엔지니어들이 예술 작품을 새로운 장치로 접다

Nov 15, 2023

종이를 접어 입체적인 물체로 만드는 예술인 종이접기는 미학과 기하학의 순수한 표현입니다. 예술가들은 종이를 정확한 패턴으로 배치하고 잡고 접는 방식으로 종이를 "가르칩니다". 주름은 종이 섬유의 "기억"이 됩니다. 그것을 만드는 것은 매혹적일 수도 있고 심지어 즐거울 수도 있습니다. 그러나 그것은 다른 많은 잠재적인 응용과 이점을 가지고 있으며, 그 중 하나는 의료 치료법을 선별하기 위한 인공 간 조직을 엔지니어링하는 것입니다.

Carol Livermore 박사는 Northeastern University의 기계 공학 부교수입니다. “저의 연구실에서는 세포를 포함한 작은 물체를 평평한 표면에 직접 조립하는 기술을 연구하고 있었습니다. 우리는 이미 다양한 크기나 종류의 세포를 원하는 곳에 배치할 수 있는 훌륭한 기술을 갖고 있었지만 필요한 조직이 편평한 경우에만 가능했습니다.”

팀과 브레인스토밍을 하면서 Dr. Livermore는 2D 패턴을 3D 개체에 활용하는 방법으로 종이접기에 대해 설명했습니다. “종이접기는 온갖 종류의 매혹적인 모양을 만들지만 잘 알려지지 않은 다른 기능도 있습니다. 예를 들어 구조를 디자인하면 접을 때 결과가 하나만 나오도록 할 수 있습니다.”

그들의 프로젝트는 국립과학재단(NSF)과 미 공군 과학연구실로부터 200만 달러의 자금을 지원받았습니다. 이는 중요한 엔지니어링 목적으로 종이접기를 사용하고 종이접기 예술가와 수학자를 포함하도록 명시적으로 요구되는 많은 프로젝트 중 하나입니다.

물리학자이자 종이접기의 대가인 Robert J. Lang 박사가 탑승하여 팀은 "단일 자유도" 종이접기 디자인에 대해 배웠습니다. "기본적으로 올바른 위치에 주름 패턴을 만든 다음 한 손은 제자리에 고정하고 다른 손은 시트의 다른 부분을 잡으면 접히는 방향이 완전히 예측 가능해집니다."라고 리버모어 박사는 말했습니다. "이러한 신뢰성은 엔지니어링 결과에 매우 중요합니다."

간 기능은 복제하기 어렵습니다. 간 조직에서 혈액은 정현파라고 불리는 작은 경로를 통해 흐르므로 분자는 혈액에서 물질을 필터링하는 간세포의 개별 층에 도달할 수 있습니다.

“이 패턴은 조직 블록에서 계속해서 반복됩니다. 간에서 처리해야 하는 영양소와 화학 물질이 간세포에 도달할 수 없으면 간세포는 번성하지도 유용하지도 않을 것이며 믿을 수 없을 정도로 얇은 층이 모두 필요합니다. 그런 다음 혈관을 통한 흐름과 내피층을 통한 확산이 필요합니다. 이를 통해 물질이 간세포에 도달할 수 있게 하는 동시에 흐름의 전단 응력으로부터 물질을 보호합니다.”라고 리버모어 박사는 설명했습니다.

자동으로 계층 구조를 이루는 종이접기가 최적의 솔루션이었습니다. 종이접기 인공 조직에서 세포는 세포의 생존을 유지하기 위해 콜라겐으로 코팅된 견고한 나노다공성 폴리카보네이트 막에 시딩되었으며, 작은 구멍은 동양혈관을 감싸는 내피층 역할을 했습니다. “이제 우리는 한쪽에 간세포를 배치하고 다른 쪽에 내피 세포를 배치할 수 있습니다. 나노다공성 막의 한쪽에는 인공 혈액과 같은 세포 배양 배지가 흐르고, 다른 쪽에는 간세포와 세포 배양 배지가 흐르고, 막을 가로질러 확산되어 간세포에 영양분을 공급합니다.”

흐름을 유도하기 위해 정확한 간격으로 레이저 절단 구멍이 있는 양면 Kapton® 테이프가 사용되었습니다. 다음으로, 양면 테이프와 멤브레인을 아코디언 스타일로 90도로 계속해서 교차 접었습니다(시각화하기 위해 두 개의 종이 조각을 직각으로 모아서 접었습니다). 접힌 테이프의 구멍이 흐름 경로를 만들었습니다. “멋진 점은 신체에서 일어나는 일을 합리적으로 재현할 수 있는 능력을 우리에게 주었다는 것입니다. 종이접기 패턴은 결정론적인 방식으로 수동으로 접혔으며, 주름은 레이저로 미리 정의되었습니다. 종이접기 예술가들이 작품을 배치하는 방식을 기술적으로 모방한 것입니다.”

리버모어 박사와 그녀의 팀은 최근 NSF 프로젝트를 완료하여 첫 번째 목표인 인간 조직처럼 약물 치료에 기능하고 반응하는 인공 조직 장치를 만드는 것을 달성했습니다.

종이접기와 마찬가지로 키리가미에는 접기가 포함되지만 자르고 붙이는 것도 가능합니다. 하버드 대학교 John A. Paulson 공학 및 응용과학 대학의 Bertoldi 그룹의 수석 조사관인 Katia Bertoldi 박사는 오랫동안 이 형태를 실험해 왔습니다. 예를 들어 키리가미 비늘을 사용하여 뱀처럼 움직이는 소프트 로봇을 개발했습니다. 운동. "Kirigami는 종이에 컷을 삽입하는 간단한 플랫폼이지만, 이를 사용하여 무엇을 만들 수 있는지 정말 흥미롭습니다. 변형되고 변형되는 흥미로운 모양이 너무 많습니다."