KIST, 생체이식형 유연 소자, 신경전극(Nerve electrode) 개발
KIST, 생체이식형 유연 소자, 신경전극(Nerve electrode) 개발
  • 박현진 기자
  • 승인 2017.03.06 22:07
  • 댓글 0
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신경 신호 감지 및 제어시스템 연구 및 관련 산업에 큰 기여를 할 것으로
잉크젯 프린팅 방식으로 제작된 다공성 나노섬유 기반의 신경전극 개념(사진:KIST)

최근 생체 신경 신호의 측정 및 자극이 가능한 이식형 신경 전극을 기반으로 중추신경계와 말초신경계의 신경치료 방법이 주목 받고 있는데 주로 척추 손상 환자의 재활과 치료, 시신경 자극을 통한 인공 시각 구성, 정신적 질환의 치료를 위한 뇌 심부 자극술 등의 치료 및 재활에 폭넓게 활용되고 있다.

하지만 실리콘이나 고분자 필름을 하부구조로 제작된 신경 전극은 물질 투과성이 낮아 충분한 영양소 및 산소공급이 힘들고, 신경조직에 비해 상대적으로 기계적 강도가 높아 mechanical mismatch에 의한 이식 부위에 상처(scar)가 발생하며, 염증반응으로 신경전극이 부위 조직과 차단되어 장기간 전기신호검출이 어렵다는 한계가 있었다.

실물사진> 나노 섬유 기반의 생체 이식형 신경전극(사진:KIST)

이에 국내 연구진이 장기간 신경 자극에 의해 발생하는 신경 신호를 기록할 수 있는 안정하고 효율적인 생체이식형 신경전극 개발에 성공했다. 이 기술은 중추·말초 신경계 질병 및 손상에 의해 발생하는 신경장애의 치료를 위한 목적으로 사용되는 신경전극 기반 신경신호 감지 및 제어 시스템 연구에 도움이 될 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 바이오마이크로시스템연구단 이수현 박사팀은 경희대학교 치과재료학교실 권일근 교수팀, 건국대학교 수의과대학 도선희 교수팀과 공동연구를 통해 스펀지 형태의 다공성 나노섬유구조체 표면에 은 나노 입자를 잉크젯 프린팅 방식으로 전사한 신경 전극 개발에 성공했다. 연구진은 개발한 생체이식형 전극이 말초신경계의 신경 신호를 장기간 동안 안정적으로 측정 가능하다고 밝혔다.

다공성 나노섬유 기반의 유연한 성질의 신경전극 제작 과정(사진:KIST)

최근 중추신경계와 말초신경계에서의 신경치료는 생체 신경 신호의 측정 및 자극이 가능한 이식형 신경 전극을 삽입하는 치료방법이 주목받고 있는데 주로 척추 손상 환자의 재활과 치료, 시신경 자극을 통한 인공 시각 구성, 정신적 질환의 치료를 위한 뇌 심부 자극술등의 치료 및 재활에 폭넓게 활용되고 있다.

그러나 기존 대부분의 이식형 신경 전극의 경우, 실리콘이나 고분자 필름을 하부구조로 제작되어 물질 투과성이 낮고, 체내에 이식이 된 후에 신경에 충분한 영양소 및 산소공급이 힘들며, 신경 조직에 비해 상대적으로 기계적 강도가 높아 이식부위에 기계적 부조화에 의한 상처가 발생하기 쉽다. 또한 체내에서 이물반응에 의한 염증으로 신경전극이 주변 조직과 차단되어 장기간 신경신호 검출이 어렵다는 한계가 있었다.

잉크젯 프린팅 방식으로 제작된 다공성 나노섬유 기반의 신경전극 개념도 (사진:KIST)

이에, 본 연구팀은 염증억제와 장기간 미세한 신경신호 검출을 위해서 신경전극의 유연성과 물질 투과성을 크게 향상시키면서 전기적으로 높은 감도를 갖는 신경전극을 개발하였다. 기존의 신경전극에 비해 월등히 향상된 유연성과 투과성을 갖기 위해서 나노섬유(Polyimide, 폴리이미드)를 이용하여 신경전극의 하부구조를 만들고, 그 위에 은 나노입자를 잉크젯 프린팅 방식으로 전사(Patterning, 패터닝)하였다.

그리고 전사된 은 나노입자 위에 전기적인 성능을 개선하기 위해서 전도성 고분자를 증착시켰다. 이렇게 제작된 신경전극은 체내 이식 후, 신경조직을 검사한 결과 신경 변형이나 위축 등 아무런 손상이 발생하지 않은 것을 확인하였다. 그 결과, 전기적 신호 감도가 뛰어나고 동시에 장기간 안정적인 신경 신호 기록이 가능한 신경전극을 개발할 수 있었다.

이수현 박사

이수현 박사는 “본 연구로 개발된 신경전극은 장기간에 걸친 뛰어난 생체적합성을 검증받아 중추 및 말초신경계 손상의 신경계 장애인을 치료할 수 있는 안정적인 신경신호 검출과 기록이 가능하다. 또한 이 신경전극 개발에 적용된 기술은 각종 체내 삽입형 소자의 생체적합성을 향상시키는데 적용될 수 있다” 고 말했다.

본 연구는 공공복지안전연구사업으로 “신경계 장애인의 신경신호 감지 및 제어 원천기술개발”과제(총괄과제책임자, KIST 강지윤 단장) 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 이루어졌으며, 연구결과는 미국화학학회(ACS)에서 발간하는 세계적인 권위지인 나노 분야 국제학술지 ACS NANO에 2월 14일(화)자 온라인 판에 게재되었다. (논문명) Flexible and Highly Biocompatible Nanofiber-Based Electrodes for Neural Surface Interfacing

 

참고) 용어해설

신경전극 (Nerve electrode) : 신경세포 또는 조직으로부터 신경신호를 기록하거나 신경세포 또는 신경을 자극하는데 활용되며, 신경세포와 전자회를 연결시켜 주는 역할을 한다. 주로 중추 및 말초신경에 이식하여 치료 및 재활에 활용되고 있으며, 신경전극은 소위 미시건 전극 유타 전극으로 대표되는 세포내 (intracellular)형과 메탈와이어, 후크 (hook), helicoidal, 커프 (cuff) 전극과 같은 세포외 (extracellular)형으로 분류할 수 있다.

세포내형 전극은 전극과 신경다발내의 소규모 axon과 전극의 직접적인 접촉을 통해 신경신호를 취득하는 반면, 세포외형 전극은 신경내의 수많은 axon들과 전극사이의 계면접촉을 통해서 신경신호를 취득할 수 있다.

유연 소자 (Flexible device): 인체에 부착하여 컴퓨팅이 가능한 모든 종류의 전기/전자 소자로 구성된 기기를 일컫으며, 소재적 관점에서 보았을 때 직물과 유사한 형태의 다양한 방향으로 휘어지거나 늘어나지만 기능성에 영향을 받지 않는 소재 기반의 소자를 말한다. 본 연구팀에서는 폴리이미드 나노파이버의 전기방사를 통해서 유연한 시트(sheet) 형태의 나노섬유를 개발하고, 이를 이식용 신경전극으로 활용하였다.

전기방사 나노섬유 (Electrospun nanofiber): 본 연구팀이 독자적으로 개발한 시트(sheet) 형태의 폴리이미드 나노섬유로서 다음과 같은 순서로 제작하였다.

- Pyromellitic dianhydride와 oxidianiline를 함유한 N,N-dimethylacetamide의 중축합을 통해서 전구체 PAA를 합성,

- 이를 rolling mandrel에 18 kV의 고전압 파워를 통해서 전기방사,

- 전기방사된 PAA 나노섬유를 350도에서 1시간 동안 thermal imidize. 제작된 나노섬유에 잉크젯 프린팅을 이용하여 은나노입자를 패터닝하고, 패턴의 질적, 전도성 향상을 위해서 120도에서 30분 동안 hot-pressing 및 180도에서 1시간 가량 열처리를 통해 최종 신경전극을 완성하였다. 또한, 본 연구팀은 신경과 직접적으로 접촉하여 신경신호를 취득하는 신경 전극 계면의 전기적 특성 향상을 위해서 패턴된 은나노입자에 전도성 폴리머를 전기중합법을 통해 형성하였다.

 

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