□ 연구개요 ○ 다양한 응용분야 (의료, 국방, 보건, 및 보안 산업)에 사용될 수 있는 고감도 방사선 센서 확보 필요 ○ 기존 방사선 센싱 소재 및 소자의 한계점 및 문제점을 극복하는 새로운 방사선 소재/소자 도입 필요 ○ 고감도 방사선 센서 제작 및 고해상도 방사선 영상 실용화를 위한 기술 확보 □ 연구 목표대비 연구결과 연구 목표 1. 방사선 검출용 하이브리드 나노 소재 신틸레이터 합성 기술 및 최적화 조건 확보 달성내용 : - 하이브리드 나노 소재 반도체 성장, 구조 제어 및 표면 제어를 통한 안정성 확보 - 신틸레이터 photo-diode 제작 및 방사선 특성 평가 완료 - 하이브리드 신틸레이터 합성 및 물성 자료 확보 연구 목표 2. 고감도 방사선 센서 제작, 소자 물성 이해 및 고감도 센싱 특성 확보 달성내용 : - 나노 소재 반도체 하이브리드 구조를 이용한 방사선 센서 제작 및 특성 평가 완료 (방사선 특성 평가는 협동기관과 공동 진행) - 방사선 검출 메카니즘 규명 연구 목표 3. 센서 성능 최적화 및 메카니즘 정량적 이해 달성내용 : - 나노 소재 신틸레이터 기반 센서 제작 및 공정 기반 확보 (방사선 센싱 특성 평가) - 센서 array 제작 연구 (패터닝 기술을 이용한 array 제작) □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) (1) 기술적 측면 ○ 방사선 검출용 나노 재료 합성/분석에 따른 기초 원천 기술 확보 및 응용. ○ 나노 기술 및 새로운 방사선 센싱 원리를 이용한 소자 제작을 통해 고-에너지 센싱 소자 기술의 관련 산업체 이전 및 국제 경쟁력 강화. ○ 고-분해능 및 획기적인 방사선 검출 효율 향상을 통해 의료 및 비파괴 검사 산업체 기술 이전. ○ 나노 스케일 재료 합성 및 방사선 소자의 동작 메카니즘 이해를 통해 차세대 방사선 기기 산업 분야의 선도적 기술 창출에 활용하고 관련 분야의 학문적인 발전에도 활용. (2) 경제적․산업적 측면 ○ 고분해능 및 높은 검출 효율을 필요로 하는 의료용 및 보안용 방사선 센서에 적용하고 고부가가치 경제 창출 기여. ○ 직접 검출형에 의한 방사선 기기의 부피 축소 및 사용 효율성 증가로 인해 원가 절감 및 국제 경쟁력 확보를 통한 방사선 기기 수출 증대에 기여. ○ 새로운 방사선 센싱 및 영상 처리 기술 확보를 통해 관련된 NT 및 IT 산업에 기술 이전이 가능하고 새로운 산업 및 시장 창출 효과를 기대. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 임현식
• 주관연구기관 : 동국대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선 센서;신틸레이터;나노소재;고감도;하이브리드; 2. radiation sensor;scintillator;nanomaterials;sensitivity;hybrid;

□ 연구개요 • 지구 방사선대 형성과 진화에 관한 최근까지 학계를 주도하는 패러다임에 따르면 whistler mode chorus 파동이 electron 가속을 유발하고 그 결과 다량의 MeV electron을 생성하여 지구 방사선 벨트 형성을 주도하는 것으로 알려져 왔음. • 본 연구에서는 이러한 기존의 패러다임과 달리 방사선 벨트 형성에 대한 새로운 해석을 제안하고 검증하려는 것이 주요 목적 □ 연구 목표대비 연구결과 • 주요 목표: 자기권 꼬리 지역에서 magnetic reconnection이 발생하면 bubble type의 bursty plasma jet을 방출하고 이는 지구 쪽으로 향하는 bubble transport에 의해 수 keV ~ 수 MeV electron 입자들을 방사선 벨트 지역에 직접 공급하여 (즉, 일종의“bubble injection”형태를 통해) 방사선 벨트 전자 플럭스가 직접적으로 증가할 수 있음을 제안하고 이에 대한 종합적 검증을 수행 • 연구 결과: ▷ 지구 방사선대를 관통하는 쌍둥이 위성인 RBSP 관측을 이용하여 bubble injection에 의한 방사선 벨트 직접 형성에 대한 사건들 발견에 성공 ▷ 이러한 방사선 벨트 형성은 매우 빠르고 계단식의 전자 플럭스 증가 형태로 진행됨을 설명함. ▷ 특히, substorm 발생이 시리즈로 연달아 발생할 때 방사선 벨트의 계단식 증폭이 명확한 경우들을 발견하여 증거로 제시함. ▷ 그간 잘 알려진 여러 플라즈마 파동의 효과를 test particle 및 quasi-linear diffusion 시뮬레이션을 통해 정량적으로 평가하고 기여도를 제시함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) • 연구의 최종 결과는 향후 후속 연구 주제를 구성하고 석박사과정 대학원생 등 후학들의 관련 연구 주제로 이어가는데 활용 할 예정 • 지구 방사선 벨트뿐만 아니라 목성, 토성 방사선 벨트 연구에도 비슷한 관점에서 중대한 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상되어 행성 자기권 과학 분야의 후속 연구 주제로 활용 기대 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이대영
• 주관연구기관 : 충북대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선 벨트;서브스톰;파동-입자 상호작용;지구 자기권;위성 현장 관측; 2. Radiation belt;Substorm;Wave-particle interaction;Earth’s magnetosphere;Satellite in-situ observations;

□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 본 연구과제의 최종 목표는 인간 활동에 따른 북극 증폭 및 연관된 기후 시스템의 과거 변화 및 미래 전망을 종합적으로 이해하는 것이다. 지속적인 온실가스 배출에 따른 관측된 과거 수십 년간의 북극 증폭 및 기후시스템 변화를 이해한다. 또한, 다양한 미래 온실가스 배출 경로/전 지구 온난화 강도에 따른 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템의 미래 변화를 전망하고, 동반되는 불확실성의 원인을 이해하고 감소시킨다. 기후 대응 시나리오 (대기중 온실가스 제거, 태양복사 강제력 감소 등)을 고려한 기후 모델 실험에서 나타나는 미래 북극 증폭 및 연관된 기후 시스템의 변화를 전망하고 특성을 이해한다. ◼ 전체 내용 본 연구과제는 과거에 나타난, 또한 미래에 나타날 북극 증폭 및 연관된 북극 기후 시스템의 변화 및 메커니즘을 통합적으로 이해하는 것을 목표로 한다. 먼저 관측 및 재분석 자료를 활용해 과거 (20세기 중반부터 현재까지) 북극 증폭의 장기 변동을 분석한다. 관측된 변화에 대한 Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) 다중 기후 모델의 성능을 분석하고 기후 모델에서 나타나는 변화를 연구한다. 또한 개별 외부 강제력(온실가스, 화산 활동 등)이 북극 증폭 및 연관된 기후 시스템 변화에 미치는 영향을 연구한다. 기후 모델 실험 자료를 활용하여 미래 전망에서 나타나는 북극 증폭 및 관련 물리 과정의 변화를 연구한다. 공통사회경제경로 시나리오에서 나타나는 미래 변화를 이해한다. 또한, 파리기후변화협약에 따른 목표 전지구 온난화 달성 시 나타나는 북극 증폭을 이해한다. 더욱이, 기후 모델 실험에서 나타나는 북극 기후 미래 전망의 불확실성 원인을 이해하고 emergent constraint와 같은 최신 통계 기법을 활용하여 이를 감소시킨다. 더 나아가, 대기 중 온실가스 제거, 태양 복사 강제력 감소 등 다양한 기후 변화 대응(기후공학) 전략을 도입한 기후 모델 실험에서 나타나는 북극 증폭 및 관련 기후 시스템의 변화를 전망하고 이의 물리 과정을 이해한다. ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 본 연구과제의 1단계 연구 목표는 과거 및 미래 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템의 변화 이해하는 것이다. 과거 나타난 북극 증폭을 연구하고, 기후 모델 실험의 모의 성능을 평가한다. 이와 함게, 과거 나타난 북극 증폭 현상에 대한 온실가스 등 각 외부강제력의 영향을 파악한다. 더 나아가, 기후 모델 시뮬레이션의 미래 전망을 활용하여 미래 나타날 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템 변화, 그리고 물리 과정을 이해한다. 미래 전망에 동반되는 불확실성의 원인을 이해하고 이를 감소시킨다. 21세기 공통사회경제경로 시나리오에서 나타나는 미래 전망을 위주로 연구하며, 파리기후변화협약에 따른 목표 전 지구 온난화 수준 달성 시 나타나는 북극 증폭을 함께 연구한다. Emergent constraint와 같은 통계 기법을 통해 미래 전망이 갖는 기후 전망 불확실성을 감소시켜 보다 신뢰도 높은 미래 기후 전망 결과를 제시한다. ❏ 연구 내용 과거 수십 년간 관측에서 나타난 북극 증폭 현상을 이해하고 장기 변동을 연구하였다. 장기 추세를 위주로 연구했으며, 이에 대한 Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) 다중 기후 모델 실험의 성능을 평가했다. 또한, 기후 모델 실험 결과를 활용하여 온실가스, 에어로졸과 같은 개별 외부 강제력의 과거 관측된 북극 증폭 현상에 대한 영향을 이해했다. 또한, 과거 대형 화산 폭발이 북극 기후 시스템에 미친 영향을 연구하였다. 다양한 사회적 기후변화 적응 및 완화 경로를 고려한 공통사회경제 경로 시나리오 실험에서 나타나는 북극 증폭을 전망했으며, 관련된 물리 과정(대기-해양-빙권 상호작용)을 이해했다. 또한, 파리기후변화협약에 따른 목표 온난화 (1.5°C, 2.0°C) 달성 시 나타나는 미래 북극 증폭 및 관련 기후 시스템 변화를 이해했다. 기후 모델 실험 결과를 통해 얻은 미래 전망의 불확실성 요인을 이해하는 연구를 수행했다. 특히, Emergent constraint와 같은 보다 최신 통계 기법을 활용해, 불확실성을 감소시키는 연구를 수행하여 보다 신뢰도 높은 미래 전망 결과를 생산하였다. 특히, 다변수를 통한 emergent constraint 분석 방법론을 개선 및 활용하여 보다 신뢰도 높은 결과를 제시했다. 이러한 통계적 방법론을 개발하고, 기후 대응 시나리오 실험에 대한 공동연구를 위해 University of Melbourne에 2,3차년도에 총 5개월 정도 방문 연구를 했으며, 이를 통해 공동 및 협력 연구들을 수행하였다. 2단계 연구 계획인 기후대응 시나리오에 따른 북극 증폭 현상 및 연관된 기후 시스템 변화에 대해 일부 1단계에서 연구하였다. ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 본 연구과제의 2단계 연구 목표는 기후위기를 완화시키기 위한 기후대응 시나리오를 고려한 미래 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템 변화를 전망하는 것이다. 특히 (1) 대기 중 온실가스 제거 (carbon dioxide removal), (2) 태양복사 강제력 감소 (solar radiation management) 방법론을 기반으로 한 기후대응 실현 시 북극 증폭 및 북극 지역에서 나타나는 기후변화를 이해한다. ❏ 연구 내용 기후 대응 시나리오 (net-zero 배출 탄소 배출량 감소, 태양 복사 강제력 감소)을 고려한 기후 모델 실험에서 나타나는 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템 변화를 연구한다. 첫 번째로, 온실가스의 급격한 증가 후 급진적 감소를 보이는 시나리오 실험에서 나타나는 변화를 연구한다. 이는 Community Earth System Model version 1 기후 모델의 다중 앙상블 실험 결과를 활용하여 연구한다. 또한, Carbon Dioxide Removal Model Intercomparison Project에서 제공하는 다중 기후 모델 결과를 활용한다. 또한, 온실가스의 급격한 증가 후 탄소 중립을 달성하는 시나리오에서 나타나는 미래 변화를 연구한다. 두 번째로, 태양복사 강제력 감소를 통한 지구 공학 수행에 따른 북극 증폭/기후 시스템 변화를 연구한다. Geoengineering Model Intercomparison Project의 기후 모델 자료를 활용하여 연구를 수행한다. 특히 기후 대응 방법론에 따른 북극 증폭 및 기후 시스템에서 나타나는 부작용 및 비선형적 반응을 연구한다. □ 연구성과 본 연구자는 1단계 기간 동안 연구과제의 계획 및 목표에 따른 연구를 수행하였다. 북극 증폭 및 기후 시스템의 과거 변화를 이해하고, 미래 전망을 연구했으며, 미래 전망에서 동반되는 불확실성의 원인을 밝혔다. 개선된 최신 통계 분석 방법론을 활용해 미래 전망 불확실성을 감소시켰다. 또한 온실가스, 화산 폭발 등 외부 강제력에 따른 북극 증폭/기후 시스템의 변화를 연구하였다. 더 나아가, 2단계에서 계획된 탄소 배출량을 감소시키는 기후 대응 시나리오 모델 실험을 활용해 북극 증폭을 연구하였다. 북극 증폭의 시간에 따른 변화를 연구하였으며, 또한, 북극 증폭을 일으키는 주요 원인 중 하나인 atmospheric river의 탄소 배출량 감소에 따른 변화를 연구하였다. 이러한 연구 활동들을 통해 1단계 기간에 총 3편의 연구 논문을 해당 연구과제 사사를 포함하여 출판하였다. 향후 2단계 기간 동안 탄소중립 등을 고려한 탄소 배출량 감소, 태양복사 강제력 감소 등 기후위기 대응 시나리오를 고려한 기후 모델 실험에서 나타나는 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템 변화의 미래 전망을 연구할 것이며 3편의 연구 논문을 해외 상위 저널에 추가로 출판하고자 한다. □ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과 본 연구과제 수행을 통해 북극 전망 및 연관된 기후 시스템의 변화에 대한 이해를 한층 더 도약시킬 것이다. 특히 체계적인 과거 및 미래 전망, 그리고 동반되는 미래 불확실성에 대한 연구는 통합적인 통찰력을 증진시키고, 미래 기후 시스템 변화 전망에 대한 중요 지표로 쓰일 것이다. 미래 전망의 불확실성을 감소시킴으로써 미래 전망 신뢰도를 증가시키며, 향후 기후변화 적응 및 완화를 위한 정책 수립에 큰 기여를 할 것이다. 이와 함께 다양한 기후 대응 시나리오에 따른 북극 기후 시스템 변화에 대한 종합적 이해를 기반으로 미래 기후변화 전망에 대한 다양한 지표를 제공하고 중요 정책 수립에 활용할 수 있다. 2단계 연구를 통해 기후위기를 극복하기 위한 기후 대응 시나리오에 따른 미래 전망을 분석함으로써 북극 증폭/기후 시스템의 미래 변화를 종합적으로 이해할 수 있을 것으로 기대한다. 다양한 시나리오에 따른 변화를 연구하여 기후 대응 시나리오(탄소 배출량 감소, 지구공학 등) 정책 수립의 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 백승목
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 북극 증폭;북극 온난화;지구 온난화;기후변화;미래 전망; 2. Arctic amplification;Arctic warming;Global warming;Climate change;Future projection;

□ 연구 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구의 최종목표는 인체 내에 두 번째로 많이 존재하는 (1) 무기질 형태인 휘트로카이트(Whitlockite) 나노 입자 및 생체 적합 고분자 등을 합성/이용하여, 중간엽 줄기세포(Mesenchymal stem cells)의 (2) 골 분화 (Osteogenesis) 를 촉진하고, 혈관내피세포(Endothelial cells)의 3차원 네트워크 형성을 통해 파골세포 (Osteoclasts) 및 조혈모줄기세포 (Hematopoietic stem cells)를 리쿠르팅 (Recruiting)을 유도하여 골 환경과 가장 유사한 플랫폼인 골 오가노이드 (Bone Organoid)를 만드는 데에 있음. ○ 전체 내용 효과적인 골 조직공학 및 더 빠른 골 재생재료로써 이용 가능하며 조혈모세포의 Education 및 골 생물학 또는 발생학 (Bone developmental biology)의 메커니즘을 밝히는 데에 큰 역할을 할 것으로 예상함. 본 연구의 목표를 위하여 생체재료와 인간 골 유래 중간엽 줄기세포, 혈관 내피세포, 조혈모세포가 고유하게 골 생식을 조절하는 핵심요인 (Critical factors) 골 유도 인자를 설명하기 위해 다음과 같은 단계적인 목표를 세우고 있음. ○ 1단계 ● 연구 목표 무기질이 포함된 생체재료를 이용한 혈관내피세포 및 중간엽 줄기세포의 생체고분차의 크라이오겔을 통한 3차원 배양을 통해 혈관 네트워크를 포함하는 오가노이드를 설치류의 피하에서 골 재생 구현 기술 개발 및 중요한 크기의 뼈 결함을 치료할 수 있는 인간 유래 혈관내피세포 및 중간엽 줄기세포, 무기질 생체재료의 최적화 된 비율 검증 및 복합체의 효율 확인. 골 환경안에서 여러 세포와 생체물질 간의 체내 골 유도를 일으키는 특정한 유전자 확립연구. ● 연구 내용 1차 연도 연구내용: 혈관 네트워크를 포함하는 골 오가노이드 기술 개발 확립 -동물모델을 통해 1) 골 유래 중간엽 줄기세포가 혈관내피에서 파생된 파라크린 (Paracrine) 인자에 의해 규제되고, 2) 인간 유래 골 혈관내피세포에 의해 정렬된 혈관 네트워크는 자연적으로 체내 골 생식을 유발하는 연구를 진행하였음. 이처럼 무기질 생체재료와 세포뿐만 아니라 인간 유래 혈관내피세포와 줄기세포를 포함하는 생체공학 혈관 이식술을 진행하여, 1) 골 유래 중간엽 줄기세포의 생체재료는 통한 혈관내피세포 의존, 2) 두 세포의 비율과 세포 밀도가 혈관 및 골 생성에 미치는 영향, 3) 설치류의 장기간 오가노이드의 이식을 통한 골 생성능력을 확인. -이 결과를 얻기 위해, 1) 형광 발현 이미지 처리 및 특정 유전자의 단백질 레벨 확인, 2) Luciferase 기반 생물 발광 및 3) Micro-CT를 활용하여 최대 12주 동안 정방향으로 혈관, 골유발 활동 및 골 재생 화를 모니터링. 2차 연도 연구내용: 최적화된 오가노이드를 통한 중요한 크기의 뼈 재생 -체내 중요 크기의 골 유도 잠재력을 담당하는 세포와 생체물질 사이의 특정 요인을 규명. -최적화된 오가노이드의 개발은 단순히 재료 개발에만 좌우되는 것이 아니라 세포와 재료 사이의 Interaction을 이해하고 실험을 진행하여, 1) 골격 결함 동물모델을 통한 제한적인 골 재생 유도, 2) 세포의 특정 유전자 제어 및 과발현을 통한 최적화된 골 재생, 3) 설치류의 이식을 통한 골 재생의 지속성 및 분화 가능성, 4) Host 세포와의 crosstalk 등을 확인함. -이 결과를 얻기 위해, 1) 설치류의 두개골 및 Femur 결손 모델 활용, 2) siRNA 및 shRNA를 이용한 특정 유전자의 Knockout 및 3) RNAseq, Protein array 등을 활용하여 혈관재생, 골 유발 활동 및 골 재생 화의 기작을 검증. 3차 연도 연구내용: 오가노이드의 조혈모줄기세포 리쿠르팅에 관한 연구 -최적화된 오가노이드를 통한 Host 유래의 조혈모줄기세포의 리쿠르팅 메커니즘을 규명하고자 함. 개발된 오가노이드를 통하여 조혈모줄기세포의 이동 및 행동을 관찰, 1) 조혈모줄기세포의 수용체 inhibition을 통한 세포 간의 crosstalk 금지, 2) 조혈모줄기세포에게 영향을 끼치는 단백질 존재 유/무를 통한 오가노이드의 변화 관찰, 3) 타 세포 유전자 조작을 통한 조혈모줄기세포의 리쿠르팅을 극대화하는 실험 등을 진행. -이 결과를 얻기 위해, 1) shRNA 및 CRISPR/Cas9을 통한 유전자 제거 및 삽입, 2) Recombinant 단백질 프로 파일, 3) RNAseq, Protein array 등을 활용하여 조혈모줄기세포의 미세환경체제를 검증. ○ 2단계 ● 연구 목표 세포와 생체재료의 최적한 조건확립 연구를 바탕으로, 생체 내에서 골 오가노이드로 인한 조혈모세포의 리쿠르팅 및 조혈모세포로서의 분화 체제 메커니즘 확립. 골 오가노이드의 활용을 위한, 뼈암 전이 모델에 활용 및 조혈모세포의 배양 환경을 조성하여 치료제로서의 플랫폼 제작 기술 개발. 개발된 골 오가노이드 플랫폼을 통한, 골의 발생기전 및 생체 내에서의 복합적 미세 골 환경 제어 연구. ● 연구 내용 4-5차 연도 연구내용: 골 오가노이드의 활용을 위한 플랫폼 제작 기술 개발 -생체 내 조혈모줄기세포의 리쿠르팅 및 배양모델을 확인하기 위해 형질전환 마우스 및 Radiation을 통해 조혈모줄기세포를 제어하여 제작된 오가노이드의 역할을 확인할 수 있음. -질환 모델의 메커니즘 및 배양 플랫폼을 검증하기 위해, 세포의 이동 및 병리학을 통해 상태를 확인할 예정임, 또한 단순히 세포 단위에서의 영향력을 확인하는 것이 아니라, 조혈모관련 질환 치료에도 효율을 나타내는지 확인할 예정임. -이 연구를 바탕으로 제작된 오가노이드가 1) 생체 내에서 골 생성에 어떠한 단계를 거쳐 주변 환경을 구성하는지 또한 2) 조혈모줄기세포를 어떻게 리쿠르팅 및 Education 하는지, 마지막으로 3) 이 세포들이 미세 골 환경을 어떻게 제어하는지에 대한 연구를 진행할 예정임. □ 연구성과 본 연구팀은, 혈관내피세포와 중간엽 줄기세포를 포함하는 골 오가노이드를 개발하였으며, 이 오가노이드는 골 재생을 촉진하는 효과가 있음을 확인했음. 혈관내피세포가 분비하는 KITLG가 Host 유래의 조혈모세포를 리쿠르팅하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 입증했음. 혈관내피세포가 조혈모세포의 골화 분화를 촉진하는 데 중요한 역할을 한다는 것 또한 입증하였음. 조혈모세포의 niche와 관련된 유전자를 분석하여, 골 환경을 유지하는 혈관 환경을 조성하기 위한 유전자를 밝혀냈음. 1단계 (1-3년차)에서는 총 5편의 SCI급 논문을 게제하였으며, 32번의 국제학술대회 및 학술대회 발표를 통해 학회 및 여러단체에서 총 10번의 우수연구상 및 포스터상을 수상하였음. 2단계에서는 총 6편의 논문을 추가로 게제할 예정에 있으며, 국제학술대회 및 국내학술대회에서 연구 내용 발표 계획을 가지고 있음. □ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과 본 연구를 통해 개발된 생체모방형 합성 무기 나노 입자를 함유한 오가노이드는 선천적 장애, 사고, 암 혹은 노화로 인한 골 손상 혹은 결손 환자들에게 경제적 부담이 없는 고성능의 골 재생치료 플랫폼으로 활용될 수 있음. 현재 골 오가노이드 분야에서 국내외에서 선도적인 기술과 기업이 없음. 따라서 생체모방 나노 입자 기반의 골 오가노이드를 통한 플랫폼 개발은 기술 우위 확보를 통한 세계시장 주도 가능-의학, 생명과학, 화학공학, 기업으로 이루어진 산학 병이 밀접히 연관될 수 있는 융합 과학으로 효율적인 협동 연구를 통해 국내 첨단 바이오 및 의료기기, 소재 부분에서 기술 경쟁력을 강화할 수 있음. 본 연구에서 개발된 골 오가노이드 플랫폼는 골 관련 치료 연구를 발전하는 데에 이바지할 수 있으며, 치료제 개발 분야에서도 유용하게 쓰일 것이라 예상됨. 미세 골 유사 환경을 통해, 골 재생의 메커니즘을 정확히 파악하여 더 효율적인 재생의학 프로토콜을 제시할 수 있을 것. 본 연구에서 초래된 결과들은 다양한 질병 모델에 새로운 치료법을 제시할 것이며, 기술의 미래원천기술 확보가 가능할 것으로 예상함. 선진국 고령 시대에 들어오면서 골 관련 질환이 증가하는 사회에서 직접 골세포의 행동 및 골환경을 구현해 낼 수 있는 기술은 앞으로 골 관련 질환의 메커니즘을 밝혀낼 수 있는 매우 혁신적인 신기술이라 여겨짐.이는 골수의 조혈모줄기세포 관련 질환 (백혈병, 림프종, 고형암, 빈혈, 면역 부전, 선천성 대사 장애) 등으로 고통을 겪는 수많은 환자의 삶의 질을 획기적으로 증대시킬 것으로 기대함.또한, 본 기술을 골세포 외 다른 세포를 적용한다면 다양한 질병의 치료에도 응용할 수 있음. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김환
• 주관연구기관 : 한국교통대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 골 오가노이드;골조직공학;조혈모줄기세포 공학;골 발생학;골 생체재료; 2. bone organoid;bone tissue engineering;hematopoietic stem cells engineering;bone developmental biology;bone biomaterials;

□ 연구개요 신장 질환의 발병, 진단 및 치료과정에 있어서 관련 주요 유전자의 발현 및 이를 조절하는 신호전달체계 규명 및 표적 유전자 및 단백질 발굴을 통한 다양한 형태의 새로운 진단 및 치료기술을 개발하고자 함. 고아 핵수용체는 전사 인자로 탄수화물 및 지질 대사, 염증 반응 및 신장 섬유화증을 조절한다고 알려져 있으며, 다양한 생물학적 효과의 결과로 고아 핵수용체는 질병의 치료를 위한 주요 약제 표적이 됨. 신장질환 병인기전 규명 및 고아핵수용체 역할 규명을 통한 생체 표지자 발굴 및 신장질환 제어기술개발을 목표로 함 □ 연구 목표대비 연구결과 1. 신장질환 기반연구 및 병인유전자 조절기전 연구 - 동물 모델 구축 및 마이크로 어레이 분석을 통한 유전자 변화 확인 - 신장 섬유화를 일으키는 분자세포학적 기전 규명 연구실적: Cell Death Dis 14(2):78(1)-78(11), 2023 등 2. 고아핵수용체의 항섬유화 효과 및 신호전달체계 규명 - 고아핵수용체 조절기전을 표적으로 하는 신장 섬유화 제어기전 규명 - 신장특이적 유전자변형 동물 모델에서 고아 핵수용체 역할 규명 연구실적: Redox Biology 54(1):102382(1)-102382(14), 2022; Cell Death & Disease 12(4):320(1)-320(15), 2021 등 3. 고아핵수용체의 신장질환에서 치료 유용성 확립 - 고아핵수용체를 타겟으로 하는 생체 표지자 발굴 및 신장질환 제어기술 개발 - 고아핵수용체 조절 단백 유도체의 발굴과 유효성 검증 연구실적: Exp Mol Med 55(2):304-312, 2023; J Nanobiotechnology 19(1):109(1)-109(17) 2021; 특허등록 신장섬유화증 예방, 개선 또는 치료용 조성물 (등록번호, 10-2323752) 등 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) ○ 고아핵수용체를 표적으로 하는 치료제는 현재까지 연구된 바가 없으므로, 본 연구결과를 바탕으로 신약개발을 위한 원천기술을 확보할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 국가경제에 기여할 수 있을 것으로 예상됨 ○ 본 연구과제의 성과가 단지 기초 연구에 그치지 않고 사업화를 통해 수익 창출이 가능할 것으로 예측됨. 또한, 본 연구에 사용된 모델을 이용하거나 추가 개발하여 다른 유전자와 약재 관련된 연구 및 다른 질환 연구에 응용할 수 있어 다른 후속 연구로 다양하게 발전시킬 수 있을 것으로 예상됨 ○ 신장질환은 만성적인 신장세포의 손상과 이에 따른 여러 염증 관련 물질들의 상호 작용에 의한 결과임. 따라서 만성신장질환 병인의 공통경로인 신장섬유화에 대한 세포손상 억제물질 발굴은 고아핵수용체와 관련된 새로운 병태생리기전을 제시할 수 있으며 더 나아가 이들 세포 손상 억제 물질을 대사 및 신장 질환 치료기술개발의 원천기술을 제공할 것으로 기대됨 ○ 신장질환에서 고아 핵수용체의 역할 규명을 통해 난치성 만성질환인 신장 섬유화의 발생 기전을 보다 명확히 하고, 바이오마커의 발굴, 표적물질을 밝히는 연구는 신장질환 치료기술개발에 기여할 것임 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김수완
• 주관연구기관 : 전남대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 고아핵수용체;신장섬유화;산화스트레스;신장 염증;신장질환 제어기술; 2. Nuclear receptor;Kidney fibrosis;Oxidative stress;inflammation;therapeutic target;

□ 연구개요 근접장 복사열전달을 이용한 쇼트키 접합 기반 열광전변환 현상의 메커니즘을 분석하고, 나노스케일에서 실험을 통해 근접장 열광전변환 현상을 실증하고 열광전지 시스템의 성능 향상을 규명함. 또한, 근접장 열광전변환 현상 분석 및 실증 경험을 기반으로 태양광을 열원으로 하는 근접장 태양 열광전지 시스템의 성능 분석 모델을 확립하고 실증함. □ 연구 목표대비 연구결과 쇼트키 접합 기반 근접장 열광전지의 층별 생산 광전류를 반영해 전력 생산량을 구하는 해석 모델을 개발했고, 다층 구조의 최적화를 통해 쇼트키 접합 기반 근접장 열광전지를 설계함. 또한, 쇼트키 접합 기반 광냉각기의 층별 전류 손실을 반영하여 복사 냉각 파워 및 COP를 계산하는 해석 모델을 개발하였고, 광학 필터 및 금속 재배열을 통해 근접장 광냉각기의 성능을 향상시킴. 근접장 복사열전달을 증폭하기 위해 표면 플라즈몬 공명 특성을 조절할 수 있는 금속 박막을 설계하고, 근접장 복사열전달 측정용 MEMS 디바이스를 제작, 집적된 열유속 센서를 이용하여 나노 거리에 따른 근접장 복사열전달률을 측정하고 시뮬레이션 결과와 비교함. 쇼트키 접합 기반 근접장 열광전지 및 광냉각기에 적합한 반도체 및 금속 물질을 선정하고, 쇼트키 접합 광전지셀을 직접 제작한 뒤 성능을 체계적으로 분석함. 근접장 열광전변환 구현을 위해 히터와 거리센서가 탑재된 방사체 MEMS 디바이스를 제작하고, 나노 포지셔너를 포함한 실험장치를 구성해 쇼트키 접합 광전지셀과 평행도 및 나노 거리를 유지함. 방사체를 가열하고 광전지셀을 상온으로 유지하며 나노 거리에 따른 근접장 복사열전달 크기 및 전력 생산량 증폭을 측정하여 근접장 열광전지를 구현함. 태양에너지를 열원으로 하는 근접장 태양 열광전지 시스템의 효율을 계산할 수 있는 모델을 확보하고, 태양 집광비와 흡수체 면적비 등 주요 변수에 따른 전력 생산량 및 시스템 효율을 파악함. 집광된 태양에너지를 구현하고, 방사체와 태양 흡수체를 포함하는 중간구조를 제작하여 가열함. 중간구조를 단열해 집광된 태양에너지로 고온 가열하고, 광전지셀과의 나노 거리를 변화시키며 전력 생산량 증폭을 측정하여 근접장 태양 열광전지를 구현함. 계획했던 1차년, 2차년, 3차년, 4차년 연구 목표 및 변경된 5차년 연구 목표를 100% 달성함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 쇼트키 접합 기반 근접장 열광전지와 근접장 태양 열광전지가 최초로 구현되어 고효율, 고밀도 재생에너지 발전의 원천 기술이 마련됨. MEMS 기술에 기반해 나노 거리 구현 면적 및 발전 면적의 한계를 극복하여 실용성을 향상시키는 후속 연구를 진행하여 기술을 발전시킬 계획임. 또한, 근접장 복사열전달 기반 시스템의 다양한 성능 계산 모델과 구현을 위한 실험적 기법을 개발, 검증하였으므로 이를 신개념 근접장 복사열전달 기반 에너지 디바이스 제안 및 표면파를 이용한 열광전변환 성능 향상 등의 도전적인 실험 연구에 활용할 것임. 근접장 태양 열광전지는 쇼클리-퀘이서 한계를 뛰어넘는 고효율 및 고밀도 발전이 가능하여 태양에너지로부터 더 작은 발전 면적에서 더 많은 전력을 생산할 수 있음. 즉, 재생에너지 발전에 열악한 환경에서도 재생에너지 발전 비율을 늘릴 수 있는 전략적 중요 기술임. 또한, 태양에너지를 열 에너지의 형태로 변환한 다음 활용하므로 열 저장소와 결합하면 태양에너지 수급의 불안정성을 기존 EES보다 낮은 비용으로 극복할 수 있음. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이봉재
• 주관연구기관 : 한국과학기술원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 근접장 복사열전달;표면 플라즈몬;쇼트키 다이오드;열광전변환; 2. Near-field thermal radiation;Surface plasmon;Schottky diode;Thermophotovoltaics;

2050년까지 탄소 순 배출 제로 목표를 달성하기 위해서는 원자력발전을 비롯한 대규모의 저탄소 에너지원 전개가 요구되고 있으며, 많은 연구 결과들이 기후변화와 세계적인 에너지 수요 증가에 대처하기 위한 방법 중 하나로 원자력발전의 중요한 역할을 강조하고 있다. 아울러, 전력 공급뿐만 아니라 담수 및 수소 생산 등의 다양한 필요를 충족시키기 위하여 전 세계적으로 floating nuclear power plants(FNPPs)에 대한 관심이 증가하고 있다.

• 연구책임자 : 김주민
• 주관연구기관 :
• 발행년도 : 20231218
• Keyword :

연구개요 언둘레이터(undulator)는 방사광가속기에서 방사광을 발생시키기위해 사용된다. 언둘레이터의 길이를 줄이기위한 여러 마이크로 언둘레이터들 중 플라즈마 언둘레이터에 대해 연구하였다. 최근 연구들은 레이저를 이용한 플라즈마 언둘레이터였으나, 본 과제에서는 전자빔을 이용하여 EUV용 플라즈마 언둘레이터를 위한 플라즈마 설계에 대해 연구하였다. 2개의 전자빔을 이용하여 앞서가는 전자빔(드라이버)은 플라즈마 언둘레이터를 생성하고, 따라오는 전자빔(삽입 전자빔)은 방사광을 만드는 것에 참여한다. 20 nm의 방사광을 만들기 위해 10¹⁸cm^-3 의 플라즈마 밀도에서 400 MeV의 드라이버와 삽입전자빔이 필요하리라 예상하였다. 본 연구에서는 전자빔과 플라즈마간 상호작용을 계산하였고 전자빔의 synchrotron 움직임으로부터 발생하는 방사광을 계산하는, 크게 2가지의 서로 다른 계산 알고리즘을 개발 및 적용하였다. 또한 실제 플라즈마를 생성하기 위한 기초연구를 진행하여 전자빔 플라즈마 상호작용 계산을 위해 particle-in-cell (PIC) 코드를 이용하되 수치오류가 없는 field 계산 알고리즘을 개발하였고, 전자빔의 움직임으로 발생되는 방사광은 Lienard-Wiechert Potential 식을 이용하여 계산하였다. 실제 플라즈마 채널을 발생하기위한 가스 capillary를 개발, 이를 이용하여 플라즈마 가속 실험을 진행하였다. 연구 목표대비 연구결과 PIC 시물레이션에서 얻은 전자빔의 궤적으로부터 synchrotron radiation 계산을 하였다. 실제로 얻은 파라미터는 200 MeV, 100 MeV의 전자빔 에너지와 10¹⁷cm^-3 의 플라즈마 밀도였고 이는 초기 예상했던 수치와는 많이 낮은 것들이었다. 또한 전자빔의 길이는 수 마이크로미터로 좁아야했으며 전자빔의 에너지 분산이 예상과 다르게 큰 편이었다. 이는 드라이버 전자빔의 에너지 손실에 큰 영향을 줘 수십 cm의 긴 언둘레이터 플라즈마로를 만들기는 어려웠다. 따라서 초기에 기대하였던 FEL 효과는 에너지 분산이 커짐에 따라 EUV를 목표로하기에는 어려운 조건이었다. 본 연구과제를 통해 PIC에서의 field 알고리즘 개발, PIC 결과를 그대로 이용하여 synchrotron radiation 모듈등을 PIC 코드에 삽입하였다. 개발된 코드는 github를 통해 공개하였다. (https://github.com/scienter/jopic.git) 플라즈마 언둘레이터를 구현하기위한 일체형 가스 capillary를 개발 실험에 응용하였고 전자빔 가속, 방전 플라즈마 실험 등을 통해 개발된 capillary가 유용함을 보였다. 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) 플라즈마 언둘레이터 주제는 아직 연구단계이며 극복해야할 주제임이 분명하지만 수미터의 언둘레이터길이를 100분의 1수준으로 획기적으로 줄일 수 있기에 그 효과는 상당하리라 생각된다. 본 과제를 통해 개발한 플라즈마 소스와 시물레이터는 관련 연구의 기초를 닦았다는 점에 기여를 할 수 있다고 판단한다. 공동연구를 통해 박사과정 학생 3명, 박사후연구원 2명 등 관련 전문 연구원들 육성에도 기여하였다. 본 과제에서 개발한 플라즈마 소스는 IBS 초강력레이저 연구단에서 수행하고 있는 플라즈마 가속 소스에 기여할 수 있어 추가적으로 공동 실험을 추진중에 있다. 특히 플라즈마 소스를 이용한 플라즈마 렌즈 응용 실험은 포항가속기연구소의 eLabs 시설에서 기획되고 있으며 본 과제를 통해 마련한 실험 챔버를 이용할 예정이다. 마지막으로 EUV용 플라즈마 언둘레이터를 목표로한 본 과제에서 FEL특성을 보여주지는 못하였다. 이는 EUV가 아닌 THz 영역에서 오히려 가능한 주제가 아닐까 본 과제를 수행하면서 판단되었다. 플라즈마 언둘레이터에서 발생되는 전자빔 에너지 분산 증가 이슈는 짧은 파장의 FEL에는 부족한 것으로 결론지었다. 향후 THz에서의 플라즈마 언둘레이터 연구를 이어서 진행할 예정이다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 조명훈
• 주관연구기관 : 포항공과대학교
• 발행년도 : 20230300
• Keyword : 1. 플라즈마;언둘레이터;플라즈마 렌즈;전자가속; 2. plasma;undulator;plasma lens;electron accelerator;

□ 연구개요 ● NFAT5(Nuclear factor of activated T cells 5)는 Ton EBP라고도 알려져 있는 전사인자로, 최근에는 염증반응의 유도에 중요한 역할을 한다는 보고들이 발표되고 있음. 본 연구자는 신손상을 유도하는 동물 모델의 사구체에서 NFAT5의 발현이 증가함을 확인하였으며, 이에 NFAT5가 다양한 사구체 질환의 발생과 진행에 중요한 역할을 할 것이라 가정하였음. 현재까지 관련 보고가 없는 바, NFAT5가 사구체 질환의 치료법 개발에 새로운 표적이 될 수 있는 가능성을 발견함. ● 한편, Nano particle은 합성된 물성에 따라 조직-특이적인 전달이 가능하고, 특히, 신장 질환의 치료법으로써 매우 유용한 약물 전달체계가 될 수 있을 것으로 기대되고 있음. ● 따라서, 본 연구자는 이번 과제를 통하여, 사구체 내 NFTA5 제어를 목표로 신약후보 물질 발굴 및 Nano particle 합성을 통한 신장-선택적 약물 전달의 원천기술을 개발하고자 하였음. □ 연구 목표대비 연구결과 ● DOCA/salt-induced hypertensive mouse, Col4a3^-/- mouse, I/R injury model, Unilateral ureteral obstruction model 등의 신장질환 모델을 확립하였으며, NFAT5의 발현을 확인함. ● Pdgfrb-CreER^T2, Yap flox, Taz flox, Lats1/2 flox, Rpl22-HA, Cx3cr1^gfp/gfp, Col4a3^-/- 등의 Mouse를 Jackson Lab.에서 구입하여, 가설검증에 필요한 분자생물학적인 준비를 완료함. ● Loss-of-function study로써, Cx3cr1^+/gfp vs. Cx3cr1^gfp/gfp mouse에서의 급성기 Phenotype에 뚜렷한 차이가 있음을 규명하여, I/R injury mouse model의 급성기 손상에 있어 Cx3cr1 유전자의 역할이 중요함을 발견함. ● Nanomicelle의 일종인 Hydrophobically-modified glycol chitosan (HGC)을 이용하여 신장-특이적 약물 전달 가능성을 확인하였으며, Col4a3^-/- mouse에서 치료적 효과를 확인함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) ● NFAT5를 표적으로 하는 신장 질환 치료법은 연구된 바가 전무하기 때문에, 본연구가 진행되면, 연구 결과를 바탕으로 한 수많은 후속 연구들이 파생되어 진행될 수 있을 것으로 기대됨.. ● 신약개발과정에서 발생하는 특허 비용이 국외로 유출되는 것을 예방할 수 있을 것으로 판단됨. NFAT5를 표적으로 하는 치료제는 현재까지 연구된 바가 없으므로, 본 연구결과를 바탕으로 신약개발을 위한 원천기술을 확보할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 국가 경제에 기여할 수 있을 것으로 예상됨.. ● Nano particle을 약물 전달체로 이용하여 의약품으로 개발한다면 임상으로의 실용화가 상대적으로 용이할 것으로 기대되므로, 본 연구과제의 성과가 단지 기초연구에 그치지 않고 사업화를 통해 수익 창출이 가능할 것으로 예측됨. 또한, 본연구에 사용된 모델을 이용하거나 추가 개발하여 다른 유전자와 약재 관련된 연구 및 다른 장기의 질환 연구에 응용할 수 있어 다른 후속 연구로 다양하게 발전시킬 수 있을 것으로 예상됨. ● 만성 신질환으로 인한 사회/경제적 부담이 증가하고 있으며, 이는 고령화 사회로의 진입과 함께 더 가속화 될 것으로 생각됨. 본 연구과제 성과에 기반한 치료기술의 개발을 통해 만성 신질환 치료의 새로운 장을 열어, 국민보건복지 수준의 향상에 기여할 것으로 예상됨. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 서상헌
• 주관연구기관 : 전남대학교병원
• 발행년도 : 20230300
• Keyword : 1. 사구체;신장질환;신약개발;나노 입자; 2. NFAT5;Glomerulus;Kidney disease;Drug discovery;Nano particle;

□ 연구개요 본 연구의 목표는 한국인 피부 편평세포암의 유전체 연구와 항산화제인 라말린 유도체로 피부 편평 세포암의 새로운 치료제의 개발하는 데 있다. 현재 국내에서는 피부암에 대한 연구가 거의 이루어지지 않고 있다. 반면 피부암 유병율이 높은 미국과 유럽 나라에서는 피부암에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 현재 피부암의 치료는 수술적 치료가 대부분이며, 수술적 치료를 할 수 없는 경우나 다발성 병변의 경우 사용할수 있는 다른 치료제가 없다 특히 전암병변의 경우, 다수의 피부암을 가진 경우, 크기 가너무 커서 바로 수술이 어려운 경우 새로운 치료제를 통해 수술 범위를 줄이고 조기에 피부암을 효과적으로 치료할 새로운 치료법 개발이 필요하다. 본 연구에서 한국인 피부암 검체를 이용해 피부 편평세포암의 유전자 변이를 조사하였다. 이 결과 regulation of mitotic cell cycle and nuclear division, morphogenesis of an epithelium, cell-cell adhesion via plasma-membrane adhesion molecules pathway에서 의미있는 변이들을 확인하였고, 각각의 기전에 유의미한 유전자 변이들을 분석하였다. 피부암을 치료하는 새로운 후보 물질로 라말린 유도체를 처리한 결과 편평세포암의 증식이 억제되었고, 반면 정상각질세포는 억제하지 않음을 확인하였다. 이 물질의 안전성을 확인하였으며 피부 편평세포암의 apoptosis 세포 사멸은 증가시키고, cell cycle arrest를 증가시키고, cell adhesion 세포 부착에 변화를 주었며, NF-kB pathway를 억제시킴을 확인하였다. 또한, 피부 편평세포암 마우스 모델을 이용하여 라말린 유도체가 피부편평세포암의 증식을 억제하고, 세포사멸을 증가시킴을 확인하였다. □ 연구 목표대비 연구결과 본 연구자는 1차, 2차, 3차년도에 각각 계획한 in vitro, in vivo, gene study를 모두 목표한대로 진행하고 결과를 얻었다. 현재 연구결과는 논문에 투고하였고 리뷰에 대한 revision 중이며, 특허신청 과정 중에 있다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 연구를 통해 한국인 피부 편평세포암의 유전체 연구 결과를 얻을 수 있으며 발생 기전을 이해하고 새로운 결과를 얻을 수 있었다. 피부편평세포암의 새로운 치료제로 라말린 유도체를 실험하였고, 치료효과와 안전성을 확인함으로서 새로운 치료제의 개발을 기대할 수 있다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 변지원
• 주관연구기관 : 인하대학교
• 발행년도 : 20230300
• Keyword : 1. 피부 편평세포암;항산화제;차세대 염기서열분석; 2. Cutaneous squamous cell carcinoma;Antioxidant;Next generation sequencing;