In this study, I present new platforms for research on cell membrane by engineering both lipid mono-layer and freestanding bilayer. First, I present a novel technique to study mixing property of lipid monolayers. I merge a lipid coated droplet to a fluorescently-labeled planar monolayer. During the merging process, a monolayer on a droplet displaces the existing planar monolayer, leaving a dark area when viewed under a fluorescence microscope. I measure fractional intensities as the dyes recover, which allows diffusion coeffi-cients to be computed. Using proposed technique, I observed the mixing process between two different mono-layers on the air/water interface, and by this, mixing between two monolayers can be investigated. Second, I present the first stable freestanding lipid bilayers with large area, planar geometry, solvent-free, and exempla-ry lipids as well, which can be a useful in vitro platform for a number of studies related to cell membranes. The new approach is the hybridization of a droplet monolayer and planar monolayer, and a W/O emulsion stabilizer SPAN 80, which gives rise to a nearly millimeter-scale stable freestanding bilayer. The water perme-ability, bilayer area, contact angle, and interfacial tension were measured as a function of time and SPAN 80-to-lipid weight ratio (ΦSPAN 80) with several different solvents. Surprisingly, the SPAN 80, instead of remaining in the bilayer, was moved out of the bilayer during the bilayer formation. Also I studied the effect of solvent on bilayer formation, and found that squalene was the only solvent that was not incorporated into the bilayer. The regime of stable bilayer formation was experimentally determined to be 3/1 < $\phi$SPAN 80 < 15/1, and I sug-gest general stability criteria for bilayer formation. This method and the suggested stability criteria can be potentially helpful to many model membrane-based researches in life sciences, physical sciences and bio-medical engineering fields.
본 연구에서는 인지질 단일막과 떠있는 이중막을 이용하여 세포막을 연구하기 위한 새로운 플랫폼을 개발하였다. 먼저 인지질 단일막에서의 인지질 간의 섞임을 연구할 수 있는 새로운 기술을 개발하였다. 인지질이 코팅된 물방울을 평평한 형광을 부착시킨 인지질이 포함된 인지질 단일막에 합쳐지게 하면 물방울의 표면에 존재하던 단일막이 평평한 인지질 단일막 사이에 끼어들어가는 결과를 낳으며, 검은 영역이 만들어짐을 형광 현미경을 통해 확인할 수 있다. 검은 영역 내의 형광이 회복되는 정도를 측정함으로써 인지질 단일막의 이차원 확산 계수를 계산하였다. 이 기술을 통해 두 가지의 서로 다른 단일막 간의 섞임을 살펴볼 수 있는데, 이를 이용하면 두 단일막 간의 섞임 특성을 연구할 수 있다. 또한, 본 연구에서는 최초로 대면적이며, 평평하며, 용제가 끼어있지 않으며, 대표적인 인지질 종류를 사용한 떠있는 인지질 이중막을 안정적으로 형성하였다. 본 연구에서는 액적의 표면에 형성된 인지질 단일막과 평평한 인지질 단일막을 합쳐서 밀리미터 정도의 크기를 가지는 떠있는 이중막을 형성하였으며, 계면활성제가 안정제로 사용되었다. 놀라운 점은 이 계면활성제가 안정제 역할을 한 이후 이중막에서 스스로 빠져나온다는 점이다. 또한 안정적인 이중막을 형성하기 위한 조건을 일반화 하였다.
