【생체재료】 2강. 생체역학 1부

2강. 생체역학 1부

 

추천글 : 【재료역학】 재료역학 목차 

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1. 개요 [본문]

2. 근골격계 생체역학 [본문]

3. 생체조직공학 [본문]

4. 생체세포공학 [본문]

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1. 개요 [목차]

⑴ 포인트 1. bioengineering, biomedical engineering, biomechanics의 정의

① bioengineering : 생명과학에 공학적 기술을 접목한 학문 

② biomedical engineering : bioengineering 중 의학적 접목을 꾀한 분야로 의료기기, 첨단 의료 기술 개발 등이 있다.

③ biomechanics : biomedical engineering 중 역학적 원리를 이용하는 학문  

⑵ 포인트 2. biomedical engineering의 분류

biomechanics, biomatrials, biosensors, bioinformatics, NEMS 마이크로/나노 전자제어기술

⑶ 포인트 3. biomechanics의 분류

근골격계 생체역학, tissue biomechanics, cell biomechanics

 

 

2. 근골격계 생체역학(musculoskeletal biomechanics) [목차]

⑴ 조직, 섬유 

① 포인트 4. 조직의 종류 

상피조직, 결합조직, 근육조직, 신경조직. 뼈는 결합조직이다. 

② 포인트 5. 섬유의 종류

○ 교원섬유 : 가장 질김

○ 세망섬유 : 거미줄 모양

○ 탄력섬유 : 혈관벽 구성

⑵ 뼈의 생리적 특성

① 포인트 6. 뼈의 기능

지지, 운동, 혈액 생성, 무기질 저장

② 포인트 7. 뼈의 성분

뼈 전체 중량의 5-8%는 물이다. 뼈 건조중량의 33%는 유기질, 67%는 무기질이다. 유기질은 콜라겐, 세포, 기질로 구성돼 있다. 또한 무기질의 85%는 인산칼슘, 15%는 탄산칼슘으로 구성돼 있어 칼슘의 저장고라고 할 수 있다.

③ 포인트 8.  뼈의 구조 

뼈는 치밀골과 해면골로 구분할 수 있다. 치밀뼈는 뼈의 피질에 분포하고 치밀하고 단단하다. 하버시안관과 뼈세포 등이 모두 존재한다. 해면골은 뼈의 수질에 있고 주로 뼈의 말단에 위치하고 스펀지 구조를 띄고 있다. 하버시안관이 없지만 뼈소강과 뼈세관은 존재한다. 하버시안관이 없는 대신 적색 골수로부터 영양을 공급받는다.  

④ 포인트 9. 뼈의 미세구조 

뼈의 단위는 골원으로서 치밀골에 잘 발달돼 있다. 골원은 중심관, 즉 하버시안관과 그것을 나이테 모양으로 둘러싼 층판, 층판의 가장 바깥을 둘러싸는 시멘트 라인으로 구성돼 있으며 골원과 골원 사이의 간질층판도 골원의 일부로 간주하기도 한다. 뼈소강은 층판의 경계에 있는 공간으로 뼈세포가 존재하며 뼈세관은 뼈의 층판을 가로지르는 관으로 하버시안관과 연결되어 영양분을 공급한다.

⑤ 포인트 10. 뼈의 특징 

뼈는 약하고 유연한 물질(유기질, 즉 콜라겐)이 강하고 부서지기 쉬운 물질(무기질)을 감싸는 구조다. 그 결과 따로 분리된 경우보다 더 큰 저항력을 갖는다.

⑥ 포인트 11. 반월판의 기능

슬관절에 있는 반월판은 하중을 분산시켜 뼈에 가해지는 응력을 감소시킨다. 그 결과 슬관절의 안정성을 향상시킨다.

⑦ 포인트 12. 운동분절의 구성 

운동분절 앞부분은 추간체, 추간판, 인대로 구성돼 있고, 뒷부분은 척추 궁, 추간 관절, 다양한 돌기 및 인대로 구성돼 있다. 이때 추간판은 추간체의 물리적 완충작용을 수행한다. 

⑧ 포인트 13. 뼈의 리모델링 

외부 환경에 따라 파골세포가 뼈를 분해하고 조골세포가 뼈를 생성하여 뼈의 구조가 시시각각 바뀌는 것을 말한다. 

⑨ 포인트 14. 울프의 법칙(Wolff's law)

울프의 법칙은 뼈의 리모델링 중 역학적 변화와 관련된 것을 말한다. 즉 많은 부하를 받은 뼈는 보상작용으로 강도와 강직도가 증가하는 반면, 부하가 적어지면 인체는 신진대사를 줄이기 위해 강도 및 강직도를 감소시킨다. 강도 및 강직도는 골밀도, 두께와 관련이 있다.

⑶ 뼈의 역학적 특성 

① 굽힘 부하에서 면적 관성모멘트와 뼈의 강도 관계

 

Figure. 1. 굽힘 부하 문제

 

 

○ 위 식을 flexure formula라고 한다. σ_max = M_max × (h/2) / I_y이 물질의 극한응력과 같을 때 뼈의 골절이 발생한다. 뼈의 강도는 뼈의 극한응력으로서 F와 관련 있는 성질이다. 따라서 면적관성모멘트는 뼈의 강도와 비례한다.

○ 포인트 15. 만일 뼈의 단면 특성에 의해 면적관성모멘트가 m배이면 m배의 굽힘 부하(bending moment)를 견딜 수 있다. 

② 비틀림 부하에서 극 관성모멘트와 뼈의 강도 관계

 

 

○ τ_max = T × R / I_r이 물질의 극한응력과 같을 때 뼈의 골절이 발생한다. 뼈의 강도는 뼈의 항복응력으로서 T와 관련 있는 성질이다. 따라서 극 관성모멘트는 뼈의 강도와 비례한다.

○ 포인트 16. 뼈의 근위부(양끝 부분, proximal point)는 횡단면의 반지름이 더 길고 속이 비어 있다. 반면 뼈의 원위부(가운데 부분, distal point)는 횡단면의 반지름이 더 작다. 그 결과 근위부의 극관성 모멘트가 더 커서 더 큰 비틀림 부하(torsion moment)를 견딜 수 있다.

③ 포인트 17. 강도, 강직도, 연성, 취성의 개념

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 2. strain-stress curve

 

○ 강도 : 극한응력

○ 강직도 : 0 ~ 항복지점까지의 평균 기울기

○ 연성 : 항복지점 이후 최종 파단 지점까지 변형률이 많이 필요한 물성

○ 취성 : 항복지점 이후 최종 파단 지점까지 변형률이 적게 필요한 물성

○ roughness : 0 ~ 항복지점까지 필요한 에너지

○ toughness : 0 ~ 최종 파단 지점까지 필요한 에너지

④ 포인트 18. 연성 물질과 취성 물질의 파괴면 특성

○ 연성 물질 : 파괴면이 많이 변형

○ 취성 물질 : 파괴면이 거의 변하지 않음

⑤ 포인트 19. 치밀뼈, 해면뼈의 강도, 강직도, 연성, 취성 

○ 강도 : 치밀뼈 ＞ 해면뼈

○ 강직도 : 치밀뼈 ＞ 해면뼈

○ 연성 : 치밀뼈 ＜ 해면뼈

○ 취성 : 치밀뼈 ＞ 해면뼈

⑥ 포인트 20. 금속, 유리, 뼈의 강도, 강직도, 연성, 취성 

○ 강도 : 금속 ＞ 유리 ＞ 뼈

○ 강직도 : 금속 ＞ 유리 ＞ 뼈

○ 연성 : 금속 ＞ 뼈 ＞ 유리 (금속결합의 특이성) 

○ 취성 : 유리 ＞ 뼈 ＞ 금속 

⑦ 포인트 21. 뼈의 비등방성

○ 정의 : 뼈의 구조의 차이로 인해 횡방향과 종방향의 물리적 특성이 달리 나타나는 것

○ 강도 : 종방향 ＞ 횡방향 

○ 강직도 : 종방향 ＞ 횡방향 

○ 연성 : 종방향 ＞ 횡방향 (섬유성)

○ 취성 : 종방향 ＜ 횡방향 

⑧ 포인트 22. 골절의 양상

치밀골은 압박부하(170 MPa), 장력부하(130 MPa), 전단부하(70 MPa) 순으로 항복응력이 높다. 장력골절에서 시멘트 라인과 골원세포가 분리되며 불안정성 골절을 야기한다. 해면뼈에서 주로 나타난다. 압박골절에서 골원에 틈이 생기고 안정성 골절을 야기한다. 척추에서 주로 나타난다. 전단골절은 불안정성 골절을 야기하며 해면뼈에서 주로 나타난다.

⑨ 포인트 23. 대퇴경골 관절의 정역학

3개의 힘이 주로 나타난다; 땅의 반작용력(W), 슬개건력(P), 관절 반작용력(J). 일반적으로 슬개건력은 3.2 W, 관절 반작용력은 4.1W이다. 세 개의 벡터합은 0이며 둔각삼각형을 이룬다.

 

 

⑩ 포인트 24. 요추의 정역학 

 

Figure. 3. 문제상황

 

○ 문제 : 요추에 가해지는 반작용력 R의 크기 

○ 전제

 

 

○ 모멘트 평형 : 척추 기립근의 수축으로 작용하는 힘 E를 계산 가능

 

 

○ 힘 평형 : 반작용력 C, S 계산 가능 

 

 

○ 결론 : R 계산 가능

 

 

⑪ 포인트 25. 생체역학을 고려하여 물체를 들 때 주의사항

물체의 무게 F, 몸의 회전중심으로부터의 거리 d에 대해 몸에 걸리는 모멘트 T = F × d가 성립한다. 따라서 d를 줄이도록 몸에 가깝게 붙인 채로 들어야 부하를 줄일 수 있다.

⑷ 포인트 26. 칼만 필터(Kalman filter)

입력값과 출력값이 모두 가우시안 잡음에 의해 오염돼 있을 때 바람직한 출력값을 제시하는 선형 필터

 

 

3. 생체조직공학(tissue biomechanics)

⑴ 포인트 27. 생체조직공학의 정의 [목차]

생명과학과 공학을 융합하여 생체조직의 대용품을 만드는 것을 목적으로 하는 학문

⑵ 포인트 28. cell therapy

신체 조직 일부가 결손되었을 때 인공조직을 만들어 결손부위를 대체하는 기법 

⑶ 포인트 29. 생체조직공학의 이론적 배경 

① 선택적 세포이식(selective cell plantation) : 특정한 세포만을 이식하면 조직 형성능이 훨씬 개선됨 

② 인공 기질(artificial matrix) : 세포외 기질이 조직 형성에 매우 중요 

⑷ 포인트 30. 생체조직공학의 4대 요소

① 세포(cells) : 분열능력 多, 세포외기질 분비 要, 조직형성능 要, 외부 자극에 대한 반응 有, 면역거부반응 無 

② 스캐폴드(scaffold) : 틀 제공능력 要, 면역세포로부터 장벽 기능 要, 생분해성 및 조직형성 유도 要  

③ 성장인자(growth factor)

④ 바이오리액터(bioreactor)

⑸ 포인트 31. 생체조직공학의 기법

① 기법 1. 세포의 증식 

② 기법 2. 세포를 생분해성 폴리머에 체외 배양

③ 기법 3. 위 폴리머를 인체에 이식

④ 기법 4. 신생 혈관을 유도하여 혈액공급 도모 

⑤ 기법 5. 폴리머가 분해됨과 동시에 새로운 조직 및 장기 형성 유도

⑹ 포인트 32. 생체조직공학의 이용범위

인공조직, 인공장기, 재생유도, 유전자 변형 세포이식, 인공물의 표면 처리

⑺ 포인트 33. 3D 프린팅의 장단점

① 장점 : 빠르다. 저렴하다. 맞춤형 제작이 가능하다.

② 단점 : 표면 해상도가 높지 않다. 강도가 약하다. 지적재산권 분쟁의 소지가 있다. 

⑻ 포인트 34. 3D 프린팅의 종류 

① 고체 기반형 1. 압출 적층 성형(FDM) 

○ 고체 수지재료에 열을 가해 녹인 후 노즐을 통해 사출시키고 적층하여 조형

○ 장점 : 비용 및 시간이 효율적이라 가장 많이 사용

○ 단점 : 전단응력에 약함 

② 고체 기반형 2. 잉크젯 프린팅 

○ 재료를 헤드에서 녹여 노즐을 통해 분사

○ 장점 : 거대한 구조물을 프린트할 수 있음

○ 단점 : 층 간의 결합이 잘 안 됨

③ 고체 기반형 3. 적층물 제조(LOM) 

○ 종이나 플라스틱 시트를 접착하면서 조형

○ 장점 : 재료 물질이 가장 저렴

○ 단점 : 표면처리가 좋지 않음 

④ 분말 기반형 1. 선택적 레이저 소결 조형(SLS)

○ 레이저로 파우더를 가열하여 응고시키는 방식

○ 장점 : 정밀도가 높음

○ 단점 : 비쌈 

⑤ 액체 기반형 1. 광경화 수지 조형(SLA)

○ 레이저나 강한 자외선을 이용하여 액체 재료를 순간적으로 경화시켜 형상 제작

○ 장점 : 고해상도. 투명한 물체 제작 가능 

○ 단점 : 물질 제한이 매우 큼 

 

 

4. 생체세포공학(cell biomechanics) [목차]

⑴ 동물세포 배양 

① 포인트 35. 동물세포의 특징 

○ 크기 : 직경 10-30 ㎛ 

○ 구조 : 세포벽이 없음 → 외부 기계적 힘에 약함

○ 형태 : 대부분 부착형

○ 시간 : 대부분 성장 속도가 느림

○ 영양요구성이 복잡 

○ 유독 대사물질 생산 : 암모늄, 젖산 

② 포인트 36. 동물세포배양의 중요성

동물세포와 그렇지 않은 세포는 번역 후 단백질 가공에서 당화과정의 차이가 있어서 반드시 동물세포를 배양해야 목적단백질을 얻는 경우가 있다.

③ 포인트 37. 세포의 대량배양의 목적

○ 목적 1. 세포 자체가 유용한 경우 세포의 양적 증가

○ 목적 2. 세포가 생산하는 단백질이 유용한 경우 그 물질의 대량생산

⑵ 줄기세포

① 포인트 38. 줄기세포의 분화능력

○ 단분화능 : 한 종류의 세포로만 분화할 수 있는 능력 (예 : 성체줄기세포) 

○ 다분화능 : 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력 (예 : 성체줄기세포)

○ 전분화능 : 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력 (예 : 배아줄기세포, 유도만능줄기세포)

○ 전형성능 : 완전한 개체가 될 수 있는 능력 (예 : 배아세포, 식물세포)

② 포인트 39. 유래에 따른 줄기세포의 분류

○ 배아줄기세포 : 수정란 유래 줄기세포, 할구 유래 줄기세포, 처녀생식줄기세포, 체세포복제줄기세포

○ 성체줄기세포 : 제대혈줄기세포, 양수줄기세포, 중간엽줄기세포, 골수줄기세포, 신경줄기세포, 피부줄기세포

③ 포인트 40. 배아줄기세포, 성체줄기세포, 유도만능줄기세포 정의, 장점, 단점

○ 배아줄기세포

○ 정의 : 일반적으로 수정란 유래 줄기세포. 수정란 유래 줄기세포는 배아세포에서 영약막 세포를 분리한 형태

○ 장점 : 전분화능 

○ 단점 : 윤리적 문제 

○ 성체줄기세포 

○ 정의 : 제대혈 줄기세포, 중간엽줄기세포, 양수줄기세포, 골수줄기세포, 신경줄기세포, 피부줄기세포 등

○ 장점 : 윤리적 문제 ×

○ 단점 : 다분화능, 단분화능 

○ 유도만능줄기세포 

○ 정의 : 체세포에 바이러스를 이용하여 역분화 유전자를 전달한 것

○ 장점 : 윤리적 문제 ×, 전분화능

○ 단점 : 성공 확률 매우 낮음 

④ 포인트 41. 유도만능줄기세포 4대 유전자의 기능

○ 팁 : 양말(sock)로 외우자.

○ SOX2 : 미분화 관련 유전자

○ Oct4 : 미분화 관련 유전자

○ c-Myc : 증식 관련 유전자

○ kif4 : 증식 관련 유전자

⑶ 바이오리액터

① 포인트 42. 바이오리액터의 정의

생체 외(in vitro)에서 생체 내(in vivo)의 기능을 갖도록 하는 장치 

② 포인트 43. 바이오리액터의 설계기준 

○ 기준 1. 세포는 대부분 부착형 세포이므로 지지물질의 표면적 대 부피비가 커야 함 

○ 기준 2. pH, DO, 산화환원전위 등의 환경조건이 세포 증식에 우호적으로 유지돼야 함 

○ 기준 3. 젖산, 암모늄 등의 노폐물이 축적되지 않도록 해야 함 

○ 기준 4. 세포에게 가해지는 물리적 자극을 최소화하기 위해 교반속도를 최소로 해야 함 

⑷ 세포배양

① 포인트 44. 액체배양의 종류 3가지

표면배양, 심부배양(공기를 심부에 불어넣음), 투석배양

② 포인트 45. 세포배양의 대분류

○ scale up in suspension : 부유세포 배양 시

○ scale up in monolayer : 접착세포 배양 시

③ 포인트 46. scale up in suspension의 종류

○ 팁 : BSeN

○ biostat, stirrer flask, perfused suspension culture, NASA bioreactor

④ 포인트 47. scale up in monolayer의 종류

○ 팁 : Mn pH

○ microcarrier, nunc cell factory, plastic-film, heli-cell

⑤ 포인트 48. perfusion 바이오리액터 

세포를 hollow fiber의 가장자리의 좁은 구획에 가두어 놓고 새로운 배지를 perfusion(flow-through)시키고 다 쓴 배지를 관을 따라 배출하는 시스템이다. 세포의 증식을 상당히 개선하고 중층화를 유도한다. 

⑥ 포인트 49. NASA 바이오리액터 

용기를 회전시켜 무중력 상태로 만든 뒤 그 안에 세포를 증식시키는 방법으로 세포에 가해지는 물리적 자극을 최소화할 수 있다. 회전을 멈추면 세포가 가라앉아 배지를 교환할 수 있다. 

⑦ 포인트 50. microcarrier

microbead에 부착시켜서 자라도록 하는 배양 방법. bead가 고정된 경우 packed-bed bioreactor라고 하며, bead가 유동하는 경우 fluidized-bed bioreactor라고 한다. 

⑧ 포인트 51. 세포 고정화의 장점

○ 세포 증식 유도 

○ 안정성 향상으로 장기간 배양 가능 

○ 부착형 세포의 부유배양 가능 : 단위 표면적 증가, 3차원 조직 흉내

○ 전단응력으로부터 보호 

○ 세포 농도의 증가로 인해 신호물질이 생성되면서 성장인자들의 의존성이 줄어듦

⑨ 포인트 52. 세포 고정화의 종류 

○ 미립담체 이용법 : 세포를 미립담체 표면에 부착시켜 고정하는 방법. 표면적 증가, 생장환경 균일화의 장점이 있다. 

○ 미립캡슐화 이용법 : 세포를 캡슐막 안에 가두어 고정하는 방법. 전단응력으로부터 보호하고, 면역세포의 침투를 방지한다는 장점이 있지만 산소 및 영양분이 이동을 제한한다는 단점이 있다.

⑸ 포인트 53. 이상적인 지지체의 조건

재현가능성, 다공성, 적절한 물리적·화학적 특성, 적절한 생분해성

⑹ 포인트 54. in vivo에서 세포의 반응 메커니즘

① mechano-coupling : 기계적 힘에 의해 세포변형

② mechano-transduction : 세포골격의 변화로 유전자 발현 변화

③ signal transduction : 유전자 발현에 따라 단백질 합성 변화 

④ overall response : 세포 증식, ECM 증가, 조직 성장  

 

입력 : 2019.10.11 23:23