자가 면역 뇌척수염 마우스 모델에서 deferoxamine을 전처리한 개의 지방유래 중간엽줄기세포로부터 유래한 세포외소포체의 면역 조절 효과

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 수의과대학 수의학과, 2023. 2. 윤화영.Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are effective therapeutic agents that ameliorate inflammation through paracrine effect. In particular, several studies have been tried to apply MSC to autoimmune neurological diseases such as multiple sclerosis. Multiple sclerosis is a disease in which nerve damage occurs when inflammatory cells infiltrate nerve tissue due to loosing self-regulated immune system. Also in dogs, there is a similar disease, which is a meningoencephalitis of unknown etiology (MUE). The cause of MUE is not yet clear, but it is assumed to be caused by immune problem, and in this regard, main treatment is administrating non-specific immunosuppressants. Although about 25% of dogs which has neurological disease struggle with MUE, treatment has not been developed significantly. Non-specific immunosuppressants, including steroids, has several problems such as gastrointestinal disorders and hormonal secretion disorders, on the other hand, immunosuppressants treatment effect is not guaranteed, one of the difficulties in treating MUE. In this respect, extracellular vesicles (EVs) derived from MSCs have been investigated as a treatment option for autoimmune diseases. However, further study is needed on clinical efficacy of EV. To improve the secretion of anti-inflammatory factors from MSCs, preconditioning with hypoxia or hypoxia-mimetic agents has been attempted. Moreover, the molecular changes in preconditioned MSC-derived EVs have been explored and its clinical efficacy has not been proven. This study aimed to evaluate the therapeutic effect of EVs derived from deferoxamine (DFO)-preconditioned canine adipose tissue-derived (cAT)-MSCs (EVDFO) in an experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) mouse model and explore the mechanism underlying immunomodulation function of EV. This dissertation is composed of three parts. The first part of dissertation revealed that cAT-MSCs preconditioned with DFO (MSCDFO) can more effectively direct and reprogram macrophage polarization into the M2 anti-inflammation state by paracrine effect. MSCDFO exhibited enhanced secretion of anti-inflammatory factors such as prostaglandin E2 and tumor necrosis factor-α-stimulated gene-6. To evaluate the interaction between MSCDFO and macrophages, RAW 264.7 cells were co-cultured with cAT-MSCs using the transwell system, and changes in the expression of factors related to macrophage polarization were analyzed using the quantitative real-time PCR and western blot assays. When RAW 264.7 cells were co-cultured with MSCDFO, the expression of M1 and M2 markers decreased (iNOS, 1.32 fold, p<0.01; IL-6, 3.46 fold, p<0.05) and increased (CD206, 2.61 fold, p<0.001; Ym1, 4.92 fold, p<0.01), respectively, compared to co-culturing with non-preconditioned cAT-MSCs. Thus, cAT-MSCs preconditioned with DFO can more effectively direct and reprogram macrophage polarization into the M2 phase, an anti-inflammatory state. The second part of dissertation is designed to evaluate that EVDFO regulated macrophage through activating signal transducer and transcription3 (STAT3) phosphorylation. In MSCDFO, Hypoxia-inducible factor 1-alpha was found to accumulate and expression of Cyclooxygenase-2 (COX-2) was increased (16.77 fold, p<0.001). Changes in expression of COX-2 were reflected in the derived EVs as well. The canine macrophage cell line, DH82, was treated with EVnon and EVDFO after lipopolysaccharide stimulation and polarization changes were evaluated with quantitative real-time PCR and immunofluorescence analyses. When DH82 was treated with EVDFO, the expression of M1 marker was reduced (IL-1β, 2.45 fold, p<0.001; IL-6, 17.26 fold, p<0.001) while that of M2 surface marker was enhanced (CD206, 7.24 fold, p<0.001) compared to that when DH82 was treated with EVnon. Further, phosphorylation of STAT3 expression was increased more when DH82 cells were treated with EVDFO (1.79 fold, p<0.001). EV derived from cAT-MSC treated with si-COX2 showed similar effect with EV and the effect of immunomodulation was decreased than EVDFO (IL-1β, 2.21 fold, p<0.001; IL-6, 1.43 fold, p<0.001; CD206, 2.27 fold, p<0.001). Thus, COX-2 in EV may be one of key factor to regulate STAT3 and modulate macrophage. The last part of dissertation demonstrates that EVDFO treatment has a relatively higher efficacy in reducing inflammation than non-preconditioned EV treatment and could modulate immune system through regulating STAT3 in EAE model. EAE mice were divided into different groups based on intranasal administration of EVs or EVDFO (C57BL/6, male, control=6, EAE=8, EAE+EV=8, EAE+EVDFO=8, 10 μg/day;14 injections). On day 25 post-EAE induction, the mice were euthanized, and the spleen, brain, and spinal cord were analyzed into histopathologic and expression of RNA and protein level. Histologically, in the EV and EVDFO groups, the infiltration of inflammatory cells decreased significantly (EV, 1.38 fold, p<0.01; EVDFO, 1.72 fold, p<0.01), and demyelination was alleviated (EV, 2.96 fold, p<0.05; EVDFO, 5.28 fold, p<0.05). Immunofluorescence staining showed that the expression of CD206 and Foxp3, markers of M2 macrophages and regulatory T (Treg) cells, respectively, increased significantly in the EVDFO group compared to the EAE and EAE+EV group. In the EAE group, the number of CD4+CD25+Foxp3+ Treg cells in the spleen decreased significantly compared with the naïve group (2.74 fold, p<0.001). In contrast, the number of Treg cells showed a greater increase in the EAE+EVDFO group than in the EAE+EV group (1.55 fold, p<0.05). The protein expression of STAT3 and pSTAT3 increased in the spleen in the EAE groups compared to the naïve group (STAT3, 2.02 fold, p<0.001; pSTAT3, 2.14 fold, p<0.001). However, following EV treatment, STAT3 expression decreased compared to the EAE group (1.32 fold, p<0.001), especially reduction of STAT3 was evident in EVDFO compared to EV group (1.90 fold, p<0.001). Therefore, EV could regulate STAT3 expression and EVDFO has more effect than EV. In conclusion, that preconditioned with DFO in cAT-MSC is an effective method to improve immunomodulation effect of EVs. Also, EVDFO is potential therapeutic option for multiple sclerosis through regulating STAT3 pathway and modulating immune system. These findings suggest a new approach to cell free therapy with preconditioned EV in other autoimmune diseases as well as multiple sclerosis. Furthermore, this study is a major basis that EVDFO can be applied as a new treatment for MUE in dogs and the cornerstone to the development of autoimmune disease treatment in veterinary medicine.중간엽줄기세포(Mesenchymal stem cell; MSC)의 분비 능력은 염증을 개선하는데 있어서 효과적이라 보고되어, 이를 염증 치료제로 개발하기 위해 활발히 연구되고 있다. 특히나 다발성 경화증과 같이 자가면역 신경질환에서도 줄기세포 치료를 적용하려는 노력들이 이어지고 있다. 다발성 경화증은 사람의 자가면역 신경질환 중 하나로, 자기 조절 면역세포의 이상으로 인해 신경조직을 외부요인으로 오인하고 염증 세포들이 침윤되면서 신경손상이 생기는 질환이다. 개에서는 유사한 질환으로 원인 불명의 비감염성 뇌수막염이 있다. 해당 질환의 원인은 아직 명확하게 밝혀지지 않았으나 면역 이상으로 인해 생기는 것으로 추정되며, 이와 관련해 비특이적 면역억제제로 치료한다. 개의 신경질환 중 약 25%를 차지할 정도로 많은 수의 개가 해당 질환으로 투병을 하나 아직까지 치료법이 크게 발달되어 있지 않다. 스테로이드를 포함한 비특이적 면역억제제는 위장관 장애, 호르몬 분비 장애 등의 문제를 유발하는 것이 가장 큰 문제이며, 그에 반해 치료 효과가 확실하게 보장되지 않는다는 것이 뇌수막염 치료의 어려운 점이다. 자가면역 신경질환에서 비특이적 면역억제제 치료의 단점을 보완할 다른 치료 요법들에 대한 연구 개발들이 이어지고 있으며, 그중 하나가 MSC에서 유래된 세포외소포체(extracellular vesicle; EV)이다. 그러나 아직까지는 세포외소포체의 임상적 효능이 충분히 입증되지 않아 실제 임상에서 적용되지 못하고 있다. 이를 해결하기 위해 MSC의 항염증 인자 분비를 촉진시키는 방법들이 고안되었고, 그중 한 가지 방법이 저산소 배양 혹은 저산소증 모방제를 사용한 전처리 방법이다. 전처리한 MSC에서 유래한 세포외소포체 내의 분자 변화를 분석하는 연구들이 진행되고 있으나, 아직까지 이것의 임상적 효능이 충분히 밝혀지지 않아 추가적인 전임상 및 임상 적용 연구가 필요하다. 본 연구는 실험적 자가면역성 뇌척수염(experimental autoimmune encephalomyelitis; EAE) 마우스 모델에서 deferoxamine (DFO)로 전처리한 개 지방조직유래(canine adipose tissue derived; cAT)-MSCs에서 유래된 세포외소포체(EVDFO)의 치료 효과를 확인하고 세포외소포체의 면역조절기능의 작용원리를 탐색하였다. 첫 번째, DFO가 전처리된 cAT-MSC (MSCDFO)가 분비 효과를 통해 대식세포를 더 효과적으로 M2 항염증 상태로 유도할 수 있음을 밝혔다. MSCDFO와 대식세포의 상호작용을 평가하기 위해 공배양 시스템을 이용하여 RAW 264.7 세포와 MSCDFO를 같이 배양하였으며, 중합효소 연쇄반응 기법과 western blot 분석 기법을 이용하여 대식세포 분극과 관련된 인자의 발현 변화를 분석하였다. RAW 264.7 세포를 MSCDFO와 공배양한 경우, 전처리 하지 않은 cAT-MSC와 공배양한 경우에 비해 M1 및 M2 마커의 발현이 각각 감소(iNOS, 1.32배, p<0.01; IL-6, 3.46배, p<0.05) 및 증가(CD206, 2.61배, p<0.001; Ym1, 4.92배, p<0.01)하였다. 따라서 DFO로 전처리한 cAT-MSC는 대식세포 분극을 더 효과적으로 항염증 상태인 M2 단계로 유도할 수 있다. 두 번째, EVDFO가 STAT3의 인산화 활성화를 통해 대식세포를 조절한다는 것을 밝혔다. MSCDFO에서는 HIF-1α가 축적되고 COX-2의 발현이 증가(16.77배, p<0.001)하였다. COX-2의 발현 변화는 MSCDFO에서 유래한 세포외소포체에도 반영되었다. 개 대식세포주 DH82를 LPS로 자극한 뒤 EVnon 및 EVDFO를 처리하여 그 변화를 중합효소 연쇄반응 기법 및 면역 형광 염색 분석을 통해 평가하였다. DH82를 EVDFO로 처리한 경우, M1 관련된 지표의 발현은 감소(IL-1β, 2.45배, p<0.001; IL-6, 17.26배, p<0.001)하였으나, M2 관련된 지표의 발현은 EVnon으로 처리한 경우보다 향상(CD206, 7.24배, p<0.001) 되었다. 또한 DH82 세포를 EVDFO로 처리했을 때 STAT3 발현의 인산화는 더 증가하였다(1.79배, p<0.001). si-COX2로 처리된 cAT-MSC에서 유래한 EV는 아무 처리하지 않은 EV와 유사한 효과를 보였으며, 대식세포 조절 효능은 EVDFO보다 감소하였다(IL-1β, 2.21배, p<0.001; IL-6, 1.43배, p<0.001; CD206, 2.27배, p<0.001). 따라서 EV 내에 있는 COX-2는 STAT3를 조절하여 대식세포를 변화시킬 수 있는 핵심 인자 중 하나로 추정된다. 마지막으로, EVDFO 치료가 전처리 하지 않은 EV보다 상대적으로 더 높은 항염증 효능을 가지며 EAE 모델에서 STAT3 조절을 통해 면역 체계를 조절할 수 있음을 밝혔다. 실험 비교를 위해 EAE 그룹과 EV 또는 EVDFO를 비강 투여한 그룹으로 나누었다(C57BL/6, male, control=6, EAE=8, EAE+EV=8, EAE+EVDFO=8, 10 μg/일/14회). 질환을 유도한지 25일 차에 쥐를 안락사 시키고 비장, 뇌, 척수를 조직병리학적, RNA 및 단백질의 발현 정도를 분석하였다. 조직학적으로 EV 및 EVDFO군에서는 척수에서의 염증 세포의 침윤이 현저히 감소하였고(EV, 1.38배, p<0.01; EVDFO, 1.72배, p<0.01) 탈수초화 현상이 완화되었다 (EV, 2.96배, p<0.05; EVDFO, 5.28배, p<0.05). 면역 형광 염색을 통해 M2 대식세포와 조절 T 세포(Treg)의 지표인 CD206과 Foxp3의 발현이 EAE와 EAE+EV 그룹에 비해 EVDFO 그룹에서 증가하였다. EAE 그룹에서 비장의 CD4+CD25+Foxp3+ Treg 세포의 수는 naïve 그룹에 비해 유의하게 감소했다(2.74배, p<0.001). 반면, Treg 세포의 수는 EAE+EV 그룹보다 EAE+EVDFO 그룹에서 더 큰 증가를 보였다(1.55배, p<0.05). STAT3와 pSTAT3의 단백질 발현은 naïve 그룹과 비교하였을 시 EAE 그룹의 비장에서 크게 증가하였다(STAT3, 2.02배, p<0.001; pSTAT3, 2.14배, p<0.001). 그러나 EV 처리한 그룹에서는 EAE 그룹에 비해 STAT3 발현이 감소하였으며(1.32배, p<0.001), 특히 EV 그룹에 비해 EVDFO가 주입된 그룹에서 STAT3의 감소가 뚜렷하게 나타났다(1.90배, p<0.001). 따라서 EV는 STAT3 발현을 조절할 수 있는 것으로 추정되며, EVDFO는 EV보다 그 효과가 크다고 종합할 수 있다. 결론적으로, cAT-MSC를 DFO로 전처리 하는 것은 MSC와 세포외소포체의 면역조절 효과를 향상시켜 치료능을 효율적으로 올릴 수 있는 방법이다. 또한, EVDFO가 면역세포 내의 STAT3를 유동적으로 변화시키고 이를 통해서 면역 체계를 조절할 수 있다는 점에서, STAT3를 조절하는 것이 다발성 경화증의 치료법의 중요 원리로 제시될 수 있다. 이러한 발견은 다발성 경화증뿐만 아니라 다른 자가면역 질환에서의 새로운 무세포 치료법을 제시한다. 더 나아가 개의 질환 중 이와 유사한 질환인 원인 불명의 비감염성 뇌척수막염에도 EVDFO가 새로운 치료제로 적용될 수 있음을 보여주는 주요한 첫 근거이며, 수의학에서의 자가 면역 질환 치료 발전의 토대가 되는 연구이다.LITERATURE REVIEW 1 1. Generalities of preconditioned mesenchymal stem cell (MSCs) 1 2. Properties of extracellular vesicles (EVs) derived from MSCs 2 3. Immunomodulation function of EVs derived from MSCs 3 4. Preclinical and clinical application of MSC derived EVs in immune disorders 5 Chapter Ⅰ. Preconditioning of canine adipose tissue-derived mesenchymal stem cells with deferoxamine potentiates anti-inflammatory effects by directing/reprogramming M2 macrophage polarization 12 1. Introduction 12 2. Material and methods 14 2.1. Isolation and characterization of canine adipose tissue-derived (cAT)-MSCs 14 2.2. Cell culture and expansion 15 2.3. Cell viability analysis 15 2.4. RNA extraction, cDNA synthesis, and the quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR) 16 2.5. Protein extraction, cell fractionation, and western blot analysis 16 2.6. ELISA 17 2.7. Co-culture of macrophages with preconditioned cAT-MSCs 18 2.8. Statistical analyses 18 3. Results 18 3.1. Viability of DFO preconditioning in cAT-MSC 18 3.2. DFO induces hypoxic response in cAT-MSCs 19 3.3. DFO preconditioning increases the expression and secretion of anti-inflammatory factors 19 3.4. MSCDFO direct macrophage polarization in vitro 20 4. Discussion 21 5. Table and Figures 27 Chapter Ⅱ. Extracellular vesicles derived from DFO-preconditioned canine AT-MSCs reprogram macrophages into M2 phase 40 1. Introduction 40 2. Materials and methods 42 2.1. Cell preparation and culture 42 2.2. Transfection of cAT-MSCs with siRNA 43 2.3. Isolation and characterization of EVs derived from cAT-MSCs 44 2.4. RNA extraction, cDNA synthesis, and quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR) 45 2.5. Protein extraction, cell fractionation, and western blotting 45 2.6. Immunofluorescence analyses 46 2.7. Statistical analyses 47 3. Results 47 3.1. Characterization of cAT-MSC derived EVs 47 3.2. Elevation of HIF-1α/COX-2 expression in MSCDFO 48 3.3. cAT-MSC-derived EVs transport COX-2 to DH82 and activate the phosphorylation of STAT3 48 3.4. Change of polarization of DH82 when treated with preconditioned EVs 49 4. Discussion 50 5. Table and Figures 54 Chapter Ⅲ. Deferoxamine preconditioned cAT-MSC derived EV alleviate inflammation in EAE mouse model through regulating STAT3 66 1. Introduction 66 2. Material and Methods 68 2.1 Cell isolation and culture 68 2.2. Isolation and characterization of EVs from cAT-MSCs 69 2.3. EAE induction and therapy 70 2.4. Histological analysis 71 2.5. Immunohistochemistry analysis 72 2.6. RNA extraction, cDNA synthesis, and real-time PCR 73 2.7. Protein extraction and western blotting 73 2.8. Isolated splenocytes and activation 74 2.9. Cytokine assay 74 2.10. Flow cytometry analysis of the Treg cell population 75 2.11. Obtaining PBMCs and treatment with EVs 75 2.12. Statistical analyses 76 3. Results 76 3.1. Characterization of cAT-MSC-derived EVs and elevation of protein levels in MSCDFO 76 3.2. cAT-MSC-derived EVs and EVDFO alleviated clinical signs and histological changes in the EAE mouse model 77 3.3. Cytokine and protein level changes in the spinal cord and brain of EV-treated mice 79 3.4. EVs altered the Treg cell population in the EAE mouse model 80 3.5. Cytokine and protein level changes in the spleen in EV-treated mice 80 3.6. Evaluation of the effect of EVs in canine PBMCs through RNA and protein expression analyses 81 4. Discussion 82 5. Table and Figures 89 GENERAL CONCLUSION 107 REFERENCES 111박

선택적 아로마타제 조절제의 대체재로서 약콩껍질추출물에 대한 연구

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :농업생명과학대학 농생명공학부(바이오모듈레이션전공),2019. 8. 이기원.에스트로겐은 여성의 생식과 성적 발달에 중요한 역할을 하는 스테로이드 호르몬이다. 여성은 노화가 진행됨에 따라 난소의 기능이 저하되고 에스트로겐의 분비가 감소하므로, 정상적인 에스트로겐 수준을 유지하는 것이 여성 건강에 중요하다. 아로마타제는 에스트로겐 합성에 필수적 효소이며, 조직 특이적으로 발현한다. 선택적 아로마타제 조절제 (selective aromatase modulator; SAM)는 에스트로겐 합성을 필요로 하는 부위에서 아로마타제를 발현할 수 있고, 에스트로겐 의존성 암 조직에서 아로마타제 과발현을 억제할 수 있다. 따라서 본 연구의 목적은 갱년기 및 폐경기 여성의 에스트로겐 저하 증상을 개선하기 위해 체내에서 에스트로겐을 근본적으로 생성하고, 에스트로겐 생성이 필수적인 조직에서 아로마타제의 발현을 증가시키는 천연물을 발견하는 것이다. 더불어 아로마타제 발현을 조직 특이적으로 조절하는 선택적 아로마타제 조절제로서의 작용을 확인하고자 한다. 본 연구를 통해, 약콩껍질추출물이 사람의 부신 피질 암세포주인 NCI H295R 세포와 쥐의 난소에서 유래한 난포에서 17 베타-에스트라디올 생합성을 증가시키는 것을 관찰하였다. 약콩껍질추출물은 스테로이드 호르몬 생합성 경로에서 스테로이드 호르몬 생성 효소인 3β-HSD 와 CYP19A1 의 발현을 증가시킴으로써 17 베타-에스트라디올 생합성을 촉진하였다. 약콩껍질추출물은 부신 및 난소에서는 에스트로겐을 생합성 하였지만, 에스트로겐 의존성 암세포로 알려진 유방암 및 난소암세포에서는 세포 증식을 억제하였다. 더불어 H295R 세포에서 CYP19A1 의 발현을 증가시켰지만 단일 배양된 지방세포 및 유방암세포와 공동 배양된 지방세포에서 CYP19A1 의 발현에 영향을 주지 않았다. 결론적으로, 본 연구는 약콩껍질추출물이 조직 특이적으로 에스트로겐 생합성 및 아로마타제 발현을 촉진하는 에스트로겐 저하 증상 개선용 천연물 의약품 기능성 소재로 사용될 수 있음을 시사한다.Estrogen is a steroid hormone that plays an important role in female reproductive function and sexual development. As women get older, the secretion of estrogen decreases and estrogen supplementation is crucial to alleviate symptoms related to estrogen deficiency. CYP19 (also called aromatase) is the key enzyme responsible for estrogen production and it is expressed in a tissue-specific manner. Aromatase should be expressed in sites that require estrogen synthesis and inhibited overexpression in estrogen-dependent cancer tissues. Therefore, it is necessary to investigate natural products that can supplement estrogen and regulate aromatase expression tissue specifically for menopausal womens health. In this study, we found that Yak-Kong seed coat extract increases 17β-estradiol production in human adrenocortical carcinoma NCI-H295R cells and mouse antral follicles. It promotes 17β-estradiol biosynthesis by increasing the protein and gene expression of CYP19A1 and 3β-HSD in steroidogenesis pathway. Furthermore, it suppresses proliferation of breast and ovarian cancer cells known as estrogen dependent cancer cells and regulates aromatase expression of adipocytes followed a different pattern from that of H295R cells. These results suggest that the extract of Yak Kong seed coat could be a potential alternative to selective aromatase modulator for menopausal women.CONTENTS ABSTRACT .................................................................................................................... ⅰ CONTENTS .................................................................................................................... ⅲ Ⅰ. INTRODUCTION........................................................................................................ 1 Ⅱ. MATERIALS AND METHODS .......................................................................... 7 1. Soybean materials .................................................................................................... 7 2. Animals ....................................................................................................................... 8 3. Cell culture ................................................................................................................. 8 4. Antral follicle culture.............................................................................................. 11 5. Hormone measurement ........................................................................................ 12 6. Real-time quantitative PCR ................................................................................. 12 7. Western blotting ...................................................................................................... 14 8. Cell viability assay .................................................................................................. 15 9. 3T3-L1 and MCF-7 coculture .............................................................................. 16 10. Statistical analysis ................................................................................................. 18 Ⅲ. RESULTS .................................................................................................................. 19 1. Yak-Kong seed coat extract has the most estradiol-stimulating effect in H295R cells among soybean extracts ..................................................................... 19 2. Yak-Kong seed coat extract promotes production of 17β-estradiol in a dosedependent manner in H295R cells and mouse antral follicles ........................... 22 3. Yak-Kong seed coat extract increases protein and mRNA levels of CYP19A1 in H295R cells ........................................................................................ 26 4. Yak-Kong seed coat extract increases protein and mRNA levels of 3β-HSD in H295R cells .............................................................................................................. 29 5. Yak-Kong seed coat extract does not increase protein levels of CYP11A1, CYP17A1, or 17β-HSD in H295R cells .................................................................. 32 6. Yak-Kong seed coat extract decreases viability of human breast and ovarian cancer cells .................................................................................................... 34 7. Yak-Kong seed coat extract does not stimulate CYP19A1 expression in 3T3-L1 adipocytes, both mono- and co-cultured with MCF-7 cells ................ 37 Ⅳ. DISCUSSION ......................................................................................................... 40 Ⅴ. REFERENCES ....................................................................................................... 46 국문 초록 .......................................................................................................................... 51Maste

사람 보행 분석 연구와 그 결과를 활용한 휴머노이드 로봇 보행 패턴 생성

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 융합과학기술대학원 융합과학부(지능형융합시스템전공), 2020. 8. 박재흥.발의 미끄러짐은 보행의 안정성을 떨어트리는 요인 중 하나이다. 보행 중 발에 발생하는 수평 전단력이 발과 지면 사이의 마찰력보다 커지면, 발은 접촉을 상실하고 미끄러지게 된다. 여기서, 발과 지면 사이의 마찰력은 발에 작용하는 수직력에 의해 결정되게 된다. 즉, 휴머노이드 로봇 보행 패턴 생성의 측면에서 보자면, 로봇 발에 발생하는 수평력과 수직력을 어떻게 설계하는지에 따라 보행 중 미끄러짐의 가능성이 바뀐다는 것이다. 선형 역진자 모델은 휴머노이드 로봇의 무게 중심 궤적 생성을 위해 자주 사용되어왔다. 선형 역진자 모델은 로봇의 무게 중심 높이를 일정하게 유지하도록 제한한다. 무게 중심의 높이 제한 때문에 로봇의 수직 방향의 가속도는 보행 속도와 관련 없이 항상 중력 가속도가 된다. 그러나 수평 방향의 가속도는 보행 속도가 증가하면 비례하여 증가한다. 따라서 빠른 보행 속도에서는 수직력에 비례하는 마찰력에 비해 수평 전단력이 커지면서 발의 미끄러짐이 발생할 수 있다. 선형 역진자 모델에 의한 일정한 수직 높이 구속 조건이 로봇 발의 미끄러짐을 유발할 수 있다는 것을 시사한다. 무게 중심의 적절한 수직 움직임을 생성함으로써 휴머노이드 로봇 보행 중 발의 미끄러짐을 줄일 수 있다. 인간공학 분야에서는 Available Coefficient of Friction(aCOF)과 Utilized Coefficient of Friction(uCOF)을 이용하여 사람 보행 중 발의 미끄러짐 가능성을 예측하는 연구들이 수행됐다. 여기서, aCOF는 두 물체의 재질이나 상태에 의해 결정되는 마찰 계수이다. 반면, uCOF는 보행 중 지지하는 발에 가해지는 수평 전단력과 수직력의 비이다. 인간공학 연구들에 따르면, uCOF가 aCOF를 초과할 때 발은 접촉을 상실하고 미끄러지게 된다. 로봇 발의 미끄러짐 감소를 위해서는 로봇 보행 중 발에 발생하는 uCOF가 로봇 발과 지면 사이의 aCOF 보다 작아지도록 적절한 수직 방향의 무게 중심 궤적을 생성하는 것이 필요하다. 다양한 형태의 수직 방향의 무게 중심 궤적 생성이 가능한데, 간단하면서도 효율적인 방법은 무게 중심의 에너지가 보존되도록 수직 방향의 무게 중심 궤적을 생성하는 것이다. 기존 선형 역진자 모델을 이용해 수평 방향의 무게 중심 궤적을 생성하고, 운동 에너지와 위치 에너지가 교환되면서 전체 에너지가 보존되는 수직 방향의 무게 중심 궤적을 추가하는 것이다. 무게 중심의 에너지 보존 원리를 이용하여 무게 중심의 양의 일(Mechanical Work) 생성을 최소화함으로써 관절의 양의 일 생성을 감소시키고, 이를 통해 보행 중 에너지 효율을 높이는 것이 가능하다. 이 논문은 발과 지면 사이의 aCOF 보다 작도록 보행 중 uCOF를 유지하면서 무게 중심의 양의 일을 최소화하는 적절한 수직 방향의 무게 중심 궤적을 생성하는 것을 목표로 한다. 발의 미끄러짐이 감소하면서 에너지 효율이 높은 휴머노이드 로봇 보행 패턴 생성을 위해, 먼저 사람 보행 중 uCOF에 관한 연구와 사람 보행 중 관절의 일에 관한 연구를 선행한다. 사람 보행에 관한 분석 연구와 사람 보행의 원리 이해를 통해 최적화 알고리즘 기반 수직 방향의 무게 중심 궤적 생성 방법이 제시된다. 제시된 알고리즘을 이용하여 구해진 수직 방향의 무게 중심 궤적을 휴머노이드 로봇 보행 실험에 적용한다. 궁극적으로 이 논문은, 수직 방향의 무게 중심 궤적을 추가함으로써 기존 선형 역진자 모델의 한계를 극복하여, 미끄러짐의 가능성이 감소하고 에너지 효율이 높은 휴머노이드 로봇 보행 패턴을 생성한다.Foot slippage is one of the factors responsible for the increasing instability during human walking. A slip occurs when the horizontal shear force acting on the foot becomes greater than the frictional force between the foot and the ground, which is proportional to the vertical force. For humanoid robot walking, the possibility of a slip depends upon how the horizontal shear force and vertical force both acting on the foot are designed. In the linear inverted pendulum model (LIPM), which is commonly used to generate the center of mass (COM) trajectory of humanoid robots, the vertical height of the COM is kept constant. The constant height of the COM restricts that the vertical force is always equal to the gravitational force at any walking speed. However, upon increasing the walking speed, the horizontal ground reaction force increases in proportion with the forward and lateral accelerations of the COM. This increase in the horizontal ground reaction force, while the vertical ground force is being constant, suggests that the robot-foot slippage can occur because of the restriction of the vertical motion by the LIPM constraint. By generating the appropriate vertical motion, the robot-foot slippage can be reduced during humanoid robot walking. Researchers in the field of ergonomics have been conducted studies on the relationship between the available coefficient of friction (aCOF) and the utilized coefficient of friction (uCOF) to predict the potential for a slip during human walking. The aCOF is both the static and dynamic coefficient of friction between two objects in contact, and it depends on the properties of the objects. The uCOF is the ratio of the horizontal shear force to the vertical force applied by the supporting foot. Foot slippage occurs when the uCOF exceeds the aCOF. Various types of vertical motion can set the maximum value of the uCOF to be less than the aCOF between the foot and floor for humanoid robot walking. One of the simple and energy-efficient methods is to minimize the mechanical work of the COM by introducing added vertical motion. Therefore, the COM pattern would become more energy efficient by exchanging kinetic energy and potential energy. This thesis aims to generate the appropriate vertical motion of the COM to maintain the utilized coefficient of friction (uCOF) less than the available coefficient of friction between the foot and the ground, and to minimize the mechanical work during humanoid robot walking. Before generating a slip-safe and energy-efficient COM trajectory for humanoid robot walking, studies on analyzing the COM patterns, mechanical work, and uCOF during human walking are conducted to understand the principle of walking. Vertical motions at various speeds are generated using an optimization method. Subsequently, the generated COM motion patterns are used as reference trajectories of the COM for humanoid robot walking. This thesis suggests a way to generate slip-safe and energy-efficient COM patterns, which, in turn, overcome the limitations of the LIPM by adding vertical COM motion.Chapter 1 Introduction 1 1.1 Research Background 1 1.2 Contributions of Thesis 3 1.3 Overviews of Thesis 4 Chapter 2 Dynamics of Walking 5 2.1 Walking Model 5 2.1.1 Linear Inverted Pendulum Model 5 2.1.2 Spring-Loaded Inverted Pendulum Model 6 2.1.3 Extrapolated Center of Mass Dynamics 9 2.2 Walking Theory 11 2.2.1 Step-to-Step Transition 11 Chapter 3 HumanWalking Analysis 13 3.1 Motion Capture for Walking 13 3.1.1 Motion Capture Technology 13 3.1.2 Joint Kinematics and Kinetics 15 3.2 Joint and COM During Human Walking 17 3.2.1 Introduction 17 3.2.2 Methods 19 3.2.3 Change of Joint Angle and the COM 20 3.2.4 Discussion 26 3.3 Slipping During Human Walking 27 3.3.1 Introduction 27 3.3.2 Methods 31 3.3.3 Change of uCOF and GRF 34 3.3.4 Interaction Effect Between Heel Area and Speed 36 3.3.5 Discussion 39 3.4 Mechanical Work During Human Walking 44 3.4.1 Introduction 44 3.4.2 Methods 46 3.4.3 Calculation for Joint Mechanical Work 48 3.4.4 Change of Joint Mechanical Work 51 3.4.5 Change of Stride Parameters 53 3.4.6 Discussion 54 Chapter 4 Robot Walking Pattern Generation 59 4.1 Introduction 59 4.2 Forward and Lateral COM 61 4.2.1 XcoM Method 61 4.2.2 Preview Control Method 63 4.3 Vertical COM 64 4.3.1 Calculation for uCOF 64 4.3.2 Calculation for ZMP 65 4.3.3 Calculation for COM Mechanical Work 66 4.3.4 Optimization for Vertical COM Generation 68 4.3.5 Results of Optimization for Vertical COM 73 4.4 Slipping During Robot Walking 75 4.4.1 Robot Simulation 75 4.4.2 Robot Experiments 77 4.5 Mechanical Work During Robot Walking 81 4.5.1 Robot Simulation 81 4.5.2 Robot Experiments 82 4.6 Discussion 87 4.6.1 Tracking Errors in Robot Experiments 87 4.6.2 Effect of Vertical Motions on Real Net Power 91 4.6.3 Trade-Off Between Efficiency and Stability 92 4.6.4 Difference Between Human and Robot 93 Chapter 5 Conclusions 95 Bibliography 97 Abstract (Korean) 111Docto

그래핀기반 물질을 이용한 인간 지방유래 기질세포의 연골 분화 효과 연구

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :농업생명과학대학 농생명공학부(바이오모듈레이션전공),2019. 8. 임정묵.Cartilage is a tissue consisting of chondrocytes and extracellular matrix (ECM), which is highly elastic, buffers against a given force, and the friction coefficient of joint cartilage is very low, helping the joints to move in a state of little friction. But cartilage is a kind of expendable body part that wears out as much as it is used, and it is also damaged by inflammation, trauma, and aging. Cartilage has very limited self-renewal because there are no blood vessels, nerves, or lymphatic vessels. Thus, cartilage cannot easily stop when it starts to damage, and damaged cartilage has many limitations about regenerating into cartilage with normal function and structure. Also, the damaged cartilage area becomes more vulnerable to mechanical pressure, so it is easily broken and worn, resulting in larger defects. As such, a number of cartilage-related diseases develop and progresses faster than other tissues. Some typical diseases include degenerative arthritis, which causes pain due to cartilage wear, and others include rheumatoid arthritis, achondroplasia, pyogenic arthritis, and chondrosarcoma. Furthermore, these cartilage-related diseases can lead to bone-related complications if they persist for a long time. These diseases can lead to a reduction in the quality of life and life expectancy of patients, and the loss of substantial medical costs. Therefore, it is very important to regenerate damaged cartilage early, but there are many deficiencies in current cartilage treatment. Although many researchers continue to suggest ways to treat cartilage-related diseases, they are still far from normal and perfect cartilage regeneration. Up until now, studies have been actively conducted to regenerate damaged cartilage tissue using an ideal biomaterial that can mimic and replace cartilage tissue with various cells. Among them, cells that are widely used in the field of regenerative medicine are human adipose-derived stromal cells (hASCs). This cell has a great advantage that it can be easily obtained from any tissue of the human body, and it is suitable as a material for a cell therapy agent because it does not take much time for cell proliferation and can be repeatedly collected. And recently, graphene (G), a carbon-based material, is emerging as a biomaterial in tissue engineering and regenerative medicine. In addition, a variety of graphene-based materials (GBMs) have also been recognized for their research value as biomaterials. GBMs are derivatives of G. Most GBMs are made through the process of oxidation. GBMs that have the advantage of oxidation are more applied in various fields than G. In particular, GBMs play a role as biomaterials due to their various functional groups, biocompatibility, mechanical stability, and other characteristics. And GBMs have been extensively studied in the field of tissue regeneration and repair. However, since G was discovered in 2004 and is a new material only about 20 years old, there is a limit to the lack of prior research related to cartilage. Therefore, cartilage regeneration studies related to GBMs are essential. And because accurate standard indicators for GBMs have not yet been created, characterization and comparison of various GBMs is critical. Based on an understanding of the characteristics of GBMs, this study was conducted to apply to cartilage regeneration studies. The GBMs used in this study were graphene oxide (GO), nano-graphene oxide (nGO) and graphene quantum dot (GQD). All are oxidized GBMs. These are the forms in which parts of the surface have been replaced with oxygen as graphene is oxidized, and the great advantage is that the binding force of each layer of graphite is reduced and distributed well in the solution. Since it can be synthesized in the solution phase, it can be mass-produced and overcome the disadvantages of graphene, which is a very expensive material and has a very high production cost. And because it is easier to attach new functional groups to oxygen than to carbon, it is possible to make more functionalized graphene derivatives. As hydrophobic graphene turns into hydrophilic, oxidized GBMs, affinity with cells increases, and it has the advantage of being easily mixed into culture medium. Therefore, since these advantages allow me to study GBMs as biomaterials, I analyzed the characteristics of each GBMs using Fourier Transform Infra-Red (FT-IR), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Electrophoretic Light Scattering (ELS). Functional group analysis confirmed that all GBMs were oxidized by showing binding to carboxyl groups, hydroxyl groups and epoxy groups common to surface of GBMs. Through C1s spectra analysis, the degree of oxidation can be determined by the binding and binding ratio of carbon and oxygen. It was found that oxidation is high in the order of nGO, GO, and GQD. Hydrodynamic radius analysis was used to confirm the hydrodynamic radius of each material. This means the radius of the particles in the solution. Therefore, the size of each particle in the solution can be known, and the order in which it is large was confirmed to be GO, nGO and GQD. Finally, Zeta potential analysis was used to confirm the dispersion stability of the particles in solution. The larger the negative value, the higher the dispersion stability. Generally, over –30 means having good stability, so I found that GO and nGO had better dispersion stability than GQD. Therefore, the dispersion stability is high in the order of nGO, GO, and GQD. These data show that all three GBMs are oxidized and help to understand and compare the physical and chemical properties of each particle. Based on the unique properties of these GBMs, I applied them to chondrogenic differentiation of hASCs. Although studies on cartilage regeneration using various cells and biomaterials have been actively studied, there are still no standardized therapies related to cartilage as various problems such as potential side effects on regenerative therapy and verification of effects. So the study was conducted to investigate the effect on the cartilage differentiation of hASCs by applying GBMs, which have recently emerged as biomaterials in the field of regenerative medicine, to cartilage research. First, I conducted a study on the characterization of hASCs. Microscopic photographs showed that hASCs had fibroblastic morphology, and the ability to differentiate into osteocyte, adipocyte and chondrocyte was confirmed through three different dyeing reagents. And based on the GO with the largest particle size, I confirmed the concentration suitable for chondrogenic differentiation of hASCs. As a result, it was confirmed that a concentration of 10 μg / ml or less was suitable. Thus, GO, nGO, and GQD at concentrations of 1 and 10 μg / ml were applied to hASCs. As a result, the size of the chondrocyte pellet was not different from the induction group. However, it was confirmed that Glycosaminoglycans (GAGs) were significantly increased in the 1 μg / ml group of GO and 1 μg / ml of nGO group compared with the induction group through alcian blue staining and toluidine blue staining. These results suggest that GO and nGO, the oxidized graphene, support Chondrogenic differentiation of hASCs. The main purpose of this study was to determine the effect of GBMs on chondrogenic differentiation of hASCs. Particularly, it was confirmed that the effect of chondrogenic differentiation is different according to the particle size and degree of oxidation of GBMs. These studies will help to understand GBMs, which are bio-new materials, and will greatly contribute to the development of new cartilage therapies using these materials.본 논문에서는 3가지의 다른 종류의 그래핀 기반 물질들의 물리적, 화학적 특성을 분석하고 비교를 통해 산화 그래핀, 나노 산화 그래핀, 그래핀 양자점에 대한 이해에 대한 연구와 그래핀 기반 물질들을 생체 소재로 활용한 인간 지방유래 기질세포의 연골 분화에 미치는 영향에 대한 조직 공학 연구를 진행하였다. Chapter 3에서는 그래핀 기반 물질들의 특성을 이해하기 위해 물리적, 화학적 분석에 대한 연구를 진행한 후, 분석된 그래핀 기반 물질들을 이용하여 인간 지방유래 기질세포의 연골 분화에 대한 효과를 확인하였다. 그래핀은 발견된 지 20년이 채 되지 않은 바이오신소재로, 참고할 만한 이전 연구가 많이 없다. 그래서 그래핀 유도체들의 물리, 화학적 표준 지표가 마련되어 있지 않기 때문에 각 각의 특성들을 정확하게 분석하고 이해하는 것이 매우 중요하다. 먼저, Fourier Transform Infra-Red (FT-IR)를 이용하여 각 물질들의 표면에 어떤 작용기들로 구성되어 있는지 확인하였다. 3 종류의 그래핀의 표면에서 공통적으로 카르복실기, 하이드록실기, 에폭시기를 가진다는 것을 확인하였다. 이는 3종류의 그래핀 기반 물질들이 모두 산화되었음을 보여준다. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)를 이용해서는 C1s spectra 분석을 하였다. 이를 통해 탄소와 산소의 결합과 비율로 산화 정도를 확인할 수 있었고, 그 결과, 산화 정도는 나노 산화 그래핀, 산화 그래핀, 그래핀 양자점 순서로 큰 것을 확인하였다. Electrophoretic light scattering (ELS)를 이용해서는 각 물질들의 유체역학적 반경을 측정하였다. 이는 용액 속에서 입자가 영향을 주는 반경을 의미하기 때문에, 입자의 크기를 알 수 있다. 그 결과, 입자의 크기는 산화 그래핀, 나노 산화 그래핀, 그래핀 양자점 순서로 큰 것을 확인하였다. 마지막으로, ELS를 이용하여 zeta potential 값을 측정하였다. 제타 포텐셜 값이 높은 음의 값을 가질수록 용액에서의 분산 안정성이 높으며, 일반적으로 –40이 넘어가면 안정성이 좋다는 것을 의미한다. 그 결과, 분산 안정성이 높은 순서는 나노 산화 그래핀, 산화 그래핀, 그래핀 양자점 순서임을 확인하였다. 이러한 결과들을 통해 그래핀 기반 물질들의 표면 작용기, 산화 정도, 입자의 크기, 분산안정성에 대해 이해할 수 있었고, 이는 그래핀 기반 물질들을 다양한 분야에서 적용시킬 때 많은 도움을 줄 것으로 생각한다. 그리고 분석한 그래핀 기반 물질들을 바이오소재로서 이용하여 인간 지방유래 기질세포의 연골 분화에 미치는 영향에 관한 연골 재생 연구를 하였다. 소수성인 그래핀을 산화시켜 만든 그래핀 기반 물질들은 친수성으로 성질이 바뀌면서 세포와의 친화성이나 배양 배지에 쉽게 분산될 수 있는 장점을 가져 조직공학 분야에 접목시키기 유리하다. 그래서 나는 먼저, 인간 지방유래 기질세포의 형태학적인 분석과 골, 지방, 연골로의 분화능에 대한 분석을 하였다. 인간 지방유래 기질세포는 섬유아세포와 같은 모양을 가졌으며, 골, 지방, 연골로의 분화능을 가지는 것으로 확인하였다. 그리고 나서 인간 지방유래 기질세포의 연골 분화에 적합한 산화 그래핀의 농도를 확인하였다. 산화 그래핀을 기준으로 한 이유는 입자의 크기가 가장 크고, 조직 공학과 관련된 참고문헌이 가장 많기 때문이다. 그 결과, 10 ㎍/㎖의 이하의 농도에서 적합한 것을 확인하였다. 그래서 1과 10 ㎍/㎖의 농도의 산화 그래핀, 나노 산화 그래핀, 그래핀 양자점을 이용해 인간 지방유래 기질세포의 연골 분화 영향을 확인하였을 때, 콘드로사이트의 펠렛 크기에는 영향을 주지 않았다. 하지만 alcian blue staining과 toluidine blue staining으로 조직학적 분석을 하였을 때, 1 ㎍/㎖의 농도의 산화 그래핀과 나노 산화 그래핀 군에서 양성대조군에 비해 GAGs의 함량이 유의적으로 증가함을 확인하였다. 그 결과, 100 nm 이상의 크기를 가진 산화 그래핀 기반 물질들이 인간 지방유래 기질세포의 연골분화에 효과가 있음을 확인하였다. 그러므로 이 연구를 통해 재생 의학이나 조직공학 분야에서 떠오르는 바이오 신소재로 자리매김을 할 수 있는 가능성을 확인하였다. 앞으로 그래핀 기반 물질들이 세포와 세포 외 기질 등 주변 환경에 미치는 영향이나 세포 독성, 적합한 배양 조건에 관한 깊이 있는 연구가 더 진행된다면 충분히 조직 공학적 응용이 가능해 질 것이다PART I : GENERAL INTRODUCTION & LITERATURE REVIEW 1 CHAPTER 1 : General Introduction 2 CHAPTER 2 : Literature Review 9 1. Cartilage 10 1.1. Definition 10 1.2. Composition 10 1.3. Cartilage-related diseases 15 2. Tissue engineering 22 2.1. Definition 22 2.2. Materials . 22 2.2.1 Cells . 23 2.2.2 Biomaterials . 26 3. Cartilage regeneration 29 PART II : EFFECT OF GRAPHENE-BASED MATERIALS ON CHONDROGENIC DIFFERENTIATION OF HUMAN ADIPOSE-DERIVED STROMAL CELLS 31 CHAPTER 1 : Effect of graphene-based materials on chondrogenic differentiation of human adipose-derived stromal cells 32 1. Introduction 33 2. Materials and Methods 39 3. Results 44 4. Discussion 58 PART III : GENERAL DISCUSSION & CONCLUSION 61 1. General discussion and conclusion 62 REFERENCES 66 SUMMARY IN KOREAN 95Maste

Calcium silicate 근관 충전 재료의 실시간 나노 누출

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 치의학대학원 치의과학과, 2021. 2. 이우철.1. Objectives This study aimed to investigate the real-time nanoleakage of calcium silicate (Ca-Si) based root canal filling materials. 2. Materials and Methods Extracted human teeth (n = 30) were decoronated and enlarged apically to size #40 (taper 0.06) using Protaper Next X4 instruments (Dentsply, USA). The teeth were randomly divided into 3 experimental groups and obturated with respective materials; Gutta Percha (GP) with AH 26 sealer using the continuous wave of condensation technique, GP with EndoSeal MTA sealer using the continuous wave of condensation technique, and solely obturated with orthograde Biodentine. The roots were embedded into acrylic resin except the apical 2 mm to prevent leakage through lateral surface and a metal tube was fixed on the coronal orifice by using flowable composite resin. The prepared specimen was connected to a nanoFlow device (IB Systems, Seoul, Korea) under hydrostatic pressure (40 cm∙H2O) and fluid flow was traced through the filled roots. Data were detected at the nanoscale twice per second and automatically recorded in units of nL/s. Leakage was quantified as the mean slope after the curve stabilized over time. Data were statistically analyzed using the Kruskal-Wallis test. The level of significance was set at 5%. 3. Results The calculated leakage values were 0.0670 ± 0.0516 nL/s for GP/AH26, 0.1397 ± 0.1579 nL/s for GP/EndoSeal MTA, and 0.0358 ± 0.0538 nL/s for Biodentine, with no statistically significant differences among the root filling materials (P > 0.05). 4. Conclusion Real-time measurements under hydrostatic pressure with the nanoFlow device enabled precise fluid flow tracing through the root canal filling material. In terms of nanoleakage, the tested root canal filling materials showed no significant differences.1. 목적 본 연구의 목적은 Calcium silicate (Ca-Si) 기반 근관 충전재의 실시간 나노 누출을 조사하는 것이다. 2. 재료 및 방법 30개의 발치된 사람의 단근치의 치관을 제거하고 Protaper Next X4를 사용하여 근관을 확대한 후 세 그룹으로 나누어 각각 Gutta percha (GP) 와 AH26 실러, GP 와 EndoSeal MTA 실러, Biodentine으로 충전하였다. 불필요한 누출을 막기 위해 치근단 2mm 를 제외한 부분을 아크릴릭 레진에 매몰하고 근관 입구에 유동성 복합레진을 사용하여 금속 관을 고정한 뒤, 40cm∙H2O의 정수압 하에서 nanoFlow 장치(IB syetems, Seoul, Korea) 에 연결하여 근관을 통한 미세 누출을 측정하였다. 데이터는 초당 2회, 나노 단위로 감지되었으며 nL/s 단위로 자동 기록되었다. 누출 양은 누출 곡선이 평탄화 된 이후의 평균 기울기로 계산되었다. 데이터는 Kruskal-Wallis 테스트를 사용하여 통계적으로 분석되었다. 유의 수준은 5%로 설정하였다. 3. 결과 계산된 나노 누출 값은 GP/AH26의 경우 0.0670 ± 0.0516 nL/s, GP/EndoSeal MTA의 경우 0.1397 ± 0.1579 nL/s, Biodentine의 경우 0.0358 ± 0.0538 nL/s 로, 재료 사이에 유의한 차이는 나타나지 않았다(P > 0.05). 4. 결론 nanoFlow 장치를 사용함으로써 보다 정확한 근관 충전 재료의 실시간 미세 누출의 측정이 가능하였다. 나노 누출 측면에서 각 근관 충전재 사이에는 큰 차이가 나타나지 않았다.I. Introduction 1 II. Materials and Methods 7 1. Ethics 7 2. Sample size calculation 7 3. Sample preparation 7 4. Nanoleakage measurement . 9 5. Statistical analysis 10 III. Result 11 IV. Discussion 12 V. Conclusion 18 Reference 19 Tables & Figures 27 Korean Abstract 31Docto

가변 토폴로지 트러스 로봇의 안정적인 주행 알고리즘 개발

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계공학과, 2020. 8. 김종원.Variable Topology Truss (VTT) is truss structured modular robot that can self-reconfigure its topology and geometric configuration, which can be usefully applied to rescuing work in disaster site. In this thesis, design of VTT is introduced and stable rolling locomotion algorithm for VTT is proposed. To achieve self-reconfiguration feature, VTT are composed specially designed members and nodes. VTTs members consist of Spiral Zippers which are novel linear actuators that has high extension ratio, light weight and high strength. VTTs nodes consist of Passive Member-Ends and Master Member-Ends. Passive Member-Ends are linkage type spherical joint with large angle range that can accommodate many members. Master Member-Ends are spherical manipulators that built in Sphere and it move member to change topology of VTT. Rolling locomotion of VTT is achieved by controlling the center of mass by geometric reconfiguration. However, the locomotion planning is complex problem, because VTT is parallel mechanism with high degree of freedom and many constraints, which makes it difficult to predict and avoid constraints for feasible planning. Thus, it needs stable algorithm that can find locomotion trajectory even in complicated and large environment. In addition, since VTT has many sophisticated components, the algorithm must prevent VTT being damaged from ground by tumbling. To meet the requirements, proposed locomotion algorithm is composed of 3 steps; support polygon planning, center of mass planning and node position planning. In support polygon planning, support polygon path is planned by newly proposed random search algorithm, Polygon-Based Random Tree (PRT). In center of mass planning, trajectory of desired projected center of mass is planned by maximizing stability feature. Planned support polygon path and center of mass trajectory guide VTT to have good-conditioned shape which configuration is far from constraints and makes locomotion planning success even in complex and large environment. In node position planning, Non-Impact Rolling locomotion algorithm was developed to plan position of VTTs nodes that prevent damage from the ground while following planned support polygon path and center of mass trajectory. The algorithm was verified by two case study. In case study 1, locomotion planning and simulation was performed considering actual constraints of VTT. To avoid collision between VTT and obstacle, safety space was defined and considered in support polygon planning. The result shows that VTT successfully reaches the goal while avoiding obstacles and satisfying constraints. In case study 2, locomotion planning and simulation was performed in the environment having wide space and narrow passage. Nominal length of VTT was set to be large in wide space to move efficiently, and set to be small in narrow passage to pass through it. The result shows that VTT successfully reaches the goal while changing its nominal length in different terrain.가변 토폴로지 트러스 (Variable Topology Truss, VTT)는 토폴로지와 기하학적 형상의 재구성이 가능한 트러스 구조의 모듈 로봇이다. 본 논문에서는 VTT의 설계 구조를 소개하고 VTT의 안정적인 주행을 알고리즘을 제안한다. VTT는 토폴로지와 기하학적 형상의 재구성을 위해 특수한 구조의 멤버와 노드를 가진다. VTT의 멤버는 높은 압축비, 가벼운 중량, 높은 강도를 가진 신개념 선형 구동기인 스파이럴 지퍼로 구성되어 있다. VTT의 노드는 패시브 멤버 엔드와 마스터 엔드로 구성되어 있다. 패시브 멤버는 링키지 구조의 3 자유도 관절로, 넓은 각도 구동 범위를 가지고 있고 많은 수의 멤버를 연결할 수 있다. 마스터 멤버 엔드는 노드 부의 내장된 구형 매니퓰레이터로, 토폴로지 재구성 시 멤버를 이동시키는데 사용된다. VTT는 기하학적 형상을 변화하여 구르는 움직임을 통해 주행한다. VTT의 주행 알고리즘은 서포트 폴리곤 계획 단계, 무게 중심 계획 단계, 노드 위치 계획 단계로 이루어진다. 서포트 폴리곤 계획 단계에서는 새롭게 제안된 무작위 탐색 (random search) 알고리즘인 Polygon-Based Random Tree (PRT)을 적용해 서포트 폴리곤의 경로를 계획한다. 무게 중심 계획 단계에서는 안정성을 최대화하는 VTT의 무게 중심 궤적을 계획한다. 계획된 서포트 폴리곤 경로와 무게 중심 궤적을 VTT가 제한 조건으로부터 먼 좋은 상태의 형상을 유지하게 하여 복잡한 환경에 대해서도 경로 계획이 실패하지 않고 안정적으로 이루어질 수 있도록 한다. 노드 위치 계획 단계에서는 서포트 폴리곤 경로와 노드 위치의 궤적을 추종하는 노드 위치 궤적을 계획한다. 이 과정에서 비충격 롤링 이동 알고리즘 (Non-Impact Rolling locomotion algorithm)을 적용하여 지면과의 충돌로 인한 충격이 일어나지 않는 궤적을 계획한다. 실제 VTT의 제한 조건을 반영한 모델에 본 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, VTT가 모든 제한 조건을 만족하고 장애물을 회피하면서 목표 지점에 도달할 수 있음을 확인하였다.Chapter 1. Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Previous Truss Type Modular Robot 4 1.3 Previous Research on VTTs Locomotion 8 1.3.1 Heuristic Based Methods 9 1.3.2 Optimization Based Method 10 1.4 Objectives of Locomotion Algorithm 12 1.5 Contribution of Thesis 13 1.5.1 Introduction to Hardware Design of VTT 13 1.5.2 Stable Rolling Locomotion of VTT 15 Chapter 2. Design of Variable Topology Truss 17 2.1 Member Design 18 2.1.1 Spiral Zipper 20 2.1.2 Tensioner 26 2.2 Node Design 28 2.2.1 Passive Member-End and Sphere 29 2.2.2 Master Member-End 36 2.3 Control System 40 2.4 Node Position Control Experiment 44 Chapter 3. Mathematical Model of Variable Topology Truss 47 3.1 Configuration and Terminology 47 3.2 Inverse Kinematics 50 3.3 Constraints 51 3.4 Stability Criteria 64 Chapter 4. Locomotion Algorithm 66 4.1 Concept of Locomotion Algorithm 67 4.1.1 Method for Successful Planning and Obstacle Avoidance 67 4.1.2 Method to Prevent Damage from the Ground 71 4.1.3 Step of Locomotion Algorithm 72 4.2 Support Polygon Planning 73 4.2.1 Polygon-Based Random Tree (PRT) Algorithm 73 4.2.2 Probabilistic Completeness of PRT Algorithm 79 4.3 Center of Mass Planning 85 4.4 Node Position Planning 86 4.4.1 Concept of Non-Impact Rolling Locomotion 86 4.4.2 Planning Algorithm for Non-Impact Rolling Locomotion 89 4.4.3 Optimization Problem of Moving Phase 94 4.4.4 Optimization Problem of Landing Phase 98 4.4.5 Optimization Problem of Transient Phase 99 Chapter 5. Experimental Verification 100 5.1 Case Study 1: Actual VTT Prototype 101 5.1.1 Simulation Condition 101 5.1.2 Obstacle Avoidance Method 103 5.1.3 Simulation Result 104 5.2 Case Study 2: Environment with Narrow Passage 111 5.2.1 Simulation Condition 111 5.2.2 Support Polygon Planning with Varying Nominal Length 114 5.2.3 Simulation Result 117 Chapter 6. Conclusion 126 Bibliography 129 Abstract in Korean 134Docto

수학 개념 형성 활동 체계의 성질 및 사례를 중심으로

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 사범대학 수학교육과, 2023. 8. 권오남.Activity Theory is a theory that views learning and the development of consciousness as the result of activity-centered social interactions. It goes beyond the perspective that focuses solely on individual cognitive development and provides a theoretical framework for understanding and analyzing learning in various contexts, such as society, culture, and communities. This study is motivated by the desire to explore the possibility of explaining the process of mathematical concept formation through an activity system based on activity theory, which can account for human activities in various contexts. To achieve this, the study aims to develop an activity system from the viewpoint of mathematical concept formation, propose an analysis method, and derive the features of the mathematical concept formation activity system through the analysis of class cases based on these. To achieve the research objectives, the study formulated three research questions and provided answers to them. First, what are the contexts and features of the components of activity theory from the viewpoint of mathematical concept formation, and how can a mathematical concept formation activity system be defined based on these components and features? Second, how can mathematical concept formation activities be analyzed through the mathematical concept formation activity system? Third, what are the features of the mathematical concept formation activity system derived from the analysis results? The development research of Activity Theory is not only the subject of study but also a general research methodology. This study consists of two parts, in line with the nature of research on Activity Theory development. Firstly, it constructs a conceptual framework of the activity system by defining the features of the activity system and its components from the viewpoint of mathematical concept formation through literature research. It also proposes an analysis method. Secondly, it conducts a qualitative case study that analyzes specific and comprehensive actual-class cases using the proposed analysis method. To answer the first research question, this study examined theories that align with the components of activity theory from the perspective of mathematical concept formation and derived their contexts and characteristics. Based on this, the study defined the MCFAS(Mathematical Concept Formation Activity System). The key findings of the study are as follows: the study conceptualized the components of the activity system in accordance with the features of mathematical concept formation. Using these components, the study constructed the conceptual framework of the MCFAS, which serves as a tool to expand the analysis of mathematical concept formation activities from both up-down and outward-inward perspectives. The conceptual framework distinguishes perspectives of analysis into micro perspectives, which include the learning space and time within the classroom, situational context of tasks, and macro perspectives, which encompass the learning space and time outside the classroom and the individual's socio-cultural context. It demonstrates the potential for diverse networking of these perspectives. To answer the second research question, this study proposed an analysis method for the defined mathematical concept formation activity system (MCFAS) and used it to analyze mathematical concept formation activities in a case of a class targeting 9th-grade middle school students. The key findings of the study are as follows: Based on the learning objectives of the instructional tasks, the study constructed 16 central MCFASs and analyzed each central MCFAS in concrete terms by considering neighbor MCFASs such as tool-producing activities, object activities, and rule-producing activities as the units of analysis.To more comprehensively analyze the process of mathematical concept formation through the MCFAS, the study focused on the domains of action and context within the conceptual framework of the MCFAS. This study examined how mathematical concepts are formed by observing the process of developing proficiency in using mathematical tools and the process of reaching a consensus on mathematical concepts through interactions among individuals. To answer the third research question, this study proposed an extended diagram of the mathematical concept formation activity system based on the analysis results and derived four features of the MCFAS. The key findings of the study are as follows: The activity system in activity theory is not a highly predictive theory but a set of fundamental principles that constitute a general conceptual framework. Through the results of this research, a series of principles that make up the MCFAS, which can be applied to the mathematics teaching and learning environment, were derived by modifying and enhancing the basic principles of the activity theory model. First, MCFAS exhibits a unit feature. MCFAS sets the simplest unit as the minimum unit activity goal for mathematical concept formation, as determined by the researcher, and establishes criteria to avoid reducing or distorting it based on the outcomes. The minimum unit MCFAS can be further decomposed into smaller units or integrated, depending on the objectives of instruction or analysis, while retaining integrability and potential for expansion. Second, the MCFAS exhibits object-orientedness. The objects created by students may appear meaningless from the teacher's perspective, but objects that students naturally and intuitively generate while solving tasks become part of mathematical concepts. Through interaction with various environments, students move between objects and reconceptualize them, thereby reproducing objects that encompass not only simple mathematical symbols and symbolic representations but also information on how to manipulate them, students' thinking and expression styles, and even affective factors. Third, the MCFAS exhibits contextuality. Activity theory strives to connect various directions as it shifts the focus of analysis towards human activity. Forming mathematical concepts within the MCFAS means forming concepts not only from a micro, behavioral perspective but also from a macro, contextual perspective. The object-orientedness of the MCFAS can be explained through ecological phenomena within the context. Lastly, the MCFAS exhibits adaptability. MCFAS enables the tracking and observation of dynamic relationships between components and individual, sociocultural changes. The changes in one component are connected to changes in the whole, and this feature serves as a motivation and necessity for ongoing research to explore the transformation of MCFAS's composition and validate its outcomes. The conceptual framework and analysis method proposed through this study have the potential to provide a way to accommodate the changes in diverse learning environments, including the rapidly changing social environment and the application of technology in school mathematics education. They offer the possibility of establishing criteria to adapt to these changes and continue to progress. By providing a conceptual framework that embraces tools and sociocultural environments as domains of action and context of learning activities, it can enable a comprehensive understanding of learners' mathematical concept formation processes from various perspectives and provide methods to support teaching and learning accordingly.활동이론(Activity Theory)은 학습과 의식의 발달을 활동 중심의 사회적 상호작용에 따른 결과로 보는 이론으로, 학습을 기존에 개인의 인지적 발달에 중점을 둔 관점을 넘어서 사회, 문화, 공동체 등 다양한 맥락에서 바라보고 분석하는 이론적 틀을 제공하고 있다. 이 연구는 인간 활동을 다양한 맥락에서 설명 가능한 활동이론을 기반하여 수학 개념 형성 과정을 활동 체계로 설명할 수 있는 가능성을 확인하고자 하는 연구 동기를 가진다. 이에 이 연구는 수학 개념 형성의 관점에서 활동 체계를 개발하고 분석 방법을 제안한 후, 이를 바탕으로 한 수업 사례의 분석을 통해 수학 개념 형성 활동 체계의 성질을 도출하는 것을 연구의 목적으로 한다. 연구 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 세 가지 연구 질문을 설정하고 이에 답하였다. 첫째, 수학 개념 형성의 관점에서 활동이론의 구성 요소는 어떠한 맥락과 특성을 가지며, 이를 기반으로 한 수학 개념 형성 활동 체계는 어떻게 정의될 수 있는가? 둘째, 수학 개념 형성 활동은 수학 개념 형성 활동 체계를 통해 어떻게 분석될 수 있는가? 셋째, 분석 결과를 통해 도출된 수학 개념 형성 활동 체계의 성질은 무엇인가? 활동이론의 개발 연구는 그 자체로 연구의 대상일 뿐만 아니라 일반적인 연구 방법론이기도 하다. 이 연구는 활동이론 개발 연구의 특성에 따라 두 가지 연구 방법을 통해 수행된다. 첫째, 문헌 연구를 통해 수학 개념 형성의 관점에서 활동이론의 활동 체계 및 구성 요소의 특성을 정의함으로써 활동 체계의 개념적 틀을 구성하고 분석 방법을 제안한다. 둘째, 제안된 분석 방법을 통해 실제 수업 사례를 구체적이고 종합적으로 분석하는 질적 사례연구를 수행한다. 첫 번째 연구 질문에 대한 답을 위해 수학 개념 형성의 관점에서 활동이론의 구성 요소에 부합하는 이론들을 고찰하고 이를 통해 구성 요소가 가지는 맥락과 특성을 도출한 후 이를 기반으로 수학 개념 형성 활동 체계를 정의하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다. 수학 개념 형성의 특성에 따라 활동 체계의 구성 요소의 개념을 구체화하고, 이 구성 요소를 바탕으로 수학 개념 형성의 분석을 위, 아래 그리고 안과 밖으로 확장하는 도구로서 수학 개념 형성 활동 체계(Mathematical Concept Formation Activity System : MCFAS)의 개념적 틀을 구성하였다. 개념적 틀은 분석의 관점을 미시적 관점 즉, 수업 안의 학습 공간 및 시간, 과제의 상황적 맥락 및 거시적 관점 즉, 수업 밖의 학습 공간 및 시간, 개인의 사회문화적 맥락에 두는 관점들로 구분하고, 관점을 다양하게 네트워킹할 수 있는 가능성을 보여주었다. 두 번째 연구 질문에 대한 답을 위해 MCFAS를 바탕으로 한 분석 방법을 제안하고 이를 통해 실제 중학교 3학년 학생들을 대상으로 한 수업의 사례에서 수학 개념 형성 활동을 분석하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다. 수업 과제의 학습 목표를 기반하여 열여섯 개의 중심 MCFAS를 구성하고 각 중심 MCFAS를 도구-생산 활동, 객체 활동, 규칙-생산 활동과 같은 주변 MCFAS를 분석 단위로 구체적으로 분석하였다. MCFAS를 통한 수학 개념 형성 과정을 보다 종합적으로 분석하기 위해 MCFAS의 개념적 틀의 행위 및 맥락의 영역에 초점을 맞추어 수학적 도구 사용이 능숙해지는 과정과, 주체 간 상호작용을 통해 수학 개념을 합의하는 과정을 통해 수학 개념이 어떻게 형성되는지 확인하였다. 세 번째 연구 질문에 대한 답을 위해 분석 결과를 바탕으로 확장된 수학 개념 형성 활동 체계의 도식 사례를 제시하고, 수학 개념 형성 활동 체계가 가지는 네 가지 성질을 도출하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다. 활동이론의 활동 체계는 고도의 예측 이론이 아닌, 일반적인 개념 체계를 구성하는 일련의 기본 원칙이다. 이 연구의 결과를 통해 활동이론 모델의 기본 원리를 수정·보완하여 수학 개념 형성 활동 체계를 구성하는 일련의 원칙, 즉, 수학 교수·학습 환경에 적용되는 MCFAS의 기본 성질을 다음과 같이 도출할 수 있었다. 첫째, MCFAS는 단위적 특성을 가진다. MCFAS는 연구자가 설정한 학습 활동의 목표가 되는 수학 개념 형성을 위한 가장 단순한 단위를 최소단위 활동 목표로 보고 이를 축소 또는 왜곡하지 않는 기준을 결과물을 통해 잡아갈 수 있다. 최소단위 MCFAS는 교수·학습 활동의 목표나 분석의 목적에 따라 더 작은 단위로 분해될 수도 있으며 통합될 수 있는, 통합성 및 확장 가능성을 가진다. 둘째, MCFAS는 객체 지향성을 가진다. 학생들이 생성하는 객체는 교사의 입장에서 무의미한 개념이 될 수도 있지만, 학생들이 과제를 해결하는 동안 자연스럽고 직관적으로 생성하는 객체는 수학 개념의 일부가 된다. 학생들은 다양한 환경과의 상호작용을 통해 객체와 객체 사이들을 이동하고 재개념화하는 과정을 통해 단순한 수학적 부호, 기호 상징만이 아닌, 그것을 조작하는 방법에 대한 정보, 학생의 생각 및 표현 방식 그리고 정의적인 요인까지도 포함하는 객체를 재생산해 내었다. 셋째, MCFAS는 맥락성을 가진다. 활동이론은 인간 활동에 대한 분석의 방향을 이동하면서 여러 방향을 연결하기 위해 노력한다. MCFAS에서 수학 개념을 형성한다는 것은 미시적, 행위적 관점에서 뿐만 아니라, 거시적, 맥락적 관점에서 개념을 형성한다는 것이다. MCFAS의 객체 지향성은 맥락성 안에서 생태학적 현상으로서의 활동을 통해 설명될 수 있다. 마지막으로 MCFAS는 변형 가능성을 가진다. MCFAS는 구성 요소간의 동적인 관계와 개인적, 사회문화적인 변화를 추적 관찰할 수 있게 한다. 한 가지 구성 요소의 변화는 전체의 변화와 연결이 되어 있으며 이러한 성질은 MCFAS의 구성을 변형해보고 그 결과를 입증하는 연구가 지속되어야 하는 동기이자 필요성이 될 것이다. 이 연구를 통해 제안한 개념적 틀과 분석 방법을 통해 학습자의 수학 개념 형성 과정을 이해하려는 시도는 학교 수학교육에 급변하는 사회적 환경 및 테크놀로지를 적용 하는 등 다양한 학습 환경의 변화를 수용하고 그 기준을 마련해 나갈 수 있는 방법을 제공해줄 수 있게 할 것이다. 또한 이를 통해 학습자의 수학 개념 형성 과정을 다양한 측면에서 이해하고 이에 따른 교수·학습을 지원할 수 있는 방법을 제공해 줄 수 있을 것이다.제 1 장 서론 1 제 2 장 이론적 논의 7 제 1 절 활동이론 7 1. 활동이론의 전개 9 1.1 철학적 토대 9 1.2 기호학과 상징적 상호작용론 13 2. 확장학습 19 3. 활동이론의 기본 원리 및 주요 개념 23 제 2 절 구성주의와 수학 개념 형성 28 1. 구성주의와 수학 지식의 구성 28 2. 수학 개념 형성 이론 32 2.1 수학 개념 형성 과정의 특성 32 2.2 수학 개념 형성과 수학적 객체 41 제 3 절 이론적 논의를 통한 도구, 객체, 주체의 정의 45 1. 수학 개념 형성 과정에서의 도구와 객체의 정의 45 2. 수학 개념 형성 과정에서의 주체의 정의 51 제 3 장 연구 방법 56 제 1 절 연구 절차 및 방법 56 제 2 절 연구 참여자 및 수업 배경 58 제 3 절 수업 과제 설계 60 제 4 장 연구 결과 67 제 1 절 수학 개념 형성 활동 체계(MCFAS) 67 1. 수학 개념 형성 활동 체계의 개념적 틀 68 2. MCFAS 분석의 관점 75 제 2 절 최소단위 MCFAS를 통한 수업 분석 78 1. 기댓값 개념 형성을 목표로 하는 활동 79 1.1 게임을 선택한 이유를 정당화하는 MCFAS-1 79 1.2 기댓값을 나타내고 두 게임의 기댓값이 같다는 결과물을 도출하는 MCFAS-2 87 2. 표준편차 개념 형성을 목표로 하는 활동 94 2.1 두 게임의 차이를 수학적으로 표현하는 모델을 도출하는 MCFAS-3 94 2.2 다른 학생의 및 교사의 모델과 자신의 모델을 비교하는 MCFAS-4 100 제 3 절 주체의 변환을 중심으로 한 MCFAS 106 1. 주체의 행위 영역에서의 수학 개념 형성 107 1.1 용준이의 행위 영역에서의 개념 형성 107 1.2 수현이의 행위 영역에서의 개념 형성 110 1.3 건우의 행위 영역에서의 개념 형성 111 1.4 동혁이의 행위 영역에서의 개념 형성 113 2. 주체의 맥락 영역에서의 수학 개념 형성 115 제 4 절 MCFAS 확장 도식의 사례 및 MCFAS의 성질 121 제 5 장 요약 및 제언 135 참고문헌 141 부록 1 157 부록 2 167 Abstract 169박

효율적이고 안전한 에너지 저장을 위한 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터 용 전극물질의 개발과 아키텍쳐링

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 화학생물공학부, 2016. 2. 이종협.Occasional reports on accidental explosions that appear in the news, increases the safety concerns of using Li ion batteries (LIBs). The scope of LIB is expanding toward large-scale energy storage systems such as electrified transportation and smart grids. Considering these facts, manufacturers and consumers now have concerns regarding the safe use of such devices. The high voltage anode materials have greatly relieved the unstable state of LIB during operation because they can exclude the uneven plating of lithium and reductive electrolyte decomposition. Although various titanium based oxides have been developed as high voltage anode, low capacity or poor potential flatness still severely hinder their industrial usage. In this dissertation, two types of titanium-based crystals are proposed, and they exhibited enhanced Li storage performance as high voltage anode materials as follows. A c-channel that is formed inside stacked (001) planes in rutile TiO2 exhibits the lowest energy barrier for Li migration. In this regard, the rational design of a TiO2 architecture for stacked (001) planes is needed in order to maximize Li storage. Here, a three-dimensional and dendritic TiO2 sphere comprised of c-channel specialized nanorods is proposed, which can be prepared via the specific adsorption of chlorine ion on the (110) plane. Along with a confined Li pathway, such radially assembled TiO2 nanorods show a low intercrystalline resistance. When fabricated into an electrode, the three-dimensional and dendritic TiO2 sphere is capable of delivering an almost 100% Coulombic efficiency in conjunction with long cycle charge/discharge stability (300 cycles). This approach, which is based on theoretical studies and experimental validation, provides guidance for tailoring electrode materials for use in Li storage systems. H2Ti12O25 (HTO), a recently discovered anode material for LIB, has outstanding electrochemical performance compared to other high voltage materials. However, its thermodynamic/kinetic properties as a Li host have not been thoroughly investigated yet. In this study, the Li storing behavior of HTO was intensively characterized by a combined theoretical experimental study. In addition, the strong dependence of electrochemical performance on Li diffusion kinetics stimulated us to develop a nanostructured HTO which provides incorporated Li with a short diffusion length inside a nano-crystal. As a result, the nanostructured HTO showed upgraded Li storage performance. This work suggests that the HTO is one of the most competitive material found to date for the construction of advanced LIB with excellent safety and stability. Electrochemical capacitors (so-called supercapacitors), with high power density and superior cycling ability, are considered to be one of the most stable and safe energy storage systems. High power as well as reasonably high energy density are provided, supercapacitors are likely to be regarded as a representative energy storage system along with batteries. The common challenge in supercapacitor design is the resistive behavior originated from sluggish ion transport, poor electrical conductivity, and high charge transfer resistance, which increases equivalent series resistance of overall cell. In addition, a variety of activation process for the increase of surface area not only are involved in harmful chemicals or toxic metals but also lower its cost-effectiveness. In this dissertation, two strategies for resolving above-mentioned challenging points are proposed3D bicontinuous metal-carbon hybrid and organic gel-wrapped MnO2 thin fim electrode. The three dimensionally aligned bicontinuous carbon and metal hybrids are synthesized. The resulting material shows a significantly high rate capability up to 1,000 V s-1. The proposed strategy exploits an agarose gel as a template for the simultaneous construction of three dimensional (3D) carbon structures filled with a metal-lined architecture in supercapacitors. The carbon framework with three dimensional and interconnected metal lines inside minimizes both empty inner pores and electron transfer barriers, which results in a substantial reduction of the overall electrode resistance. In addition, it can be used for the filteration of voltage ripples due to the ultrafas7t response with high efficiency. A robust hybrid film containing MnO2 was prepared for achieving large areal capacitances. An agarose gel, as an ion-permeable and elastic layer coated on a current collector, plays a key role in stabilizing the deposited pseudocapacitive MnO2. Cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy data indicate that the hybrid electrode is capable of exhibiting a high areal capacitance up to 52.55 mF cm-2, with its superior structural integrity and adhesiveness to the current collector being maintained, even at a high MnO2 loading. The emergence of body-centric power generators such as piezoelectric/solar cell and the functional/morphological evolution of smart phones have created a need for advanced devices for energy storage. In order to meet the power demand of such devices, the construction of a series of unconventional energy storage systems have been developed in the past few years, which enable one to achieve flexible, foldable, and stretchable characteristics. In order to secure their stability and safety of energy storage platform under mechanically stressed conditions, the primary requirements of electrode materials include robust electrical connectivity and mechanical endurance. In the last part of this dissertation, a lint taping method is described for the fabrication of thin layer of conducting network using graphite felt. An all-solid-state, completely foldable and washable energy storage platform was fabricated. By adopting it as a supercapacitor electrode, the physical characteristics and electrochemical properties of such a GFCN are identified. A constructed graphitic fiber network derived from conventional graphite felt was readily assembled into a full-cell by its self-adhering architecture. The as-prepared system exhibits high mechanical properties under various folding motifs and washable characteristics without capacitance fading by virtue of the robust electrical connectivity of the fibrous graphite network and intimate contact between the polymeric gel electrolyte and the electrodes. The collected results suggest that this supercapacitor system is a promising candidate for practically available and wearable energy storage systems with high cost-effectiveness and scalability.Chapter 1. Introduction 1 1.1 Toward safe and efficient Li-ion batteries: Development of high voltage anode materials 1 1.1.1 Development of Li-related batteries from a safety standpoint 1 1.1.2 Challenges in development of high voltage anode materials for use in LIBs 2 1.1.3 Strategy 1: c-channel specialized TiO2 sphere as high voltage anode materials 4 1.1.4 Strategy 2: H2Ti12O25 nanostructures as high voltage anode materials 6 1.2 Toward safe and efficient supercapacitors: Development of hybrid electrode materials 14 1.2.1 Development of supercapacitors for safe and reliable energy storage systems 14 1.2.2 Challenges facing supercapacitors 15 1.2.3 Strategy 1: Bicontinuous metal/carbon hybrid as high power supercapacitor electrodes 15 1.2.4 Strategy 2: Hybrid MnO2 film for enhancing the structural integrity of thin film supercapacitor electrodes 17 1.3 A system level approach to construct robust energy storage platform enduring mechanical stress 23 1.4 Objectives 26 Chapter 2. Radial Alignment of c-Channel Nanorods in 3D Porous TiO2 for Eliciting Enhanced Li Storage Performance 28 2.1 Experimental 28 2.1.1 Preparation of TiO2 materials 28 2.1.2 Characterizations 29 2.1.3 Electrochemical measurements 29 2.1.4 Computational details 30 2.2 Results and discussion 32 2.2.1 Li diffusion dynamics inside rutile TiO2 32 2.2.2 Synthesis of 3D-TS 33 2.2.3 Characterization of 3D-TS 35 2.2.4 Anisotropic growth of TiO2 nanorods 37 2.2.5 Electrochemical analyses 38 Chapter 3. Nanostructured H2Ti12O25 as a Superior High Voltage Anode Materials for Li-Ion Batteries 67 3.1 Experimental 67 3.1.1 Synthesis of H2Ti12O25 67 3.1.2 Characterizations 68 3.1.3 Electrochemical measurements 68 3.1.4 Computational details 69 3.2 Results and discussion 70 3.2.1 Structural evolution during synthesis of HTO 70 3.2.2 Characterizations of HTO made from phase-pure TiO2 70 3.2.3 Diffusion properties of Li inside HTO 72 3.2.4 Effect of operating temperature on Li storage performance 74 3.2.5 Kinetic gap of structural transformation from TiO2 to Na2Ti3O7 75 3.2.6 Synthesis and Li storage performance of nanostructured HTO 78 Chapter 4. 3D Bicontinuous Metal/Carbon Hybrid using an Agarose Gel for Ultra-Fast Charge/Dischargeable Supercapacitor Electrodes 105 4.1 Experimental 105 4.1.1 Fabrication of bicontinuous carbon and 3D Au composites 105 4.1.2 Physicochemical characterizations 105 4.1.3 Electrochemical characterizations 106 4.1.3 Calculations 106 4.2 Results and discussion 107 4.2.1 Preparation of the 3D metal/carbon composite 107 4.2.2 Electrochemical properties of the 3D metal/carbon composite 109 Chapter 5. Hybrid MnO2 Film with Agarose Gel for Enhancing the Structural Integrity of Thin Film Supercapacitor Electrodes 125 5.1 Experimental 125 5.1.1 Fabrication of hybrid MnO2 electrodes 125 5.1.2 Characterizations 125 5.1.3 Calculations 126 5.1.4 3D finite elemental method modelling 127 5.1.5 Density functional theory calculations 128 5.2 Results and discussion 129 5.2.1 Synthesis and characterization of agarose gel-wrapped MnO2 electrode 129 5.2.2 Electrochemical measurements 131 Chapter 6. Robust Energy Storage Platform with Foldability and Washability 147 6.1 Experimental 147 6.1.1 Preparation of graphit felt-based conducting network (GFCN) electrode 147 6.1.2 Assembly of a full-cell system 147 6.1.3 Oxidation of graphite felt 148 6.1.4 Characterizations 149 6.1.5 Calculations 149 6.2 Results and discussion 151 6.2.1 Selection of optimal adhesive substrate 151 6.2.2 Assembly of full-cell 154 6.2.3 Electrochemical measurements 155 6.2.4 Folding tests 156 6.2.5 Washing tests 157 6.2.6 Improvement of capacitance via surface treatments 159 Chapter 7. Summary and Conclusions 179 Chapter 8. Recommendation for Further Research 182 Bibliography 183 요약 (국문초록) 198 List of publications 204Docto

Perception and Inner Struggle Experienced by Nursing Students in Relation with Infection Management through Observation and Performance of Infection Control Activities

Purpose: To study the internal psychological conflicts among nursing students during an infection control protocol carried out in the hospital by measuring their observation skills and performance during clinical training. Methods: Investigation of both pre- and post- infection control was conducted using questionnaires for clinical infection practices. We identified and evaluated the students observation skills, clinical performance, clinical perception,and internal conflict regarding clinical infection control. We also interviewed the students as part of our study. Results: Among parameters such as clinical performance, observation skills, clinical perception, and internal conflict, the average observation skills (t=5.49, p<.001) were significantly lower, while internal conflict among students (t=-7.23, p<.001) was significantly higher than expected prior to clinical training. Generally, there was a negative correlation between observation skills and internal conflict in every aspect of infection control practice (r=-.281, p=.031). Internal conflict was significantly higher than expected in the context of hand hygiene (t=-2.135, p=.037), personal hygiene (t=-3.48, p=.002), and ventilator management (t=-3.69, p<.001). Clinical performance of students in the context of hand hygiene (t=4.69, p<.001), personal hygiene (t=2.06, p=.044), and ventilator management (t=2.68, p<.001) was significantly lower than expected prior to clinical training. Conclusion: Our findings showed that internal psychological conflict is higher when infection control practices are observed or performed to a lesser degree. Therefore, reinforcing education regarding infection control among students, such as developing a systematic program, or consecutive training and monitoring, is suggested

Symptom experience, Self-efficacy, Depression and medication adherence in patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease

만성 폐쇄성 폐질환은 비가역적 염증성 호흡기질환으로 질병 악화와 완화를 반복하기 때문에 증상을 조절하고 질병 진행의 지연을 위해서는 약물복용 이행이 중요하다. 호흡곤란, 피로 등의 증상은 환자의 기동성을 저해하여 사회적 고립으로 이어져 우울과 자기 효능감 저하 등의 심리적 요인에 영향을 주며 이행에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구는 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 증상경험, 자기 효능감, 우울과 약물복용 이행 간의 관계를 확인하기 위한 서술적 상관관계 연구이다. 연구 대상자는 만성 폐쇄성 폐질환을 진단받고 외래 추적관찰 중인 환자 100명을 대상으로 하였다. 자료 수집은 2015년 10월 19일부터 2015년 11월 24일까지 시행되었다. 증상경험은 Jones, Quirk, &amp;amp; Baveystock (1991)이 개발한 St. George Respiratory Questionnaire을 변민광 외 (2006)가 번안한 것을 이용하여 측정하였고, 자기 효능감은 Lorig et al. (1996)이 개발하고 Kim, Chae, &amp;amp; Yoo (2012)가 번안한 만성 질환 자기 효능감 측정도구를 사용하여 측정하였다. 우울은 Radloff (1977)가 개발하고 조맹제 (2000)가 번안한 Center for Epidemiologic Studies Depression을 이용하여 측정하였고, 약물복용 이행은 Morisky, Krousel-Wood, &amp;amp; Ward (2008)가 개발하고 Lee et al. (2013)이 번안한 Morisky Medication Adherence Scale을 사용하여 측정하였다. 수집된 자료는 SPSS 21 통계 프로그램을 이용하여 각각 기술통계, t-test, one-way ANOVA, Tukey HSD 사후검증, Spearman correlation coefficient를 이용하여 분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. 1. 대상자의 증상경험은 평균 48.33±11.41점, 자기 효능감은 평균평점4.85±1.01점, 우울은 평균 24.41±8.56점 이었다. 2. 대상자의 약물복용 이행 정도는 낮은 이행도가 77%, 중간 이행도가 13%, 높은 이행도가 10% 이었다. 3. 대상자의 증상경험은 연령, 결혼상태, 교육정도, 직업 유무, 월수입, 동거유형, 일상 활동 수준, 이환기간, 하루 약물 복용 횟수, 동반질환 유무에 따라 유의한 차이가 있었다. 4. 대상자의 자기효능감은 결혼상태, 교육정도, 직업 유무, 월수입, 동거유형, 하루 약물 복용 횟수, 약 복용 시 도와줄 사람에 따라 유의한 차이가 있었다. 5. 대상자의 우울은 성별, 연령, 결혼상태, 교육정도, 직업 유무, 월수입, 동거유형, 일상 활동 수준, 이환기간, 하루 약물 복용 횟수, 약 복용 시 도와줄 사람에 따라 유의한 차이가 있었다. 6. 대상자의 약물복용 이행은 연령, 결혼 상태, 월수입, 하루 약물 복용 횟수, 약 복용 시 도와줄 사람, 약물부작용 경험에 따라 유의한 차이가 있었다. 7. 증상경험은 자기 효능감과 부적 상관관계, 우울과 정적 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 자기 효능감은 우울과 부적 상관관계, 약물복용 이행과 정적 상관관계가 있으며, 우울은 약물복용 이행과 부적 상관관계가 있었다. 이상의 연구 결과를 통해, 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 증상경험이 클수록 우울이 높고 자기효능감이 낮은 것으로 나타났고, 자기효능감이 높을수록 우울이 낮고 약물복용 이행이 높으며, 우울이 높을수록 약물복용 이행이 낮은 것으로 나타났다. 따라서 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 약물복용 이행 증진을 위해 자기 효능감을 증진시키고 증상경험과 우울을 감소시키기 위한 중재 개발이 필요하다고 사료된다.;The purpose of the study was to investigate the correlation of symptom experience, self-efficacy, depression and medication adherence in patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease. The subjects consisted of 100 patients from one general hospital in Seoul. The data was collected from Oct 19th 2015 to Nov 24th 2015. The structured questionnaires include St George’s respiratory questionnaire, Chronic Disease Self-Efficacy Scale, Center for Epidemiologic Studies Depression Scale, and Morisky Medication Adherence Scale. The collected data were analyzed using descriptive statistics, t-test, one-way ANOVA, Spearman correlation coefficient using SPSS 21.0 program. The major findings of the study were as follows: 1. The mean score was 48.33±11.41 for symptom experience, 4.85±1.01 for self-efficacy, 24.41±8.56 for depression. 2. The percentage of medication adherence was 77% for high adherence, 13% for medium adherence, 10% for low adherence. 3. Medication adherence differed significantly for age (χ2=16.27, p=.012), marital status (χ2=7.95, p=.019), economic level (χ2=15.81, p=.003), number of prescribed medication (χ2=11.79, p=.019), helper for taking medication (χ2=8.02, p=.018), experience of adverse drug effect (χ2=7.73, p=.021). 4. Symptom experience and depression were positively correlated (r=.405, p&amp;lt;.001), symptom experience and self-efficacy were negatively correlated (r=-.211, p=.035). Depression was negatively correlated with self-efficacy (r=-.603, p&amp;lt;.001) and medication adherence (r=-.475, p&amp;lt;.001). Self-effiacy and medication adherence were positively correlated ( r=.759 p&amp;lt;.001). The findings of this study indicated that medication adherence was reported to have correlations with depression and self-efficacy and symptoms experience have correlations with depression and self-efficacy. Therefore, it is necessary to develop nursing care interventions to increased medication adherence with nursing care while decreasing symptom experience, depression and increasing self-efficacy.Ⅰ. 서론 1 A. 연구의 필요성 1 B. 연구의 목적 4 C. 용어 정의 5 Ⅱ. 문헌고찰 7 A. 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 약물복용 이행 실태 7 B. 약물복용 이행과 증상경험, 자기 효능감, 우울 10 Ⅲ. 연구방법 14 A. 연구 설계 14 B. 연구 대상 14 C. 연구 도구 14 D. 자료 수집 기간 및 방법 17 E. 자료 분석 방법 17 F. 연구의 윤리적 고려 18 G. 연구의 제한점 18 Ⅳ. 연구 결과 및 논의 20 A. 연구대상자의 일반적 특성 및 질병관련 특성 20 B. 연구대상자의 증상경험, 자기 효능감, 우울, 약물복용이행 23 C. 일반적 특성 및 질병관련 특성에 따른 증상경험, 자기 효능감, 우울, 약물복용 이행의 차이 27 D. 증상경험, 자기 효능감, 우울, 약물복용 이행 간의 관계 34 Ⅴ. 결론 및 제언 37 A. 결론 37 B. 제언 40 참고문헌 41 부록1. IRB 승인통지서 54 부록2. 연구 대상자 설명문 및 동의서 56 부록3. 설문지 60 ABSTRACT 7