포착하는 하이드로겔을 내장하여 pH 분석을 쉽게 하기 위해 피부 수분을 캡슐화할 수 있는 흡입 보조 점착력을 향상시켰다. 기계 학습 기술을 통합하여 pH 반응성 하이드로겔에 의해 색상에서 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 소프트웨어 애플리케이션을 개발한다. 게다가, 우리는 여드름과 같은 피부 질환의 초기 징후를 감지하는 지능형 장치를 사용하여 신뢰할 수 있고 효과적인 치료 기회를 위한 생체 내 모델을 시연할 수 있다.

도입

유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어, 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통합하기 위해 다양한 분야에서 많은 노력이 기울여졌다. 이는 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇 공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신충성 E 스킨 분야에 발전을 이끌고 있다.


바이오 기반 점착 구조를 가진 생체 전자 시스템은 신체 표면에 부착되어 효과적인 사람-기계 상호작용을 개발, 특히 진단과 치료를 위한 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 점착력과 적응성 뿐만 아니라 생체액 수집 능력이 필요하다.


다양한 유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통하는데 많은 노력을 했으며, 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신축성 E 스킨의 발전에 박차를 가했다. 바이오 기반 점착 구조를 갖는 생체 전자 시스템은 신체 내부/외부 표면에 부착함으로써 효과적인 사람-기계 상호작용의 개발과 관련된 광범위한 관심을 끌어왔다. 진단과 치료를 위한 첨단 바이오 전자공학을 실현하기 위해 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 강력하고 적응력 있는 점착뿐만 아니라 생리학적 정보의 정량적, 시공간적 측정을 위해 다양한 생체액 (예) 땀, 침, 눈물, 혈액)을 포착할 수 있는 능력이 필요하다.


미세 유체 네트워크, 이온 영동 및 전기 삼투 흐름과 같은 기술을 사용하여, 생체 신호의 상세한 프로파일링을 제공하기 위해 제자리 신체 전자 시스템은 신체 땀을 수집한다. 지금까지 피부에 부드럽고 부착 가능한 패치에 조립된 수동 또는 능동 검출 성분 (예) 젖산, 크레아티닌, 포도당, NA, Cl, pH, 요산 또는 티로신)에 의한 분석을 가능하게 하는 땀 수집 미세 유체 회로의 주목할 만한 발전이 제시됐다. 특히, 사람 피부 표면 pH는 미생물 (또는 박테리아) 집략화를 방지하기 위한 피부 장벽 기능을 제어하는 생화학적 및 의학적 연구 측면에서 임상적 기준으로서 결정적인 중요성을 가지고 있다. 먼지나 햇빛에 노출되거나 과도한 호르몬 또는 보호구 착용으로 유발되는 부적절한 pH 수준의 경우, 특정 pH 의존성 효소는 사람 피부에 보호할 수 있는 막을 형성하는 기능을 할 수 없으며, 종종 인체에 염증성 피부 질병

감염과 같은 심각한 피부 질병을 일으킨다. 피부 질병의 정확한 제자리 진단과 개인화된 치료을 위해 pH 수준의 재사용 가능하고 즉각적인 정량화와 함께 생체액의 쉽고 직접적인 수집이 매우 필요하다.


pH-모니터링 피부 패치 장비의 특징은 정교한 시스템, 동적인 움직임을 통한 과도한 땀 분비 또는 다른 외부 자극 없이 사용자의 건강에 대한 간단하고 저렴하며, 믿을 수 있는 피드백을 제공할 수 있다. 추가적으로 스마트 피부 패치 시스템보다 높은 기능성을 달성하기 위해 가역성, 사람 친화적 사용과 견고한 부착성에 대한 새로운 접근법이 요구되어 있다. 아크릴 기반 점착제의 비가역적인 장기 점착은 낮은 통기성에 의해 맞물린 피부에 불편함을 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수년 동안 연구자들은 진단 웨어러블 기기의 생체에 매우 적합한 피부 부착 가능한 구성 요소를 포함하여 다양한 점착 기술에 영향을 미친 동물의 버섯 모양 점착 부속물을 조사했다. 특정 표면에 대한 van der Waals 상호작용을 기반으로 하는 강력하고 가역적인 부착 능력에도 불구하고, 이러한 성능은 건조한 환경에 국한된다. 결과적으로, 최근에는 수중 생물에 의해 영감을 받은 나노/마이크로빨판이 건조하거나 젖은 표면에 매우 등각적인 부착을 위해 개발되었다. 그러나, 인공적인 빨판은 물리적 자극을 다른 방향으로 지지할 수 없는 음각 구조로 인해 인체 피부에 대한 다방향 점착성을 얻기 어렵다. 무엇보다 앞서 언급한 구조는 유체 기반 화학 바이오마커를 지속적으로 포착할 수 있는 특정 공간이 없는 구조적 특징 때문에 생체액을 포착하는 pH 센서가 아닌 등각 기계전기 센서와의 통합에 적합할 것이다. 수컷 물방개들은 습윤 및 불규칙한 표면에 강한 부착 및 위치 지정을 위해 앞다리에 흡입 컵과 같은 구조와 원형의 미세한 공간을 가진 spatula setae의 독특한 구조를 진화시켰다. 생체 기반 점착제를 개발하기 위한 생물학적 시스템의 재료 및 구조 역학은 아직 완전히 이해되지 않았다.


이 연구에서 우리는 피부 건강에 대한 지속적인 분석을 제공하기 위해 인체 표면의 각질층에서 유체를 쉽게 포착할 수 있는 부드럽고 생체에서 영감받은 plunger가 있는 영리하고 일체형인 점착제에 대한 전례 없는 디자인을 제시한다. 우리의 이종 생체 기반 나노구조는 기존 피부 계면 장치의 3가지 주요 과제를 해결한다. 1) 피부 수분 쉽게 포착 2) 빠르고 정확한 pH 분석을 위한 비색 센서와 기계 학습 프레임워크 통합 3) 건조/습윤 환경에서 불규칙적인 인체 피부에 대한 생체 적합성이 높고 가역적인 부착. 수컷 물방개 setae의 흡입 plunger에서 영감을 받아 우리는 건조/습윤 환경에서 인체 피부에 매우 견고하고 반복 가능하고 다방향성 점착력을 확립했다. 추가적으로 물방개 구조에 영감을 받은 구조 (DIA)의 공간 내에 생체액을 포착하는 하이드로겔을 내장하여 pH 분석을 쉽게 하기 위해 피부 수분을 캡슐화할 수 있는 흡입 보조 점착력을 향상시켰다. 기계 학습 기술을 통합하여 pH 반응성 하이드로겔에 의해 색상에서 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 소프트웨어 애플리케이션을 개발한다. 게다가, 우리는 여드름과 같은 피부 질환의 초기 징후를 감지하는 지능형 장치를 사용하여 신뢰할 수 있고 효과적인 치료 기회를 위한 생체 내 모델을 시연할 수 있다.

도입

유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어, 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통합하기 위해 다양한 분야에서 많은 노력이 기울여졌다. 이는 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇 공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신충성 E 스킨 분야에 발전을 이끌고 있다.


바이오 기반 점착 구조를 가진 생체 전자 시스템은 신체 표면에 부착되어 효과적인 사람-기계 상호작용을 개발, 특히 진단과 치료를 위한 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 점착력과 적응성 뿐만 아니라 생체액 수집 능력이 필요하다.


다양한 유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통하는데 많은 노력을 했으며, 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신축성 E 스킨의 발전에 박차를 가했다. 바이오 기반 점착 구조를 갖는 생체 전자 시스템은 신체 내부/외부 표면에 부착함으로써 효과적인 사람-기계 상호작용의 개발과 관련된 광범위한 관심을 끌어왔다. 진단과 치료를 위한 첨단 바이오 전자공학을 실현하기 위해 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 강력하고 적응력 있는 점착뿐만 아니라 생리학적 정보의 정량적, 시공간적 측정을 위해 다양한 생체액 (예) 땀, 침, 눈물, 혈액)을 포착할 수 있는 능력이 필요하다.


미세 유체 네트워크, 이온 영동 및 전기 삼투 흐름과 같은 기술을 사용하여, 생체 신호의 상세한 프로파일링을 제공하기 위해 제자리 신체 전자 시스템은 신체 땀을 수집한다. 지금까지 피부에 부드럽고 부착 가능한 패치에 조립된 수동 또는 능동 검출 성분 (예) 젖산, 크레아티닌, 포도당, NA, Cl, pH, 요산 또는 티로신)에 의한 분석을 가능하게 하는 땀 수집 미세 유체 회로의 주목할 만한 발전이 제시됐다. 특히, 사람 피부 표면 pH는 미생물 (또는 박테리아) 집략화를 방지하기 위한 피부 장벽 기능을 제어하는 생화학적 및 의학적 연구 측면에서 임상적 기준으로서 결정적인 중요성을 가지고 있다. 먼지나 햇빛에 노출되거나 과도한 호르몬 또는 보호구 착용으로 유발되는 부적절한 pH 수준의 경우, 특정 pH 의존성 효소는 사람 피부에 보호할 수 있는 막을 형성하는 기능을 할 수 없으며, 종종 인체에 염증성 피부 질병

감염과 같은 심각한 피부 질병을 일으킨다. 피부 질병의 정확한 제자리 진단과 개인화된 치료을 위해 pH 수준의 재사용 가능하고 즉각적인 정량화와 함께 생체액의 쉽고 직접적인 수집이 매우 필요하다.


pH-모니터링 피부 패치 장비의 특징은 정교한 시스템, 동적인 움직임을 통한 과도한 땀 분비 또는 다른 외부 자극 없이 사용자의 건강에 대한 간단하고 저렴하며, 믿을 수 있는 피드백을 제공할 수 있다. 추가적으로 스마트 피부 패치 시스템보다 높은 기능성을 달성하기 위해 가역성, 사람 친화적 사용과 견고한 부착성에 대한 새로운 접근법이 요구되어 있다. 아크릴 기반 점착제의 비가역적인 장기 점착은 낮은 통기성에 의해 맞물린 피부에 불편함을 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수년 동안 연구자들은 진단 웨어러블 기기의 생체에 매우 적합한 피부 부착 가능한 구성 요소를 포함하여 다양한 점착 기술에 영향을 미친 동물의 버섯 모양 점착 부속물을 조사했다. 특정 표면에 대한 van der Waals 상호작용을 기반으로 하는 강력하고 가역적인 부착 능력에도 불구하고, 이러한 성능은 건조한 환경에 국한된다. 결과적으로, 최근에는 수중 생물에 의해 영감을 받은 나노/마이크로빨판이 건조하거나 젖은 표면에 매우 등각적인 부착을 위해 개발되었다. 그러나, 인공적인 빨판은 물리적 자극을 다른 방향으로 지지할 수 없는 음각 구조로 인해 인체 피부에 대한 다방향 점착성을 얻기 어렵다. 무엇보다 앞서 언급한 구조는 유체 기반 화학 바이오마커를 지속적으로 포착할 수 있는 특정 공간이 없는 구조적 특징 때문에 생체액을 포착하는 pH 센서가 아닌 등각 기계전기 센서와의 통합에 적합할 것이다. 수컷 물방개들은 습윤 및 불규칙한 표면에 강한 부착 및 위치 지정을 위해 앞다리에 흡입 컵과 같은 구조와 원형의 미세한 공간을 가진 spatula setae의 독특한 구조를 진화시켰다. 생체 기반 점착제를 개발하기 위한 생물학적 시스템의 재료 및 구조 역학은 아직 완전히 이해되지 않았다.


이 연구에서 우리는 피부 건강에 대한 지속적인 분석을 제공하기 위해 인체 표면의 각질층에서 유체를 쉽게 포착할 수 있는 부드럽고 생체에서 영감받은 plunger가 있는 영리하고 일체형인 점착제에 대한 전례 없는 디자인을 제시한다. 우리의 이종 생체 기반 나노구조는 기존 피부 계면 장치의 3가지 주요 과제를 해결한다. 1) 피부 수분 쉽게 포착 2) 빠르고 정확한 pH 분석을 위한 비색 센서와 기계 학습 프레임워크 통합 3) 건조/습윤 환경에서 불규칙적인 인체 피부에 대한 생체 적합성이 높고 가역적인 부착. 수컷 물방개 setae의 흡입 plunger에서 영감을 받아 우리는 건조/습윤 환경에서 인체 피부에 매우 견고하고 반복 가능하고 다방향성 점착력을 확립했다. 추가적으로 물방개 구조에 영감을 받은 구조 (DIA)의 공간 내에 생체액을 포착하는 하이드로겔을 내장하여 pH 분석을 쉽게 하기 위해 피부 수분을 캡슐화할 수 있는 흡입 보조 점착력을 향상시켰다. 기계 학습 기술을 통합하여 pH 반응성 하이드로겔에 의해 색상에서 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 소프트웨어 애플리케이션을 개발한다. 게다가, 우리는 여드름과 같은 피부 질환의 초기 징후를 감지하는 지능형 장치를 사용하여 신뢰할 수 있고 효과적인 치료 기회를 위한 생체 내 모델을 시연할 수 있다.

도입

유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어, 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통합하기 위해 다양한 분야에서 많은 노력이 기울여졌다. 이는 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇 공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신충성 E 스킨 분야에 발전을 이끌고 있다.


바이오 기반 점착 구조를 가진 생체 전자 시스템은 신체 표면에 부착되어 효과적인 사람-기계 상호작용을 개발, 특히 진단과 치료를 위한 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 점착력과 적응성 뿐만 아니라 생체액 수집 능력이 필요하다.


다양한 유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통하는데 많은 노력을 했으며, 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신축성 E 스킨의 발전에 박차를 가했다. 바이오 기반 점착 구조를 갖는 생체 전자 시스템은 신체 내부/외부 표면에 부착함으로써 효과적인 사람-기계 상호작용의 개발과 관련된 광범위한 관심을 끌어왔다. 진단과 치료를 위한 첨단 바이오 전자공학을 실현하기 위해 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 강력하고 적응력 있는 점착뿐만 아니라 생리학적 정보의 정량적, 시공간적 측정을 위해 다양한 생체액 (예) 땀, 침, 눈물, 혈액)을 포착할 수 있는 능력이 필요하다.


미세 유체 네트워크, 이온 영동 및 전기 삼투 흐름과 같은 기술을 사용하여, 생체 신호의 상세한 프로파일링을 제공하기 위해 제자리 신체 전자 시스템은 신체 땀을 수집한다. 지금까지 피부에 부드럽고 부착 가능한 패치에 조립된 수동 또는 능동 검출 성분 (예) 젖산, 크레아티닌, 포도당, NA, Cl, pH, 요산 또는 티로신)에 의한 분석을 가능하게 하는 땀 수집 미세 유체 회로의 주목할 만한 발전이 제시됐다. 특히, 사람 피부 표면 pH는 미생물 (또는 박테리아) 집략화를 방지하기 위한 피부 장벽 기능을 제어하는 생화학적 및 의학적 연구 측면에서 임상적 기준으로서 결정적인 중요성을 가지고 있다. 먼지나 햇빛에 노출되거나 과도한 호르몬 또는 보호구 착용으로 유발되는 부적절한 pH 수준의 경우, 특정 pH 의존성 효소는 사람 피부에 보호할 수 있는 막을 형성하는 기능을 할 수 없으며, 종종 인체에 염증성 피부 질병

감염과 같은 심각한 피부 질병을 일으킨다. 피부 질병의 정확한 제자리 진단과 개인화된 치료을 위해 pH 수준의 재사용 가능하고 즉각적인 정량화와 함께 생체액의 쉽고 직접적인 수집이 매우 필요하다.


pH-모니터링 피부 패치 장비의 특징은 정교한 시스템, 동적인 움직임을 통한 과도한 땀 분비 또는 다른 외부 자극 없이 사용자의 건강에 대한 간단하고 저렴하며, 믿을 수 있는 피드백을 제공할 수 있다. 추가적으로 스마트 피부 패치 시스템보다 높은 기능성을 달성하기 위해 가역성, 사람 친화적 사용과 견고한 부착성에 대한 새로운 접근법이 요구되어 있다. 아크릴 기반 점착제의 비가역적인 장기 점착은 낮은 통기성에 의해 맞물린 피부에 불편함을 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수년 동안 연구자들은 진단 웨어러블 기기의 생체에 매우 적합한 피부 부착 가능한 구성 요소를 포함하여 다양한 점착 기술에 영향을 미친 동물의 버섯 모양 점착 부속물을 조사했다. 특정 표면에 대한 van der Waals 상호작용을 기반으로 하는 강력하고 가역적인 부착 능력에도 불구하고, 이러한 성능은 건조한 환경에 국한된다. 결과적으로, 최근에는 수중 생물에 의해 영감을 받은 나노/마이크로빨판이 건조하거나 젖은 표면에 매우 등각적인 부착을 위해 개발되었다. 그러나, 인공적인 빨판은 물리적 자극을 다른 방향으로 지지할 수 없는 음각 구조로 인해 인체 피부에 대한 다방향 점착성을 얻기 어렵다. 무엇보다 앞서 언급한 구조는 유체 기반 화학 바이오마커를 지속적으로 포착할 수 있는 특정 공간이 없는 구조적 특징 때문에 생체액을 포착하는 pH 센서가 아닌 등각 기계전기 센서와의 통합에 적합할 것이다. 수컷 물방개들은 습윤 및 불규칙한 표면에 강한 부착 및 위치 지정을 위해 앞다리에 흡입 컵과 같은 구조와 원형의 미세한 공간을 가진 spatula setae의 독특한 구조를 진화시켰다. 생체 기반 점착제를 개발하기 위한 생물학적 시스템의 재료 및 구조 역학은 아직 완전히 이해되지 않았다.


이 연구에서 우리는 피부 건강에 대한 지속적인 분석을 제공하기 위해 인체 표면의 각질층에서 유체를 쉽게 포착할 수 있는 부드럽고 생체에서 영감받은 plunger가 있는 영리하고 일체형인 점착제에 대한 전례 없는 디자인을 제시한다. 우리의 이종 생체 기반 나노구조는 기존 피부 계면 장치의 3가지 주요 과제를 해결한다. 1) 피부 수분 쉽게 포착 2) 빠르고 정확한 pH 분석을 위한 비색 센서와 기계 학습 프레임워크 통합 3) 건조/습윤 환경에서 불규칙적인 인체 피부에 대한 생체 적합성이 높고 가역적인 부착. 수컷 물방개 setae의 흡입 plunger에서 영감을 받아 우리는 건조/습윤 환경에서 인체 피부에 매우 견고하고 반복 가능하고 다방향성 점착력을 확립했다. 추가적으로 물방개 구조에 영감을 받은 구조 (DIA)의 공간 내에 생체액을 포착하는 하이드로겔을 내장하여 pH 분석을 쉽게 하기 위해 피부 수분을 캡슐화할 수 있는 흡입 보조 점착력을 향상시켰다. 기계 학습 기술을 통합하여 pH 반응성 하이드로겔에 의해 색상에서 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 소프트웨어 애플리케이션을 개발한다. 게다가, 우리는 여드름과 같은 피부 질환의 초기 징후를 감지하는 지능형 장치를 사용하여 신뢰할 수 있고 효과적인 치료 기회를 위한 생체 내 모델을 시연할 수 있다.

결과

스마트 의료 애플리케이션을 위한 물방개 기반의 가역적 microplungers 그림 1A는 흡입 컵과 같은 구조와 수컷 물방개의 앞다리에 위치한 원형의 공간이 있는 spatula setae를 보여주며, 이는 사전 교배 과정에서 암컷 elytra의 거친 표면에 유리한 부착 및 위치를 제공한다. 그림 1B의 개략적인 그림에 요약된 바와 같이, 넓은 버섯 모양의 단단한 컵은 등각의 실링을 제공하는 반면, 부드러운 원형 챔버는 흡입 효과를 유도한다. 또한 수컷 물방개의 집합체에 있는 냄새 수용체는 물속에서 화학적 네트워킹을 위한 특정 화학적 신호에 결합할 수 있다. 수컷 물방개 빨판의 기능성에 영감 받아 그림 1C와 같이 생체액 포착 하이드로겔을 사용한 microplungers 기반 생체액 포착 점착제 설계를 제시한다. 사진 및 SEM 이미지는 500 ㎛ 직경과 300 ㎛ 높이를 갖는 Hexagonal 배열 300 ㎛의 생체액 포획 하이드로겔 임베디드 DIAs의 구조적 균일성을 간격비 1로 확정한다. 내부에 흡입 챔버를 형성함으로써, 물방개에서 영감을 얻은 구조는 진단 바이오마커로 액체를 쉽고 포착하고 지속적으로 분석하는 인터페이스를 제안한다. 이것은 또한 물 아래에서 다양한 방향으로 점착 강도와 반복성을 향상시킨다. 우리는 pH 반응성 하이드로겔을 합성하고 표피의 순간적이고 재사용 가능하며 국소적인 분석을 위해 DIA의 미세 공간에 내장하여 피부 관리 모니터링 시스템의 간단한 적용을 입증한다. 우리 시스템은 RGB 값의 입력 데이터를 사용하여 교차 검증 프레임워크가 있는 기계 학습 기반 pH 정량화 모델을 활용하여 소프트웨어 애플리케이션을 사용하여 pH 값의 손쉬운 실시간 인지를 제공한다. 우리의 기기를 사용하면 질병의 병리학적 발견 전에 계산된 피부 pH 값에 따라 적절한 치료적 의사 결정을 할 수 있어 여드름 치료에 효과적인 약물 전달이 가능할 것이다.

결과

스마트 의료 애플리케이션을 위한 물방개 기반의 가역적 microplungers 그림 1A는 흡입 컵과 같은 구조와 수컷 물방개의 앞다리에 위치한 원형의 공간이 있는 spatula setae를 보여주며, 이는 사전 교배 과정에서 암컷 elytra의 거친 표면에 유리한 부착 및 위치를 제공한다. 그림 1B의 개략적인 그림에 요약된 바와 같이, 넓은 버섯 모양의 단단한 컵은 등각의 실링을 제공하는 반면, 부드러운 원형 챔버는 흡입 효과를 유도한다. 또한 수컷 물방개의 집합체에 있는 냄새 수용체는 물속에서 화학적 네트워킹을 위한 특정 화학적 신호에 결합할 수 있다. 수컷 물방개 빨판의 기능성에 영감 받아 그림 1C와 같이 생체액 포착 하이드로겔을 사용한 microplungers 기반 생체액 포착 점착제 설계를 제시한다. 사진 및 SEM 이미지는 500 ㎛ 직경과 300 ㎛ 높이를 갖는 Hexagonal 배열 300 ㎛의 생체액 포획 하이드로겔 임베디드 DIAs의 구조적 균일성을 간격비 1로 확정한다. 내부에 흡입 챔버를 형성함으로써, 물방개에서 영감을 얻은 구조는 진단 바이오마커로 액체를 쉽고 포착하고 지속적으로 분석하는 인터페이스를 제안한다. 이것은 또한 물 아래에서 다양한 방향으로 점착 강도와 반복성을 향상시킨다. 우리는 pH 반응성 하이드로겔을 합성하고 표피의 순간적이고 재사용 가능하며 국소적인 분석을 위해 DIA의 미세 공간에 내장하여 피부 관리 모니터링 시스템의 간단한 적용을 입증한다. 우리 시스템은 RGB 값의 입력 데이터를 사용하여 교차 검증 프레임워크가 있는 기계 학습 기반 pH 정량화 모델을 활용하여 소프트웨어 애플리케이션을 사용하여 pH 값의 손쉬운 실시간 인지를 제공한다. 우리의 기기를 사용하면 질병의 병리학적 발견 전에 계산된 피부 pH 값에 따라 적절한 치료적 의사 결정을 할 수 있어 여드름 치료에 효과적인 약물 전달이 가능할 것이다.

결과

스마트 의료 애플리케이션을 위한 물방개 기반의 가역적 microplungers 그림 1A는 흡입 컵과 같은 구조와 수컷 물방개의 앞다리에 위치한 원형의 공간이 있는 spatula setae를 보여주며, 이는 사전 교배 과정에서 암컷 elytra의 거친 표면에 유리한 부착 및 위치를 제공한다. 그림 1B의 개략적인 그림에 요약된 바와 같이, 넓은 버섯 모양의 단단한 컵은 등각의 실링을 제공하는 반면, 부드러운 원형 챔버는 흡입 효과를 유도한다. 또한 수컷 물방개의 집합체에 있는 냄새 수용체는 물속에서 화학적 네트워킹을 위한 특정 화학적 신호에 결합할 수 있다. 수컷 물방개 빨판의 기능성에 영감 받아 그림 1C와 같이 생체액 포착 하이드로겔을 사용한 microplungers 기반 생체액 포착 점착제 설계를 제시한다. 사진 및 SEM 이미지는 500 ㎛ 직경과 300 ㎛ 높이를 갖는 Hexagonal 배열 300 ㎛의 생체액 포획 하이드로겔 임베디드 DIAs의 구조적 균일성을 간격비 1로 확정한다. 내부에 흡입 챔버를 형성함으로써, 물방개에서 영감을 얻은 구조는 진단 바이오마커로 액체를 쉽고 포착하고 지속적으로 분석하는 인터페이스를 제안한다. 이것은 또한 물 아래에서 다양한 방향으로 점착 강도와 반복성을 향상시킨다. 우리는 pH 반응성 하이드로겔을 합성하고 표피의 순간적이고 재사용 가능하며 국소적인 분석을 위해 DIA의 미세 공간에 내장하여 피부 관리 모니터링 시스템의 간단한 적용을 입증한다. 우리 시스템은 RGB 값의 입력 데이터를 사용하여 교차 검증 프레임워크가 있는 기계 학습 기반 pH 정량화 모델을 활용하여 소프트웨어 애플리케이션을 사용하여 pH 값의 손쉬운 실시간 인지를 제공한다. 우리의 기기를 사용하면 질병의 병리학적 발견 전에 계산된 피부 pH 값에 따라 적절한 치료적 의사 결정을 할 수 있어 여드름 치료에 효과적인 약물 전달이 가능할 것이다.

결과

스마트 의료 애플리케이션을 위한 물방개 기반의 가역적 microplungers 그림 1A는 흡입 컵과 같은 구조와 수컷 물방개의 앞다리에 위치한 원형의 공간이 있는 spatula setae를 보여주며, 이는 사전 교배 과정에서 암컷 elytra의 거친 표면에 유리한 부착 및 위치를 제공한다. 그림 1B의 개략적인 그림에 요약된 바와 같이, 넓은 버섯 모양의 단단한 컵은 등각의 실링을 제공하는 반면, 부드러운 원형 챔버는 흡입 효과를 유도한다. 또한 수컷 물방개의 집합체에 있는 냄새 수용체는 물속에서 화학적 네트워킹을 위한 특정 화학적 신호에 결합할 수 있다. 수컷 물방개 빨판의 기능성에 영감 받아 그림 1C와 같이 생체액 포착 하이드로겔을 사용한 microplungers 기반 생체액 포착 점착제 설계를 제시한다. 사진 및 SEM 이미지는 500 ㎛ 직경과 300 ㎛ 높이를 갖는 Hexagonal 배열 300 ㎛의 생체액 포획 하이드로겔 임베디드 DIAs의 구조적 균일성을 간격비 1로 확정한다. 내부에 흡입 챔버를 형성함으로써, 물방개에서 영감을 얻은 구조는 진단 바이오마커로 액체를 쉽고 포착하고 지속적으로 분석하는 인터페이스를 제안한다. 이것은 또한 물 아래에서 다양한 방향으로 점착 강도와 반복성을 향상시킨다. 우리는 pH 반응성 하이드로겔을 합성하고 표피의 순간적이고 재사용 가능하며 국소적인 분석을 위해 DIA의 미세 공간에 내장하여 피부 관리 모니터링 시스템의 간단한 적용을 입증한다. 우리 시스템은 RGB 값의 입력 데이터를 사용하여 교차 검증 프레임워크가 있는 기계 학습 기반 pH 정량화 모델을 활용하여 소프트웨어 애플리케이션을 사용하여 pH 값의 손쉬운 실시간 인지를 제공한다. 우리의 기기를 사용하면 질병의 병리학적 발견 전에 계산된 피부 pH 값에 따라 적절한 치료적 의사 결정을 할 수 있어 여드름 치료에 효과적인 약물 전달이 가능할 것이다.

DIA 부착

우리는 그림 2A와 같이 건조 및 수중 조건에서 다양한 구조를 가진 폴리디메틸실록산 (PDMS) 기반 패치의 일반 점착 강도를 측정했다: DIA, 버섯 모양 원통형 기둥 (MCP), 원통형 기둥 (CP) 및 평면 샘플. DIA 및 MCP 패치는 기판에 적합하게 부착하기 위한 넓은 팁에 의해 접촉 면적이 향상되어 건조 (각각-2.81 및 ~2.25 N/cm2) 및 수중 (각각 ~2.75 및 ~2.09 N/cm2) 조건 모두에서 CP 및 평판 패치보다 높은 점착 강도를 나타냈다. 특히 DIA 패치는 미세공간을 가진 수많은 미세구조물의 탄성거동에 의해

유발되는 흡입응력으로 인해 건조 및 수중 조건에서 MCP 패치에 비해 더 큰 점착력을 나타냈다. 점착 강도에 대한 기둥 기하학 최저과 후 건조 및 수중 조건에서 부착된 기판과의 접촉 효율을 향상시키기 위해 PDMS를 적용하여 DIA 넓은 팁의 부드러움을 변경하였다. 그 규모 효과로부터 그림 2C와 같이 500 ㎛ 직경의 DIA 크기를 최적화하여 비교적 낮은 preload에서 구조물의 탄성변형에 의한 흡입응력을 극대화했다.


다양한 수직력 하에서 단일 DIA의 탄성 변형 거동을 이해하기 위해 FEM 시물레이션을 수행했다. 그림 2D와 같이 DIA 내 챔버의 부피는 상압 (2 N/cm2)을 가함으로써 쉽게 압축되는데, 이는 DIA 필라의 얇은 벽에 응력이 집중되기 때문이다. 인가된 preload을 제거한 후 압력 강하는 흡입 챔버 내에서 유도된다. 탈착 과정에서 흡입 챔버 부피 팽창에 의해 흡입 효과에 대한 압력 차이를 산출할 수 있었다. [그림 2D] DIA의 팁과 기판의 계면 단면에서 응력 분포를 관찰해보면, 응력은 외부 에지보다 내부 에지에 더 집중된다. [그림 2E] 따라서 DIA 패치는 미세 공간 내에서 쉽게 체적 변화를 일으키며, 넓어진 팁은 씰을 유지하기 위해 공기 누출을 방지한다. [그림 S5] 한편, MCP는 그림 2E와 같이 응력 분포가 외부 가장자리에 집중되어 있기 때문에 탈착 시 흡입 챔버의 밀봉을 유지할 수 없다. 그림 2F에서 s-DIA 패치 (s-PDMS 팁이 있는 DIA 패치)는 적용된 preload에 대해 증가된 점착 강도를 보인 반면, s-MCP 및 s-flat 패치 (각각 s-PDMS 팁이 있는 MCP 패치 및 s-PDMS-코팅된 플랫 패치)는 건조 및 수중 조건에서 점착 강도 증가를 거의 나타내지 않았다.


preload에 따른 DIA의 점착거동을 설명하기 위해 다음과 같이 FEM 시뮬레이션을 이용하여 챔버의 체적변화를 추정함으로써 미세구조물과 체결면 사이의 흡입효과의 기초가 되는 간단한 방법론적 모델을 수립한다.

DIA 부착

우리는 그림 2A와 같이 건조 및 수중 조건에서 다양한 구조를 가진 폴리디메틸실록산 (PDMS) 기반 패치의 일반 점착 강도를 측정했다: DIA, 버섯 모양 원통형 기둥 (MCP), 원통형 기둥 (CP) 및 평면 샘플. DIA 및 MCP 패치는 기판에 적합하게 부착하기 위한 넓은 팁에 의해 접촉 면적이 향상되어 건조 (각각-2.81 및 ~2.25 N/cm2) 및 수중 (각각 ~2.75 및 ~2.09 N/cm2) 조건 모두에서 CP 및 평판 패치보다 높은 점착 강도를 나타냈다. 특히 DIA 패치는 미세공간을 가진 수많은 미세구조물의 탄성거동에 의해

유발되는 흡입응력으로 인해 건조 및 수중 조건에서 MCP 패치에 비해 더 큰 점착력을 나타냈다. 점착 강도에 대한 기둥 기하학 최저과 후 건조 및 수중 조건에서 부착된 기판과의 접촉 효율을 향상시키기 위해 PDMS를 적용하여 DIA 넓은 팁의 부드러움을 변경하였다. 그 규모 효과로부터 그림 2C와 같이 500 ㎛ 직경의 DIA 크기를 최적화하여 비교적 낮은 preload에서 구조물의 탄성변형에 의한 흡입응력을 극대화했다.


다양한 수직력 하에서 단일 DIA의 탄성 변형 거동을 이해하기 위해 FEM 시물레이션을 수행했다. 그림 2D와 같이 DIA 내 챔버의 부피는 상압 (2 N/cm2)을 가함으로써 쉽게 압축되는데, 이는 DIA 필라의 얇은 벽에 응력이 집중되기 때문이다. 인가된 preload을 제거한 후 압력 강하는 흡입 챔버 내에서 유도된다. 탈착 과정에서 흡입 챔버 부피 팽창에 의해 흡입 효과에 대한 압력 차이를 산출할 수 있었다. [그림 2D] DIA의 팁과 기판의 계면 단면에서 응력 분포를 관찰해보면, 응력은 외부 에지보다 내부 에지에 더 집중된다. [그림 2E] 따라서 DIA 패치는 미세 공간 내에서 쉽게 체적 변화를 일으키며, 넓어진 팁은 씰을 유지하기 위해 공기 누출을 방지한다. [그림 S5] 한편, MCP는 그림 2E와 같이 응력 분포가 외부 가장자리에 집중되어 있기 때문에 탈착 시 흡입 챔버의 밀봉을 유지할 수 없다. 그림 2F에서 s-DIA 패치 (s-PDMS 팁이 있는 DIA 패치)는 적용된 preload에 대해 증가된 점착 강도를 보인 반면, s-MCP 및 s-flat 패치 (각각 s-PDMS 팁이 있는 MCP 패치 및 s-PDMS-코팅된 플랫 패치)는 건조 및 수중 조건에서 점착 강도 증가를 거의 나타내지 않았다.


preload에 따른 DIA의 점착거동을 설명하기 위해 다음과 같이 FEM 시뮬레이션을 이용하여 챔버의 체적변화를 추정함으로써 미세구조물과 체결면 사이의 흡입효과의 기초가 되는 간단한 방법론적 모델을 수립한다.

DIA 부착

우리는 그림 2A와 같이 건조 및 수중 조건에서 다양한 구조를 가진 폴리디메틸실록산 (PDMS) 기반 패치의 일반 점착 강도를 측정했다: DIA, 버섯 모양 원통형 기둥 (MCP), 원통형 기둥 (CP) 및 평면 샘플. DIA 및 MCP 패치는 기판에 적합하게 부착하기 위한 넓은 팁에 의해 접촉 면적이 향상되어 건조 (각각-2.81 및 ~2.25 N/cm2) 및 수중 (각각 ~2.75 및 ~2.09 N/cm2) 조건 모두에서 CP 및 평판 패치보다 높은 점착 강도를 나타냈다. 특히 DIA 패치는 미세공간을 가진 수많은 미세구조물의 탄성거동에 의해

유발되는 흡입응력으로 인해 건조 및 수중 조건에서 MCP 패치에 비해 더 큰 점착력을 나타냈다. 점착 강도에 대한 기둥 기하학 최저과 후 건조 및 수중 조건에서 부착된 기판과의 접촉 효율을 향상시키기 위해 PDMS를 적용하여 DIA 넓은 팁의 부드러움을 변경하였다. 그 규모 효과로부터 그림 2C와 같이 500 ㎛ 직경의 DIA 크기를 최적화하여 비교적 낮은 preload에서 구조물의 탄성변형에 의한 흡입응력을 극대화했다.


다양한 수직력 하에서 단일 DIA의 탄성 변형 거동을 이해하기 위해 FEM 시물레이션을 수행했다. 그림 2D와 같이 DIA 내 챔버의 부피는 상압 (2 N/cm2)을 가함으로써 쉽게 압축되는데, 이는 DIA 필라의 얇은 벽에 응력이 집중되기 때문이다. 인가된 preload을 제거한 후 압력 강하는 흡입 챔버 내에서 유도된다. 탈착 과정에서 흡입 챔버 부피 팽창에 의해 흡입 효과에 대한 압력 차이를 산출할 수 있었다. [그림 2D] DIA의 팁과 기판의 계면 단면에서 응력 분포를 관찰해보면, 응력은 외부 에지보다 내부 에지에 더 집중된다. [그림 2E] 따라서 DIA 패치는 미세 공간 내에서 쉽게 체적 변화를 일으키며, 넓어진 팁은 씰을 유지하기 위해 공기 누출을 방지한다. [그림 S5] 한편, MCP는 그림 2E와 같이 응력 분포가 외부 가장자리에 집중되어 있기 때문에 탈착 시 흡입 챔버의 밀봉을 유지할 수 없다. 그림 2F에서 s-DIA 패치 (s-PDMS 팁이 있는 DIA 패치)는 적용된 preload에 대해 증가된 점착 강도를 보인 반면, s-MCP 및 s-flat 패치 (각각 s-PDMS 팁이 있는 MCP 패치 및 s-PDMS-코팅된 플랫 패치)는 건조 및 수중 조건에서 점착 강도 증가를 거의 나타내지 않았다.


preload에 따른 DIA의 점착거동을 설명하기 위해 다음과 같이 FEM 시뮬레이션을 이용하여 챔버의 체적변화를 추정함으로써 미세구조물과 체결면 사이의 흡입효과의 기초가 되는 간단한 방법론적 모델을 수립한다.

DIA 부착

우리는 그림 2A와 같이 건조 및 수중 조건에서 다양한 구조를 가진 폴리디메틸실록산 (PDMS) 기반 패치의 일반 점착 강도를 측정했다: DIA, 버섯 모양 원통형 기둥 (MCP), 원통형 기둥 (CP) 및 평면 샘플. DIA 및 MCP 패치는 기판에 적합하게 부착하기 위한 넓은 팁에 의해 접촉 면적이 향상되어 건조 (각각-2.81 및 ~2.25 N/cm2) 및 수중 (각각 ~2.75 및 ~2.09 N/cm2) 조건 모두에서 CP 및 평판 패치보다 높은 점착 강도를 나타냈다. 특히 DIA 패치는 미세공간을 가진 수많은 미세구조물의 탄성거동에 의해

유발되는 흡입응력으로 인해 건조 및 수중 조건에서 MCP 패치에 비해 더 큰 점착력을 나타냈다. 점착 강도에 대한 기둥 기하학 최저과 후 건조 및 수중 조건에서 부착된 기판과의 접촉 효율을 향상시키기 위해 PDMS를 적용하여 DIA 넓은 팁의 부드러움을 변경하였다. 그 규모 효과로부터 그림 2C와 같이 500 ㎛ 직경의 DIA 크기를 최적화하여 비교적 낮은 preload에서 구조물의 탄성변형에 의한 흡입응력을 극대화했다.


다양한 수직력 하에서 단일 DIA의 탄성 변형 거동을 이해하기 위해 FEM 시물레이션을 수행했다. 그림 2D와 같이 DIA 내 챔버의 부피는 상압 (2 N/cm2)을 가함으로써 쉽게 압축되는데, 이는 DIA 필라의 얇은 벽에 응력이 집중되기 때문이다. 인가된 preload을 제거한 후 압력 강하는 흡입 챔버 내에서 유도된다. 탈착 과정에서 흡입 챔버 부피 팽창에 의해 흡입 효과에 대한 압력 차이를 산출할 수 있었다. [그림 2D] DIA의 팁과 기판의 계면 단면에서 응력 분포를 관찰해보면, 응력은 외부 에지보다 내부 에지에 더 집중된다. [그림 2E] 따라서 DIA 패치는 미세 공간 내에서 쉽게 체적 변화를 일으키며, 넓어진 팁은 씰을 유지하기 위해 공기 누출을 방지한다. [그림 S5] 한편, MCP는 그림 2E와 같이 응력 분포가 외부 가장자리에 집중되어 있기 때문에 탈착 시 흡입 챔버의 밀봉을 유지할 수 없다. 그림 2F에서 s-DIA 패치 (s-PDMS 팁이 있는 DIA 패치)는 적용된 preload에 대해 증가된 점착 강도를 보인 반면, s-MCP 및 s-flat 패치 (각각 s-PDMS 팁이 있는 MCP 패치 및 s-PDMS-코팅된 플랫 패치)는 건조 및 수중 조건에서 점착 강도 증가를 거의 나타내지 않았다.


preload에 따른 DIA의 점착거동을 설명하기 위해 다음과 같이 FEM 시뮬레이션을 이용하여 챔버의 체적변화를 추정함으로써 미세구조물과 체결면 사이의 흡입효과의 기초가 되는 간단한 방법론적 모델을 수립한다.

여기서 P는 주변 조건에서의 초기 공기 압력 (~101.3 kPa), k는 체적 변화의 추정 상수 (~0.0407 N ∙cm), F는 인가된 preload, R은 DIA 끝의 반경, n은 단위 면적당 DIA의 개수 (~400 cm)이다. 특히, 물 분자의 모세관 상승은 DIA의 소수성으로 인해 마이크로 챔버에서 발생할 수 없기 때문에 부피 변화만으로 유도되는 흡입 응력은 건식 및 습식 조건 모두에서 동일하게 적응할 수 있다. 이러한 실험 측정은 식 1에 대한 우리의 이론적 예측 (그림 2F의 녹색 점선 참조)과 밀접하게 일치한다.

여기서 P는 주변 조건에서의 초기 공기 압력 (~101.3 kPa), k는 체적 변화의 추정 상수 (~0.0407 N ∙cm), F는 인가된 preload, R은 DIA 끝의 반경, n은 단위 면적당 DIA의 개수 (~400 cm)이다. 특히, 물 분자의 모세관 상승은 DIA의 소수성으로 인해 마이크로 챔버에서 발생할 수 없기 때문에 부피 변화만으로 유도되는 흡입 응력은 건식 및 습식 조건 모두에서 동일하게 적응할 수 있다. 이러한 실험 측정은 식 1에 대한 우리의 이론적 예측 (그림 2F의 녹색 점선 참조)과 밀접하게 일치한다.

여기서 P는 주변 조건에서의 초기 공기 압력 (~101.3 kPa), k는 체적 변화의 추정 상수 (~0.0407 N ∙cm), F는 인가된 preload, R은 DIA 끝의 반경, n은 단위 면적당 DIA의 개수 (~400 cm)이다. 특히, 물 분자의 모세관 상승은 DIA의 소수성으로 인해 마이크로 챔버에서 발생할 수 없기 때문에 부피 변화만으로 유도되는 흡입 응력은 건식 및 습식 조건 모두에서 동일하게 적응할 수 있다. 이러한 실험 측정은 식 1에 대한 우리의 이론적 예측 (그림 2F의 녹색 점선 참조)과 밀접하게 일치한다.

여기서 P는 주변 조건에서의 초기 공기 압력 (~101.3 kPa), k는 체적 변화의 추정 상수 (~0.0407 N ∙cm), F는 인가된 preload, R은 DIA 끝의 반경, n은 단위 면적당 DIA의 개수 (~400 cm)이다. 특히, 물 분자의 모세관 상승은 DIA의 소수성으로 인해 마이크로 챔버에서 발생할 수 없기 때문에 부피 변화만으로 유도되는 흡입 응력은 건식 및 습식 조건 모두에서 동일하게 적응할 수 있다. 이러한 실험 측정은 식 1에 대한 우리의 이론적 예측 (그림 2F의 녹색 점선 참조)과 밀접하게 일치한다.

그림 2. 건조 및 습윤 조건에서 구조적 변형을 통한 DIA 부착

그림 2. 건조 및 습윤 조건에서 구조적 변형을 통한 DIA 부착

향상된 습식 점착 및 액체 포획을 위한 생체 유체 포획 젤이 내장된 s-DIA


점착제에 대한 낮은 preload 하에서 부착 기능을 극대화하기 위해 s-DIA의 챔버 내부에 생체에 적합한 하이드로겔 [폴리아크릴아미드(PAAm)]이 내장된 하이브리드 구조를 설계했다(그림 3A). 그런 다음 하이드로겔이 내장된 s-DIAs (H-s-DIAs)와 하이드로겔이 없는 s-DIAs 및 탈이온수와의 접촉 시간에 따른 베어 하이드로겔 패치의 점착 강도를 비교했다(그림 3B). 건조한 환경과 수중 환경 모두에서 H-s-DIAs의 점착 강도는 90분 접촉 시간 후 포화 및 유지되는 반면, bare hydrogel patch의 점착 강도는 접촉 시간 120분 후 현저하게 저하되었다. 접촉 시간에 따라 s-DIAs의 점착 강도는 변하지 않는다. 이러한 현상은 다공성 고분자-기판 계면의 계면 유체 역학 모델을 통해 간단히 설명할 수 있다. 마이크로 공간를 갖는 강성 PDMS 구조는 그림. 3C와 같이 물속 점착력을 극대화하기 위해 팽윤된 하이드로겔의 최적화된 상태를 유지할 수 있다. 따라서 PDMS 기반의 필러 내에 갇힌 하이드로겔은 그림 3C와 같이 베어 하이드로겔 패치에 비해 비대칭적으로 물을 흡수하여 최적화된 점착 상태를 유지한다. 그런 다음 공초점 형광 현미경과 SEM (그림 3D)을 통해 플루오레세인 이소티오시아네이트와 혼합된 내장된 하이드로겔에 대한 팽윤 행동의 제어를 관찰했다. 우리는 물 분자와 접촉할 때 탈수된 하이드로겔의 팽창을 흡입 챔버의 부피가 증가할 때까지 관찰하고 2시간 후에도 하이드로겔의 부피가 유지되는 것을 관찰했다 [그림 3D]. 하이드로겔 기공에 흡수된 물의 양에 따라 하이드로겔의 기공 크기는 나노 단위에서 마이크로 단위로 조절될 수 있음이 관찰되었다 (하이드로겔 기공의 반경은 ~200 nm에서 ~100 μm까지 관찰됨; 그림 S8). 또한, DIA 챔버 내부에 내장된 하이드로겔의 구조적 효과를 파악하기 위해 건조 및

수중 조건에서 서로 다른 preload (1~5 N/cm2)를 적용하여 사전 최적화된 팽윤 H-s-DIA에 대한 점착 강도를 측정했다. 그림 3E에서 볼 수 있듯이, 측정 결과 H-DIA 시료는 반복성이 높은 ~22 N/cm의 낮은 preload 하에서 최대 흡입 응력에 의해 유도된 초기 포화 점착력 (건조 조건의 경우 최대 ~6.0 N/cm2, 수중 조건의 경우 최대 ~5.6 N/cm2)을 나타냈다 (<100; 그림 3F 참조). 압력차 (ΔP)는 ~2 N/cm의 낮은 preload 하에서 DIA의 챔버 내에 남아있는 공기를 밀어낼 수 있는 하이드로겔이 내장된 DIA 형상으로 인해 진공과 같은 챔버를 형성하기 때문에 쉽게 극대화된다 (그림 3G의 시뮬레이션 결과, ΔP ≈ P, ∵ VR ≈ 0 참조). 또한, 탈수된 하이드로겔에 비해, 미리 팽윤된 하이드로겔은 DIA 챔버 내부의 공기 분자를 쉽게 비울 수 있다(그림 S9).

향상된 습식 점착 및 액체 포획을 위한 생체 유체 포획 젤이 내장된 s-DIA


점착제에 대한 낮은 preload 하에서 부착 기능을 극대화하기 위해 s-DIA의 챔버 내부에 생체에 적합한 하이드로겔 [폴리아크릴아미드(PAAm)]이 내장된 하이브리드 구조를 설계했다(그림 3A). 그런 다음 하이드로겔이 내장된 s-DIAs (H-s-DIAs)와 하이드로겔이 없는 s-DIAs 및 탈이온수와의 접촉 시간에 따른 베어 하이드로겔 패치의 점착 강도를 비교했다(그림 3B). 건조한 환경과 수중 환경 모두에서 H-s-DIAs의 점착 강도는 90분 접촉 시간 후 포화 및 유지되는 반면, bare hydrogel patch의 점착 강도는 접촉 시간 120분 후 현저하게 저하되었다. 접촉 시간에 따라 s-DIAs의 점착 강도는 변하지 않는다. 이러한 현상은 다공성 고분자-기판 계면의 계면 유체 역학 모델을 통해 간단히 설명할 수 있다. 마이크로 공간를 갖는 강성 PDMS 구조는 그림. 3C와 같이 물속 점착력을 극대화하기 위해 팽윤된 하이드로겔의 최적화된 상태를 유지할 수 있다. 따라서 PDMS 기반의 필러 내에 갇힌 하이드로겔은 그림 3C와 같이 베어 하이드로겔 패치에 비해 비대칭적으로 물을 흡수하여 최적화된 점착 상태를 유지한다. 그런 다음 공초점 형광 현미경과 SEM (그림 3D)을 통해 플루오레세인 이소티오시아네이트와 혼합된 내장된 하이드로겔에 대한 팽윤 행동의 제어를 관찰했다. 우리는 물 분자와 접촉할 때 탈수된 하이드로겔의 팽창을 흡입 챔버의 부피가 증가할 때까지 관찰하고 2시간 후에도 하이드로겔의 부피가 유지되는 것을 관찰했다 [그림 3D]. 하이드로겔 기공에 흡수된 물의 양에 따라 하이드로겔의 기공 크기는 나노 단위에서 마이크로 단위로 조절될 수 있음이 관찰되었다 (하이드로겔 기공의 반경은 ~200 nm에서 ~100 μm까지 관찰됨; 그림 S8). 또한, DIA 챔버 내부에 내장된 하이드로겔의 구조적 효과를 파악하기 위해 건조 및

수중 조건에서 서로 다른 preload (1~5 N/cm2)를 적용하여 사전 최적화된 팽윤 H-s-DIA에 대한 점착 강도를 측정했다. 그림 3E에서 볼 수 있듯이, 측정 결과 H-DIA 시료는 반복성이 높은 ~22 N/cm의 낮은 preload 하에서 최대 흡입 응력에 의해 유도된 초기 포화 점착력 (건조 조건의 경우 최대 ~6.0 N/cm2, 수중 조건의 경우 최대 ~5.6 N/cm2)을 나타냈다 (<100; 그림 3F 참조). 압력차 (ΔP)는 ~2 N/cm의 낮은 preload 하에서 DIA의 챔버 내에 남아있는 공기를 밀어낼 수 있는 하이드로겔이 내장된 DIA 형상으로 인해 진공과 같은 챔버를 형성하기 때문에 쉽게 극대화된다 (그림 3G의 시뮬레이션 결과, ΔP ≈ P, ∵ VR ≈ 0 참조). 또한, 탈수된 하이드로겔에 비해, 미리 팽윤된 하이드로겔은 DIA 챔버 내부의 공기 분자를 쉽게 비울 수 있다(그림 S9).

향상된 습식 점착 및 액체 포획을 위한 생체 유체 포획 젤이 내장된 s-DIA


점착제에 대한 낮은 preload 하에서 부착 기능을 극대화하기 위해 s-DIA의 챔버 내부에 생체에 적합한 하이드로겔 [폴리아크릴아미드(PAAm)]이 내장된 하이브리드 구조를 설계했다(그림 3A). 그런 다음 하이드로겔이 내장된 s-DIAs (H-s-DIAs)와 하이드로겔이 없는 s-DIAs 및 탈이온수와의 접촉 시간에 따른 베어 하이드로겔 패치의 점착 강도를 비교했다(그림 3B). 건조한 환경과 수중 환경 모두에서 H-s-DIAs의 점착 강도는 90분 접촉 시간 후 포화 및 유지되는 반면, bare hydrogel patch의 점착 강도는 접촉 시간 120분 후 현저하게 저하되었다. 접촉 시간에 따라 s-DIAs의 점착 강도는 변하지 않는다. 이러한 현상은 다공성 고분자-기판 계면의 계면 유체 역학 모델을 통해 간단히 설명할 수 있다. 마이크로 공간를 갖는 강성 PDMS 구조는 그림. 3C와 같이 물속 점착력을 극대화하기 위해 팽윤된 하이드로겔의 최적화된 상태를 유지할 수 있다. 따라서 PDMS 기반의 필러 내에 갇힌 하이드로겔은 그림 3C와 같이 베어 하이드로겔 패치에 비해 비대칭적으로 물을 흡수하여 최적화된 점착 상태를 유지한다. 그런 다음 공초점 형광 현미경과 SEM (그림 3D)을 통해 플루오레세인 이소티오시아네이트와 혼합된 내장된 하이드로겔에 대한 팽윤 행동의 제어를 관찰했다. 우리는 물 분자와 접촉할 때 탈수된 하이드로겔의 팽창을 흡입 챔버의 부피가 증가할 때까지 관찰하고 2시간 후에도 하이드로겔의 부피가 유지되는 것을 관찰했다 [그림 3D]. 하이드로겔 기공에 흡수된 물의 양에 따라 하이드로겔의 기공 크기는 나노 단위에서 마이크로 단위로 조절될 수 있음이 관찰되었다 (하이드로겔 기공의 반경은 ~200 nm에서 ~100 μm까지 관찰됨; 그림 S8). 또한, DIA 챔버 내부에 내장된 하이드로겔의 구조적 효과를 파악하기 위해 건조 및 수중 조건에서 서로 다른 preload (1~5 N/cm2)를 적용하여 사전 최적화된 팽윤 H-s-DIA에 대한 점착 강도를 측정했다. 그림 3E에서 볼 수 있듯이, 측정 결과 H-DIA 시료는 반복성이 높은 ~22 N/cm의 낮은 preload 하에서 최대 흡입 응력에 의해 유도된 초기 포화 점착력 (건조 조건의 경우 최대 ~6.0 N/cm2, 수중 조건의 경우 최대 ~5.6 N/cm2)을 나타냈다 (<100; 그림 3F 참조). 압력차 (ΔP)는 ~2 N/cm의 낮은 preload 하에서 DIA의 챔버 내에 남아있는 공기를 밀어낼 수 있는 하이드로겔이 내장된 DIA 형상으로 인해 진공과 같은 챔버를 형성하기 때문에 쉽게 극대화된다 (그림 3G의 시뮬레이션 결과, ΔP ≈ P, ∵ VR ≈ 0 참조). 또한, 탈수된 하이드로겔에 비해, 미리 팽윤된 하이드로겔은 DIA 챔버 내부의 공기 분자를 쉽게 비울 수 있다(그림 S9).

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점착제에 대한 낮은 preload 하에서 부착 기능을 극대화하기 위해 s-DIA의 챔버 내부에 생체에 적합한 하이드로겔 [폴리아크릴아미드(PAAm)]이 내장된 하이브리드 구조를 설계했다(그림 3A). 그런 다음 하이드로겔이 내장된 s-DIAs (H-s-DIAs)와 하이드로겔이 없는 s-DIAs 및 탈이온수와의 접촉 시간에 따른 베어 하이드로겔 패치의 점착 강도를 비교했다(그림 3B). 건조한 환경과 수중 환경 모두에서 H-s-DIAs의 점착 강도는 90분 접촉 시간 후 포화 및 유지되는 반면, bare hydrogel patch의 점착 강도는 접촉 시간 120분 후 현저하게 저하되었다. 접촉 시간에 따라 s-DIAs의 점착 강도는 변하지 않는다. 이러한 현상은 다공성 고분자-기판 계면의 계면 유체 역학 모델을 통해 간단히 설명할 수 있다. 마이크로 공간를 갖는 강성 PDMS 구조는 그림. 3C와 같이 물속 점착력을 극대화하기 위해 팽윤된 하이드로겔의 최적화된 상태를 유지할 수 있다. 따라서 PDMS 기반의 필러 내에 갇힌 하이드로겔은 그림 3C와 같이 베어 하이드로겔 패치에 비해 비대칭적으로 물을 흡수하여 최적화된 점착 상태를 유지한다. 그런 다음 공초점 형광 현미경과 SEM (그림 3D)을 통해 플루오레세인 이소티오시아네이트와 혼합된 내장된 하이드로겔에 대한 팽윤 행동의 제어를 관찰했다. 우리는 물 분자와 접촉할 때 탈수된 하이드로겔의 팽창을 흡입 챔버의 부피가 증가할 때까지 관찰하고 2시간 후에도 하이드로겔의 부피가 유지되는 것을 관찰했다 [그림 3D]. 하이드로겔 기공에 흡수된 물의 양에 따라 하이드로겔의 기공 크기는 나노 단위에서 마이크로 단위로 조절될 수 있음이 관찰되었다 (하이드로겔 기공의 반경은 ~200 nm에서 ~100 μm까지 관찰됨; 그림 S8). 또한, DIA 챔버 내부에 내장된 하이드로겔의 구조적 효과를 파악하기 위해 건조 및

수중 조건에서 서로 다른 preload (1~5 N/cm2)를 적용하여 사전 최적화된 팽윤 H-s-DIA에 대한 점착 강도를 측정했다. 그림 3E에서 볼 수 있듯이, 측정 결과 H-DIA 시료는 반복성이 높은 ~22 N/cm의 낮은 preload 하에서 최대 흡입 응력에 의해 유도된 초기 포화 점착력 (건조 조건의 경우 최대 ~6.0 N/cm2, 수중 조건의 경우 최대 ~5.6 N/cm2)을 나타냈다 (<100; 그림 3F 참조). 압력차 (ΔP)는 ~2 N/cm의 낮은 preload 하에서 DIA의 챔버 내에 남아있는 공기를 밀어낼 수 있는 하이드로겔이 내장된 DIA 형상으로 인해 진공과 같은 챔버를 형성하기 때문에 쉽게 극대화된다 (그림 3G의 시뮬레이션 결과, ΔP ≈ P, ∵ VR ≈ 0 참조). 또한, 탈수된 하이드로겔에 비해, 미리 팽윤된 하이드로겔은 DIA 챔버 내부의 공기 분자를 쉽게 비울 수 있다(그림 S9).

그림 3. 건조 및 습윤 조건에서 생체액 포착 하이드로겔 (H-s-DIA)이 내장된 DIA 점착 메커니즘 및 성능

그림 3. 건조 및 습윤 조건에서 생체액 포착 하이드로겔 (H-s-DIA)이 내장된

DIA 점착 메커니즘 및 성능

생체액을 포착하고 인간이 부착할 수 있는 장치의 잠재적인 적용을 입증하기 위해 준비된 H-s-DIA


패치의 돼지 피부에 대한 잠착력을 다양한 방향으로 측정하여 부착 능력을 검증했다. 생체액 포착 하이드로겔의 도움으로, H-s-DIA 점착제는 하이드로겔이 없는 s-DIA 샘플에 비해 다방향으로 우수한 점착 스트레스를 나타냈다 (그림 4A). 최적화된 생체감응 패치 디바이스를 사용하여 H-s-DIA 점착제가 피부의 표피층에서 즉각적인 생체액 포획이 가능하다는 것을 입증했다 (그림 4B). 이것은 주로 하이드로겔 챔버 내부의 흡입 응력의 도움과 PDMS와 하이드로겔 사이의 계면에서 액체 포집 거동에 기인하며, 흡입 효과와 표면 에너지 구배에 의해 유도되는 방향성 습윤에 의해 설명된다. 제자리 물 수집 과정에서 하이드로겔과 물 분자의 행동을 입증하기 위해 공초점 형광 현미경 이미지는 거친 형태의 돼지 피부 복제물에 대한 H-s-DIA 점착제 챔버로 생체액과 같은 액체를 포획하는 것을 보여준다(그림 4B).


지능적인 pH 모니터링을 위한 생체에 영감을 받은 생체 유체 포착 패치 장치


그림 4C에 나타난 개념의 증거로서, 우리는 생체액의 비색 pH 모니터링을 위해 pH 반응성 페놀 레드/PAAm 기반 하이드로겔을 s-DIA (PR/PAAm-s-DIA; 너비 대 깊이 비율이 1인 3 mm 직경)의 챔버에 간단히 삽입했다. 우리는 곡선 피부 표면에서 견고하고 등각적인 부착을 입증하기 위해 마우스 피부에서 다양한 흡입 컵 크기로 패치의 박리 행동을 관찰했다(그림 S14). 실용성을 위해 육안으로도 하이드로겔의 색 변화를 쉽게 구분할 수 있는 패치를 설계하기 위해 최종적으로 외경 3 mm의 석션컵 사이즈를 결정하였다 (그림 참조). 그림 4D와 같이 광학적으로 기능화된 하이드로겔을 이용한 연속적이고 가역적인 pH 검출을 위한 우리의 점착 센서는 pH 변화에 따라 빠른 반응 시간과 재사용성

(>30)을 나타냅니다. 점착 장치에 의한 현장 실시간 pH 값 인식을 확립하기 위해, 우리는 DIA 챔버 배열 내의 PR/PAAm 기반 하이드로겔에서 표시된 색상으로부터 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 기계 학습 기법을 가진 사내 소프트웨어 애플리케이션을 개발했다. 여기서 우리는 Leave-One-out 교차 검증 프레임워크를 사용하여 선형 회귀를 사용했다. 구체적으로 2차원 색도표에서 RGB 값을 x와 y 값으로 변환하여 선형 회귀에 투입하여 pH 값을 예측하였다. pH 값에 따라 x와 y 값은 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 (그림. 4F), 이들 색상 값은 pH를 유의하게 예측하였다 [Pearson's correlation of 실제 pH 값과 예측 pH 값 r = 0.93; P < 0.01; 평균 절대 오차 (MAE) = 0.27; 그림. 4G]. 이러한 결과는 정확한 피부 pH 진단을 위한 머신러닝 기반 pH 정량 시스템의 효과를 나타낸다

생체액을 포착하고 인간이 부착할 수 있는 장치의 잠재적인 적용을 입증하기 위해 준비된 H-s-DIA


패치의 돼지 피부에 대한 잠착력을 다양한 방향으로 측정하여 부착 능력을 검증했다. 생체액 포착 하이드로겔의 도움으로, H-s-DIA 점착제는 하이드로겔이 없는 s-DIA 샘플에 비해 다방향으로 우수한 점착 스트레스를 나타냈다 (그림 4A). 최적화된 생체감응 패치 디바이스를 사용하여 H-s-DIA 점착제가 피부의 표피층에서 즉각적인 생체액 포획이 가능하다는 것을 입증했다 (그림 4B). 이것은 주로 하이드로겔 챔버 내부의 흡입 응력의 도움과 PDMS와 하이드로겔 사이의 계면에서 액체 포집 거동에 기인하며, 흡입 효과와 표면 에너지 구배에 의해 유도되는 방향성 습윤에 의해 설명된다. 제자리 물 수집 과정에서 하이드로겔과 물 분자의 행동을 입증하기 위해 공초점 형광 현미경 이미지는 거친 형태의 돼지 피부 복제물에 대한 H-s-DIA 점착제 챔버로 생체액과 같은 액체를 포획하는 것을 보여준다(그림 4B).


지능적인 pH 모니터링을 위한 생체에 영감을 받은 생체 유체 포착 패치 장치


그림 4C에 나타난 개념의 증거로서, 우리는 생체액의 비색 pH 모니터링을 위해 pH 반응성 페놀 레드/PAAm 기반 하이드로겔을 s-DIA (PR/PAAm-s-DIA; 너비 대 깊이 비율이 1인 3 mm 직경)의 챔버에 간단히 삽입했다. 우리는 곡선 피부 표면에서 견고하고 등각적인 부착을 입증하기 위해 마우스 피부에서 다양한 흡입 컵 크기로 패치의 박리 행동을 관찰했다(그림 S14). 실용성을 위해 육안으로도 하이드로겔의 색 변화를 쉽게 구분할 수 있는 패치를 설계하기 위해 최종적으로 외경 3 mm의 석션컵 사이즈를 결정하였다 (그림 참조). 그림 4D와 같이 광학적으로 기능화된 하이드로겔을 이용한 연속적이고 가역적인 pH 검출을 위한 우리의 점착 센서는 pH 변화에 따라 빠른 반응 시간과 재사용성

(>30)을 나타냅니다. 점착 장치에 의한 현장 실시간 pH 값 인식을 확립하기 위해, 우리는 DIA 챔버 배열 내의 PR/PAAm 기반 하이드로겔에서 표시된 색상으로부터 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 기계 학습 기법을 가진 사내 소프트웨어 애플리케이션을 개발했다. 여기서 우리는 Leave-One-out 교차 검증 프레임워크를 사용하여 선형 회귀를 사용했다. 구체적으로 2차원 색도표에서 RGB 값을 x와 y 값으로 변환하여 선형 회귀에 투입하여 pH 값을 예측하였다. pH 값에 따라 x와 y 값은 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 (그림. 4F), 이들 색상 값은 pH를 유의하게 예측하였다 [Pearson's correlation of 실제 pH 값과 예측 pH 값 r = 0.93; P < 0.01; 평균 절대 오차 (MAE) = 0.27; 그림. 4G]. 이러한 결과는 정확한 피부 pH 진단을 위한 머신러닝 기반 pH 정량 시스템의 효과를 나타낸다

생체액을 포착하고 인간이 부착할 수 있는 장치의 잠재적인 적용을 입증하기 위해 준비된 H-s-DIA


패치의 돼지 피부에 대한 잠착력을 다양한 방향으로 측정하여 부착 능력을 검증했다. 생체액 포착 하이드로겔의 도움으로, H-s-DIA 점착제는 하이드로겔이 없는 s-DIA 샘플에 비해 다방향으로 우수한 점착 스트레스를 나타냈다 (그림 4A). 최적화된 생체감응 패치 디바이스를 사용하여 H-s-DIA 점착제가 피부의 표피층에서 즉각적인 생체액 포획이 가능하다는 것을 입증했다 (그림 4B). 이것은 주로 하이드로겔 챔버 내부의 흡입 응력의 도움과 PDMS와 하이드로겔 사이의 계면에서 액체 포집 거동에 기인하며, 흡입 효과와 표면 에너지 구배에 의해 유도되는 방향성 습윤에 의해 설명된다. 제자리 물 수집 과정에서 하이드로겔과 물 분자의 행동을 입증하기 위해 공초점 형광 현미경 이미지는 거친 형태의 돼지 피부 복제물에 대한 H-s-DIA 점착제 챔버로 생체액과 같은 액체를 포획하는 것을 보여준다(그림 4B).


지능적인 pH 모니터링을 위한 생체에 영감을 받은 생체 유체 포착 패치 장치


그림 4C에 나타난 개념의 증거로서, 우리는 생체액의 비색 pH 모니터링을 위해 pH 반응성 페놀 레드/PAAm 기반 하이드로겔을 s-DIA (PR/PAAm-s-DIA; 너비 대 깊이 비율이 1인 3 mm 직경)의 챔버에 간단히 삽입했다. 우리는 곡선 피부 표면에서 견고하고 등각적인 부착을 입증하기 위해 마우스 피부에서 다양한 흡입 컵 크기로 패치의 박리 행동을 관찰했다(그림 S14). 실용성을 위해 육안으로도 하이드로겔의 색 변화를 쉽게 구분할 수 있는 패치를 설계하기 위해 최종적으로 외경 3 mm의 석션컵 사이즈를 결정하였다 (그림 참조). 그림 4D와 같이 광학적으로 기능화된 하이드로겔을 이용한 연속적이고 가역적인 pH 검출을 위한 우리의 점착 센서는 pH 변화에 따라 빠른 반응 시간과 재사용성 (>30)을 나타냅니다. 점착 장치에 의한 현장 실시간 pH 값 인식을 확립하기 위해, 우리는 DIA 챔버 배열 내의 PR/PAAm 기반 하이드로겔에서 표시된 색상으로부터 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 기계 학습 기법을 가진 사내 소프트웨어 애플리케이션을 개발했다. 여기서 우리는 Leave-One-out 교차 검증 프레임워크를 사용하여 선형 회귀를 사용했다. 구체적으로 2차원 색도표에서 RGB 값을 x와 y 값으로 변환하여 선형 회귀에 투입하여 pH 값을 예측하였다. pH 값에 따라 x와 y 값은 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 (그림. 4F), 이들 색상 값은 pH를 유의하게 예측하였다 [Pearson's correlation of 실제 pH 값과 예측 pH 값 r = 0.93; P < 0.01; 평균 절대 오차 (MAE) = 0.27; 그림. 4G]. 이러한 결과는 정확한 피부 pH 진단을 위한 머신러닝 기반 pH 정량 시스템의 효과를 나타낸다

생체액을 포착하고 인간이 부착할 수 있는 장치의 잠재적인 적용을 입증하기 위해 준비된 H-s-DIA


패치의 돼지 피부에 대한 잠착력을 다양한 방향으로 측정하여 부착 능력을 검증했다. 생체액 포착 하이드로겔의 도움으로, H-s-DIA 점착제는 하이드로겔이 없는 s-DIA 샘플에 비해 다방향으로 우수한 점착 스트레스를 나타냈다 (그림 4A). 최적화된 생체감응 패치 디바이스를 사용하여 H-s-DIA 점착제가 피부의 표피층에서 즉각적인 생체액 포획이 가능하다는 것을 입증했다 (그림 4B). 이것은 주로 하이드로겔 챔버 내부의 흡입 응력의 도움과 PDMS와 하이드로겔 사이의 계면에서 액체 포집 거동에 기인하며, 흡입 효과와 표면 에너지 구배에 의해 유도되는 방향성 습윤에 의해 설명된다. 제자리 물 수집 과정에서 하이드로겔과 물 분자의 행동을 입증하기 위해 공초점 형광 현미경 이미지는 거친 형태의 돼지 피부 복제물에 대한 H-s-DIA 점착제 챔버로 생체액과 같은 액체를 포획하는 것을 보여준다(그림 4B).


지능적인 pH 모니터링을 위한 생체에 영감을 받은 생체 유체 포착 패치 장치


그림 4C에 나타난 개념의 증거로서, 우리는 생체액의 비색 pH 모니터링을 위해 pH 반응성 페놀 레드/PAAm 기반 하이드로겔을 s-DIA (PR/PAAm-s-DIA; 너비 대 깊이 비율이 1인 3 mm 직경)의 챔버에 간단히 삽입했다. 우리는 곡선 피부 표면에서 견고하고 등각적인 부착을 입증하기 위해 마우스 피부에서 다양한 흡입 컵 크기로 패치의 박리 행동을 관찰했다(그림 S14). 실용성을 위해 육안으로도 하이드로겔의 색 변화를 쉽게 구분할 수 있는 패치를 설계하기 위해 최종적으로 외경 3 mm의 석션컵 사이즈를 결정하였다 (그림 참조). 그림 4D와 같이 광학적으로 기능화된 하이드로겔을 이용한 연속적이고 가역적인 pH 검출을 위한 우리의 점착 센서는 pH 변화에 따라 빠른 반응 시간과 재사용성

(>30)을 나타냅니다. 점착 장치에 의한 현장 실시간 pH 값 인식을 확립하기 위해, 우리는 DIA 챔버 배열 내의 PR/PAAm 기반 하이드로겔에서 표시된 색상으로부터 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 기계 학습 기법을 가진 사내 소프트웨어 애플리케이션을 개발했다. 여기서 우리는 Leave-One-out 교차 검증 프레임워크를 사용하여 선형 회귀를 사용했다. 구체적으로 2차원 색도표에서 RGB 값을 x와 y 값으로 변환하여 선형 회귀에 투입하여 pH 값을 예측하였다. pH 값에 따라 x와 y 값은 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 (그림. 4F), 이들 색상 값은 pH를 유의하게 예측하였다 [Pearson's correlation of 실제 pH 값과 예측 pH 값 r = 0.93; P < 0.01; 평균 절대 오차 (MAE) = 0.27; 그림. 4G]. 이러한 결과는 정확한 피부 pH 진단을 위한 머신러닝 기반 pH 정량 시스템의 효과를 나타낸다

그림 4. pH 진단 및 머신러닝 기반 정량화를 위한 H-s-DIA 패치의 인체 피부 적용

그림 4. pH 진단 및 머신러닝 기반 정량화를 위한 H-s-DIA 패치의 인체 피부 적용

그림 4. pH 진단 및 머신러닝 기반 정량화를 위한 H-s-DIA 패치의 인체 피부 적용

여드름성 피부의 현장 진단을 위한 생체 자극 패치 장치의 응용

잠재적인 응용을 위해 지능형 H-s-DIA 장치를 기반으로 한 pH 정량 모델이 생체 내 분석에 유효할 수. 있음을 검증했다 (그림 5A). 우리의 피부 부착 가능한 비색 측정 장치를 사용한 기계 학습 정량화에 의해 계산된 바와 같이, pH 값은 상용 전위 측정기로 측정된 생체 내 pH 값과 일치하여 낮은 불일치를 나타냈다 (MAE = 0.14; 그림 5B). 우리 장치의 예측된 제자리 피부 pH는 여드름의 임상 징후를 나타내는 주요 지표가 될 수 있다. 간단한 피부 부착 장치로 피부 pH를 모니터링하므로 기존의 시각적 관찰 (병리 점수 모니터링)에 비해 여드름 진단 정보를 더 일찍 얻을 수 있다. 이를 통해 약물 (예: 항생제 및 스테로이드) 과다 사용 및 내성 없이 효율적인 피드백을 통해 신뢰할 수 있고 선제적인 약물 투여가 가능하다.


우리 기기를 이용한 예비 분석을 바탕으로 여드름의 치료적 의사 결정을 위한 pH 값 (pH 값은 7 이상)의 병리학적 기준을 설정하여 적절한 약물 투여 기간을 지정할 수 있다 (여드름 유도 후 0~2일). pH 피드백을 위한 지능형 패치 장치의 도움으로 병리 점수 모니터링에 기반한 기존 방법에 비해 보다 효과적인 여드름 치료를 사전에 달성할 수 있다 (그림 5, C ~ F 참조). 여기서 여드름과 관련된 피부병리학은 선행문헌에 따라 점수를 매겼다 (병리학적 점수가 4점 이상인 약물 투여 시점은 종래의 치료에서 3~5일 후, 재료 및 방법 및 그림 참조). 단순 pH 모니터링 장치의 치료 피드백의 우수한 효율성을 입증하기 위해 정상 피부 (검은색 점), 치료제가 없는 여드름 병변 (회색 점), 병리학 점수 피드백 시 조건부 약물 투여로 치료된 여드름 병변 (파란색 점), 그리고 마우스에서 여드름 유도 후 pH 값 피드백 (붉은 점). pH 모니터링 피드백 그룹 (붉은 점)은 병리학 점수 피드백 그룹 (파란색 점)보다 약물 치료를 더 일찍 (평균 3일, 최대 4일) 받았다 (그림 5C의 파란색 화살표 참조, 각 개별 마우스의 약물 치료 시기 참조). pH 분석 결과, 여드름 유발 후 3일째부터 병리점수 피드백군과 pH 모니터링 피드백군 간에 피부병리적 상태에 유의한 차이가 있다 (그림. 5, E, F). 또한, pH 모니터링 피드백 그룹의 pH 및 피부병리학적 상태는 실험 시작 후 5일째부터 정상 피부군에 근접했다 (그림. 5, E, F). 이러한 결과는 조직학적 분석과 좋은 상관관계를 보여줍니다(그림. 5F). 헤마톡실린 및 에오신 (H&E) 염색은 pH 모니터링 피드백 그룹에서 피부 재생 및 표피/포낭 벽 비후 감소를 나타냈다 (그림. 5F). pH 모니터링 피드백군의 표피 두께는 17.9 ± 4.2 μm로 병리점수 피드백군 (65.6 ± 12.5 μm)의 27% 수준이다. 여기서 이는 모든 실험군에서 가장 낮은 값을 나타내어 피부 pH가 여드름 치료에 중요한 지표가 될 수 있음을 시사했다 (그림. 5F 및 무화과). Toluidine blue (TB) 및 그람 염색은 pH 모니터링 피드백 그룹에서 비만 세포의 병변 부위로의 침투 감소 및 그람 양성 Cutibacterium acnes (C. acnes) 성장 억제를 지원한다 (그림 5F의 보라색 층 참조, 그람 염색 이미지 참조). 과각화 반응 마커 (keratin 14) 및 C. acnes 유도 염증 반응 마커 (matrix metalloproteinase-9(MMP-9))의 면역조직화학적 염색은 초기 약물 치료가 MMP-9의 발현을 감소시킴으로써 효과적인 조직 치유를 가능하게 함을 시사하며, 염증 기질 리모델링과 여드름 피부의 과증식에 주요한 역할을 한다. 생체액을 포착하는 하이드로겔이 적용된 당사의 장치는 표적 병변의 보호와 습한 환경을 유지하는 기능을 제공하는 3M 테가더름 (금본위 치료제; 그림 S17)과 유사한 치료 효과를 가지고 있음을 주목한다.


논의

다양한 방향의 생체 적합성, 가역성, 저항성 점착력과 피부 수분의 순간 포착을 위해 생체에서 영감을 받은 microplungers를 기반으로 한 점착제를 개발했다. microplungers에 공간과 내장된 생체액 포착 하이드로겔 덕분에 패치 장치는 점착 성능과 피부의 생체액을 포착하는 능력을 극대화할 수 있다. 추가 작업을 통해 우리의 생체 자극 점착제를 기계 학습 프레임워크와 함께 바이오센서 모듈에 통합하여 피부 pH 값과 같은 생체 신호의 효율적이고 비침습적인 분석 및 프로파일링을 수행할 수 있다. 우리의 지능형 건강 관리 시스템은 생체 내 모델의 pH 정량화를 통해 치료적 의사 결정을 지원할 수 있다. 피부 pH는 민족성, 성별 등 다양한 내인성 요인에 의해 영향을 받기 때문에 이러한 요인들을 함께 고려하여 피부 pH를 이해하고 적절한 임상적 결정을 내리는 것이 중요하다. 예를 들어 피부가 어두운 사람은 피부가 밝은 사람에 비해 피부 pH가 낮으며, 이는 피부가 어두운 사람일수록 표피 지질의 양이 상대적으로 많기 때문이다. 또 다른 예로 남성은 일반적으로 여성보다 땀을 더 많이 흘리기 때문에 피부 표면이 비교적 산성이다. 땀의 pH는 5~6이지만 수분의 증발로 인해 피부가 산성화된다. 따라서 향후 다양한 민족과 성별에 따른 피부 pH 조사가 연구를 보완하고 사용자에게 보다 개인화된 치료를 제공할 수 있을 것으로 믿는다.

여드름성 피부의 현장 진단을 위한 생체 자극 패치 장치의 응용

잠재적인 응용을 위해 지능형 H-s-DIA 장치를 기반으로 한 pH 정량 모델이 생체 내 분석에 유효할 수. 있음을 검증했다 (그림 5A). 우리의 피부 부착 가능한 비색 측정 장치를 사용한 기계 학습 정량화에 의해 계산된 바와 같이, pH 값은 상용 전위 측정기로 측정된 생체 내 pH 값과 일치하여 낮은 불일치를 나타냈다 (MAE = 0.14; 그림 5B). 우리 장치의 예측된 제자리 피부 pH는 여드름의 임상 징후를 나타내는 주요 지표가 될 수 있다. 간단한 피부 부착 장치로 피부 pH를 모니터링하므로 기존의 시각적 관찰 (병리 점수 모니터링)에 비해 여드름 진단 정보를 더 일찍 얻을 수 있다. 이를 통해 약물 (예: 항생제 및 스테로이드) 과다 사용 및 내성 없이 효율적인 피드백을 통해 신뢰할 수 있고 선제적인 약물 투여가 가능하다.


우리 기기를 이용한 예비 분석을 바탕으로 여드름의 치료적 의사 결정을 위한 pH 값 (pH 값은 7 이상)의 병리학적 기준을 설정하여 적절한 약물 투여 기간을 지정할 수 있다 (여드름 유도 후 0~2일). pH 피드백을 위한 지능형 패치 장치의 도움으로 병리 점수 모니터링에 기반한 기존 방법에 비해 보다 효과적인 여드름 치료를 사전에 달성할 수 있다 (그림 5, C ~ F 참조). 여기서 여드름과 관련된 피부병리학은 선행문헌에 따라 점수를 매겼다 (병리학적 점수가 4점 이상인 약물 투여 시점은 종래의 치료에서 3~5일 후, 재료 및 방법 및 그림 참조). 단순 pH 모니터링 장치의 치료 피드백의 우수한 효율성을 입증하기 위해 정상 피부 (검은색 점), 치료제가 없는 여드름 병변 (회색 점), 병리학 점수 피드백 시 조건부 약물 투여로 치료된 여드름 병변 (파란색 점), 그리고 마우스에서 여드름 유도 후 pH 값 피드백 (붉은 점). pH 모니터링 피드백 그룹 (붉은 점)은 병리학 점수 피드백 그룹 (파란색 점)보다 약물 치료를 더 일찍 (평균 3일, 최대 4일) 받았다 (그림 5C의 파란색 화살표 참조, 각 개별 마우스의 약물 치료 시기 참조). pH 분석 결과, 여드름 유발 후 3일째부터 병리점수 피드백군과 pH 모니터링 피드백군 간에 피부병리적 상태에 유의한 차이가 있다 (그림. 5, E, F). 또한, pH 모니터링 피드백 그룹의 pH 및 피부병리학적 상태는 실험 시작 후 5일째부터 정상 피부군에 근접했다 (그림. 5, E, F). 이러한 결과는 조직학적 분석과 좋은 상관관계를 보여줍니다(그림. 5F). 헤마톡실린 및 에오신 (H&E) 염색은 pH 모니터링 피드백 그룹에서 피부 재생 및 표피/포낭 벽 비후 감소를 나타냈다 (그림. 5F). pH 모니터링 피드백군의 표피 두께는 17.9 ± 4.2 μm로 병리점수 피드백군 (65.6 ± 12.5 μm)의 27% 수준이다. 여기서 이는 모든 실험군에서 가장 낮은 값을 나타내어 피부 pH가 여드름 치료에 중요한 지표가 될 수 있음을 시사했다 (그림. 5F 및 무화과). Toluidine blue (TB) 및 그람 염색은 pH 모니터링 피드백 그룹에서 비만 세포의 병변 부위로의 침투 감소 및 그람 양성 Cutibacterium acnes (C. acnes) 성장 억제를 지원한다 (그림 5F의 보라색 층 참조, 그람 염색 이미지 참조). 과각화 반응 마커 (keratin 14) 및 C. acnes 유도 염증 반응 마커 (matrix metalloproteinase-9(MMP-9))의 면역조직화학적 염색은 초기 약물 치료가 MMP-9의 발현을 감소시킴으로써 효과적인 조직 치유를 가능하게 함을 시사하며, 염증 기질 리모델링과 여드름 피부의 과증식에 주요한 역할을 한다. 생체액을 포착하는 하이드로겔이 적용된 당사의 장치는 표적 병변의 보호와 습한 환경을 유지하는 기능을 제공하는 3M 테가더름 (금본위 치료제; 그림 S17)과 유사한 치료 효과를 가지고 있음을 주목한다.


논의

다양한 방향의 생체 적합성, 가역성, 저항성 점착력과 피부 수분의 순간 포착을 위해 생체에서 영감을 받은 microplungers를 기반으로 한 점착제를 개발했다. microplungers에 공간과 내장된 생체액 포착 하이드로겔 덕분에 패치 장치는 점착 성능과 피부의 생체액을 포착하는 능력을 극대화할 수 있다. 추가 작업을 통해 우리의 생체 자극 점착제를 기계 학습 프레임워크와 함께 바이오센서 모듈에 통합하여 피부 pH 값과 같은 생체 신호의 효율적이고 비침습적인 분석 및 프로파일링을 수행할 수 있다. 우리의 지능형 건강 관리 시스템은 생체 내 모델의 pH 정량화를 통해 치료적 의사 결정을 지원할 수 있다. 피부 pH는 민족성, 성별 등 다양한 내인성 요인에 의해 영향을 받기 때문에 이러한 요인들을 함께 고려하여 피부 pH를 이해하고 적절한 임상적 결정을 내리는 것이 중요하다. 예를 들어 피부가 어두운 사람은 피부가 밝은 사람에 비해 피부 pH가 낮으며, 이는 피부가 어두운 사람일수록 표피 지질의 양이 상대적으로 많기 때문이다. 또 다른 예로 남성은 일반적으로 여성보다 땀을 더 많이 흘리기 때문에 피부 표면이 비교적 산성이다. 땀의 pH는 5~6이지만 수분의 증발로 인해 피부가 산성화된다. 따라서 향후 다양한 민족과 성별에 따른 피부 pH 조사가 연구를 보완하고 사용자에게 보다 개인화된 치료를 제공할 수 있을 것으로 믿는다.

여드름성 피부의 현장 진단을 위한 생체 자극 패치 장치의 응용 잠재적인 응용을 위해 지능형 H-s-DIA 장치를 기반으로 한 pH 정량 모델이 생체 내 분석에 유효할 수. 있음을 검증했다 (그림 5A). 우리의 피부 부착 가능한 비색 측정 장치를 사용한 기계 학습 정량화에 의해 계산된 바와 같이, pH 값은 상용 전위 측정기로 측정된 생체 내 pH 값과 일치하여 낮은 불일치를 나타냈다 (MAE = 0.14; 그림 5B). 우리 장치의 예측된 제자리 피부 pH는 여드름의 임상 징후를 나타내는 주요 지표가 될 수 있다. 간단한 피부 부착 장치로 피부 pH를 모니터링하므로 기존의 시각적 관찰 (병리 점수 모니터링)에 비해 여드름 진단 정보를 더 일찍 얻을 수 있다. 이를 통해 약물 (예: 항생제 및 스테로이드) 과다 사용 및 내성 없이 효율적인 피드백을 통해 신뢰할 수 있고 선제적인 약물 투여가 가능하다.


우리 기기를 이용한 예비 분석을 바탕으로 여드름의 치료적 의사 결정을 위한 pH 값 (pH 값은 7 이상)의 병리학적 기준을 설정하여 적절한 약물 투여 기간을 지정할 수 있다 (여드름 유도 후 0~2일). pH 피드백을 위한 지능형 패치 장치의 도움으로 병리 점수 모니터링에 기반한 기존 방법에 비해 보다 효과적인 여드름 치료를 사전에 달성할 수 있다 (그림 5, C ~ F 참조). 여기서 여드름과 관련된 피부병리학은 선행문헌에 따라 점수를 매겼다 (병리학적 점수가 4점 이상인 약물 투여 시점은 종래의 치료에서 3~5일 후, 재료 및 방법 및 그림 참조). 단순 pH 모니터링 장치의 치료 피드백의 우수한 효율성을 입증하기 위해 정상 피부 (검은색 점), 치료제가 없는 여드름 병변 (회색 점), 병리학 점수 피드백 시 조건부 약물 투여로 치료된 여드름 병변 (파란색 점), 그리고 마우스에서 여드름 유도 후 pH 값 피드백 (붉은 점). pH 모니터링 피드백 그룹 (붉은 점)은 병리학 점수 피드백 그룹 (파란색 점)보다 약물 치료를 더 일찍 (평균 3일, 최대 4일) 받았다 (그림 5C의 파란색 화살표 참조, 각 개별 마우스의 약물 치료 시기 참조). pH 분석 결과, 여드름 유발 후 3일째부터 병리점수 피드백군과 pH 모니터링 피드백군 간에 피부병리적 상태에 유의한 차이가 있다 (그림. 5, E, F). 또한, pH 모니터링 피드백 그룹의 pH 및 피부병리학적 상태는 실험 시작 후 5일째부터 정상 피부군에 근접했다 (그림. 5, E, F). 이러한 결과는 조직학적 분석과 좋은 상관관계를 보여줍니다(그림. 5F). 헤마톡실린 및 에오신 (H&E) 염색은 pH 모니터링 피드백 그룹에서 피부 재생 및 표피/포낭 벽 비후 감소를 나타냈다 (그림. 5F). pH 모니터링 피드백군의 표피 두께는 17.9 ± 4.2 μm로 병리점수 피드백군 (65.6 ± 12.5 μm)의 27% 수준이다. 여기서 이는 모든 실험군에서 가장 낮은 값을 나타내어 피부 pH가 여드름 치료에 중요한 지표가 될 수 있음을 시사했다 (그림. 5F 및 무화과). Toluidine blue (TB) 및 그람 염색은 pH 모니터링 피드백 그룹에서 비만 세포의 병변 부위로의 침투 감소 및 그람 양성 Cutibacterium acnes (C. acnes) 성장 억제를 지원한다 (그림 5F의 보라색 층 참조, 그람 염색 이미지 참조). 과각화 반응 마커 (keratin 14) 및 C. acnes 유도 염증 반응 마커 (matrix metalloproteinase-9(MMP-9))의 면역조직화학적 염색은 초기 약물 치료가 MMP-9의 발현을 감소시킴으로써 효과적인 조직 치유를 가능하게 함을 시사하며, 염증 기질 리모델링과 여드름 피부의 과증식에 주요한 역할을 한다. 생체액을 포착하는 하이드로겔이 적용된 당사의 장치는 표적 병변의 보호와 습한 환경을 유지하는 기능을 제공하는 3M 테가더름 (금본위 치료제; 그림 S17)과 유사한 치료 효과를 가지고 있음을 주목한다.


논의

다양한 방향의 생체 적합성, 가역성, 저항성 점착력과 피부 수분의 순간 포착을 위해 생체에서 영감을 받은 microplungers를 기반으로 한 점착제를 개발했다. microplungers에 공간과 내장된 생체액 포착 하이드로겔 덕분에 패치 장치는 점착 성능과 피부의 생체액을 포착하는 능력을 극대화할 수 있다. 추가 작업을 통해 우리의 생체 자극 점착제를 기계 학습 프레임워크와 함께 바이오센서 모듈에 통합하여 피부 pH 값과 같은 생체 신호의 효율적이고 비침습적인 분석 및 프로파일링을 수행할 수 있다. 우리의 지능형 건강 관리 시스템은 생체 내 모델의 pH 정량화를 통해 치료적 의사 결정을 지원할 수 있다. 피부 pH는 민족성, 성별 등 다양한 내인성 요인에 의해 영향을 받기 때문에 이러한 요인들을 함께 고려하여 피부 pH를 이해하고 적절한 임상적 결정을 내리는 것이 중요하다. 예를 들어 피부가 어두운 사람은 피부가 밝은 사람에 비해 피부 pH가 낮으며, 이는 피부가 어두운 사람일수록 표피 지질의 양이 상대적으로 많기 때문이다. 또 다른 예로 남성은 일반적으로 여성보다 땀을 더 많이 흘리기 때문에 피부 표면이 비교적 산성이다. 땀의 pH는 5~6이지만 수분의 증발로 인해 피부가 산성화된다. 따라서 향후 다양한 민족과 성별에 따른 피부 pH 조사가 연구를 보완하고 사용자에게 보다 개인화된 치료를 제공할 수 있을 것으로 믿는다.

여드름성 피부의 현장 진단을 위한 생체 자극 패치 장치의 응용

잠재적인 응용을 위해 지능형 H-s-DIA 장치를 기반으로 한 pH 정량 모델이 생체 내 분석에 유효할 수. 있음을 검증했다 (그림 5A). 우리의 피부 부착 가능한 비색 측정 장치를 사용한 기계 학습 정량화에 의해 계산된 바와 같이, pH 값은 상용 전위 측정기로 측정된 생체 내 pH 값과 일치하여 낮은 불일치를 나타냈다 (MAE = 0.14; 그림 5B). 우리 장치의 예측된 제자리 피부 pH는 여드름의 임상 징후를 나타내는 주요 지표가 될 수 있다. 간단한 피부 부착 장치로 피부 pH를 모니터링하므로 기존의 시각적 관찰 (병리 점수 모니터링)에 비해 여드름 진단 정보를 더 일찍 얻을 수 있다. 이를 통해 약물 (예: 항생제 및 스테로이드) 과다 사용 및 내성 없이 효율적인 피드백을 통해 신뢰할 수 있고 선제적인 약물 투여가 가능하다.


우리 기기를 이용한 예비 분석을 바탕으로 여드름의 치료적 의사 결정을 위한 pH 값 (pH 값은 7 이상)의 병리학적 기준을 설정하여 적절한 약물 투여 기간을 지정할 수 있다 (여드름 유도 후 0~2일). pH 피드백을 위한 지능형 패치 장치의 도움으로 병리 점수 모니터링에 기반한 기존 방법에 비해 보다 효과적인 여드름 치료를 사전에 달성할 수 있다 (그림 5, C ~ F 참조). 여기서 여드름과 관련된 피부병리학은 선행문헌에 따라 점수를 매겼다 (병리학적 점수가 4점 이상인 약물 투여 시점은 종래의 치료에서 3~5일 후, 재료 및 방법 및 그림 참조). 단순 pH 모니터링 장치의 치료 피드백의 우수한 효율성을 입증하기 위해 정상 피부 (검은색 점), 치료제가 없는 여드름 병변 (회색 점), 병리학 점수 피드백 시 조건부 약물 투여로 치료된 여드름 병변 (파란색 점), 그리고 마우스에서 여드름 유도 후 pH 값 피드백 (붉은 점). pH 모니터링 피드백 그룹 (붉은 점)은 병리학 점수 피드백 그룹 (파란색 점)보다 약물 치료를 더 일찍 (평균 3일, 최대 4일) 받았다 (그림 5C의 파란색 화살표 참조, 각 개별 마우스의 약물 치료 시기 참조). pH 분석 결과, 여드름 유발 후 3일째부터 병리점수 피드백군과 pH 모니터링 피드백군 간에 피부병리적 상태에 유의한 차이가 있다 (그림. 5, E, F). 또한, pH 모니터링 피드백 그룹의 pH 및 피부병리학적 상태는 실험 시작 후 5일째부터 정상 피부군에 근접했다 (그림. 5, E, F). 이러한 결과는 조직학적 분석과 좋은 상관관계를 보여줍니다(그림. 5F). 헤마톡실린 및 에오신 (H&E) 염색은 pH 모니터링 피드백 그룹에서 피부 재생 및 표피/포낭 벽 비후 감소를 나타냈다 (그림. 5F). pH 모니터링 피드백군의 표피 두께는 17.9 ± 4.2 μm로 병리점수 피드백군 (65.6 ± 12.5 μm)의 27% 수준이다. 여기서 이는 모든 실험군에서 가장 낮은 값을 나타내어 피부 pH가 여드름 치료에 중요한 지표가 될 수 있음을 시사했다 (그림. 5F 및 무화과). Toluidine blue (TB) 및 그람 염색은 pH 모니터링 피드백 그룹에서 비만 세포의 병변 부위로의 침투 감소 및 그람 양성 Cutibacterium acnes (C. acnes) 성장 억제를 지원한다 (그림 5F의 보라색 층 참조, 그람 염색 이미지 참조). 과각화 반응 마커 (keratin 14) 및 C. acnes 유도 염증 반응 마커 (matrix metalloproteinase-9(MMP-9))의 면역조직화학적 염색은 초기 약물 치료가 MMP-9의 발현을 감소시킴으로써 효과적인 조직 치유를 가능하게 함을 시사하며, 염증 기질 리모델링과 여드름 피부의 과증식에 주요한 역할을 한다. 생체액을 포착하는 하이드로겔이 적용된 당사의 장치는 표적 병변의 보호와 습한 환경을 유지하는 기능을 제공하는 3M 테가더름 (금본위 치료제; 그림 S17)과 유사한 치료 효과를 가지고 있음을 주목한다.


논의

다양한 방향의 생체 적합성, 가역성, 저항성 점착력과 피부 수분의 순간 포착을 위해 생체에서 영감을 받은 microplungers를 기반으로 한 점착제를 개발했다. microplungers에 공간과 내장된 생체액 포착 하이드로겔 덕분에 패치 장치는 점착 성능과 피부의 생체액을 포착하는 능력을 극대화할 수 있다. 추가 작업을 통해 우리의 생체 자극 점착제를 기계 학습 프레임워크와 함께 바이오센서 모듈에 통합하여 피부 pH 값과 같은 생체 신호의 효율적이고 비침습적인 분석 및 프로파일링을 수행할 수 있다. 우리의 지능형 건강 관리 시스템은 생체 내 모델의 pH 정량화를 통해 치료적 의사 결정을 지원할 수 있다. 피부 pH는 민족성, 성별 등 다양한 내인성 요인에 의해 영향을 받기 때문에 이러한 요인들을 함께 고려하여 피부 pH를 이해하고 적절한 임상적 결정을 내리는 것이 중요하다. 예를 들어 피부가 어두운 사람은 피부가 밝은 사람에 비해 피부 pH가 낮으며, 이는 피부가 어두운 사람일수록 표피 지질의 양이 상대적으로 많기 때문이다. 또 다른 예로 남성은 일반적으로 여성보다 땀을 더 많이 흘리기 때문에 피부 표면이 비교적 산성이다. 땀의 pH는 5~6이지만 수분의 증발로 인해 피부가 산성화된다. 따라서 향후 다양한 민족과 성별에 따른 피부 pH 조사가 연구를 보완하고 사용자에게 보다 개인화된 치료를 제공할 수 있을 것으로 믿는다.

그림 5. 스마트 스킨케어 시스템으로서의 H-s-DIA 패치의 타당성 평가

그림 5. 스마트 스킨케어 시스템으로서의 H-s-DIA 패치의 타당성 평가

Science Advanced |

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Research Article

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Mimetics inc.

Nature, Mimetics, and You
—Let's Innovate Together.

#1210/1211, 156, Gwanggyo-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si,

Gyeonggi-do, Republic of Korea 16506

Mimetics inc.

Nature, Mimetics, and You
—Let's Innovate Together.

#1210/1211, 156, Gwanggyo-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si,

Gyeonggi-do, Republic of Korea 16506