KR101073431B1

KR101073431B1 - Ｒｆ기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 및 그 제작 방법

Info

Publication number: KR101073431B1
Application number: KR1020080124133A
Authority: KR
Inventors: 김상협; 정상돈; 김국화; 정명애; 김용희; 손승원
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2011-10-17
Also published as: KR20100065678A

Abstract

본 발명은 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극은 나노 구조물로 이루어진 전극팁(tip); 전극팁의 나노 구조물을 지지해주고 전원을 전달하는 지지부; 전극팁(Tip)에 전원을 전달하도록 전극팁 및 지지부에 피복된 투명 전도막 및 지지부를 외부환경에 대해서 절연되도록 피복된 절연 보호막 중 하나 이상을 포함하는 코팅부; 및 지지부를 통해 전극팁으로 외부에서 무선으로 공급되는 전원 및 무선 신호의 주파수에 따라 자극을 선택적으로 분류하여 전달하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＲＦ기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 및 그 제작 방법{Addressable Implantable Functional Brain Electrode based on RF Stimulation and Method for manufacturing the same}

본 발명은 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 특히, 본 발명은 대뇌 피질의 자극을 위하여 두개골(Skull)과 대뇌 피질(Cerebral Cortex) 사이의 공간에 삽입되어 뇌 신경 기능의 변화를 유도할 수 있는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 선천적/후천적 뇌신경 손상 환자에게 뇌신경 기능 회복을 이루기 위하여 뇌 중추신경계에 대한 전기적 자극을 행하는 기술에 대한 연구가 오랜 기간 진행되어 왔다. 이러한 전기적 자극에 대한 초기 연구의 대부분은 운동대상영역, 공간처리능력 및 언어 영역 등 뇌기능의 특정 부분에 대한 뇌기능의 매핑(Mapping)에 관한 것이었다. 그 초기 연구를 통해 뇌기능 매핑에 따른 기능성 지도를 얻게 되었다.

최근, 뇌기능 매핑에 따른 기능성 지도를 우울증, 파킨슨씨병, 뇌졸중, 간 질, 만성 신경병증성 통증 등의 질병 치료에 이용하고 있다. 이러한 치료 방법은 경두개 자기자극 및 경두개 직류전기자극을 도입하여 직접적으로 해당 질병 치료에 적용한다. 이는 전기자극이 신경 간의 연결을 활성화하거나 억제시킴으로써 증상 개선에 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 이처럼, 종래의 뇌질환을 치료하기 위하여 대뇌 피질을 자극하는 장비들은 주로 경두개성 자극 장치를 이용하고 있다.

그러나 종래의 경두개성 자극 장치를 통한 자극은 대뇌피질의 목적부위보다 불필요하게 광범위한 피질에 자극이 전달되는 단점이 있고, 경두개를 통한 자극으로 인하여 실질적으로 대뇌피질에 원하는 강도의 자극을 하기 위해서는 강한 세기의 자극을 가해야 하는 문제점이 있다.

그래서, 종래의 경두개성 자극장치의 단점을 극복하기 위해 경막 외측에 삽입되는 전극이 사용되고 있으나 이것 또한 전극의 크기가 미리 설정되어 있어 전극을 삽입하기 위해서는 광범위한 두피 및 두개골의 절개가 필요하다. 이를 위해서 전신마취가 불가피하며 환자의 불편을 초래할 뿐이다.

이처럼 종래에 따른 전기자극 후 전극의 제거를 위해서는 전신마취 하에 두피 및 두개골을 다시한번 절개해야 하는 과정이 반복되어야 함으로써 환자의 불편함을 초래할 뿐만 아니라 기존의 전극은 제작과정에서 크기의 조절에 따른 금형제작과 공정변화에 따른 제작과정의 소요시간이 증가되는 문제점이 있었다.

한편, 종래의 전극 재료는 고탄성 금속 소재를 사용하고 있으나 이들 고탄성 금속 재료들은 생체 친화적인 재료로서의 특성이 우수하지 못하다. 그래서, 이러한 고탄성 금속 재료들을 전극으로 사용시 인체에서 수액과 반응을 일으켜 부식이 발 생하는 단점이 있었다. 또, 고탄성 금속 재료로 제작된 전극을 생체에 이식하였을 때 사용 기간의 제한이 있으며 이로 인하여 환자에게 통증 및 염증을 유발시키는 문제점이 있었다. 또한 고탄성 금속 재료로 제작된 전극은 크기가 상대적으로 커서 대뇌 피질의 목적 부위보다 광범위한 부위에 자극을 전달하는 단점이 있으며 원하는 강도의 자극을 주기 위해서는 강한 세기의 전극을 줘야 하는 문제점이 있었다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 두개골(Skull)과 대뇌 피질(Cerebral Cortex) 사이의 공간에 삽입되어 무선 주파수(RF: Radio Frequency)를 이용하여 무선 주파수에 따라 선택적으로 각각의 전기적인 자극을 대뇌 피질에 전달하여 다양한 원인으로 발생된 선천적/후천적 장애에 대한 뇌 신경의 기능 변화를 야기 시켜 뇌 기능의 장애를 극복할 수 있는 생체 이식형 전극 및 그 전극을 제작하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극은 나노 구조물로 이루어진 전극팁(tip); 전극팁의 나노 구조물을 지지해주고 전원을 전달하는 지지부; 전극팁(Tip)에 전원을 전달하도록 전극팁 및 지지부에 피복된 투명 전도막 및 지지부를 외부환경에 대해서 절연되도록 피복된 절연 보호막 중 하나 이상을 포함하는 코팅부; 및 지지부를 통해 전극팁으로 외부에서 무선으로 공급되는 전원 및 무선 신호의 주파수에 따라 자극을 선택적으로 분류하여 전달하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 전원부에서 수신하는 무선 신호의 주파수는 1 kHz ~ 9999 GHz범위를 포함하고, 무선 신호의 해당 주파수에 따라 동작하여 전극팁을 통해 전기적인 자극을 대뇌 피질에 전달하는 것이 바람직하다.

또한, 전원부는, 블루투스 또는 지그비 통신을 통해 무선으로 외부 전원을 전달 받는 것이 바람직하다.

또, 전극팁(Tip)은, 길이 1 nm ~ 1000 um, 두께 1 nm ~ 1000 um인 나노 로드(Nanorod), 나노 와이어(Nanowire), 나노 튜브(Nanotube) 및 나노 벨트(Nanobelt) 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 전극팁(Tip)은, 탄소나노튜브(CNT : Carbon Nanotub), Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상의 조합을 포함하는 천이금속계, Si, Ge, As 중 하나 이상의 조합을 포함하는 반금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족, 금속 산화물계(MxOy, M = Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상의 조합을 포함하는 천이금속계, Si, Ge, As 중 하나 이상의 조합을 포함하는 반금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족 중 하나 이상의 조합, O = Oxygen, x 및 y는 금속과 산소의 정량비) 중 하나 이상을 포함하는 나노 구조물인 것이 바람직하다.

또, 지지부는, 길이 1 ~ 100 mm, 두께 1 ~ 1000 um로 제작 된 Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상을 포함하는 천이금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족계 중 하나 이상으로 형성된 와이어(wire)를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 코팅부의 절연 보호막은, 폴리스틸렌 수지, 아크릴로니트릴/부타디엔/스틸렌수지, 아크릴수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌옥사이드, 염화비닐, 연경질 폴리프로필렌, 유리강화섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 페놀, 파릴렌 수지 중 하나 이상을 포함하는 유기물로 구성되고, 두께 1 ~ 1000 um로 형성된 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법은 두개골(Skull)과 대뇌 피질(Cerebral Cortex) 사이의 공간에 삽입되어 무선 주파수(RF : Radio Frequency)를 이용하여 선택적으로 전기적인 자극을 전달하는 생체 이식형 전극 제작 방법으로서, 지지부를 와이어로 형성하는 단계; 지지부로부터 나노 구조물을 성장시켜 전극팁(Tip)을 형성하는 단계; 전극팁(Tip) 및 지지부를 투명 전도막으로 피복하는 단계; 지지부에 절연 보호막을 형성하는 단계; 및 지지부에 전원 및 각각의 주파수를 무선통신을 이용하여 송수신 할 수 있는 전원부를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 전극팁을 형성하는 단계는, 지지부로부터 Sputtering법, ALD(Atomic Layered Deposition), PLD(Pulsed Laser Deposition), IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법 중 하나 이상을 포함하는 물리적인 성장 방법, Sol-Gel법, CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), VSLE(Vapor Liquid Solid Epitaxial)법 중 하나 이상을 포함하는 화학적 성장 방법을 이용하여 직접적으로 나노구조물을 성장시키는 것이 바람직하다.

또한, 전극팁(Tip) 및 지지부를 투명 전도막으로 피복하는 단계는, 전극팁(Tip)과 지지부를 투명전극(Transparent Conducting Oxide)인 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2와 이 계에 도핑 및 치환 원소로서 Al, Ga, Zn, F 중 하나 이상의 조합으로 도핑 및 Co-doping된 재료를 Sputtering법, ALD(Atomic Layered Deposition), PLD(Pulsed Laser Deposition), IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법 중 하나 이상을 포함하는 물리적인 성장 방법을 이용하여 두께 1 ~ 1000 nm로 성장된 박막으로 형성하는 것이 바람직하다.

또, 지지부에 절연 보호막을 형성하는 단계는, 지지부에 폴리스틸렌 수지, 아크릴로니트릴/부타디엔/스틸렌수지, 아크릴수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌옥사이드, 염화비닐, 연경질 폴리프로필렌, 유리강화섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 페놀, 파릴렌 수지 중 하나 이상을 포함하는 유기물로 구성되고, 두께 1 ~ 1000 um로 상온주에서 도포하여 절연 보호막을 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 안정성을 향상시키기 위하여 진공, 불활성 가스, 산화성 가스, 환원성 가스 중 하나 이상의 환경에서 1초 ~ 24시간 동안 50 ~ 500 ℃로 어닐링 과정을 각 단계별로 더 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 선천적/후천적으로 발생된 뇌신경의 기능의 변화를 유도하여 뇌 신경 기능 개선에 우수한 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명은 기존의 뇌 자극 전극보다 초소형화를 이룩함으로써 국소 마취 후 최소한의 부분적인 절개 방법으로 대뇌 피질에 삽입할 수 있는 장점이 있다.

이를 통해, 본 발명에 따른 전극은 수술후 발생할 수 있는 신체 손상을 최소화 할 수 있으며, 대뇌 피질의 정확한 목적 부위에 전극을 위치 시켜 최소한의 부위에 각각의 주파수에 따른 전기적인 자극을 줄 수 있는 장점이 있어 신체 손상을 최소화 할 수 있다.

또한, 기존의 뇌자극 전극은 고탄성 금속을 사용하는 봉형태를사용하여자극부분의면적이커지는단점이있었으나 본 발명에서는 전극팁(Tip)을 나노구조물로 대체함으로써 최소 면적에 정확한 위치에 자극을 줄 수 있어 소형화한 장점이 있다.

또한, 기존의 뇌 자극 전극은 유선을 이용하여 전원을 전달하였으나 본 발명에 따른 전극은 무선 송수신으로 전원 및 주파수를 전달할 수 있어 행동의 용이성 및 휴대성이 뛰어난 장점이 있다.

또한, 전기 자극 치료를 마친 후 삽입된 전극의 제거가 용이하며 주파수에 따른 전극수의 증감을 통해 넓은 면적에 자극을 줄 수 있는 장점이 있다.

또, 각각의 주파수에 따른 생체 이식형 전극을 제작함으로써 뇌 기능의 장애를 극복할 수 있는 생체 이식형 전극을 제작할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다. 여기서 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극의 구성을 도시한 예시도이고, 도 2는 도 1의 전극의 실사용예를 도시한 예시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극(100)은 나노 구조물로 이루어진 전극팁(10)(tip), 전극팁(10)의 나노 구조물을 지지해주고 전극팁(10)(Tip)에 전원을 전달해주는 지지부(20), 전극팁(10)(Tip)에 전원을 전달하도록 전극팁(10) 및 지지부(20)에 피복된 투명 전도막(31) 및 지지부(20)를 외부환경에 대해서 절연되도록 피복된 절연 보호막(32) 중 하나 이상을 포함하는 코팅부(30), 지지부(20)를 통해 전극팁(10)으로 외부에서 무선으로 공급되는 전원 및 무선신호의 주파수에 따라 자극을 선택적으로 분류하여 공급하는 전원부(40)를 포함하여 구성된다.

전원부(40)에 외부 전원을 제공하는 전원 장치(200)는 비접촉 방식으로 전원 및 무선 주파수 신호를 출력하게 된다. 전원 장치(200)는 무선으로 전원을 전송하여 전원부(40)를 구동시키게 되는 것이다. 이러한 외부 전원 장치(200)는 공지된 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

전원부(40)는 본 발명에 따른 전극(100)을 실질적으로 구동하고, 외부 전원 장치(200)와 무선 통신을 수행하여 전원 및 주파수 신호를 입력받게 된다. 예를 들어, 전원부(40)는 외부의 전원 장치(200)로부터의 마이크로파와 같은 무선신호를 수신하여 전력으로 변환하게 되는 것이다. 이를 통해 별도의 전기적인 연결 없이도 전원을 공급받을 수 있게 된다.

또, 전원부(40)는 블루투스 또는 지그비 통신을 통해 무선으로 외부 전원을 전달 받는 것이 바람직하다. 그래서, 전원부(40)는 외부의 전원 장치(200)에서 비접촉 방식으로 전송되는 전원으로 동작되고, 전극팁(10)은 함께 전송되는 무선 주파수 신호에 따라 선택적으로 대뇌 피질에 전기적인 자극(RF:Radio Frequency)을 주게 되는 것이다.

또한, 전원부(40)는 전송 매체의 유효 대역을 일정한 간격으로 주파수 영역을 나누고 각각의 영역을 채널별로 할당하여 사용할 수 있도록 주파수분할다중통신방식으로 프로그램화되어 있는 기록매체를 포함하는 것이 바람직하다. 그래서, 전원부(40)는 분할된 주파수에 따라 자극의 세기를 조절할 수 있는 선택적 기능이 생기며 한 개의 전극에 수백 개의 회선을 수용할 수 있는 장점이 있어 정확한 자극점에 한 개의 전극을 생체 이식함으로써 최소 부위에 선택적, 기능적 자극을 줄 수 있는 효과가 있다.

여기서, 외부 전원을 통해 전원부(40)에 전송되는 신호의 주파수는 1 kHz ~ 9999 GHz범위를 갖는 것이 바람직하다. 그래서, 전원부(40)는 무선신호의 주파수에 따라 지지부(20)를 통해 전극팁(10)에 전기적인 자극을 전달하고, 그에 따라 전극팁(10)이 위치한 대뇌 피질에 전기적인 자극을 가하게 된다.

전극팁(10)(Tip)은 대뇌 피질에 선택된 무선 주파수에 따라 직접적으로 자극을 가해주도록 구성된다. 이때, 전극팁(10)은 기능에 따라 대뇌 피질에 직접적으로 자극을 가하게 된다. 이러한 전극팁(10)은 길이 1 nm ~ 1000 um, 두께 1 nm ~ 1000 um인 나노 로드(Nanorod), 나노 와이어(Nanowire), 나노 튜브(Nanotube) 및 나노 벨트(Nanobelt) 중 하나 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 전극팁(10)을 구성하는 나노 구조물은 당업계에 종사하는 사람이라면 충분히 이해될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 전극팁(10)(Tip)은 생체 친화형 재료로 구성되는데, 전극팁(10)은 탄소나노튜브(CNT : Carbon Nanotub), Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상의 조합을 포함하는 천이금속계, Si, Ge, As 중 하나 이상의 조합을 포함하는 반금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족, 금속 산화물계(MxOy, M = Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상의 조합을 포함하는 천이금속계, Si, Ge, As 중 하나 이상의 조합을 포함하는 반금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족, O = Oxygen, x 및 y는 금속과 산소의 정량비) 중 하나 이상을 포함하는 나노 구조물인 것이 바람직하다.

지지부(20)는 전극팁(10)의 나노 구조물을 지지해주고 전극팁(10)(Tip)에 전원을 전달해주게 된다. 이러한 지지부(20)는 길이 1 ~ 100 mm, 두께 1 ~ 1000 um로 제작 된 Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 어느 하나의 조합을 포함하는 천이금속 계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족계 중 하나 이상으로 형성된 와이어(wire)를 포함하는 것이 바람직하다.

코팅부(30)의 절연 보호막(32)은 지지부(20)를 생체와의 전기적인 접촉을 절연시키게 된다. 절연 보호막(32)은 폴리스틸렌 수지, 아크릴로니트릴/부타디엔/스틸렌수지, 아크릴수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌옥사이드, 염화비닐, 연경질 폴리프로필렌, 유리강화섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 페놀, 파릴렌 수지 중 하나 이상을 포함하는 유기물로 구성되고, 두께 1 ~ 1000 um로 상온주에서 지지부(20)에 도포하여 절연 피복을 형성한다.

코팅부(30)의 투명 전도막(31)은 전극팁(10)(Tip)과 지지부(20) 간에 주파수에 따른 전기적인 강도의 전달이 원활하게 한다. 투명 전도막(31)은 투명전극(Transparent Conducting Oxide)인 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2와 이 계에 도핑 및 치환 원소로서 Al, Ga, Zn, F 중 하나 이상의 조합으로 도핑 및 Co-doping된 재료를 Sputtering법, ALD(Atomic Layered Deposition), PLD(Pulsed Laser Deposition), IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법 중 하나 이상을 포함하는 물리적인 성장 방법을 이용하여 두께 1 ~ 1000 nm로 박막을 전극팁(10)과 지지부(20)에 성장시켜 형성한다. 이러한 투명 전도막(31)에 대한 내용은 당업계에 종사하는 사람이라면 충분히 이해될 수 있는 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

이처럼, 상술한 본 발명에 따른 전극(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 국소적인 대뇌피질에 주파수에 따라 조절된 전기적인 자극을 선택적으로 제공하여 다양한 원인으로 인한 뇌손상 후 발생한 뇌신경기능 결손의 회복을 촉진할 수 있다. 또, 전극(200)은 초소형화된 크기로 인하여 최소한의 부분절개만으로 두개골과 대뇌피질 사이의 공간에 삽입이 가능하고, 삽입된 후 뇌신경 손상부위부분의 대뇌피질에 전극을 위치시킨 후 주파수에 따라 전기장을 형성하여 선택적으로 전기 자극을 할 수 있다. 또, 전기자극 치료를 마친 후 삽입된 전극의 제거가 용이한 효과를 갖는다.

이하, 상술한 구성을 갖는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법을 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법을 도시한 흐름도이고, 도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 각 단계별 예시도이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 전극팁(10)의 지지부(20)를 제작한다(S10). 도 4에 도시된 바와 같이, 지지부(20)는 Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상을 포함하는 천이금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상을 포함하는 백금족계와 Ag, Au, Pt 중 하나 이상을 포함하는 귀금속족계로 만들어진 와이어(wire)를 인 발(Drawing) 가공을 하여 길이 1 ~ 100 mm, 두께 1 ~ 1000 um로 제작 한다.

다음, 전극팁(10)을 나노구조물로 형성한다(S20). 도 5에 도시된 바와 같이, 전극팁(10)은 지지부(20)에서 Sputtering법, ALD(Atomic Layered Deposition), PLD(Pulsed Laser Deposition), IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법 중 하나 이상을 포함하는 물리적인 성장 방법, Sol-Gel법, CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), VSLE(Vapor Liquid Solid Epitaxial)법 중 하나 이상을 포함하는 화학적 성장 방법을 이용하여 직접적으로 나노 구조물을 성장 시킨다. 이러한 나노구조물을 성장 하는 방법은 당업계에 종사하는 사람이라면 충분히 이해될 수 있는 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 형성되는 전극팁(10)은 탄소나노튜브(CNT : Carbon Nanotub), Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상의 조합을 포함하는 천이금속계, Si, Ge, As 중 하나 이상의 조합을 포함하는 반금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족, 금속 산화물계(MxOy, M = Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상의 조합을 포함하는 천이금속계, Si, Ge, As 중 하나 이상의 조합을 포함하는 반금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족, O = Oxygen, x 및 y는 금속과 산소의 정량비) 중 하나 이상을 포함한 성분을 가지고 있는 생체 친화형 재료를 소재로 성장하 게 된다. 이러한 전극팁(10)은 길이 1 nm ~ 1000 um, 두께 1 nm ~ 1000 um인 나노 로드(Nanorod), 나노 와이어(Nanowire), 나노 튜브(Nanotube) 및 나노 벨트(Nanobelt) 중 하나 이상을 포함하는 나노 구조물로 형성되게 된다.

또, 전극팁(10)은 진공, 불활성 가스, 산화성 가스, 환원성 가스 중 하나 이상의 환경에서 1초 ~ 24시간 동안 50 ~ 1000 ℃의 어닐링 과정을 통해 전극팁(10)을 지지부(20)에 안정되고 일정한 조성비를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 전극팁(10)을 형성하는 공정을 진행하면 지지부(20)에 균일한 크기 및 형태를 지닌 나노 구조물을 가진 전극팁(10)을 기존 제작 방법보다 용이하게 제작 할 수 있으며 재현성 및 균일성이 보장되며 대량 생산이 가능한 장점이 있다.

다음, 전극팁(10)(Tip)과 지지부(20)을 투명 전도막(31)으로 피복한다(S30). 도 6에 도시된 바와 같이, 전극팁(10)(Tip)과 지지부(20)는 주파수에 따른 전기적인 강도의 전달이 원할하게 하기 위해서 투명전극(Transparent Conducting Oxide)인 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2와 이 계에 도핑 및 치환 원소로서 Al, Ga, Zn, F 중 하나 이상의 조합으로 도핑 및 Co-doping된 재료를 Sputtering법, ALD(Atomic Layered Deposition), PLD(Pulsed Laser Deposition), IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법 중 하나 이상을 포함하는 물리적인 성장 방법을 이용하여 두께 1 ~ 1000 nm로 박막을 성장시킨다. 이러한 박막을 성장하는 방법은 공지된 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 성장시킨 박막의 안정화를 위하여 진공, 불활성 가스, 산화성 가스, 환원성 가스 중 하나 이상의 환경에서 1초 ~ 24시간 동안 50 ~ 1000 ℃의 어닐링 과정을 실시함으로써 안정되고 일정한 조성비를 가질수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 공정을 진행하면 지지부(20) 및 전극팁(10)에 균일한 크기 및 형태를 지닌 투명 전극막이 형성됨으로써 기존 전극 제작 방법에서 보다 용이하게 주파수에 따른 선택적 자극을 신속하고 전달할 수 있으며 재현성 및 균일성이 보장되며 대량 생산이 가능한 장점이 있다.

이어, 전극팁(10)의 지지부(20)를 생체와의 전기적인 접촉을 절연시키고자 절연 보호막(32)을 도포한다(S40). 도 7에 도시된 바와 같이, 절연 보호막(32)은 폴리스틸렌 수지, 아크릴로니트릴/부타디엔/스틸렌수지, 아크릴수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌옥사이드, 염화비닐, 연경질 폴리프로필렌, 유리강화섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 페놀, 파릴렌 수지 중 하나 이상을 포함하는 유기물로 구성되고, 두께 1 ~ 1000 um로 상온주에서 도포하여 절연 보호막(32)을 형성한다.

또, 절연 보호막(32)은 안정성과 유려한 표면 특성을 얻기 위하여 불활성 가스, 산화성 가스, 환원성 가스 중 하나 이상을 포함하는 환경에서 1초 ~ 24시간 동안 50 ~ 500 ℃의 어닐링을 실시하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 지지부(20)에 전원 및 주파수를 무선통신을 이용하여 송수신 할 수 있는 전원부(40)에 연결한다(S50). 도 8에 도시된 바와 같이, 전원부(40)부는 전송 매체의 유효 대역을 일정한 간격으로 주파수 영역을 나누고 각각의 영역을 채널별로 할당하여 사용할 수 있도록 주파수분할다중통신방식으로 프로그램화되어 있는 기록매체를 포함한다.

이와 같이 공정을 진행하면 분할된 주파수에 따라 자극의 세기를 조절할 수 있는 선택적 기능이 생기며 한 개의 전극에 수백 개의 회선을 수용할 수 있는 장점이 있어 정확한 자극점에 한 개의 전극을 생체 이식함으로써 최소 부위에 선택적, 기능적 자극을 줄 수 있는 효과가 있다.

또한, 상술한 본 발명 실시예는 단계 S10 ~ S50단계로 이루어진 연속 제작 공정에 의해서 동일한 재현성, 우수한 전기적 특성을 지니며 무선 주파수(RF : Radio Frequency)를 이용하여 선택적으로 전기적인 자극을 전달하는 생체 이식형 전극(100)을 용이하게 생산할 수 있다.

또, 상술한 코팅부(30)를 형성하기 위한 단계로서,단계 S30 ~ S40은 상황에 따라 선택적으로 순서의 변경 또는 삭제가 가능할 것이다.

이상, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극의 구성을 도시한 예시도.

도 2는 도 1의 전극의 실사용예를 도시한 예시도.

도 3은 본 발명에 따른 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법을 도시한 흐름도.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 각 단계별 예시도.

*도면의 주요부분에 대한 설명*

10 : 전극팁 20 : 지지부

30 : 코팅부 31 : 투명 전도막

32 : 절연 보호막 40 : 전원부

100 : 전극 200 : 전원 장치

Claims

생체 이식형 전극에 있어서,

와이어로 형성되는 지지부;

상기 지지부의 일단에 나노 구조물을 성장시켜 형성되는 전극팁(tip);

상기 지지부와 상기 전극팁에 성장되어 상기 지지부와 상기 전극팁간의 주파수에 따른 전원을 전달하는 투명 도전막;

상기 지지부가 외부환경에 대해 절연되도록 상기 지지부에 도포되는 절연 보호막; 및

상기 지지부의 타단에 형성되어 있으며, 상기 전원과 주파수를 무선통신으로 송수신하는 전원부

를 포함하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극.
청구항 1에 있어서,

상기 전원부에서 수신하는 무선 신호의 주파수는 1 kHz ~ 9999 GHz범위를 포함하고, 상기 무선 신호의 해당 주파수에 따라 동작하여 상기 전극팁을 통해 전기적인 자극을 대뇌 피질에 전달하는 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극.
청구항 1에 있어서,

상기 전원부는,

블루투스 또는 지그비 통신을 통해 무선으로 외부 전원을 전달 받는 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극.
청구항 1에 있어서,

상기 전극팁(Tip)은,

길이 1 nm ~ 1000 um, 두께 1 nm ~ 1000 um인 나노 로드(Nanorod), 나노 와이어(Nanowire), 나노 튜브(Nanotube) 및 나노 벨트(Nanobelt) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극.
청구항 1에 있어서,

상기 전극팁(Tip)은,

탄소나노튜브(CNT : Carbon Nanotub), Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상의 조합을 포함하는 천이금속계, Si, Ge, As 중 하나 이상의 조합을 포함하는 반금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족, 금속 산화물계(MxOy, M = Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상의 조합을 포함하는 천이금속계, Si, Ge, As 중 하나 이상의 조합을 포함하는 반금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족 중 하나 이상의 조합, O = Oxygen, x 및 y는 금속과 산소의 정량비) 중 하나 이상을 포함하는 나노 구조물인 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식 형 뇌자극 전극.
청구항 1에 있어서,

상기 지지부는,

길이 1 ~ 100 mm, 두께 1 ~ 1000 um로 제작 된 Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 중 하나 이상을 포함하는 천이금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 백금족계, Ag, Au, Pt 중 하나 이상의 조합을 포함하는 귀금속족계 중 하나 이상으로 형성된 와이어(wire)를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극.
청구항 1에 있어서,

상기 절연 보호막은,

폴리스틸렌 수지, 아크릴로니트릴, 아크릴수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌옥사이드, 염화비닐, 연경질 폴리프로필렌, 유리강화섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 페놀, 파릴렌 수지 중 하나 이상을 포함하는 유기물로 구성되고, 두께 1 ~ 1000 um로 형성된 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극.
두개골(Skull)과 대뇌 피질(Cerebral Cortex) 사이의 공간에 삽입되어 무선 주파수(RF : Radio Frequency)를 이용하여 선택적으로 전기적인 자극을 전달하는 생체 이식형 전극 제작 방법으로서,

지지부를 와이어로 형성하는 단계;

상기 지지부로부터 나노 구조물을 성장시켜 전극팁(Tip)을 형성하는 단계;

상기 전극팁(Tip) 및 상기 지지부를 투명 전도막으로 피복하는 단계;

상기 지지부에 절연 보호막을 형성하는 단계; 및

상기 지지부에 전원 및 각각의 주파수를 무선통신을 이용하여 송수신 할 수 있는 전원부를 연결하는 단계를 포함하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법.
청구항 8에 있어서,

상기 전극팁을 형성하는 단계는,

상기 지지부로부터 Sputtering법, ALD(Atomic Layered Deposition), PLD(Pulsed Laser Deposition), IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법 중 하나 이상을 포함하는 물리적인 성장 방법, Sol-Gel법, CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), VSLE(Vapor Liquid Solid Epitaxial)법 중 하나 이상을 포함하는 화학적 성장 방법을 이용하여 직접적으로 나노구조물을 성장시키는 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법.
청구항 8에 있어서,

상기 전극팁(Tip) 및 지지부를 투명 전도막으로 피복하는 단계는,

상기 전극팁(Tip)과 지지부를 투명전극(Transparent Conducting Oxide)인 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2와 이 계에 도핑 및 치환 원소로서 Al, Ga, Zn, F 중 하나 이상의 조합으로 도핑 및 Co-doping된 재료를 Sputtering법, ALD(Atomic Layered Deposition), PLD(Pulsed Laser Deposition), IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법 중 하나 이상을 포함하는 물리적인 성장 방법을 이용하여 두께 1 ~ 1000 nm로 성장된 박막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법.
청구항 8에 있어서,

상기 지지부에 절연 보호막을 형성하는 단계는,

상기 지지부에 폴리스틸렌 수지, 아크릴로니트릴, 아크릴수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌옥사이드, 염화비닐, 연경질 폴리프로필렌, 유리강화섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 페놀, 파릴렌 수지 중 하나 이상을 포함하는 유기물로 구성되고, 두께 1 ~ 1000 um로 상온주에서 도포하여 상기 절연 보호막을 형성하는 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법.
청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한항에 있어서,

안정성을 향상시키기 위하여 진공, 불활성 가스, 산화성 가스, 환원성 가스 중 하나 이상의 환경에서 1초 ~ 24시간 동안 50 ~ 500 ℃로 어닐링 과정을 각 단계별로 더 수행하는 것을 특징으로 하는 RF기반 선택적 기능성 생체 이식형 뇌자극 전극 제작 방법.