모세관 현탁액의 입자 시뮬레이션을 위한 근사적 접근법

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 화학생물공학부, 2022. 8. 안경현.모세관 현탁액은 하나의 고체와 두개의 섞이지 않는 유체들을 포함하는 3상계 시스템이다. 두 유체 중 소량으로 첨가되는 유체를 2차 유체라고 하며 2차 유체가 1차 유체에 분산되어 있는 입자들 사이에 위치하며 샘플-스패닝 구조를 형성하게 되고, 이는 유변 물성의 큰 변화로 이어지게 된다. 현재까지의 모세관 현탁액에 대한 시뮬레이션 연구는 국소 응집체나 형태에 대한 작은 규모의 분석에만 국한되어 있다. 본 논문에서는 2차 유체와 입자 간의 상호 작용을 근사하는 입자 시뮬레이션으로 모세관 현탁액을 묘사하는 방식이 제안되었고, 이를 통해 흐름 하에서의 모세관 현탁액의 구조와 유변 물성을 조사하였다. 실제 자유 계면을 푸는 과정에 포함되는 다수의 편미분 방정식들과 계산을 위해 필요한 많은 양의 계산 자원으로 인해 근사적 접근법은 모세관 현탁액을 입자 시뮬레이션으로 구현하는 데 있어서 필수적이다. 두 유체의 자유 계면은 구형으로 가정되었으며 고체 표면에서 부분적으로 겹쳐질 수 있고 부피가 일정하다는 가정을 적용시켰다. 입자를 이어주는 2차 유체 로부터 기인하는 모세관력은 입자와 2차 유체 간 거리가 변하며 생기는 표면 에너지의 차이를 고려함으로써 묘사되었다. 2차 유체가 입자와 만났을 때 2차 유체의 부피 유지를 위해 반경이 커지게 되며 2차 유체가 입자와 떨어질 때도 마찬가지로 묘사된다. 표면적의 변화는 표면 에너지의 변화로 이어지게 되며 입자 간 작용하는 힘은 이 표면 에너지를 최소화 하는 방향으로 작용된다. 이 방법론을 통해 다양한 조건에서 모세관 현탁액의 형성이 실험되었음며 샘플-스패닝 구조가 얻어졌다. 이 때 모세관 현탁액의 구조와 모세관력을 결정짓는 특성 변수들로는 입자의 부피분율(ϕp), 2차 유체의 부피분율(ϕf), 3상 접촉각(θ), 2차 유체와 고체 간의 크기비(κ)가 있다. 각각의 특성 변수가 모세관 현탁액의 형성과 구조에 미치는 영향들은 응집체 크기 분석, 본드 넘버 분석, 유변 물성을 통해 조사되었고, 다양한 조건의 믹싱 프로토콜의 영향 또한 조사되었다. 특성 변수들의 최적값을 가지고 25 vol%의 입자 부피분율, 2 vol%의 2차 유체 부피분율, 92도의 3상 접촉각, 0.4의 2차 유체와 고체 간의 크기 비를 가지는 모델 모세관 현탁액을 형성하였고, 이 모델 모세관 현탁액의 구조 및 흐름 특성이 조사되었다. 보다 더 정확한 유변 물성 측정을 위해 10,000개의 입자와 부피 분율과 크기비에 상응하는 개수의 2차 유체가 들어갔다. 2차 유체 부피 분율 변화에 따른 저전단 점도의 경향성은 실험에서 저전단 점도가 2차 유체 부피 분율에 대해 가지는 의존성과 비슷한 결과를 보여주었다. 레잇 스윕 분석을 통해 모세관 현탁액이 강한 전단 박화를 보여줌을 알 수 있었으며, 낮은 전단 속도의 영역에서는 국소 동결로 인해 전단 응력의 급격한 경사 변화가 일어나는 것을 관찰할 수 있었다. 무차원 전단 속도가 0.5보다 낮을 때 시뮬레이션의 흐름 특성들은 국소 동결의 징후를 보였고 리즈-에드워즈 경계 조건으로 인해 나타나는 국소 동결은 재어진 점도나 응력에 반영되지 않았다. 따라서, 동결된 부분의 국소 물성들은 전체적인 물성들과 분리되어 따로 조사되었다. 국소 물성들은 시뮬레이션 영역을 y 방향으로 잘게 나눈 후 각각의 구획에서 측정한 입자의 속도와 응력을 통해 측정되었다. 국소 동결이 일어나는 부분에서 국소 응력은 국소 변형과 비례하게 증가하는 양상을 보였으며 이는 탄성의 발현으로 볼 수 있다. 이는 물질이 주어진 변형에 저항하여 구조를 유지하려는 것을 나타내고 주어진 변형과 관찰되는 변형 간의 차이는 항복 응력의 영향으로 해석될 수 있다. 다른 전단 속도에서도 국소 동결이 발생하는 전단 속도에 한하여 국소 물성 분석이 이루어졌으며, 탄성이 사라지는 응력의 값이 측정되었다. 이 항복 응력은 무차원 형태로 5.7의 값을 가지는 것으로 계산되었고, 이는 이전 연구에서 보고된 값들과 유사함을 알 수 있었다. 진동 흐름 하에서 진폭 스윕 실험이 이루어졌으며 0.1의 변형에서 변형 농화가 관찰되었다. 진폭 스윕 결과는 시퀀스 오브 피지컬 프로세스 방식을 통해 분석되었다. 본 연구는 근사적 접근법을 포함한 방법론을 제시함으로써 모세관 현탁액을 시뮬레이션으로 묘사하고자 하였으며 모세관 현탁액의 주요 특성들을 성공적으로 재현해내었다.A capillary suspension is a ternary system consisting of one solid and two immiscible liquids. As a small amount of one of the fluids, also known as the secondary fluid, is present in between the particles to form a sample-spanning network, the suspension experiences dramatic changes in the rheological properties. Previously, the simulation studies of the capillary suspension were limited to small scaled analyses of the local cluster and morphology. In this paper, a particle simulation on the capillary suspension is proposed by introducing the coarse-grained interaction between fluid droplets and solid particles and investigate the structure and rheological properties of the capillary suspension during flow. Due to the difficulties associated with solving the actual free surface including multiple partial differential equations and an excessive amount of computing resources, coarse-graining is inevitable to investigate the structural and rheological properties of the capillary suspension through a particle simulation. The shape of the free surface between two fluid phases is simplified and assumed as a sphere, which can be partially superposed on the solid surface, while the volume occupied by the fluid droplet is preserved. The capillary force exerted by the secondary fluid droplets connecting the particles is described by considering the surface energy difference when the distance between the particle and the secondary fluid droplet changes. The secondary fluid droplet, upon contact with a particle, goes through a radius change to preserve its volume that is superposed by the particle volume, and vice versa. The surface area change causes the surface energy difference, and the inter-particle force is described to minimize the surface energy. By using the method, the formation of the capillary suspension is simulated under various conditions to achieve a sample-spanning network. The characteristic variables that determine the strength and morphology of the capillary suspension are particle volume fraction(ϕp), secondary fluid volume fraction(ϕf), the three-phase contact angle(θ), and the size of the secondary fluid droplets(κ). The effect of the characteristic variables on the formation and structure of the capillary suspension is investigated using various tools including cluster size analysis, bond number analysis, and rheological properties. In addition, various modes of mixing protocol were compared. After the optimal values for the characteristic variables to describe the capillary suspension the best are determined, the structure and flow properties of the capillary suspension are investigated at the size ratio of 0.4, the three-phase contact angle of 92 degrees, and particle and secondary fluid concentration of 25 vol% and 2 vol%, respectively. To measure the rheological properties accurately, the number of the particles was fixed at 10,000 and the number of the secondary fluid droplets vary according to the secondary fluid volume fraction and the size ratio. The low shear rate viscosity was analyzed with varying the secondary fluid volume fraction and showed that the viscosity dependency on the secondary fluid volume fraction is similar to what was measured in the experiment. Through the rate sweep analysis, the capillary suspension is found to exhibit a strong shear thinning behavior and a sudden slope change of the shear stress at low shear rate regime due to the local freezing. Under low dimensionless shear rates less than 0.5, the simulated flow properties show a sign of local freezing, and the viscosity and stress measured in bulk do not reflect the local freezing due to the Lees-Edwards boundary condition. Therefore, the local properties of the frozen zone are isolated from the bulk properties and further investigated. The local properties are measured by dividing the simulation window into pieces in the y-direction and measuring the particle velocity and stress at each segment. The local stress increases linearly with the local strain in the frozen zone, exhibiting an elastic behavior. This indicates that the material preserves its structure over the imposed strain, and the difference between imposed and apparent strain is interpreted as the effect of yield stress. At different shear rates, the local properties of the frozen zones are measured and compared to find out the stress at which the elastic behavior vanishes. Finally, the yield stress is calculated as 5.7 in dimensionless form, similar to that reported in previous studies. Under an oscillatory flow, an amplitude sweep test was performed and the results demonstrated a strain thickening at 0.1 strain. The amplitude sweep data were analyzed with Sequence of Physical Process. This study attempted to describe the capillary suspension through a simulation by suggesting a methodology involving a coarse-grained approach and successfully reproduced some key characteristics of the capillary suspension.1 Introduction 1 1.1 Capillary suspension 2 1.2 Solving the free interface 9 1.3 Yield stress 12 1.4 Oscillatory shear 14 1.5 Thesis outline 16 2 Methodology 17 2.1 Capillary interaction 19 2.2 Droplet friction on the particle surface 29 2.3 Core-repulsion and hydrodynamic friction 31 2.4 Evolution of particle and droplet positions under shear flow 34 2.5 Simulation condition and analysis method 36 2.6 Experimental 43 3 Results 46 3.1 Effect of characteristic variables 46 3.1.1 Effect of θc 47 3.1.2 Effect of κ and f 51 3.1.3 Effect of p 59 3.1.4 Effect of polydispersity in κ 62 3.2 Structure evaluation 67 3.2.1 Effect of mixing protocol 67 3.2.2 Sample-spanning network 71 3.3 Flow properties of model capillary suspension 74 3.3.1 Flow curve 74 3.3.2 Yielding 76 3.3.3 Oscillatory shear flow behavior 85 4 Conculsion 91 4.1 Concluding remarks 91 4.2 Conclusion 96 A Formulation 102 초록 109박

미니스크류 임플란트 식립을 위한 상악 전치부 치조골에 대한 CBCT 평가

치의학과/석사젊은 여성환자의 증가로 아름다운 smile line에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 gummy smile의 해결을 위한 상악 전치부의 함입치료는 교정영역에서 중요한 술식이 되었다. 상악 전치부 치근사이에 미니스크류 임플란트를 식립하여 직접 함입력을 적용하면 다른 부작용을 최소화하면서 좋은 치료 결과를 만들어 낼 수 있다. 이러한 교정치료 방법은 임상적으로 많이 활용되고 있지만 미니스크류 임플란트 식립위치인 상악 전치부의 치근사이 치조골에 대한 연구는 미미한 실정이다. 본 연구는 CBCT를 이용하여 상악 전치부 치근사이 치조골을 3차원적으로 분석하여 미니스크류 임플란트 식립을 위한 임상적인 가이드라인을 제공하고자 하였다. 성인환자 52명의 CBCT 자료를 이용하여 상악중절치사이(U1-U1), 상악중절치와 측절치사이(U1-U2), 상악측절치와 견치사이(U2-U3)의 치근부위에서 피질골 두께, 순설측 두께, 치근사이 거리를 계측하였고, 전후방적 골격상태, 수직적 골격상태에 따라 분류하고 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.1.피질골 두께는 중절치사이에서 측절치와 견치사이로 갈수록 유의성 있게 증가하였다(P<0.05). U1-U1, U2-U3에서 CEJ 상방으로 갈수록 두꺼워지는 경향을 보였고, CEJ 4mm 와 8mm 간에 유의성 있는 차이를 보였다(p<0.05). 2.순설측 두께는 U1-U1사이가 유의성 있게 가장 얇은 것으로 나타났다(p<0.05).U1-U1사이는 CEJ 상방으로 갈수록 감소되는 경향을 보였고, CEJ 4mm와 8mm간에는 유의성 있는 두께 차이를 보였다(p<0.05).3.치근사이 거리는 U1-U2사이가 유의성 있게 가장 좁은 것으로 나타났다(p<0.05). 모든 측정부위에서CEJ 상방으로 올라갈수록 치근사이 거리는 유의성 있게 넓어지는 경향을 보였다(p<0.05).4.전후방적 골격상태에 따라 분석해 본 결과 U1-U1사이의 CEJ 6mm에서 골격성 ClⅠ이 피질골 두께가 유의성 있게 두꺼운 것으로 나타났다(p<0.05).순설측 두께, 치근사이 거리에 있어서는 유의성 있는 차이가 없었다.5.수직적 골격상태에 따라 분석해 본 결과 장안모군과 정상안모군이 피질골 두께, 순설측 두께에서 유의성 있는 차이는 없었다.치근사이 거리에서도 U1-U2사이의 CEJ 6mm외에는 유의성 있는 차이는 없었다(p<0.05).ope

아토피 피부염 발병에서의 JNK1의 역할과 JNK1 억제능을 갖는 식물유래화합물의 효능

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 농생명공학부, 2013. 8. 이기원.아토피피부염은 습진성 피부 병변과 혈액 내 높은 이뮤노글로블린 수치를 갖게하는 만성 염증성 피부 질환이다. 최근 알레르기 질환의 급증으로 전세계적으로 매년 아토피피부염 환자가 증가하고 있어, 경제적, 사회적으로도 큰 문제가 되고 있다. 본 연구는 인산화 효소의 하나인 JNK1의 아토피 피부염 발병에 있어서의 기능과 JNK1 억제 효능을 가지는 천연식물 유래 물질의 항아토피피부염 효능에 대해 규명하였다. 정상생쥐와 JNK1 유전자가 소실된 생쥐의 귀에 비타민 디 유도체인 MC903을 발라 아토피를 유도하였다. 아토피의 증상으로서 귀 두께의 증가 정도를 측정하였고, 면역세포의 침윤, 혈중 IgE, Th1과 Th2 세포 관련 싸이토카인의 양을 측정하였다. 또한, T세포 전사인자인 GATA-3와 T-bet의 단백질 양을 확인하였다. 그 결과 정상생쥐에 비해 JNK1이 소실된 생쥐에서 여러 아토피피부염 관련 증상들이 억제됨을 확인하였고 JNK1이 아토피피부염 발병에 있어 중요한 역할을 한다는 결론을 얻었다. 더 나아가 천연식물 유래 물질인 루테올린과 리코찰콘에이를 처리 후 아토피피부염을 유도한 결과 물질 처리군에서 귀 두께가 덜 증가되고, 혈중 IgE양이 억제됨을 관찰하여, 이 두 물질이 모두 아토피피부염 예방 효능이 있음을 확인하였다. 본 연구 결과, JNK1은 아토피피부염 발병에 있어 중요한 역할을 하고 있으며, 이를 예방하기 위한 식의약품을 개발하는 것에 있어 유용한 타겟이 될 가능성을 보여 주었다.Atopic dermatitis (AD) is a common allergic disease, imposing large social and economic burdens worldwide. AD is characterized by eczematous skin lesions and immunoglobulin E (IgE) hypersecretion. I investigated the role of c-Jun N-terminal kinase 1 (JNK1) and the effect of JNK1-inhibiting phytochemicals on the development of AD in mice. The vitamin D3 analogue MC903 was used to induce AD in wild-type (WT) and JNK1−/− mice. The symptoms of AD were less severe in JNK1−/− mice compared to WT mice. JNK1−/− mice showed less ear thickening and infiltration of eosinophils and mast cells in AD-like lesions than did WT mice when treated with MC903. MC903-treated JNK1−/− mice also showed lower levels of serum IgE, which was significantly elevated in MC903-treated WT mice. Splenocytes isolated from MC903-treated WT and JNK1−/− mice were stimulated with anti-CD3 and anti-CD28 monoclonal antibodies. Splenocytes from JNK1−/− mice produced lower levels of T-helper (Th)2 cytokines (interleukin-4 and -13) and transcription factor GATA-binding protein 3, and produced increased levels of the Th1 cytokines interferon-g and transcription factor T-box expressed in T cells. The JNK1-inhibiting phytochemicals luteolin and licochalcone A prevented MC903-induced ear thickening and the increase in serum IgE, suggesting that these compounds could prevent the development of AD. Our results indicate that JNK1 plays an important role in the pathogenesis of AD and may be a useful target for food-based therapies to prevent AD.Abstract ⅱ Contents ⅳ Ⅰ. Introduction 1 Ⅱ. Materials and methods 4 2.1. Animal 4 2.2. Topical application 4 2.3. Blood and tissue sampling 5 2.4. Histological examination 5 2.5. Measurement of ear thickness 6 2.6. Determination of total serum IgE 6 2.7. Th1 and Th2 cytokine production in splenocytes 7 2.8. Western blot analysis 8 2.9. Statistical analysis 9 Ⅲ. Result 10 3.1. The severity of MC903-induced AD-like symptoms was lower in JNK1-/- mice 10 3.2. MC903-induced infiltration of eosinophils and mast cells inAD-like lesion was reduced in JNK1-/- mice 11 3.3. The level of serum IgE was reduced in JNK1-/- mice 13 3.4. The level of IL-4, IL-13, and IFN-g were altered in JNK1-/-splenocytes 13 3.5. Level of the immunomodulatory transcription factors GATA-3 and T-bet were altered in JNK1-/- splenocytes 14 3.6. The JNK1 inhibiting phytochemicals luteolin and licochalconeA prevented development AD-like symtoms 15 Ⅳ. Discussion 29 Ⅴ. References 35 Ⅵ. 국문 초록 41Maste