Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology
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Baf-mediated transcriptional regulation of teashirt is essential for the development of neural progenitor cell lineages
No full textBarrier-to-autointegration factor (Baf), neural progenitor cell lineages, single-cell RNA sequencing, transcriptomic changes, neurodevelopment, Type I neuroblast, teashirt, beta-catenin, Wnt signaling pathwayAccumulating evidence hints heterochromatin anchoring to the inner nuclear membrane as an upstream regulatory process of gene expression. Given that the formation of neural progenitor cell lineages and the subsequent maintenance of postmitotic neuronal cell identity critically rely on transcriptional regulation, it seems possible that the development of neuronal cells is influenced by cell type-specific and/or context-dependent programmed regulation of heterochromatin anchoring. Here, I explored this possibility by genetically disrupting the evolutionarily conserved barrier-to-autointegration factor (Baf) in the Drosophila nervous system. Through single-cell RNA sequencing, I demonstrated that Baf knockdown induces prominent transcriptomic changes, particularly in type I neuroblasts. Among the differentially expressed genes, through a series of genetic analyses, I identified teashirt (tsh), a transcription factor that interacts with beta-catenin, to be closely associated with Baf knockdown-induced phenotypes that were suppressed by the overexpression of tsh or beta-catenin. I also found that Baf and tsh colocalized in a region adjacent to heterochromatin in type I NBs. Notably, the subnuclear localization pattern remained unchanged when one of these two proteins was knocked down, indicating that both proteins contribute to the anchoring of heterochromatin to the inner nuclear membrane. Overall, this study reveals that the Baf-mediated transcriptional regulation of teashirt is a novel molecular mechanism that regulates the development of neural progenitor cell lineages.|신경계는 다양한 종류의 뉴런과 신경교세포를 포함한 다양한 세포 구성요소로 이뤄져 있다. 신경계를 구성하는 세포들은 신경계 전구세포로부터 특정 세포 유형으로 발달 과정을 겪고, 이는 엄격히 통제된 생성을 필요로 한다. 이런 신경 발달은 세포의 정체성을 결정하는 전사 인자들의 시간 및 공간적인 발현 조절로 이뤄지며, 이는 세포 계보의 형성 뿐 아니라 분열 후 해당 신경 세포의 정체성 유지에 중요하다. 하지만, 신경계 발달 기간동안 세포 유형 특이적, 발달 단계 특이적으로 어떤 상위 활성화 인자나 신호 또는 조절 과정이 이러한 전사 인자들의 활성이나 양에 영향을 주어 신경계 발달을 일으키는지 대부분 알려지지 않았다. 이와 관련하여, 유전자 발현 조절에 있어서 더 높은 차원의 후생유전학적 조절인 염색체 수준에서의 역할: 1) 크로마틴의 응축 및 이완 상태의 동적 변화, 2) CTCF/코헤신 루핑을 통한 크로마틴 내 작은 구획 도메인의 동적 형성 및 해체, 그리고 3) 핵 내 크로마틴의 위치 조절 등이 최근 연구에서 주목되어 왔다. 신경 발달 과정 중 광범위하게 연구된 다른 앞선 두 특징에 비하여, 핵 내 크로마틴의 위치 설정에 대한 상세한 조절 매커니즘과 관련된 인자들은 상대적으로 연구가 부족한 상황이다.
내부 핵막으로의 이질염색질 고정은 크로마틴의 핵 내 위치 조절에 중요하다. 이를 매개한다고 알려진 크로마틴 결합 단백질에는 진화적으로 보존된 Baf를 포함하여 PRR14, cec-4 등이 알려진 바 있다. 해당 단백질들은 내부 핵막에 존재하는 LEM (LAP2, Emerin, MAN1) 도메인을 가진 단백질들과 같은 핵 라민 관련 단백질들과 상호작용하여, 크로마틴과 핵 라민 사이의 물리적 상호작용을 매개한다. 이런 내부 핵막에 대한 이질염색질 고정은 주로 세포분열 중 염색체의 분리와 분열 후 핵막의 재조립에서의 역할이 잘 알려져 있으나, 크로마틴 결합 단백질들은 유전자 발현 조절에서도 주요한 역할을 수행한다. Baf의 경우, 프로모터 영역과의 직접적인 상호작용, 후성유전학적 조절자들의 모집, 그리고 히스톤 변형을 통한 표적 유전자들의 전사 조절과도 관련이 있다. 더욱이, 발달 과정에서 특정 세포 유형으로의 세포분화에 있어서 크로마틴 결합 단백질이 관련 유전자의 발현을 매개한다고 알려져있다. 예시로, Baf의 예쁜꼬마선충 상동유전자인 baf-1은 근육 세포의 분화의 결함 및 표피 세포의 조기융합과 같은 결함과 함께 성체의 체구 크기 감소를 일으킨다는 보고가 있으며, PRR14는 HP1alpha와의 상호작용을 통해 특정 표적 유전자, MyoD, 의 전사조절을 매개로 근아세포의 분화에도 영향을 준다.
이러한 관점에서 본 논문에서는 초파리를 모델로 사용하여 내부 핵막으로의 이질염색질 고정에 의존적으로 조절되는 전사가 세포 특이적으로 신경발달에 어떻게 영향을 미치는지 조사하였다. 크로마틴 결합 단백질 중, PRR14나 cec-4의 경우, 알려진 초파리 상동유전자가 없기 때문에 진화적으로 보존된 Baf에 초점을 맞추었다. 완전한 Baf-null 돌연변이의 경우, 유충에서 번데기 전환기간 동안 치사를 초래하기 때문에 Baf의 기능과 양을 감소시키는 Baf 녹다운 초파리를 이용하여 실험을 진행하였다. 우선, 신경 발달 과정 중 세포 특이적으로 미치는 영향을 조사하기 위해서 유충 단계의 초파리 뇌를 사용하여 단일 세포 전사체 분석을 진행하였고, 어느 세포에서 가장 크게 영향을 받는지 확인하였다. 초파리의 종류 1 신경 모세포에서 Baf 녹다운에 의하여 변화된 전사체의 종류 및 발현도가 다른 종류의 신경 모세포에 비하여 가장 크게 변화가 발생하였다는 사실을 확인하였다.
이를 통해, 본 연구자는 Baf의 종류 1 신경 모세포 내 역할을 살펴보기 위해서 종류 1 신경 모세포 특이적으로 녹다운을 진행한 결과, 이질염색질의 내부 핵막으로의 고정에 결함이 발생하여 핵 중심부에 대부분 위치하고 있다는 것을 확인하였다. 또한, 종류 1 신경 모세포의 세포 계보 형성을 살펴보니, 비대칭 분열 및 neural progeny 형성에 결함이 발생한다는 것을 알 수 있었고, 이는 종류 1 신경 모세포 특이적으로 발생하였다. 다음으로, 각 종류의 신경 모세포들의 세포 계보 형성 과정을 단일 세포 전사체 분석 데이터를 사용하여 예측해본 결과, 종류 1 신경 모세포에서 특이적으로 세포 계보 형성에 문제가 발생하였다는 것을 확인하였다. 이를 실험적으로 검증하기 위하여 neural progeny들의 fate를 결정하는데 문제가 발생하는지 살펴보았다. Neural progeny의 fate determinant인 pros, elav를 면역염색법으로 살펴본 결과, Baf를 녹다운 시킨 종류 1 신경 모세포로부터 형성된 neural progeny 내에서 거의 관찰되지 않아 정상적으로 분화되지 못하고 있다는 것을 알 수 있었다. 뿐만 아니라, 이런 비정상적인 분화가 성체 단계에서 어떤 영향을 미치는지 살펴보니, 발달 단계에서 Baf 녹다운을 일으킨 경우, 성체 단계에서 행동 이상 (Grooming, Immobility)과 함께 날개의 각도 이상이 관찰되었다.
여기서 나아가 본 연구자는 Baf 녹다운으로 인한 종류 1 신경 모세포의 전사체들의 변화가 어떻게 신경 발달 및 행동 이상에 영향을 미치게 되는지 실질적인 매개체를 발굴하고 관련 매커니즘을 연구하였다. 이를 찾기 위하여, Baf 녹다운 환경에서 전사체의 발현도가 달라진 인자 275개 중 초파리 라인으로 존재하는 117개의 인자를 종류 1 신경 모세포 특이적으로 각자의 발현도에 맞추어 녹다운 시키거나 과발현시킨 다음, Baf 녹다운에 의한 성체 단계에서의 표현형: 1) 날개의 각도 변화와 2) 행동 이상을 나타내는 인자를 찾는 스크리닝을 진행하였다. 우선 19개의 발현이 감소된 인자, 2개의 과발현된 인자에서 날개의 각도 이상이 관찰되었으며, 그 중 11개의 발현이 감소한 인자에서 행동 이상이 관찰되었다. 매개체로서의 역할을 검증하기 위하여 본 연구자는 후보 인자들을 반대로 과발현시켰을 경우 Baf 녹다운에 의한 행동 이상을 완화시킬 수 있는지 살펴보았다. 11개의 인자 중 4 종류 (tsh, msk, Caf1-55, mts) 만이 초파리 라인으로 사용 가능하였고, 이 중 tsh와 msk 만이 행동 이상을 완화시켜 후보 매개체로 선정하였다. 하지만, msk의 경우, Baf 녹다운에 의해 발생한 행동 이상 (Grooming, immobility) 과는 달리 tremor와 같은 행동이 나타났기에, tsh를 관련 매커니즘을 밝히는데 주요한 매개체로 상정하여 연구를 진행하였다.
다음으로, 어떤 신호전달경로가 후보 매개체인 tsh와 msk와의 상호작용으로 이러한 신경 모세포의 발달에 영향을 줄 수 있는지 알아보기 위하여 단백질-단백질 간 네트워크를 조사해본 결과, Wnt signaling 과정에 속한 beta-catenin 의 초파리 상동유전자인 Armadillo (Arm) 이 관련성이 있다는 것을 찾았다. 이에, Arm의 자체적인 효과를 살펴보기 위해 종류 1 신경 모세포 특이적으로 발현을 감소시켜보았더니, Baf 녹다운에 의한 효과와 같이 행동 이상이 관찰되었다. 또한 Baf 녹다운에 의한 행동이상을 Arm의 과발현으로 완화시킬 수 있는지도 확인해보니, 행동 이상을 큰 폭으로 완화시키는 것을 확인하였다.
이렇게 찾아낸 tsh와 Arm이 Baf 녹다운에 의한 성체 단계에서의 결함을 일으키는데 영향을 줄 수 있음을 확인하였기에, 실제로 종류 1 신경 모세포의 세포 계보를 형성하는데 자체적으로 영향을 주는지 확인해보았다. Baf와는 달리, tsh와 Arm은 종류 1 신경 모세포의 neural progeny cell형성 및 개수에는 영향을 주지 않았으나, neural progeny들의 fate determinant인 pros의 양이 큰 폭으로 감소하여 세포 계보를 형성하는데 영향을 주는 것을 확인하였다. 그리고 이질염색질의 내부 핵막 고정에도 영향을 주는지 살펴보니, Baf 녹다운 환경과 같이 핵 중심부에서 이질염색질이 관찰되었다. 추가로, 관련 매커니즘을 자세히 알아보기 위하여 주요 매개체들의 세포 내 위치를 면역염색법으로 확인해본 결과, Baf 와 tsh는 핵 내부에서 동일한 위치에 존재하는 것을 보였고, 염색질 주변을 둘러싼 형태로 관찰되었다. Baf와 tsh가 동일한 위치패턴을 나타내고 있다는 사실을 기반으로 이질염색질의 내부 핵막으로의 고정 기능은 어떻게 수행하는지 알아보기 위하여 tsh를 녹다운 시켜본 결과, Baf의 위치는 동일하게 변하지 않았으나, 이질염색질의 위치가 핵 중심부로 이동한 것을 관찰하였다. 이를 통해 tsh는 Baf와 함께 이질염색질의 내부 핵막으로의 고정을 수행한다는 것을 알 수 있었다.
마지막으로, Baf 녹다운 환경에서 tsh 와 Arm의 과발현이 종류 1 신경 모세포의 세포 계보 형성 결함을 완화시킬 수 있는지 조사해보았다. Baf 녹다운에 의해 제대로 형성되지 못한 종류 1 신경 모세포와 neural progeny들의 개수를 정상 수준으로 회복시키는 것을 확인하였다. 또한, 해당 인자들의 과발현으로 neural progeny 내부에서 pros의 양도 일부 증가시키는 것을 확인했으며, 종류 1 신경 모세포 내 이질염색질의 내부 핵막으로의 고정도 확인할 수 있었다. 이를 통해, 본 연구자는 tsh라는 새로운 인자를 발굴할 수 있었고, 해당 인자는 종류 1 신경 모세포의 세포 계보 형성에 Baf의 하위 매개 인자로서 주요한 역할을 수행하며, 이질염색질 고정에도 Baf와 함께 역할을 수행한다는 것을 증명하였다.I. Introduction 1
1.1. Neural progenitor cells require orchestrated transcriptional regulation for the formation of cell lineages during neurodevelopment 1
1.2 Subnuclear positioning of chromatin can serve as a potential upstream mediator of transcriptional regulation in neurodevelopment 2
1.3 Heterochromatin anchoring to INM is associated with transcriptional regulation of genes involved in cell differentiation during development 3
IⅠ. Materials and Methods 5
III. Results 18
3.1 scRNA-seq revealed that Baf KD induces prominent transcriptional changes, particularly in type I NBs 18
3.2 Baf KD in type I NBs causes defective anchoring of heterochromatin to the INM and impairs the formation of intact NBs and their neural progenies 35
3.3 Type I NB-specific neurodevelopment is substantially impaired by Baf KD · 52
3.4 Baf KD in type I NBs induces distinct behavioral abnormalities in adults 64
3.5 Transcriptional downregulation of tsh in Baf-deficient type I NBs is associated with behavioral abnormalities in adult flies 75
3.6 Transcriptional downregulation of tsh in Baf-deficient type I NBs is responsible for the type I NB lineage development 91
IV. Discussion 118
V. References 124
VⅠ. Summary in Korean 133DoctordCollectio
이식형 의료기기용 생체 흡수성 고분자 나노메쉬 및 전극
No full textimplantable devices, bio-resorbable materials, nanomesh, Janus, medical devicesⅠ. Introduction 1
1.1 Background of research 1
1.1.1 Implantable medical devices 1
1.1.2 Bio-resorbable materials 3
1.1.3 Bio-resorbable implantable medical devices 5
1.1.4 Limitations of conventional implantable medical devices 6
ⅠI. Experimental procedure 9
2.1 Fabrication method 9
2.1.1 Fabrication of bio-resorbable polymer nanomesh substrates 9
2.1.2 Fabrication of bio-resorbable electrodes and devices 10
2.2 Characterization of bio-resorbable implantable devices 10
2.2.1 Surface characterization 10
2.2.2 Crosslinking characterization 11
2.2.3 Bio-mechanical characterization 11
2.2.4 Bio-resorbable electrode and device characterization 13
ⅠII. Results and Discussion 14
3.1 Bio-resorbable polymer nanomesh substrates 14
3.1.1 Crosslinking mechanism of post-treatment 14
3.1.2 Bio-mechanical properties 18
3.2 Characterization of bio-resorbable electrodes and devices 31
3.2.1 Electrical performances 31
3.2.2 Demonstration of bio-resorbable implantable devices 35
IV. Conclusion 38MasterdCollectio
3차원 의미적 분할을 이용한 고도화된 뉴럴 리깅 네트워크
No full textMesh segmentation, Neural rigging, Joint prediction, SkeletonI.Introduction 1
II.Related Works 4
2.1 Mesh Segmentation 4
2.2 Neural Rigging 5
III.Methods 8
3.1 Segmentation Attention 8
3.2 Displacement Loss 9
3.3 Attention Weighted Norm Loss 11
3.4 Total Rigging Prediction 12
IV.Experiments 14
4.1 Attention Ratio 14
4.2 Datasets 17
4.3 Out of Distribution 18
V.Conclusion 21
References 22MasterdCollectio
High-Performance Flame-Retardant Electrolytes for Lithium-Ion Battery Applications
No full textFlame Retardant Electrolyte, Lithium Ion Battery, Improving Battery Safety, Battery SafetyAbstract i
List of contents ii
1. INTRODUCTION 1
2. EXPERIMENTAL 3
2.1 Chemicals 3
2.2 Ionic conductivity 3
2.3 1.0 Ah Pouch cell test 4
2.4 Flammability, Self-Extinguish Time (SET) test 4
2.5 Differential scanning calorimetry (DSC) 5
2.6 Battery vent Gas (BVG) test 6
2.7 Accelerating Rate Calorimeter (ARC) test 7
3. RESULTS AND DISCUSSION 10
3.1 Room temperature ionic conductivity of sulfone electrolyte solution 10
3.2 Flame Retardant Properties of Sulfonated Electrolytes 10
3.3 Exothermic reaction of sulfone electrolyte with active materials 11
3.4 1Ah Pouch cell performance with sulfone electrolyte 12
3.5 Battery Vent Gas (BVG) test 13
3.6 Evaluating battery safety with Accelerating Rate Calorimeter (ARC) 15
4. CONSLUSION 18
Supplementary information 19
References 20
Summary 22MasterdCollectio
Medically Applicable Electromagnetic Microrobot Manipulation System with Air and Metal-Cored Coils for Real‐Time Vascular Interventions
No full textMagnetic manipulation system, Microrobot, Nanoparticles, Guidewire, Catheter소형 로봇은 인간의 몸 속 복잡한 부위에 침습을 최소화하여 접근할 수 있어 의료 및 생물공학 분야에서 유망한 도구로 부상하고 있다. 소형 로봇을 조작하고 제어하기 위한 다양한 작동 전략 중에서 자기장을 통한 구동은 생물 조직에서의 투명성과 안전성과 더불어 우수한 제어성으로 각광받고 있다. 소형로봇의 조작과 제어 분야에서 영구 자석과 전자기석이 자기장을 생성하는 데 사용되고 있다. 영구 자석을 사용하는 시스템은 재배치를 위해 기계적 메커니즘에 의존하여 시간적 비효율성과 안전 문제를 야기하지만, 전자기석은 인가하는 전류를 중단 시 자기장 붕괴를 통한 빠른 자기장 제어와 안전성을 제공한다. 이러한 점을 고려하여 우리는 안전성, 작업 공간 접근성 및 이미징 장비와의 호환성을 우선시하면서 자기 마이크로로봇 및 나노입자의 정밀한 제어를 보장하기 위해 고정식 전자기석을 기반으로 한 자기 제어 시스템을 개발하는 데 중점을 두었다. 이 논문은 작은 규모에서부터 대규모 응용까지 다양한 자기장 제어 시스템의 개발에 초점을 맞추고 있다. 첫 번째로 철로 이루어진 코어를 가진 여덟 개의 원통형 코일로 구성된 소형 시스템을 개발했다. 전자기석 코일들은 반구형으로 배치되어 있으며, 위쪽이 열려있기 때문에 작업 공간과 이미징 장비의 배치가 용이하다. 사전에 정의된 대상 지오메트리를 기반으로 자기장 기반 물체의 조작을 용이하게 하는 "프로그램된 테이블 파트"라는 체계적인 입력 방법을 사용하여 조작 시 수동 값 삽입을 제거하여 반자율적인 시스템 제어를 가능하게 하고 조작을 간소화한다. 자기 제어 가이드 와이어, 마이크로 자석 및 나노입자를 활용한 다양한 실험이 시스템의 효과와 다양성을 보여 주었다. 두 번째로, Z-방향의 자기장 강도를 향상시키기 위해 다음 시스템이 개발되었다. 여덟 개의 철핵이 있는 원통형 코일로 구성된 전자기 자석이 반구형으로 배치되어 있고, 공기 코어를 가진 원형 코일이 두 개 포함시켰다. 원형 전자기 코일 중 하나는 프레임에 고정되어 있으며, 다른 하나는 사용 전 작업 공간의 필요 높이에 따라 사용자가 높이를 조절할 수 있다. 이 구성은 작업 공간에 쉽게 접근할 수 있을 뿐만 아니라 이미징 카메라의 설치를 용이하게 한다. 또한, 이 시스템은 GUI 인터페이스를 통한 직접 입력 값을 통한 자기장의 수동 제어를 제공하며, 두 개의 조이스틱과 반자율 기능을 갖추어 사용 편의성을 향상시킨다. 본 연구에서는 자성 나노입자의 군집 제어에도 초점을 맞추어 입자들의 집합, 분산 및 체인 형성을 조작할 수 있게 했다. 3차원 공간에서 자기장을 제어하는 시스템의 효과를 검증하기 위해 자기 제어 가이드 와이어, 마이크로 자석, 나노입자 및 세포 기반 마이크로로봇을 사용한 여러 실험이 수행되었다. 마지막으로, 침습성 최소화 응용을 위한 대규모 시스템이 개발되었다. 개발한 대규모 시스템은 상용 혈관 조영술 시스템과 호환되며 열 개의 전자 자석으로 구성되어 있다. 이 시스템은 45도 회전 축 주변에 오프셋된 반 구형 배치로 구성된 여덟 개의 철핵이 포함되어 있다. 나머지 두 개의 전자기석 코일은 원형이며, 하나는 프레임에 고정되어 있고 다른 하나는 작업 공간의 상단에서 위치 조절이 가능하다. 상단에 배치한 원형 전자기석 코일을 추가함으로써 Z-방향의 자기장 강도를 향상시킬 수 있다. 이 시스템을 사용하여 실험 중 자기장 제어 성능이 향상되었으며, 실험 중 제어가 단순화되었다. 혈관 침습에 대한 시스템의 효과를 입증하기 위해 실제 혈관 모형인 실리콘 기반 3D 혈관 모형을 사용한 in vitro 실험을 수행하였다. 더불어 실제 돼지를 사용한 생체 내 실험도 실시되었으며, 이는 심혈관 및 신경혈관 치료에 중점을 두었다. 이러한 연구들을 통해 개발된 자기 제어 시스템의 사용은 미래의 정밀한 소형 로봇 제어 응용의 가능성을 보여 주었다.
키워드: 자기 제어 시스템, 마이크로로봇, 가이드 와이어, 나노입자.|Miniature robots have emerged as promising tools in medical and bioengineering fields due to their ability to access intricate areas of the human body with minimal invasiveness. Among various actuation strategies for manipulating and controlling miniature robots, magnetic actuation stands out for its transparency and safety in biological tissues, coupled with excellent controllability. In the realm of miniature robot manipulation and control, both permanent magnets and electromagnets have been utilized to generate magnetic fields. While systems employing permanent magnets often rely on mechanical mechanisms for relocation, resulting in time inefficiencies and safety concerns, electromagnets offer advantages such as rapid field control and safety through field collapse upon current cessation. Considering these, our focus has been on developing magnetic manipulation systems based on stationary electromagnets to ensure precise control of magnetic microrobots and nanoparticles while prioritizing safety, workspace accessibility, and imaging tool compatibility. This dissertation focuses on the development of magnetic manipulation systems, ranging from small-scale to large-scale applications. Initially, a small-scale system was developed, comprising eight cylindrical coils with iron cores, all of which remain stationary. Configured in a hemispherical arrangement, these electromagnets feature open tops, facilitating easy access to the workspace and the installation of imaging tools. Employing a systematic input method called the "programmed table part", streamlined operation by eliminating manual value insertion during manipulation, enabling semi-autonomous system control, and facilitating magnetic object manipulation based on predefined target geometries. Various experiments were conducted utilizing a magnetic guidewire, micromagnets, and magnetic nanoparticles, showcasing the system's efficacy and versatility. Secondly, a second system was developed to enhance the magnetic field strength in the Z-orientation, utilizing ten electromagnets: eight cylindrical coils with iron cores arranged in a stationary hemispherical configuration, and two circular coils with air cores. One circular electromagnet is fixed to the frame, while the other is adjustable, allowing for customization of the system based on the required height of the workspace prior to usage. This configuration not only allows easy access to the workspace but also facilitates the installation of imaging cameras. Additionally, the system offers manual control of the magnetic field via direct input values through the GUI interface and is equipped with two joysticks and a semi-autonomous feature, enhancing user-friendliness. In this study, we also focused on swarm control of magnetic nanoparticles, enabling the manipulation of their gathering, dispersion, and chain formation. To validate the system's efficacy in controlling the magnetic field in three-dimensional space, several experiments were conducted using a magnetic guidewire, micromagnets, nanoparticles, and cell-based microrobots. Finally, a large-scale system for minimally invasive applications was developed, comprising ten electromagnets and compatible with commercial angiography system. This system incorporates eight cylindrical coils with iron cores arranged in a hemispherical configuration, each offset by a 45-degree rotation around the z-axis. The remaining two electromagnets are circular, with one fixed to the frame and the other adjustable at the top of the workspace. The addition of the top circular electromagnet enhances the magnetic field strength in the Z-orientation. Utilizing this system, magnetic field control is facilitated using a haptic touch device, simplifying control during experiments. To demonstrate the system's effectiveness in vascular intervention, an in vitro experiment was conducted using a magnetic guidewire within a silicon-based 3D vascular phantom. Furthermore, in vivo experiments were performed on swine, with a focus on cardiovascular and neurovascular interventions. Through these studies, the use of the developed magnetic manipulation systems has shown the feasibility of future applications in precision miniature robot control.
Keywords: Magnetic manipulation system, Microrobot, Nanoparticles, Guidewire, Catheter.LIST OF CONTENTS
ABSTRACT i
LIST OF CONTENTS iv
LIST OF TABLES vii
LIST OF FIGURES vii
1. Introduction 1
1.1 Background 1
1.2 Objectives of research 12
1.3 Current calculations 15
2. Electromagnetic Manipulation System for Semi-Autonomous Control of Small-Scale Magnetic Objects with Sequential Programming 18
2.1 Introduction 18
2.2 System Implementation 20
2.2.A Electromagnets 22
2.2.B Electronics control box (ECB) 25
2.2.C Graphical user interface (GUI) 29
2.2.D Imaging tools 32
2.3 Magnetic field measurements 32
2.4 Experimental results 36
2.4.1 Magnetic guidewire 36
2.4.2 Micromagnet and Nanoparticle manipulation using sequential programming. 40
2.4.2.A Micromagnet manipulation in open 3D space 40
2.4.2.B Micromagnet manipulation inside of a 3D channel with a predefined pattern of “DGIST” 43
2.4.2.C Micromagnet manipulation inside of an Aorta phantom 45
2.4.2.D Nanoparticle manipulation in open space 46
2.5 Conclusion 48
3. Magnetic Field Control using an Electromagnetic Actuation System with Combined Air-core and Metal-core Coils.. 50
3.1 Introduction 50
3.2 System Implementation 52
3.2.A Electromagnets configuration 54
3.2.B ECB 58
3.2.C GUI 60
3.2.D Joysticks 61
3.2.E Optical cameras 61
3.3 Magnetic field measurements 61
3.4 Experimental results 66
3.4.1 Magnetic guidewire 66
3.4.2 Semi-autonomous manipulation 68
3.4.3 Joystick manipulation 69
3.4.4 Micromagnet manipulation inside neurovascular phantom 72
3.4.5 Magnetic nanoparticles manipulation 75
3.4.6 Cell-based microrobots 81
3.5 Conclusion 85
4.Enhanced Electromagnetic Manipulation System with Integrating Air and Metal-Cored Coils for Minimally Invasive Vascular Procedures 87
4.1 Introduction 88
4.2 System Implementation 90
4.2.A. Electromagnets 91
4.2.B. ECB 96
4.2.C. GUI 98
4.3 Magnetic field measurements 99
4.4 Experimental results 104
4.4.1 Magnetic guidewire steering angle 104
4.4.2 In vitro evaluation in 3D vascular human-scale phantom 106
4.4.2.A In vitro evaluation in Coronary Artery 107
4.4.2.B In vitro evaluation in Cranial Artery 107
4.4.3 In vivo demonstration of targeted vascular interventions 108
4.4.3.A Coronary artery 110
4.4.3.B Cranial artery 113
4.5 Conclusion 115
5. Conclusions and Future work 116
5.1 Conclusions 116
5.2 Future work 119
ACKNOWLEDGMENT 121
PUBLICATION LIST 122
REFERENCE 124
요 약 문 131DoctordCollectio
식물 증산작용과 수문 순환에서 영감을 받은 방사성 세슘 오염 토양의 정화를 위한 물 효율적인 인공 식물 추출 기술
No full textPhotothermal Conversion, Contaminant Adsorption, PurificationCesium ions (Cs+) are hazardous radioactive contaminants that pose significant risks to humans and the environment due to their high solubility in water, leading to increased mobility in groundwater and potential impacts on aquatic ecosystems. While adsorption using Prussian blue (PB) is an effective method for removing Cs+ from water, soil remediation remains challenging due to the limited mobility of contaminants. This study presents a water-efficient artificial phytoextraction system integrated with an interfacial solar vapor generation (ISVG) device for Cs+ purification in contaminated soil. The device’s "leaves" are composed of PB immobilized on cellulose nanofibers (CNF-PB), offering excellent water absorption and transport properties, enabling efficient solar-to-thermal conversion for Cs+ accumulation and water evaporation. Under real sunlight, the system achieved over 99.8% Cs+ removal from soil water in 10 days. It also demonstrated high Cs+ selectivity, leaving essential nutrient ions in the soil. This system provides a sustainable, rapid, and eco-friendly approach to Cs+ contaminated soil remediation.|본 논문은 세슘 이온(Cesium ion, Cs+)은 높은 수용성으로 인해 지하수에서 이동성이 증가하고 수생 생태계에 잠재적인 영향을 미침으로써 인간과 환경에 심각한 위험을 초래하는 유해한 방사성 오염 물질입니다. 물에서 Cs+를 제거하는 데는 프러시안 블루(Prussian blue, PB)를 활용한 흡착법이 효과적이지만, 오염 물질의 이동성이 제한된 토양 정화에는 여전히 어려움이 존재합니다. 본 연구는 Cs+ 정화를 위해 수분 효율적인 인공 식물 추출 시스템을 제시하며, 이는 계면 태양 증발 장치(ISVG)와 통합되어 오염된 토양에서 Cs+를 제거합니다. 이 장치의 "잎" 부분은 셀룰로오스 나노섬유에 프러시안 블루(CNF-PB)가 고정되어 있어, 뛰어난 수분 흡수 및 이동성을 제공하고 태양광을 열로 변환해 Cs+를 축적하고 물을 증발시킵니다. 실제 태양광 아래에서 이 시스템은 10 일 만에 토양 수분으로부터 99.8% 이상의 Cs+를 제거하는 성과를 달성했으며, 필수 영양 이온은 그대로 남기면서 높은 Cs+선택성을 보여주었습니다. 본 시스템은 Cs+로 오염된 토양을 정화하는 데 있어 지속 가능하고 신속하며 친환경적인 해결책을 제공합니다.Ⅰ. Introduction 1
1.1 Introduction 1
Ⅱ. Theoretical background 6
2.1 Theoretical background 6
2.2 Interfacial Solar Vapor Generation (ISVG) 7
2.3 Photothermal material 8
2.4 Adsorption theory 9
2.5 Biomass material (Cellulose Nano Fiber, CNF) 11
Ⅲ. Materials and methods 12
3.1 Materials 12
3.2 Characterization 12
3.3 Preparation of CNF-PB and ISVG device 13
3.3.1 Preparation of PB nanoparticles immobilized on CNF (CNF-PB) 13
3.3.2 Preparation of the CNF-PB deposited leaf and the plant-like ISVG device 15
3.4 Solar evaporation experiments of the ISVG device 15
3.5 Cs+ adsorption 16
3.5.1 Analytical methods 16
3.5.2 Adsorption isotherms and kinetics 16
3.5.3 Batch cesium ion adsorption tests 17
3.5.4 Lab-scale artificial phytoextraction experiments 18
3.5.5 Scale-up application experiment 19
Ⅳ. Results and Discussions 20
4.1 Strategies to fabricate a plant-like ISVG device for soil remediation from radionuclide
contamination and to design a water-efficient artificial phytoextraction system 20
4.2 Preparation and characterization of PB decorated CNF (CNF-PB) and the interfacial
solar vapor generating device (ISVG device) 23
4.3 Simulated solar vapor generation experiments 27
4.4 Batch cesium ion absorption experiments 29
4.5 Lab-scale water-efficient artificial phytoextraction 33
4.6 Verification of the retention of other nutrient ions in soil after the remediation process 37
4.7 Scale-up artificial phytoextraction experiment 40
Ⅴ. Conclusion 41
5. Conclusion 41
Ⅵ. References 43MasterdCollectio
엣지 컴퓨팅 지원 통합 액세스 및 백홀 네트워크에서의 네트워크 리소스 할당 모델링 및 최적화
No full textEdge computing-enabled networks, Service caching, Multi-user multiple-input single-output, Integrated access and backhaul networks, Convex optimization, Reinforcement learningI. INTRODUCTION 1
1.1 Outline and Contributions 2
1.1.1 Chapter 2 3
1.1.2 Chapter 3 3
1.1.3 Chapter 4 4
1.1.4 Chapter 5 4
II. Joint Service Caching and Computing Resource Allocation for Edge Computing-Enabled Networks 5
2.1 Introduction 5
2.2 System Model 8
2.2.1 Network Model 8
2.2.2 Service Caching and Computation Model 9
2.2.3 Communication Model 11
2.2.4 Performance Metric 12
2.3 Successful Service Probability Analysis 12
2.3.1 Successful Uplink and Downlink Transmission Probabilities 12
2.3.2 Successful Computation Probability 13
2.3.3 Successful Service Probability 15
2.4 Joint Optimization of Service Caching Distribution and Computing Resource Allocation 15
2.4.1 Problem Formulation 16
2.4.2 Optimal Solution 16
2.5 Asymptotic Solution for Joint Optimization of Service Caching Distribution and Computing Resource Allocation 21
2.5.1 Asymptotic Optimal Solution For Infinite Computing Capability Case 23
2.5.2 Near-Optimal Solution In High Computing Capability Region 24
2.6 Numerical Results 30
2.7 Conclusion 35
III.Joint Millimeter-Wave Beamforming Design and Access Link Rate Assignment for Integrated Access and Backhaul Networks 37
3.1 Introduction 37
3.2 System Model 39
3.2.1 Network Model 39
3.2.2 Communication Model 41
3.3 Expected Sum Data Rate Analysis 45
3.3.1 Approximated Coverage Probability 45
3.3.2 Achievable Sum Data Rate 46
3.4 joint beamforming design and access link rate assignment (JBA) Algorithm 48
3.4.1 Problem Formulation 49
3.4.2 Optimal Solution 50
3.4.3 Near-Optimal Solution 54
3.5 Numerical Results 55
3.6 Conclusion 61
IV. Intelligent power allocation in integrated access and backhaul networks with the buffering system 62
4.1 Introduction 62
4.2 System Model 63
4.2.1 Network Model 63
4.2.2 Communication Model 64
4.2.3 Achievable Sum Data Rate 66
4.3 reinforcement learning (RL)-based Beamforming Design Algorithm 66
4.3.1 Problem Formulation 67
4.3.2 Markov decision process (MDP) Formulation 67
4.3.3 proximal policy optimization (PPO) Algorithm 68
4.4 Simulation Results 69
4.5 Conclusion 71
V. CONCLUSIONS 72
References 74DoctordCollectio
제한된 시스템 자원을 고려한 최적의 LSM 트리 기반 키-값 저장소 설계
No full textLSM-tree, LSM-tree based key-value store, LSM-tree optimization, key-value SSD, Flash translate layerI. Introduction 1
II. Background and Motivation 5
2.1 Log-structured Merge-tree 5
2.1.1 Tiering Compaction 5
2.1.2 Leveling Compaction 6
2.2 NAND-based Flash storage 8
2.2.1 Logical-to-Physical Indexing in NAND Flash 8
2.2.2 Memory-efficient Index Structures 9
2.2.3 Creating PLR line segments from L2P pairs 10
2.2.4 Impact of I/O Pattern and Fragmentation 12
2.3 Key-value SSD 13
2.3.1 Hash-based KV-SSD 14
2.3.2 Performance Analysis of Hash-based KV-SSD 15
2.3.3 LSM-Tree-based KV-SSD 16
2.3.4 Hash vs LSM-Tree 17
2.4 HTAP System 18
2.4.1 LSM-tree in HTAP System 19
2.4.2 Problems of Existing LSM-tree-based Database System 19
III. Challenges 21
3.1 Challenges in implementing LSM-tree for an FTL 21
3.1.1 LSM-tree for L2P Indexing 22
3.1.2 Approximate Structures for L2P Indexing 22
3.1.3 Naive Integration: Challenges and Solutions 24
3.2 Challenges in implementing LSM-tree in a KV-SSD 28
3.2.1 Performance Analysis 28
3.3 Challenges in adopting LSM-tree-forest 32
IV. Solid State Drive Targeted Memory-Efficient Indexing for Universal I/O Patterns and Fragmentation Degrees 34
4.1 Design and Implementation of AppL 34
4.1.1 Organization and Operations 34
4.1.2 FP-based Approximate Indexing 36
4.1.3 Detailed derivation of Eq IV.1 38
4.1.4 PLR-based Approximate Indexing 39
4.1.5 LSM-tree Organization and Its Impacts 43
4.1.6 Garbage Collection 45
4.1.7 Crash Consistency and Concurrency 45
4.1.8 Scaling with larger SSDs 47
4.1.9 DRAM cache management 49
4.2 Experiments 50
4.2.1 Experimental Setup 50
4.2.2 Performance Analysis 52
4.2.3 Detailed Analysis 56
4.2.4 Performance Analysis on Embedded Setup 59
4.2.5 Scalability with Faster SSD 60
V. PinK: High-speed In-storage Key-value Store with Bounded Tails 63
5.1 Design of PinK 63
5.1.1 Overall Architecture 63
5.1.2 Improving I/O Speed with Level Pinning 66
5.1.3 Optimizing Search Path 68
5.1.4 Speeding up Compaction 69
5.1.5 Optimizing Garbage Collection 71
5.1.6 Durability and Scalability Issues 75
5.2 Design space of PinK 76
5.2.1 Modeling PinK Write Overhead 76
5.2.2 Extended Design Space of LSM-tree 78
5.3 Experiments 80
5.3.1 Experimental Setup 81
5.3.2 Performance Analysis 83
5.3.3 PinK design space analysis 90
5.3.4 The Overhead of Flushing Dirty Meta Segments 92
VI. LSM-forest: planting multiple LSM-trees for HTAP workloads 94
6.1 Design of LSM-forest 94
6.1.1 DRAM resource sharing for LSM-forest 94
6.1.2 Reducing I/O traffic 96
6.1.3 Optimization for OLTP 100
6.2 Evaluation 101
6.2.1 Impact of global write-buffer 101
6.2.2 Impact of PAX-SST 102
6.2.3 Impact of level adjustment 103
6.3 Discussion and related work 104
VII. Conclusions 105
References 108DoctordCollectio
비평형 그린 함수를 이용한 일단계 시간 분해 광전자 방출 분광의 새로운 공식화
No full textone-step time-resolved photoemission theory, non-equilibrium Green's function, full photoelectron scattering, circular dichroism photoemission spectroscopy, transient topological propertyRecent studies on circular dichroism in angle-resolved photoemission spectroscopy (CD-ARPES) have illuminated ARPES as a tool capable of detecting Berry curvature, a key physical property of an electron that determines a material’s topology. Moreover, the experimental realization of attosecond pulses has boosted interest in the dynamics of electrons on ultrashort time scales. In these aspects time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES) is one of the most promising tools for cutting-edge studies to observe topological phase transitions or transient topological properties induced temporally by optical pumping. However, in recent state-of-the-art trARPES theories in the framework of non-equilibrium Green’s function (NEGF), a coherent description of the time-dependent electron’s phase, i.e., one-step description in the context of photoelectron scattering under a pump pulse and many-body interactions of photoemission is lacking when the emission is initiated by a probe pulse.
In this thesis, we first introduce an exemplary study of electron dynamics related to pseudospin rotation and its orbital angular momentum, as obtained from a photoemission matrix element calculation of trARPES. We then highlight the need for a one-step photoemission approach that incorporates full photoelectron scattering, by comparing our previous research with recent photoemission theories developed within NEGF frameworks. We present a new one-step NEGF formulation for trARPES, which, in principle, fully accounts for all interaction channels of photoelectron scattering outside a material, such as interactions between the electron and the pump pulse, and the electron and many-body interactions during the emission process, previously unconsidered in earlier studies. Within our formulation, photoelectron scattering under the pump pulse and the many-body interactions are systematically described through contour-ordered greater Green’s functions within the three-particle Green’s function of the photocurrent. We examine the derived photocurrent formula for graphene in the non-interacting limit and in a regime with significant overlap between the pump and probe pulses. Next, we investigate optically pumped graphene using circular dichroism photoemission spectroscopy. From this, we demonstrate that a full description of photoelectron scattering significantly influences the polarity of circular dichroism, affecting both its intensity and sign. Keywords: one-step time-resolved photoemission theory, non-equilibrium Green’s function, full photoelectron scattering, circular dichroism photoemission spectroscopy, transient topological property.|최근 시간분해 각도분해 광전자 방출 분광법 (Time- and angle-resolved photoemission spectroscopy, trARPES)에서의 원형 이색성(Circular dichroism, CD)에 대한 연구는 ARPES가 물질의 위상을 결정짓는 전자의 중요한 물리적 속성인 베리 곡률을 감지할 수 있는 도구임을 밝혀냈다. 게다가, 아토초 펄스의 실험적 구현은 초단 시간 스케일에서 전자의 동역학에 대한 관심을 증대시켰다. 이러한 측면에서 trARPES는 광 펌핑에 의해 유도된 위상 상전이와 위상적 특성들을 관찰하기 위한 최첨단 연구에서 가장 유망한 도구 중 하나이다. 그러나 최근 비평형 그린 함수(Non-equilibrium Green’s Function, NEGF) 방법에 기반한 최첨단 이론 연구들은, 전자가 방출된 이후 빛과 다체 상호작용하에 놓인 광전자의 산란을 제대로 기술하지 못하고 있다는 점에서 전자의 시간에 의존하는 위상을 일관되게 설명하는 기술, 즉 일단계 기술이 결여되어있다.
이 논문에서는 먼저, trARPES의 광전자방출 행렬 요소 계산을 이용하여 연구한 유사 스핀 회전 및 궤도 각운동량과 관련된 전자 동역학의 선행 연구를 소개하고, 이 연구와 NEGF 프레임워크 기반의 최신 광전자 방출 분광 이론을 비교하여 온 광전자 산란(Full photoelectron scattering)을 포함하는 일 단계 광전자 방출의 필요성을 언급한다. 우리는 trARPES의 새로운 일단계 NEGF 형식론을 제안한다. 이 이론은 원칙적으로 물질 외부에서의 광전자 산란의 모든 상호작용 채널, 즉 전자와 격자 포텐셜, 전자와 펌프 펄스 간의 상호작용 및 다체 상호작용을 포함하여 이전 연구에서 고려되지 않았던 상호작용들을 완전히 포함한다. 우리의 공식화 내에서, 펌프 펄스와 다체 상호작용 하에서의 온 광전자 산란은 광전류의 경로 순서화된 삼입자 그린 함수에 나타나는 더 큰 그린 함수를 통해 체계적으로 묘사될 수 있다. 우리는 그래핀에 비상호작용 한계와 펌프 펄스와 프로브 펄스가 상당히 중첩된 영역에서 유도된 광전류 공식을 적용시켜본다. 이어서 광학적으로 여기된 그래핀을 원형 이색성 광전자 분광 이론을 통하여 조사하고, 이를 통해 광전자 산란의 완전한 기술이 원형 이색성의 극성에 큰 영향을 미치며, 그 강도와 부호 모두에 영향을 준다는 것을 입증한다.List of Contents
Abstract i
List of contents ii
List of tables iv
List of figures iv
Ⅰ. Introduction
1.1 Motivation 1
1.2 Outline 3
II. Pseudospin rotation in graphene
2.1 Pseudospin, electron-phonon interaction, and time-resolved photoemission
spectroscopy 5
2.2 Hamiltonian: SU(2) rotation of pseudospin for electron-phonon scattering 7
2.3 Time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES) and circular
dichroism in time-and angle-resolved photoemission spectroscopy (CD-trARPES) 10
2.4 Real-time energetics of trARPES on Dirac cone 12
2.5 Berry curvature induced by pseudospin rotation 13
2.6 Elliptic phonon causing the pseudospin rotation 19
2.7 Summary 23
III. Needs for one-step time-resolved photoemission theory involving full scattering of photoelectron
3.1 Photoelectron scattering by lattice potential 25
3.1.1 Analytic solution of final state under lattice potential 26
3.1.2 Matrix element calculation of photoemission in graphene 30
3.2 Photoelectron scattering in non-equilibrium and interacting system 36
VI. Non-equilibrium Green’s function (NEGF) formulation for trARPES involving full photoelectron scattering
4.1 Photocurrent and three-particle Green’s function 39
4.1.1 Current density operator and photocurrent 39
4.1.2 Three-particle Green’s function 41
4.1.3 Conditions for applying Wick’s theorem 43
4.1.4 Photocurrent from non-interacting equilibrium system 47
4.2 Dyson’s formula and closed time-path formalism 51
4.3 Photocurrent formula in interacting and non-equilibrium situation 55
4.4 One-step trARPES calculation of non-interacting material
4.4.1 Lesser Green’s function 59
4.4.2 Greater Green’s function 65
4.4.3 Calculation details 73
4.4.4 Calculations in graphene· 86
V. Conclusion 93
Appendices
A. Pseudospin rotation and polar coupling 95
B. Interaction picture with time-dependent non-interacting Hamiltonian and Dyson’s formula 98
References 102DoctordCollectio