KR102043250B1 - 광열 신경자극이 가능한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 제어 방법 - Google Patents

광열 신경자극이 가능한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어 방법에 관한 것으로, 상기 미세전극칩은 기판; 상기 기판 상의 일부에 배치된 전극패드; 상기 기판 상의 일부에 배치되고 상기 전극패드에 연결된 전극; 상기 기판 상의 상기 전극이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치된 금속박막;을 포함한다.

Description

광열 신경자극이 가능한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 제어 방법{MICROELECTRODE ARRAY CHIP CAPABLE OF PHOTOTHERMAL STIMULATION AND CONTROL METHOD OF NERVE CELL USING THE SAME}
본 발명은 광열효과를 활용한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어방법에 관한 것이다.
신경세포의 활성을 조절하는 것은 신경생리학 연구와 임상적 질병의 완화에 있어서 필수적이다. 이를 위해, 신경세포를 배양하여 네트웍을 형성시킨 미세전극칩을 전기, 약물 등과 같은 다양한 방법을 사용하여 제어함으로써 신경계의 기능증진 또는 회복 등에 활용하고 있다. 특히, 미세전극을 이용하면 신경세포의 미세전기신호를 측정하거나 미세전류를 이용한 전기자극이 가능하여 신경네트웍의 연결도 분석할 수 있다.
이러한 미세전극을 이용한 전기자극은 신경세포에 흥분성 자극을 유발하는데 매우 효과적이나, 시공간 분해능에 제한이 있고, 억제성 자극의 구현이 어려운 단점이 있다.
이를 대체하는 새로운 대안 기술로서 최근 비침습적이고 고효율적인 광학적 방법가운데 적외선 레이저를 이용한 자극과 광유전학이 등이 연구되고 있다. 광자극은 주로 광유전학 기술을 통한 유전자 조작법을 이용하여 광감응 단백질을 세포막에 발현하고 이를 이용하여 흥분성/억제성 자극을 구현할 수 있다.
광유전학은 빛에 의해 특이적으로 개폐가 이루어지는 이온 채널을 인위적으로 신경세포에 발현시킨 후, 가시광선 영역대의 빛을 이용해 세포의 활동전위를 만들거나 없애는 기술이다. 다만, 광유전학은 신경세포의 유전적 변이가 필요하기 때문에 임상에서 적용이 힘든 단점을 갖는다.
이에 따라, 이를 회피하는 대체 기술이 요구되고 있다. 이와 관련하여, 최근 광열효과를 이용한 광자극 기술이 유전자 조작을 하지 않으면서 광자극의 장점을 유지하는 대체기술로 보고되고 있다. 특히, 광열자극이 가능한 미세전극칩을 제작하는 경우 세포신호 측정, 전기자극 및 광자극이 모두 가능한 장점이 있다. 이러한 광열효과를 유발하기 위하여 주로 금 나노 입자 또는 금 나노 막대와 같은 나노 금속 입자를 이용하거나 고분자 폴리머를 사용하는 기술이 개발되고 있다.
한편, 광열자극을 통한 신경세포 활동 조절 방법과 관련하여 한국공개특허 제10-2015-0047247호(이하 '선행기술'이라 약칭함)는 나노입자가 부착된 신경세포에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 신경세포 활동 조절 방법이 개시되었다.
선행기술은 나노 입자를 이용함으로써 입자의 합성과 뭉침방지용 표면 코팅, 칩표면 도포기술 등이 복합적으로 요구되며, 이를 칩에 최적화 하는 과정이 요구된다.
한편, 나노소재는 나노박막, 나노 입자, 나노구조체 등으로 유형을 나눌 수 있다. 이중, 나노박막은 세계 나노 소재 소비량의 67.4%(2013년 기준)을 차지하고 있으며, 나노소재 시장에서의 나노박막 비중은 2019년에 70.5%로 증가할 것으로 추정되고 있다. 이에 따라, 도포가 용이하고, 나노소재 시장에서 수요가 증가할 것으로 추정되는 나노박막 소재를 활용한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어방법을 고안하게 되었다.
한국공개특허 제10-2015-0047247호
본 발명의 목적은 종래와 같이 미세전극칩에 나노물질을 코팅하기 위한 복잡한 과정이 생략된 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 신경세포의 국소적 활성 억제가 가능한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩은, 기판; 상기 기판 상의 일부에 배치된 전극패드; 상기 기판 상의 일부에 배치되고 상기 전극패드에 연결된 전극; 상기 기판 상의 상기 전극이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치된 금속박막;을 포함한다.
또한, 상기 금속박막은 금(AU)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속박막은 4 내지 6nm의 두께일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩은, 상기 금속박막 상에 배치된 세포 친화성 고분자층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 신경세포 활성 제어 방법은, 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계; 상기 미세전극칩 상에 신경세포를 배치하는 단계; 및 상기 미세전극칩에 레이저를 조사하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 신경세포 활성 제어 방법은 상기 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계 이후에, 상기 미세전극칩 상에 세포 친화성 고분자층을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계는 진공증착 방식으로 상기 금속박막을 기판에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 미세전극칩에 조사하는 레이저는 500 내지 900 nm의 파장일 수 있다.
본 발명은 금속 박막에 근적외선 레이저를 조사하여 광열효과를 유도할 수 있으며, 이를 통해 미세전극칩에 배치된 신경세포의 활성을 국소적으로 억제할 수 있다. 이에 따라, 신경세포의 체외배양을 통해 뇌전증 등의 신경세포 활성도와 질병 간의 관계를 연구하고 그 치료법을 찾는 연구에 응용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세전극칩은 레이저를 금속박막에 조사함으로써, 기존 나노입자 또는 나노구조체와 같은 나노 물질보다 흡수하는 빛의 파장이 넓은 장점이 있다.
또한, 본 발명은 진공증착방식을 이용하여 나노 단위로 두께가 조절된 금속박막을 기판상에 도포함으로써, 간단한 방법으로 미세전극칩을 제조할 수 있다. 이를 통해, 전자전기, 의공학산업과 같은 칩 생산기업이 미세전극칩을 저렴하게 제조할 수 있으며, 생산성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 신경세포 활성 제어 방법의 단계도이다.
도 4는 미세전극칩, 세포 친화성 고분자층 및 신경세포의 배치관계를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 조사 단계 및 세포활성 관찰과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 신경세포가 배양된 미세전극칩이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 금속박막이 도포된 미세전극칩의 표면을 관찰한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 금속박막이 도포된 미세전극칩 및 금속 박막의 흡수 스펙트럼이다.
도 9는 근적외선 레이저 조사시 금속 박막의 온도변화 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩의 임피던스와 페이즈 측정결과이다.
도 11은 근적외선 레이저 조사시 신경세포의 활성비를 나타낸다.
도 12는 광열 자극된 신경세포의 억제 정도의 결과를 나타낸다.
도 13은 광열 자극된 신경세포의 억제 정도의 결과를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩(1)이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩(1)의 측단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩(1)은 기판(11) 상의 일부에 배치된 전극패드(113), 기판(11) 상의 일부에 배치되고 전극패드(113)에 연결된 전극(111), 기판(11) 상의 전극(111)이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층(17) 및 절연층(17) 상에 배치된 금속박막(13)을 포함한다. 또한, 미세전극칩(1)은 금속박막(13) 상에 배치된 고분자층(15)을 포함할 수 있다.
기판(11)은 전극(111) 및 전극패드(113)를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 기판(11)은 세포를 배양할 수 있는 모든 종류의 기판을 의미할 수 있으며, 구체적으로는 유리, 플라스틱, 금속, 실리콘, PDMS 등과 같은 재질로 공급될 수 있다. 기판(11)은 레이저가 통과되기 위해 투명한 소재로 제공될 수 있다. 다만, 기판(11)으로 제공되는 소재는 전술한 소재에 제한되지 않는다. 전술한 레이저는 기판에 조사할 수 있는 광원의 일 형태를 의미하며, 레이저 형태와 상이한 형태의 광원이 조사될 수 있다. 하기에 기재될 레이저는 이와 동일한 맥락으로 이해됨이 바람직하다.
본 실시 예에서, 전극(111)은 기판(11) 상의 일부에 배치되고 전극패드(113)에 연결될 수 있다. 전극(111)은 레이저 조사시 신경세포(3)의 활성을 측정하기 위한 것일 수 있다. 이를 위해, 전극(111)은 점, 선, 면 또는 부피를 가진 형태로 제공될 수 있으며, 이들의 조합된 구성으로 제공될 수 있다. 특히, 본 실시 예에 따른 전극(111)을 통해 측정된 신경세포의 신호가 감소함을 확인하여 신경세포(3)의 활성이 억제됨을 확인할 수 있다.
전극(111)은 신경세포(3)의 활성을 측정하기 위한 구성이므로, 기판(11)의 상면에 위치하여야 하며, 복수의 전극이 기판(11)상에 분포될 수 있다. 복수의 전극(111)이 기판(11)상에 분포되는 것은 일정한 규칙을 가질 수 있으며, 이를 전극(111)의 패터닝으로 이해할 수 있다. 전극(111)의 패터닝 방법으로는 나노임프린트 리소그래피, 간섭 리소그래피, 자가-조립 코폴리머 패턴 전사, 전자빔 리소그래피, 초점화 이온빔 밀링, 포토리소그래피, 반응성 이온 에칭(ion-etching), 습식 에칭(wet-etching) 등의 방법에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한편, 전극(111)의 상면은 절연층(17)이 형성되지 않으며, 전극을 제외한 미세전극칩(1)의 표면에는 절연층(17)이 형성될 수 있다. 이에 따라 절연층(17)이 형성된 표면과 전극(111)이 분포된 표면은 높이차를 갖게된다. 전극(111)은 절연층(17)의 높이보다 낮은 높이로 제공되어야 하며, 이러한 높이차에서도 신경세포(3)의 활성을 측정할 수 있는 정도의 높이로 제공되어야 한다.
전극(111)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택적으로 1종 이상을 포함할 수 있다. 전극(111)으로 전달된 신경세포의 활성 전위는 전극패드(113)로 전달되어 미세전극칩(1) 외부로 송출될 수 있다.
본 실시 예에서, 전극패드(113)는 기판(11) 상의 일부에 배치될 수 있다. 전극패드(113)는 전극(111)과 연결되어 외부와 전극을 연결하기 위한 구성으로 이해될 수 있다. 전극패드(113)는 단수 혹은 복수의 전극(111)과 연결될 수 있다. 또한, 기판(11)은 전극패드(113) 및 전극(111)을 연결하는 도전성 부재를 더 포함할 수 있다. 전극(111), 전극패드(113) 및 도전성 부재는 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 동일한 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다. 따라서, 전극패드(113)의 재질은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택적으로 1종 이상을 포함할 수 있다.
절연층(17)은 기판(11) 상의 전극(111)이 배치되지 않은 부분에 배치될 수 있다.
본 실시 예에서, 절연층(17)은 기판(11)과 금속박막(13)을 전기적으로 분리할 수 있다. 절연층(17)은 전극이 배치되지 않은 부분에 배치되어 기판 상에 요철구조를 형성할 수 있다. 절연층(17)은 질화규소(silicon nitride), 산화규소(silicon oxide), 산화알루미늄(Al2O3), BZN 산화물(Bismuth-Zinc-Niobium Oxide), 산화티타늄, 산화하프늄, 산화지르코늄, 산화탄탈륨 및 산화란탈륨으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
절연층(17)의 높이는 전극(111)의 높이에 비하여 높을 수 있다. 이를 통해, 분포된 전극(111) 사이의 절연을 보다 용이하게 할 수 있다.
금속박막(13)은 절연층(17)상에 배치될 수 있다.
본 실시 예에서, 금속박막(13)은 전극(111) 및 절연층(17)이 배치된 기판(11)상에 도포될 수 있다. 금속박막(13)은 진공증착 방식으로 도포될 수 있다. 금속박막(13)은 근적외선 조사시 박막 표면의 플라즈몬이 여기되고, 여기된 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance) 에너지는 방사 감폭(radioactive damping) 될 수 있다. 방사 감폭은 열 에너지를 발생시키며, 이를 이용하여 신경세포 활성을 억제할 수 있다. 금속박막(13)은 종래의 나노물질보다 근적외선 흡수에 따른 발열량이 적지만, 흡수하는 빛의 파장의 범위가 넓은 장점이 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)에서, 금속박막(13)은 금(Au)을 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 금속박막(13)은 표면 플라즈몬 공명을 유도하기 위해 금속 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동이 요구될 수 있다. 이러한 현상을 나타내는 금속은 금, 은, 구리, 알루미늄 등과 같은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 주로 사용되는데, 그 중 가장 예리한 공명 피크값을 보이는 은과 우수한 표면 안정성을 나타내는 금이 보편적으로 이용되고 있다. 이에 따라, 금속박막(13)은 금, 은, 구리 및 알루미늄과 같은 금속들이 사용될 수 있으며, 사용자의 필요에 따라 금속박막(13)에 사용되는 금속은 전술한 금속 중 일부가 선택적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)에서, 금속박막(13)은 4 내지 6nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 실시 예에서, 금속박막(13)은 진공증착 방식을 통하여 형성될 수 있다. 진공증착 방식은 박막의 두께를 수 나노 단위로 조절할 수 있다. 이에 따라, 사용자는 금속박막(13)의 두께를 제어할 수 있다. 다만, 본 발명의 목적 및 효과를 구현하기 위해 금속박막(13)은 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있는 조건을 갖추어야 하며, 신경세포의 활성 전위 측정을 방해하지 않고 고효율의 두께로 제한되어야 하는 바, 두께의 범위를 4 내지 6nm의 범위로 제한하였다. 관련된 내용은 하기의 <실시예1> 내지 <실시예6>을 통해 뒷받침 하도록 한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)에서, 금속박막(13) 상에 배치된 세포 친화성 고분자층(15)을 더 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 세포친화성 고분자층(15)은 신경세포(3)의 활성 측정 시 상기 신경세포(3) 및 금속박막(13) 사이에 배치될 수 있다. 세포친화성 고분자층(15)은 세포 친화성을 가지기 때문에 신경세포(3)의 안정성을 향상시킬 수 있다. 세포친화성 고분자층(15)은 폴리라이신(polylysine), 폴리도파민(poltdopamine), 라미닌(laminin), 파이브로넥틴(fibronectin) 등과 같은 고분자 물질로 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)을 이용한 신경세포 활성 제어 방법에 대하여 설명한다. 하기의 설명에서 미세전극칩(1)의 구성 및 특성과 관련되어 중복된 부분은 생략하며, 신경세포의 활성 제어 방법에 관련한 서술을 추가적으로 기재하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 신경세포 활성 제어 방법의 단계도이다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 신경세포 활성 제어 방법을 설명하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 신경세포 활성 제어 방법은 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계(S1), 미세전극칩 상에 신경세포를 배치하는 단계(S5) 및 미세전극칩에 레이저를 조사하는 단계(S7)를 포함한다.
금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계(S1)에서, 미세전극칩(1)은 앞서 설명한 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)일 수 있다. 해당 단계에서는 금속박막(13)을 진공증착 방식을 통해 형성할 수 있다.
다음으로, 미세전극칩 상에 신경세포를 배치하는 단계(S5)를 수행할 수 있다. 신경세포(3)는 미생물, 동식물 세포의 해마신경세포, 감각신경세포, 연합신경세포 및 운동신경세포로 구성된 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 신경세포가 배치된 미세전극칩에 레이저를 조사한다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 조사 단계 및 세포활성 관찰과정을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 레이저 조사 단계(S7)는 파장을 선택하여 미세전극칩(1)에 레이저를 조사할 수 있다.
본 실시 예에서, 레이저는 제어가 가능한 매체를 통하여 조사될 수 있다. 제어매체는 퍼스널컴퓨터, 랩탑 등 자극 생성 소프트웨어를 실행할 수 있는 모든 매체를 포함할 수 있다. 이후, 자극 생성 소프트웨어를 통해 자극기로 레이저 조사 명령이 전달되며, 자극기로부터 근적외선 컨트롤러로 레이저 조사 신호가 전달될 수 있다. 레이저는 근적외선 컨트롤러를 통해 조사되며, 기판의 하면에서 상면으로 통과하는 방향으로 조사될 수 있다.
레이저 조사시, 금속박막(13)에서는 표면 플라즈몬 공명을 통해 광열효과가 유도될 수 있다. 이에 따라, 기판(11)상에 배치된 신경세포(3)가 자극될 수 있으며, 자극된 신경세포(3)의 활동전위가 변동될 수 있다. 변동된 활동 전위는 전극(111)을 통하여 입력되며 해당 전위를 신호 증폭기를 통하여 증폭시킨뒤, 데이터 수집 및 출력이 이루어질 수 있다. 레이저는 신경세포(3)가 배양된 전체 면적을 충분히 커버할 수 있는 넓이로 조사될 수 있다. 또한, 레이저의 조사 방향은 신경세포(3)가 배양된 면과 수직이 되게 조사될 수 있다.
레이저 조사 단계(S7)에서 조사되는 레이저는 500 내지 900 nm의 파장일 수 있다. 본 실시 예에서, 금속박막(13)은 나노입자, 나노막대, 나노구조체와 같은 기존 소재보다 넓은 파장을 흡수할 수 있다. 따라서, 사용자는 전술한 범위 내에서 근적외선 대의 파장을 선택적으로 조사할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 신경세포 활성 제어 방법에서, 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계(S1) 이후에, 미세전극칩 상에 세포 친화성 고분자층을 배치하는 단계(S3)를 더 포함할 수 있다.
세포친화성 고분자층(15)은 신경세포(3)의 활성 측정 시 신경세포(3) 및 금속박막(13) 사이에 배치될 수 있다. 이를 통해, 신경세포(3)의 안정성을 향상시킬 수 있다. 세포친화성 고분자층(15)은 폴리라이신(polylysine), 폴리도파민(polydopamine), 라미닌(laminin), 파이브로넥틴(fibronectin) 등과 같은 고분자 물질로 제공될 수 있다.
고분자층(15)의 형성은 신경세포(3)가 안정적으로 성장할 수 있도록 하는 역할을 하며, 금속박막(13)을 제외한 미세전극칩(11)에 신경세포를 배양하는 경우에도 필수적으로 필요한 과정으로 이해될 수 있다. 즉, 고분자층(15)의 형성은 광열자극을 위한 세포배양 이외의 다른 목적의 실험을 위한 신경세포의 배양에도 항상 사용되는 과정으로 이해될 수 있다.
< 실시예1 >신경세포가 분포된 미세전극칩
도 6은 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩 상에 신경세포가 배양된 것을 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 금을 포함하는 금속박막이 도포된 미세전극칩 상에 신경세포가 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있다. 분포된 신경세포는 신호가 나오는 기간까지 생존하며, 이를 통해 각각의 전극에서 신경세포의 활성을 측정할 수 있다.
< 실시예2 >상이한 두께로 형성된 금속박막의 표면 비교
도 7은 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩의 표면을 관찰한 결과이다. 관찰에는 AFM(Atomic-force microscopy)를 사용하였다. 도 7을 참조하면, 좌측에 개시된 결과는 두께가 2nm 인 금속박막을 관찰한 결과이며, 우측에 개시된 결과는 두께가 5nm 인 금속박막을 관찰한 결과이다. 또한, 도면의 하단에 개시된 결과는 20 x 20 um 면적을 관찰하였으며, 상단에 개시된 결과는 1 x 1 um 면적을 관찰한 결과이다. 관찰결과, 2nm 두께의 금속박막보다 5nm 두께의 금속박막에서 표면의 입자가 크다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 두 샘플 모두 금속박막의 표면이 고르게 형성된 것을 확인할 수 있다.
< 실시예3 >상이한 두께로 금속박막이 형성된 미세전극칩의 흡수스펙트럼 비교
도 8은 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩 및 금속박막의 흡수 스펙트럼이다. 도 8(a) 및 (b)는 상이한 두께로 금속박막이 제작된 미세전극칩을 개시한다. 도 8(a)는 2nm 금속박막, 도 8(b)는 5nm 금속박막이 제작된 미세전극칩이다. 샘플로 사용된 미세전극칩에 도포된 금속박막의 두께는 2nm, 5nm 및 7nm 이다. 이후, 제작된 각각의 미세전극칩에 UV-vis 분광기(spectrometer)를 이용하여 흡수 파장을 확인하였다.
해당 실시예의 결과에서, 7nm 두께의 금속박막이 가장 높은 흡광을 나타냈으나, 미세전극칩에서 신호를 측정할 수 없는 누전현상이 발견되었다. 즉, 금속박막은 7nm의 두께보다 얇게 형성되어 누전현상을 예방하기 위한 조건을 갖추어야 함을 확인할 수 있다. 따라서, 하기의 모든 실험예는 금속박막의 두께를 7nm보다 작은 범위로 한정된 데이터를 비교하였으며, 특히 2nm 와 5nm의 두께를 가진 금속박막의 특성을 비교하였다.
도 8(c)는 측정이 안정적으로 이루어진 2nm 및 5nm 두께의 금속박막의 결과를 비교한 그래프를 도시한 것이다. 그래프를 참조하면, 5nm 두께의 금속박막이 모든 근적외선 파장영역에서 더욱 좋은 효율의 광밀도(optical density)가 측정되었다.
< 실시예4 >레이저 조사시 금속박막의 온도 변화 비교
도 9는 근 적외선 레이저 조사시 금속박막의 온도변화 그래프이다. 온도변화를 위해 IR 카메라를 이용하여 공기중에서 3분간 금속박막의 온도를 측정하였고, 근적외선 조사 전/후 2분간의 측정 수치를 평균한 값을 빼는 방법으로 변화량을 정량하였다. 사용된 레이저는 3, 6, 9, 12 ,15 mW/mm2 의 세기로 구분된다.
도 9의 상단에 개시된 그래프는 2nm 두께의 금속박막의 온도변화를 나타내며, 하단에 개시된 그래프는 5nm 두께의 금속박막의 온도변화를 나타낸다. 두 그래프의 비교를 통해, 5nm 두께의 금속박막이 모든 근적외선 세기에 대하여 2nm 두께의 금속박막보다 많은 열을 발생하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 5nm 두께의 금속박막은 공기중에서 최대 25도의 온도변화가 감지된 반면, 2nm 두께의 금속박막은 20도 미만의 온도변화가 감지됨을 확인할 수 있다.
< 실시예5 > 금속박막이 형성된 미세유체칩의 임피던스 및 페이즈 측정
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩의 임피던스와 페이즈 측정결과이다. 도 10의 좌측은 금속박막의 임피던스 측정 그래프를, 우측은 패이즈 측정 결과 그래프를 나타낸다.
임피던스 측정의 경우, 각 두께가 모두 세포활성을 측정할 수 있는 수준의 임피던스가 측정되었다. 특히, 5nm 두께의 금속박막이 2nm 두께의 금속박막보다 높은 값이 측정됨을 확인할 수 있다.
패이즈 측정의 경우, 두가지 두께에서 신경세포 활성을 측정할 수 있는 수준으로 확인되었다.
< 실시예6 >신경세포의 활성 신호 측정
도 11은 근적외선 레이저 조사시 신경세포의 활성비를 나타낸다. 해당 실시예는 신경세포의 활성 신호를 비가공한 상태의 결과를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 근적외선을 조사하지 않은 실험에서는 신경세포의 활성 신호가 지속적으로 발생됨을 확인할 수 있다. 반면, 근적외선을 조사한 실험에서는 조사하는 기간동안 신경세포의 활성이 억제되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 근적외선을 조사한 실험 후에 신경세포를 관찰한 결과, 활성에는 영향이 없었으며 계속적으로 살아있는 상태로 유지됨을 확인할 수 있었다.
도 12는 광열 자극된 신경세포의 억제 정도의 결과를 나타낸다. 해당 실시예는, 측정된 신호를 가공하여 자극에 대한 시간 히스토그램(PSTF: Peristimulus time histogram)정량적으로 분석하였다. 실험은 신경세포의 활동전위가 활발하게 일어나는 배양 후 14일 내지 21일의 기간에 근적외선 자극 실험을 진행하였다.
도 12를 참조하면, 그래프의 세로축은 spikes/sec(신호수/초)를 의미하며, 가로축은 time(sec)를 의미한다. 실험이 이루어지는 동안, 미세전극칩의 전극에서 신경세포의 활성이 측정되면 지속적으로 점이 찍히게 되고 활성이 없으면 표시되지 않는다.
특히, 우측의 두 그래프의 -10 내지 0 초, 10 내지 20 초는 레이저 자극을 주지 않은 상태이며, 0 내지 10 초는 레이저 자극을 주는 상태이다. 또한, 모든 그래프에서 -10 내지 20 초 사이에서 그래프 상부에 나타난 작은 점은 해당 시간에 미세전극칩에서 측정된 신호수(spike) 이며, 각각의 점이 이루는 단일 행은 각각의 시도 횟수를 의미한다. 결과는 30번의 시도를 한 것으로 30 개의 행이 있다.
특히, 5 nm 두께의 금나노박막이 있는 미세전극칩의 경우에는 근적외선 레이저가 조사되는 0 내지 10 초 동안에 확연하게 신경세포의 활성이 줄어들어 점이 거의 찍히지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 광열 자극된 신경세포의 억제 정도의 결과를 나타낸다. 해당 실시예는, 광열자극의 세기에 대한 신경세포의 활성 억제 정도를 금속박막의 두께에 따라 측정하였다. 조사된 레이저는 3, 6, 9, 12, 15, 18 및 21 mW/mm2 의 세기로 10초간 조사되었으며, 20초간 근적외선을 조사하지 않는 방식으로 총 30번 반복하여 실험을 진행하였다. 실험의 대조군으로 0 mW/mm2 에 15분간 측정된 활동전위와 비교하여 신경세포의 활동전위 억제 정도를 정량하였다.
결과적으로, 2nm 두께의 금속박막이 형성된 미세전극칩 샘플에서는 일부 신호에서 버스트(burst) 신호가 발생하였지만, 광자극 중에는 용이하게 억제가 됨을 확인하였다. 도 13에 개시된 그래프와 같이 2nm 및 5 nm 두께의 금속박막이 형성된 미세전극칩에서 모두 근적외선 세기가 증가함에 따라 신경세포의 활성이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 금속박막이 5nm 인 미세전극칩에서는 낮은 강도의 근적외선에서도 신경세포의 활성이 2nm 두께의 칩보다 크게 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 5nm의 두께로 금속박막이 형성된 미세전극칩이 신경세포의 활성 억제에 적합한 샘플임을 확인하였다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 미세전극칩
11: 기판
111: 전극
113: 전극패드
13: 금속박막
15: 고분자층
17: 절연층
3: 신경세포
S1: 미세전극칩 준비 단계
S3: 고분자층 배치 단계
S5: 신경세포 배치 단계
S7: 레이저 조사 단계

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 일부에 배치된 전극패드;
    상기 기판 상의 일부에 배치되고 상기 전극패드에 연결된 전극;
    상기 기판 상의 상기 전극이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층; 및
    상기 절연층 상에 배치된 금속박막;을 포함하는 미세전극칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속박막은,
    금(AU)을 포함하는 미세전극칩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속박막은,
    4 내지 6nm의 두께인 미세전극칩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속박막 상에 배치된 세포 친화성 고분자층을 더 포함하는 미세전극칩.
  5. 미세전극칩을 준비하는 단계;
    상기 미세전극칩 상에 신경세포를 배치하는 단계; 및
    상기 미세전극칩에 레이저를 조사하는 단계;를 포함하되,
    상기 미세전극칩은,
    기판; 상기 기판 상의 일부에 배치된 전극패드; 상기 기판 상의 일부에 배치되고 상기 전극패드에 연결된 전극; 상기 기판 상의 상기 전극이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치된 금속박막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경세포 활성 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계 이후에, 상기 미세전극칩 상에 세포 친화성 고분자층을 배치하는 단계를 더 포함하는 신경세포 활성 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계는, 진공증착 방식으로 상기 금속박막을 기판에 도포하는 단계를 포함하는 신경세포 활성 제어 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 미세전극칩에 조사하는 레이저는 500 내지 900 nm의 파장인 신경세포 활성 제어 방법.
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