약물 전달 효능 향상을 위한 듀얼-포레틱 이온 제어 디바이스

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 재료공학부, 2024. 2. 강승균.Chemotherapy is a crucial aspect of cancer treatment, aiming to damage or eradicate cancerous tissues. However, its effectiveness is contingent on delivering drugs efficiently to tumors while minimizing harm to normal cells. Conventional methods, like intravenous delivery, can pose challenges, prompting the exploration of implantable patches for controlled drug release. Despite advancements in this area, biological barriers and dense tumor environments limit drug distribution. To address these challenges, researchers are exploring local drug delivery systems incorporating iontophoresis, leveraging electric fields to overcome biological barriers. Iontophoresis, utilizing ionic currents, enhances drug flux through tissues, minimizing damage and offering compatibility with other techniques. Notably, implanting an iontophoretic device into a tumor, connected to external power via wires and drug flow through a catheter, achieved significant drug delivery improvements compared to passive methods. However, catheter use presents limitations, such as infection risks, mechanical complications, and patient discomfort. A fully implantable drug delivery system offers an alternative but poses challenges, requiring miniaturization, reversible control, long-term drug storage, and compatibility with drug penetration principles. Here, we proposed a dual-phoretic implantable wireless chemotherapeutic device, integrating electrophoretic delivery for release control and iontophoresis for penetration. The chapter 2 describes electrophoretic delivery system based on an ionic diode and Zn-based electrochemical cell. An ionic diode can control drug release and retention based on electric field direction, minimizing leakage and allowing the pulsatile release for the system. A Zn-based electrochemical system stabilized ionic current during electrophoresis, addressing challenges of miniaturization and reversible control. The Zn electrode, coated with protective layers composed of Zn3(PO4)2 and nafion, ensured stability during long-term implantation. This electrophoretic delivery system enabled stable drug release control, minimizing leakage. The chapter 3 discussed the wireless dual-phoretic delivery system composing of electrophoretic delivery and iontophoretic delivery. The two principles originated from the electric field and ionic current, resulting in the seamless integrating system. The iontophoretic penetration of dual-phoretic delivery can penetrate drug into biological barriers such as skins and tumors. Integration with a wireless iontophoresis system resulted in a fully implantable device controlling drug release without external inflow. Wireless power facilitated drug penetration into tumors during release and suppressed leakage during retention. Therapeutic effects were validated based on increased drug efficacy. The dual-phoretic implantable wireless chemotherapeutic device represents a significant advancement in cancer treatment. Its innovative approach combines electrophoresis and iontophoresis to address challenges associated with conventional chemotherapy and implantable patches. The capabilities of the device in controlled drug release, penetration, and suppression of side effects demonstrate its potential as a transformative solution for cancer therapy. The integration of wireless technology adds another layer of sophistication, providing a promising avenue for future developments in precise and effective drug delivery systems.화학요법(Chemotherapy)은 암 치료의 중요한 부분으로 암 조직을 데미지를 입히는 것과 제거하는 것을 목표로 합니다. 하지만, 그 효과는 종양에 효과적으로 약물을 전달하면서 정상 세포에 피해를 최소화하는 것에 달려 있습니다. 정맥 주입과 같은 기존의 방법은 약물의 국지화가 어려워, 약물 방출의 국지화를 위해 이식 가능한 패치에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있습니다. 하지만, 약물 디바이스의 이식을 통해 약물이 성공적으로 전달된다 하여도 생물 장벽과 밀집된 종양 환경은 약물 분포를 제한합니다. 이러한 난제를 해결하기 위해 많은 연구자들이 이온토포레시스를 이용한 약물 전달 시스템을 연구하고 있습니다. 전기장을 이용하여 생물 장벽을 극복하기 위한 이온토포레시스는 이온 전류를 활용하여 조직을 통한 약물 이동을 촉진시키며, 손상을 최소화하고 다른 기술과의 호환성을 제공합니다. 특히 종양에 이온토포레틱 장치를 이식하여 외부 전원, 와이어, 및 약물 펌프 통한 약물 전달을 통해 약물 확산과 비교하여 상당한 약물 전달 향상을 달성했습니다. 그러나 카테터 사용은 감염 위험, 기계적 합병증, 환자 불편 등의 제한 사항이 있습니다. 이를 해결하기 위한 완전 이식 가능한 약물 전달 시스템은 대안을 제공할 수 있지만, 미니처화, 가역 제어, 장기간 약물 저장 및 약물 침투 원리와의 호환성 등의 구현 관점에서 도전적인 과제가 있습니다. 이에 우리는 이중포레틱 이식 가능 무선 화학요법 장치를 제안합니다. 이 장치는 전기 영동을 통한 방출 제어와 이온토포레시스를 통한 침투를 통합합니다. 제2장에서는 이온 다이오드 및 Zn 기반 전기화학 셀을 기반으로 한 전기적 전달 시스템을 설명합니다. 이온 다이오드는 전기장 방향을 기반으로 약물 방출과 보존을 제어하여 누출을 최소화하고 시스템의 pulsatile 방출을 가능하게 합니다. Zn 기반 전기화학 시스템은 미니처화 및 가역 제어의 어려움을 해결하기 위해 이중포레시스를 위한 이온 전류를 안정화시켰습니다. Zn 전극은 Zn3(PO4)2 및 나피온으로 구성된 보호층으로 코팅되어 장기간 이식 동안 안정성을 보장했습니다. 이 전기적 전달 시스템은 누출을 최소화하면서 안정적인 약물 방출 제어를 가능케 했습니다. 제3장에서는 전기영동 전달 및 이온토포레틱 전달로 구성된 무선 이중포레틱 전달 시스템에 대해 논합니다. 두 원리는 전기장과 이온 전류에서 비롯되어 자연스러운 통합 시스템을 만들어 냈습니다. 이중포레틱 전달의 이온토포레틱 침투는 피부 및 종양과 같은 생물적 장벽으로부터 약물을 침투시킬 수 있습니다. 무선 이온토포레시스 시스템과의 통합은 외부 유입 없이 약물 방출을 통제하는 완전히 이식 가능한 장치를 만들어 냈습니다. 무선 전원은 각 모드에 필요한 전극에 전원을 인가하여 외부에서 방출 중에 종양으로의 약물 침투를 용이하게 하며, 보존 중에 누출을 억제합니다. 약물 효과는 증가된 약물 효능을 기반으로 확인되었습니다. 이중포레틱 전달 시스템과 무선 전력 전달 시스템과의 통합은 다양한 질병에 대응하기 위한 약물 전달 시스템으로서 사용될 수 있도록 확장성을 제공하고, 또한 플랫폼으로서 사용될 수 있도록 하였습니다.Abstract i Chapter 1. Recent advances in implantable drug delivery system 1 1.1. Introduction 1.2. Implantable drug delivery system 1.2.1. Passive diffusion 1.2.2. Active release 1.3. Biological barriers 1.4. Conclusion Chapter 2. Electrophoretic delivery control based on ionic diode 12 2.1. Introduction 2.2. Materials and methods 2.3. Results and discussion 2.3.1. Characterization of ionic diode 2.3.2. Effect of thickness of ionic diode 2.3.3. Delivery control based on ionic diode 2.3.4. Zn-based electrochemical cell design 2.4. Conclusion Chapter 3. Wireless dual-phoretic delivery system 40 3.1. Introduction 3.2. Materials and methods 3.3. Results and discussion 3.3.1. Schematic view and working mechanisms 3.3.2. Drug penetration by dual-phoretic delivery 3.3.3. Therapeutic effect of dual-phoretic delivery 3.3.4. Biocompatibility of dual-phoretic system 3.4. Conclusion Chapter 4. Conclusion 92 References 96 Abstract in Korean 104박

3D Slope Stability Analysis for Mountainous Areas Using the Limit Equilibrium Method

This study aimed to enhance the precision of landslide hazard evaluation in complex mountainous terrains by addressing the limitations of the traditional 1D infinite slope stability method and employing the 3D limit equilibrium analysis of Shin’s (2023) method. Soil depth distribution was estimated using DEM data combined with soil depth prediction formulas, and 3D slope stability analyses was performed under conditions of rainfall infiltration and static/pseudostatic forces. The assessment incorporated the factor of safety (FS) alongside a stability index (SI) that accounts for both FS and critical slip volume. A modified SI, integrating the influence of surrounding grid cells, was applied to visualize potential landslide-prone areas. In the case of landslides in the Umyeon mountain area, the predicted locations closely aligned with actual occurrences. Similarly, in Dongjak-gu, the staticc and pseudostatic analyses identified comparable high-risk zones. The proposed method demonstrates significant potential for accurately evaluating and predicting landslide risks. However, further field investigations and more detailed analyses are necessary to reconcile any discrepancies between numerical simulations and site-specific conditions. 본 연구는 복잡한 산지에서의 산사태 위험성을 정밀하게 평가하기 위해, 기존 1차원 무한사면 해석법의 한계를 보완하고 Shin(2023)의 3차원 한계평형 해석법을 적용하였다. DEM 데이터와 토심 예측식을 활용하여 토심 분포를 산정하고, 강우 침투 해석 및 정적·의사정적 조건에서의 사면 안정성을 순차적으로 분석하였다. 안정성 평가는 안전율(FS)과 임계유발체적을 고려한 안정성 지수(SI)를 사용하였으며, 주변 격자의 영향을 반영한 수정된 안정성 지수를 통해 산사태 가능 지역을 시각화하였다. 우면산 사례 분석 결과, 예측된 산사태 발생 위치가 실제와 대체로 일치하였고, 동작구 해석에서는 정적·의사정적 조건에서 주요 위험 지역이 유사하게 나타났다. 이 기법은 산사태 위험 평가와 예측에 유용한 도구임을 확인하였으나, 현장 조건과의 차이를 줄이기 위해 정밀한 현장 조사와 추가적인 해석이 필요하다