살아있는 세포와 같은 생체물질을 유연하면서도 충분한 강도를 가지는 연성 물질에 결합하여, 외부에너지 공급 없이도 자체적으로 반응하고 운동할 수 있는 바이오로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 세포 기반의 바이오로봇은 약물전달, 조직공학, 환경공학 및 생체모방공학 분야에 다양하게 활용될 수 있다. 본 논문에서는 다층 하이드로젤을 사용하여 자가변환이 가능한 바이오로봇을 설계하였다. 이 바이오로봇은 SLA 3D 프린팅을 활용하여 다리부분은 두 층으로 몸통부분은 단층으로 구성된 3차원 구조로 제조하였다. 먼저, 온도에 따른 팽윤비 차이를 이용하여 37˚C에서 자가접힘에 의해 5.3 mm의 곡률반경을 갖는 생체로봇의 다리 부분을 제조하였다. 이후, 미세접촉프린팅 방법으로 세 가지 다른 형태로 파이브로넥틴이 패턴된 하이드로젤을 제조하여 근관세포로의 분화 및 정렬에 미치는 영향을 확인하였다. 바이오로봇 다리에 원형패턴으로 분화된 근관세포의 수축력은 37˚C에서 0.31±0.32 μN, 선형패턴의 수축력은 37˚C에서 1.12±0.30 μN 값을 보여 선형패턴의 수축력이 원형패턴에 비해 약 3.6배 강한 것을 확인하였다. 또한, 곡률 반경이 5.3 mm에서 2.0 mm로 작아질 경우 바이오로봇의 걸어가는 속도가 느려지는 것을 확인하였다. 이는 왼발과 오른발의 곡률반경을 다르게 한다면 방향전환이 가능한 바이오로봇 구현도 가능함을 시사한다고 하겠다. 다음으로, 3차원 세포외기질에서 근육세포를 정렬하는 기법을 활용하여, 모듈조립화가 가능한 세포기반의 바이오 액츄에이터, muscle band를 설계 및 제조하였다. Muscle band의 다핵성 근관세포는 spatiotemporal stress-induced myotube alignment의 영향을 확인하였다. 전기 자극 하에서 발생한 단일 muscle band에 의한 테스트 기둥의 처짐을 수축거리로 환산 한 결과 9.2 μm 값을 나타냈고, 수축력은 0.35 μN으로 계산되었다. 이후, 단일 muscle band의 정렬정도 및 구동력 평가를 통해 병렬과 직렬연결의 모듈조립화 된 구동력을 평가했다. 근육밴드는 내재적인 한계거리 (dc)를 갖는 것으로 확인되었고, 이는 sarcomere의 구조에 기인함을 알 수 있었다. 모듈화조립을 통해 작동환경에 적합한 수축력을 생성하여 구획화 된 유체흐름장치에서 흐름을 생성할 수 있음을 확인하였다. 또한, 세포 부착과 전기적 신호전달, 그리고 하이드로젤과 가교능력과 같은 다기능성을 가진 생체적합성 고분자 인 폴리아미노산을 합성하여, 세포배양과 동시에 선택적인 신호전달이 가능한 Bio-Circuit을 설계 및 제조하였다. 그리고 다기능성 고분자의 가교 분자인 피롤(pyrrole)을 세가지 접목도로 준비하였고, 현장중합(in situ polymerization)을 통해 하이드로젤 표면에 미세패턴을 도입하였다. 흥미롭게도, 접목도가 낮은 다기능성 고분자인 PHEA-g-py1이 표면밀도 1.43 × 10-5 mol/mm2에서 242.9 μS/mm의 전기전도도를 갖는 것으로 확인되었다. Bio-circuit 표면에 도입된 미세패턴에서 근육세포의 세포 배양을 통해 근관세포로 분화하는 것을 확인하였고, 동시에 전기자극 하에 특정 근관세포가 수축함에 따라 선택적인 신호전달이 가능한 것을 확인하였다. 본 연구의 바이오로봇, muscle band 및 bio-circuit 설계 및 제조 기술은 임상연구, 약물전달, 조직공학, 소프트로봇공학 등 다양한 분야에서 자가동력 마이크로로봇으로 개발되어 고성능의 소형 장치를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있으리라 기대된다
Bio-robots have been actively studied to walk and work without supplying external energy by combining biomaterials such as living cells with soft materials with sufficient strength. This cell-based bio-robots would be actively used in drug delivery, tissue engineering, environmental engineering, and biomimetic engineering, etc. In this study, the bio-robot was designed to self-transform using a multi-layered hydrogel. The bio-robot was fabricated as a 3D structure consisting of two layers for the legs and a single layer for the body using a SLA 3D printing. First, the bio-robot legs consisting of two layers with different swelling ratios ware fabricated to have 5.3 mm of radius of curvature by self-folding assembly at 37˚C. Then, the hydrogels patterned with three different geometries by the micro-contact printing could influence the differentiation process and alignment of C2C12 skeletal myoblasts. The cells on the linear patterns resulted in the 3.6-fold increase of the contractile force with 1.12±0.30 μN, as compared to the cells on the circle patterns with 0.31±0.32 μN of contractile force. In addition, as the radius of curvature decreased from 5.3 nm to 2.0 mm, the walking speed of the bio-robot became slow. This new strategy to vary the radius of curvature on the left leg and right leg could be fabricate the bio-robot which is able to change direction. Next, a muscle band which is a cell-based bio-actuator capable of modular assembly was designed and manufactured using a technique that alignment of myotubes in the three-dimensional extracellular matrix. The mature contractile multinucleated myotubes of the muscle band were characterized via spatiotemporal stress-induced myotube alignment. The deflection of the test pillar by a single muscle band that performed under electrical stimulation was converted to the contracting distance of the test pillar was found that 9.2 μm and the contractile force of the single muscle band were calculated to be 0.35 μN. Then, the contractile force by the modular assembly in parallel and serial connections was evaluated through the evaluation of the degree of alignment and driving force of a single muscle band. The displacement due to contractile force of muscle band was revealed to have an intrinsic limit that critical distance (dc), which was found to be based on the structure of the sarcomere. Then, the compartmentalized flow device created the flow of medium by generating the contractile force proper for the operating environment through the modular assembly. In addition, poly(amino acids)s which are multi-functionalized biocompatible polymers for supporting cell adhesion, electrical signaling, and cross-linking to hydrogel were synthesized to design and manufacture Bio-MEMS, namely Bio-Circuit, capable of selective stimulation simultaneously the cell culture. And, the multi-functional polymers were prepared with three kinds of degrees of pyrrole substitutions, and the micro-patterns were introduced on the surface of the hydrogel through in-situ polymerization. Herein, it was confirmed that PHEA-g-py1 which is a multi-functionalized polymer with lower DS is electrical conductivity of 242.9 μS/mm at a surface density of 1.43 × 10-5 mol/mm2. The C2C12 myoblasts on the Bio-Circuit were differentiated to myotubes, and it was confirmed that selective stimulation with myotube contraction via electric stimulation. Hence, the design and manufacturing technology of bio-robot, muscle band, and bio-circuit have the considerable potential to provide high-performance and microscale devices by developing self-powered bio-robots in various filed such as drug delivery, tissue engineering, clinical study, mechatronics, and soft-robotics.