Optical devices including laser and LEDs have been utilized in modern medicine fields as diagnostic and therapeutic tools for treatment of human diseases and disorders. However, conventional light sources cannot achieve efficient light deliver due to mechanical incompliance, heat generation, and high tissue damages, having a restriction in treatment time, targeting area and treatment effectiveness. To implement human body interfaces photonic healthcare devices should be designed in consideration of the shape of human body such as skin, tissues, organs, and brain. In this thesis we developed µLED-based flexible/implantable optoelectronics which can be applied to human skin, pancreas, and heart for treatment of skin diseases, cancer, and arrhythmia, respectively, with minimal tissue damages.
In chapter 2, we report a wearable surface-lighting µLED (SµLED) photostimulator for skin-bleaching applications. The SµLEDs, consisting of LDL, 900 thin film µLEDs and PDMS, achieved uniform surface-lighting in 2 × 2 cm$^2$-sized area with 100 % emission yields. The SµLEDs maximize photostimulation effectiveness on the skin surface by uniform irradiation, high flexibility and thermal stability. The SµLEDs effect on melanogenesis inhibition was evaluated via in vitro and in vivo experiments. The anti-melanogenic effect of SµLEDs was confirmed by reduced melanin content and enhanced melanin distribution, compared to a conventional LED (CLED) stimulator.
In chapter 3, we demonstrated a deep-implantable, self-fixing, three-dimensional micro-LEDs (SFLEDs) capable of capturing tumor tissues in intra-body environment. The ~15 µm-thick ultra-thin SFLEDs consists of 70 micro-LEDs, a shape memory polymer of polyurethane (PU) and ultra-violet (UV) cured polymers for passivation. The claw-shaped SFLEDs three-dimensionally covered the tumors, while holding the cancer tissues by itself with the characteristics of shape memory polymer. The SFLEDs enabled precise PDT without delamination or movements from the tumor tissues, inducing selective apoptosis/necrosis of tumors in pancreas.
레이저와 LED를 포함한 광학 장치는 인간의 질병과 장애를 치료하기 위한 진단 및 치료 도구로 현대 의학 분야에서 활용되어 왔습니다. 그러나 기존의 광원은 기계적 부적합, 열 발생, 높은 조직 손상으로 인해 효율적인 광 전달을 달성할 수 없으며 치료 시간, 대상 영역 및 치료 효과에 제한이 있습니다. 인체 인터페이스를 구현하기 위해서는 피부, 조직, 장기, 뇌 등 인체의 형태를 고려하여 광의료 기기를 설계해야 한다. 본 논문에서는 조직 손상을 최소화하면서 피부질환, 암, 부정맥 치료를 위해 인간의 피부, 췌장, 심장에 적용할 수 있는 μLED 기반의 유연/이식형 광전자공학을 개발하였다.
2장에서는 피부 미백 응용 분야를 위한 웨어러블 표면 조명 µLED(SµLED) 광자극기를 보고합니다. LDL, 900 박막 μLED 및 PDMS로 구성된 SμLED는 100% 방출 수율로 2 x 2 cm$^2$ 크기의 영역에서 균일한 표면 조명을 달성했습니다. SµLED는 균일한 조사, 높은 유연성 및 열 안정성으로 피부 표면의 광자극 효과를 극대화합니다. 멜라닌 생성 억제에 대한 SµLED의 효과는 시험관 내 및 생체 내 실험을 통해 평가되었습니다. SµLEDs의 항멜라닌 생성 효과는 기존의 LED(CLED) 자극기에 비해 멜라닌 함량이 감소하고 멜라닌 분포가 균일해짐을 확인했습니다.
3장에서는 체내 환경에서 종양 조직을 포착할 수 있는 심부 이식형 자가 고정 3차원 마이크로 LED(SFLED)를 시연했습니다. ~15μm 두께의 초박형 SFLED는 70개의 마이크로 LED, 폴리우레탄(PU)의 형상 기억 폴리머 및 패시베이션을 위한 자외선(UV) 경화 폴리머로 구성됩니다. 집게발 모양의 SFLED는 형상기억고분자의 특성으로 암 조직을 스스로 잡아주면서 종양을 3차원적으로 덮는다. SFLED는 종양 조직의 박리 또는 이동 없이 정확한 PDT를 가능하게 하여 췌장에서 종양의 선택적 세포사멸/괴사를 유도합니다.
