KR102140137B1 - 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 및 이를 이용한 신경 신호 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생체적합성 유전체 기판; 상기 기판 위의 한쪽에 배치되는 복수의 전극 사이트; 상기 기판 위의 다른 한쪽에 배치되는 복수의 전기전도성 콘택트; 및 상기 전극 사이트에서 연장되어 상기 콘택트와 연결되는 인터커넥터;를 포함하고, 상기 전극 사이트는 금속 재료로 이루어지고, 상기 인터커넥터는 탄소 재료로 이루어지는 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 및 이를 이용한 신경 신호 검출 방법에 관한 것이다. 본 발명의 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 생체 내 전류 전달 능력이 강화되고 자기공명영상에서의 영상 왜곡이 최소화되어 정확한 뇌 심부 전기 자극 및 뇌파 검출이 가능하다.
Description
본 발명은 전류 전달 능력을 강화시키고 자기공명영상에서의 영상 왜곡을 최소화 하여 뇌 심부 전기 자극 및 뇌파 검출의 정확도를 높인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 및 이를 이용한 신경 신호 검출 방법에 관한 것이다.
파킨슨 병 (Parkinson's disease), 간질 (Epilepsy), 투렛 증후군 (Tourette syndrome, 틱 장애) 등의 신경 질환의 치료에 뇌 전기 자극을 이용한 치료가 확대 적용되고 있다. 특히 뇌 심부를 자극하여 신경 질환의 증상을 완화하는 뇌 심부 자극술 (Deep brain stimulation, DBS)은 약물 요법으로 증상 완화가 어려운 환자들에게 효과적인 수술 요법이 되고 있다. 국내에서는 약 20여개 의료센터에서 연간 수백 건의 뇌 심부 자극술이 이루어지고 있으며, 전 세계적으로 그 활용도가 높아지고 있다.
뇌 심부 자극 전극 (이하 DBS 전극)은 다양한 형태의 신경 전극 (Neural electrode) 중 한 종류이다. 뇌 심부 자극술은 DBS 전극을 뇌 심부에 주입하여 주기적인 전기 자극을 줌으로써 도파민 뉴런의 활성화를 돕는다. 이러한 전기 자극은 파킨슨 병, 수전증(Essential tremor), 우울증, 간질뿐만 아니라 알츠하이머, 비만, 중독 치료에까지 그 응용분야가 넓어지고 있으며 최근 들어 더욱 활발한 연구가 이루어지고 있다.
그러나 기존 DBS 전극은 텅스텐, 플래티늄과 같은 불투명 금속으로 이루어져 있어서 자기 공명 영상 (MRI) 등의 의료 영상에서 영상 왜곡 (Image artifact)를 가져 온다. 왜곡된 영상 정보는 수술 중 DBS 전극의 정확한 위치 선정, 혹은 전극 이식 후 타 신경 질환의 정확한 진단을 방해 할 수 있다.
MRI에서의 영상 왜곡 현상은 금속 재료의 자화율 (Magnetic susceptibility)이 생체 조직 (Tissue) 및 생체 내 수분 (H2O) 대비 현격히 크기 때문이다. 따라서 자화율이 상대적으로 작은 탄소 섬유 (Carbon fiber)를 이용한 전극이 제안되기도 하였다. 하지만 탄소 섬유 내 다량의 탄소 원자로 인해 MRI 영상 왜곡 현상 감소에 한계가 있었다. 또한 탄소 섬유는 기계적 강도가 약해 생체 내에서 장기간 이식 되었을 때 전기적 연결이 끊어질 수 있는 잠재적 위험이 존재한다.
본 발명의 목적은 생체 내 전류 전달 능력을 향상시키고 자기공명영상에서의 영상 왜곡을 최소화 하여 정확한 뇌 심부 전기 자극 및 뇌파 검출이 가능한 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 생체적합성 유전체 기판; 상기 기판 위의 한쪽에 배치되는 복수의 전극 사이트; 상기 기판 위의 다른 한쪽에 배치되는 복수의 전기전도성 콘택트; 및 상기 전극 사이트에서 연장되어 상기 콘택트와 연결되는 인터커넥터;를 포함하고, 상기 전극 사이트는 금속 재료로 이루어지고, 상기 인터커넥터는 탄소 재료로 이루어지는 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 제공한다.
상기 금속 재료는 백금, 이리듐, 텅스텐, 철, 니켈, 구리, 아연, 티타늄, 알루미늄, 은, 금 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 탄소 재료는 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 플러렌, 및 팽창흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 탄소 재료는 1 내지 10 층의 그래핀 시트 형태인 것일 수 있다.
상기 전극 사이트와 인터커넥터의 접합부는 열 어닐링 또는 전류 어닐링 처리된 것일 수 있다.
상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 상기 기판 아래에 접합되는 광섬유를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법을 제공할 수 있다.
상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법은 전기적으로 활성인 생물학적 조직 상에 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 삽입하는 단계; 및 전극 부위의 신경 조직에서 신경 세포에 의해 생성된 신경 반응을 기록하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 생체 내 전류 전달 능력이 강화되고, 자기공명영상에서의 영상 왜곡을 최소화하여 뇌 심부 전기 자극 및 뇌파 검출의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 도면이다.
도 2는 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이의 전극 사이트 및 인터커넥터를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 포함하는 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 분리 사시도이다.
도 4는 광섬유를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 비교예 1에 따른 전극 사이트의 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1에 따른 전극 사이트의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 사이트의 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 사이트의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 2는 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이의 전극 사이트 및 인터커넥터를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 포함하는 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 분리 사시도이다.
도 4는 광섬유를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 비교예 1에 따른 전극 사이트의 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1에 따른 전극 사이트의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 사이트의 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 사이트의 위상을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)를 나타낸 도면이다. 상기 투명 그래핀 신경전극(100)은 생체적합성 유전체 기판(110); 상기 기판 위의 한쪽에 배치되는 복수의 전극 사이트(120); 상기 기판 위의 다른 한쪽에 배치되는 복수의 전기전도성 콘택트(130); 상기 전극 사이트(120)와 콘택트(130)를 연결하는 전기전도성 인터커넥터(140)를 포함한다.
상기 인터커넥터(140)는 상기 전극 사이트(120)의 전기 신호를 전달하는 회로(141), 상기 콘택트(130)의 전기 신호를 전달하는 회로(142) 및 이들이 접하고 있는 부분을 일컫는다.
본 발명에 따른 투 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)는 상기 전극 사이트(120)가 금속 재료로 이루어지고, 상기 인터커넥터(140)가 탄소 재료로 이루어진 하이브리드 전극인 것을 특징으로 한다. 상기 전극 사이트(120)와 인터커넥터(140)의 연결부를 도 2에 나타내었다.
상기 금속 재료는 백금, 이리듐, 텅스텐, 철, 니켈, 구리, 아연, 티타늄, 알루미늄, 은, 금 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다. 상기 금속 재료는 순수금속이나 합금일 수 있고, 금속의 산화물일 수 있다. 재료로는 금속판, 다층 금속막, 구형 금속 입자, 금속메시(mesh), 금속 거즈(gauze), 구멍 뚫린 금속박, 소결된 금속 섬유 메시 등의 여러 가지 형태가 가능하며, 본 발명은 재료의 기하학적 구조와 원소적 조성에 구애 받지 않는다.
구체적으로 생체 혹은 세포 내 전류 전달을 목적으로 하는 상기 전극 사이트(120) 부분은 임피던스가 낮고 전류 허용량이 큰 백금 또는 백금-이리듐 합금이 가장 바람직하다.
상기 금속 사이트(120) 부분이 백금 또는 백금-이리듐 합금으로 이루어진 경우 발생할 수 있는 미세한 영상 왜곡은 생체 내 주입시 정확한 위치에 전극을 위치시키는(Guiding) 역할을 할 수 있다.
한편, 상기 전극 사이트의 반대쪽에 위치하는 전기전도성 콘택트(130) 또한 금속 재료로 이루어질 수 있고, 상대적으로 자기공명영상에서의 왜곡이 적은 텅스텐을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 인터커넥터(140)는 자화율(Magnetic susceptibility)이 낮은 탄소 재료로 이루어지는 것일 수 있고, 상기 탄소 재료는 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 플러렌, 및 팽창흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 인터커넥터(140)는 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)에서 전극 사이트(120)와 전기전도성 콘택트(130)를 이어주는 역할을 하며 전체 전극에서 차지하는 부분이 크기 때문에 상기 인터커넥터(140)의 투명도를 향상시키는 것은 영상 왜곡 감소에 효과적이다.
구체적으로 상기 인터커넥터(140)의 재료는 그래핀인 것이 가장 바람직하고, 상기 그래핀은 단일 또는 2개 이상의 그래핀 시트(121)의 형태로 포함될 수 있다. 상기 그래핀 시트(121)는 시트의 수가 많을수록 높은 전기 전도성을 제공할 수 있지만, 투명성을 감소시킬 수 있기 때문에, 전극 부위에 존재하는 그래핀 시트(121)의 층 수는 1 내지 10 개인 것이 가장 바람직하다.
상기 그래핀 시트(121)는 전자기 스펙트럼의 자외선(UV), 가시 광선(vis) 및 적외선(IR) 영역의 파장을 포함하여 광범위한 파장 범위에서 투명하고, 구체적으로 300 nm 내지 2000 nm에서 투명한 것일 수 있다.
일반적으로 탄소 재료를 사용하는 그래핀 전극은 100 내지 200 ㎂ 정도의 전류를 허용하고 그 이상의 전류가 흐를 경우 임피던스(Impedance)가 증가하여 전류 인가 후 성능이 감소되는 경향이 있다. 반면 금속 재료는 500 ㎂ 이상의 전류를 허용할 수 있어 금속 재료를 통해 전달할 수 있는 전류량(전하량)이 높은 장점이 있다.
한편 탄소 재료는 자화율이 낮고, 일정 파장 범위에서 투명한 특성을 나타낼 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)는 전류량(전하량)이 높은 금속 재료로 이루어진 전극 사이트(120) 및 투명도가 높은 탄소 재료로 이루어진 인터커넥터(140)를 포함하는 하이브리드 전극으로 영상 왜곡 방지 및 전류 전달 관점 모두에서 장점을 가진다.
상기 금속 재료로 이루어진 전극 사이트(120)와 탄소 재료로 이루어진 인터커넥터(140)의 접합 부분의 접촉저항을 감소시키기 위하여 상기 금속 재료와 탄소 재료가 접하는 부분에 열 어닐링 또는 전류 어닐링을 수행할 수 있다. 상기 어닐링은 상기 금속 재료 및 탄소 재료 표면의 온도를 급속히 변화시켜 성질을 변화시키는 방법이라면 제한되지 않으나, 구체적으로 상기 금속 재료 및 탄소 재료를 질산처리를 통해 불순물을 제거한 뒤 탄소 재료의 핵 생성을 방지하기 위해 불순물이 제거된 구리 호일을 Ar 분위기 및 90 내지 110 torr의 압력 하에서 H2 기체를 공급하면서 200 내지 400 ℃에서 어닐링한 후 150 내지 300 ℃에서 5 내지 7 시간 동안 산화 처리하는 것일 수 있다. 본 발명에 사용되는 생체적합성 유전체 기판(110)은 열에 약하므로 상기 어닐링 온도를 200 내지 400 ℃ 이내에서 실시하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 따른 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)는 상기 전극 사이트(120) 및 콘택트(130)의 위에 오버레이어(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 오버레이어(150)는 인터커넥터(140)를 보호하고 격리시킨다. 상기 오버레이어(150)는 전극 사이트(120) 및 콘택트(130)가 노출되어 외부 장치에 연결될 수 있도록 개구부(151)가 구비될 수 있다.
상기 콘택트(130)는 상기 전극 사이트(120)에서 기록된 신호를 수신하고 증폭, 표시, 저장, 분석 하고 외부 장치에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
상기 기판(110)은 투명한 생체적합성 유전 재료로 형성되는 것일 수 있다. 다. 본 발명에서 생체적합성(Biocompatible)이란 재료가 인근 조직의 흉터에 해롭지 않거나 자극을 주지 않거나, 이식 되어야 하는 생체 조직의 특성에서 의도된 기능을 저하시키지 않는다는 것을 의미한다. 상기 기판(110)은 전체가 투명하고 생체적합성 재료인 것일 수 있으나, 필요에 따라 부분적으로 불투명하거나 비생체적합성 재료를 포함할 수 있다.
또한 상기 기판(110)은 기계적으로 가요성(Flexibility)을 나타내어 장치에 균열, 분열 또는 다른 손상을 주지 않으면서 대뇌 피질의 표면과 같은 조직에 부합 할 수 있다.
상기 오버레이어(150) 또한 기판(110)과 마찬가지로 투명하고 생체적합성인 유전체 재료를 포함하며 기계적으로 가요성인 것일 수 있다. 상기 오버레이어(150)는 기판(110)과 동일한 물질로 제조될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(110) 및 오버레이어(150) 물질로 사용될 수 있는 중합체는 패릴린 (Parylene C), 폴리에틸렌, 폴리디메틸실록산 (PDMS), 폴리에스테르 (PET), 폴리이미드 (PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN), 폴리에테르이미드 (PEI) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
또한, 상기 중합체는 형상 기억 중합체, 즉 온도의 변화에 응답하여 평면에서 비평면으로의 변형을 겪는 중합체일 수 있다. 예를 들어, 형상 기억 중합체는 실온 (약 23 ℃)에서 평면 구조를 취할 수 있지만, 상기 투명 그래핀 신경전극(100)이 이식되는 피검체의 체온에서는 비평면 형상을 채택할 수 있다.
상기 투명하고, 생체적합성이며 유전체의 형상 기억 중합체의 예는 T. Ware, D. Simon, R. L. Rennaker, W. Voit, Smart Polymers for Neural Interfaces, Polymer Reviews 53 (1), 108-129 및 Xie T. Recent advances in polymer shape memory. Polym. 2011; 52:4985-5000에 개시되어 있으며, 그 내용은 형상 기억 중합체와 관련되어 있으므로 본 명세서에 참고로 포함된다.
상기 기판(110) 및 오버레이어(150)는 충분한 투명성과 기계적으로 유연한 장치를 제공하기 위하여 충분히 얇은 두께를 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 기판(110) 및 오버레이어(150)의 두께는 100㎛ 이하, 바람직하게 50㎛ 이하일 수 있고, 20㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 가장 바람직하다.
상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)의 투명도는 그래핀 시트(121), 기판(110) 재료 및 오버레이어(150) 재료 등의 결합된 투명도를 반영한다. 일 실시예에서 상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)의 투명도는 전자기 스펙트럼의 자외선(UV), 가시 광선(vis) 및 적외선(IR) 영역의 파장을 포함하여 광범위한 파장 범위에서 투명하고, 구체적으로 300 내지 2000 nm, 바람직하게 400 내지 1800 nm의 파장 범위에서 투명한 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 나타낸 분리 사시도이다. 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)는 기판 아래 접합되는 광섬유(200)를 더 포함할 수 있다.
상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)는 상기 광섬유(200)를 더 포함함으로써 광학 자극에 응답하여 생성되는 전기 신호를 감지할 수 있다.
구체적으로, 광유전학 (Optogenetics)은 신경 자극을 유발하기 위해 광 자극을 이용하는 기술의 한 예이다. 광유전학은 채널로돕신 (channelrhodopsin, ChR) 및 할로로돕신 (halorhodopsin, NpHR)과 같은 빛에 민감한 단백질을 세포막에 도입하기 위해 변형된 생물학적 세포를 사용한다. 이러한 단백질은 빛에 의해 활성화되는 이온 채널 역할을 하여 특정 파장을 갖는 빛에 노출되었을 때 세포 내외로의 특정 이온의 흐름을 허용한다. 이온 채널의 유형에 따라 이온 확산은 세포의 탈분극 또는 과분극을 일으키며, 신경 세포의 경우에는 신경 활동의 흥분 또는 억제를 유발한다. 감광된 세포가 적절한 파장의 입사광에 노출되면 광학적으로 유발된 신경 신호가 생성된다. 적절한 파장 범위는 사용되는 특정 감광성 단백질에 따라 달라진다. 그러나, 전형적으로, UV 또는 가시 범위의 파장을 갖는 입사광이 사용된다. 본 발명에서는 이러한 입사광을 주입하기 위하여 상기 광섬유(200)를 포함한다.
상기 광섬유(200)의 예를 도 4에 나타내었다. 상기 광섬유는 유리나 플라스틱으로 만들어지며, 실제 빛이 전파되는 영역인 코어(core)(201), 상기 코어를 둘러싸고 있는 것으로 빛을 코어에 가두는 도파관 (wave guide)를 형성하는 역할을 하는 클래딩 (cladding)(203)으로 이루어지는 것일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 광섬유(200)는 상기 클래딩(203) 없이 상기 코어(201)로만 이루어진 것을 사용할 수도 있다.
상기 광섬유(200)는 상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)와의 접착을 위한 접착제층(202)을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 접착제층(202)은 코어(201)를 물리적 또는 환경적 손상으로부터 보호하고 강도를 향상시키기 위한 피복 역할을 할 수도 있다.
상기 접착제층(202)은 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloxane), 폴리이미드(Polyimide) 및 실릴화폴리우레탄 (Silylated polyurethanes)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 실리콘계 고분자를 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 고분자는 높은 투명도, 생체적합성 등의 이유로 폴리디메틸실록산인 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 광섬유(200)는 입력 광신호를 광섬유에 보내는 발광부(미도시) 및 상기 광섬유를 통과하여 출력 광신호의 광량을 측정하는 수광부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 발광부 및 상기 수광부는 광섬유(200)의 일단과 타단에 각각 형성될 수 있으며, 또는 광섬유(200)의 타단에 반사층을 형성하여 광신호가 반사될 수 있도록 함으로써 상기 발광부 및 상기 수광부를 광섬유(200)의 일단에 함께 형성할 수도 있다.
상기 광섬유(200)는 직경이 50 마이크로미터 (μm) 내지 1 밀리미터 (mm) 일 수 있다. 50 μm 미만인 경우 얇은 두께로 인한 두뇌 내부 삽입 문제, 단선과 같은 신뢰성 문제가 있을 수 있고, 1 mm를 초과하는 경우 신경세포의 과도한 손상과 같은 문제가 있을 수 있다.
상기 광섬유(200)는 단일 섬유로 사용할 수 있고, 또는 일련의 광섬유 다발을 사용할 수도 있다.
한편, 상기 광섬유를 포함하는 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이는 상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)가 상기 광섬유(200)를 둘러싼 형태로 배치될 수 있다. 이 경우 상기 투명 그래핀 신경전극(100)이 상기 광섬유(200)의 상기 클래딩(203)으로서의 역할도 할 수 있기 때문에, 상기한 바와 같이 상기 광섬유(200)는 상기 코어(201)로만 이루어질 수 있다.
도 5 및 도 6은 상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)가 상기 광섬유(200)를 둘러싼 형태로 배치된 경우를 나타낸 도면이다. 이때, 상기 도 5와 같이, 상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)의 상기 전극 사이트(120)는 상기 광섬유(200)의 둘레부 위에 위치할 수도 있고, 상기 도 6과 같이 상기 광섬유(200)의 말단에 위치할 수도 있다.
상기 전극 사이트(120)가 상기 광섬유(200)의 말단에 위치하는 경우에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, 상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)의 한쪽 끝 길이는 상기 광섬유(200)의 한쪽 끝 길이 보다 길고, 상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)의 한쪽 끝이 상기 광섬유(200)의 한쪽 끝을 향하여 접혀져 상기 투명 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)의 전극 사이트(120)의 일부 또는 전부가 상기 광섬유(200)의 한쪽 끝을 덮는 것일 수 있다. 이 경우 광섬유를 통한 광 자극 혹은 광신호 추출 부위와 투명 전극을 통한 전기적 신호 검출을 동일한 신경세포에서 수행 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 투명 전극 및 광섬유 말단에 위치한 신경세포에서 직접적으로 신호를 검출함으로써 투명전극의 사용 효과를 극대화 할 수 있다. 이는 투명 전극 대신 불투명 금속 전극을 사용할 경우와 대비해 보면 그 효과가 명확히 나타날 수 있다.
이하, 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
구체적으로, 상기 신경 신호 검출 방법은 전기적으로 활성인 생물학적 조직 상에 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 삽입하는 단계; 및 전극 부위의 신경 조직에서 신경 세포에 의해 생성된 신경 반응을 기록하는 단계를 포함한다.
상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)를 이용한 신경 신호 검출 방법은 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)는 투명한 특성을 나타내기 때문에 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)가 뇌 심부에 삽입되어, 전기 생리학적 기록을 취하는 동안에도 상기 전극 사이트(120) 아래에 있는 조직을 영상화할 수 있다는 장점이 있다. 구체적으로, 조직의 이미지는 조직에 입사광을 향하게 하고, 투명 전극 사이트(120)를 통하여 조직으로부터 반사되어 투명 전극 사이트(120)를 통해 투과된 빛을 기록함으로써 얻어지는데, 복귀된 광은 조직에 의해 반사되거나 입사광에 응답하여 조직에 의해 방출되는 광일 수 있다. 상기 전기생리학과 함께 사용할 수 있는 이미징 기술은 형광 현미경과 광 간섭성 단층촬영(optical coherence tomography, OCT) 기술이 있다. 이때, 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이(100)는 투명하여 상기 빛을 반사 또는 왜곡하지 않기 때문에 상기 이미징을 방해하지 않을 수 있다.
상기 형광 현미경 검사에서, 조직은 형광성 바이오 마커로 표지된다. 이것은, 예를 들어, 조직을 관통하는 혈관 내로 형광 표지 프로브를 주입함으로써 달성 될 수 있다. 형광 물질을 유도하기에 적합한 파장을 갖는 입사광이 조직 상으로 유도되고 그 결과 형광은 형광 현미경과 같은 광 검출기에 의해 기록된다. 입사광에 대한 최적의 파장은 특정 형광단 및 여기 과정에 따라 달라진다. 전형적으로 입사 파장은 약 400 nm 내지 약 1800 nm의 범위의 파장을 포함한다.
상기 광 간섭성 단층촬영 기술에서 이미징은 조직으로부터 후방 산란된 에코 시간 지연 및 강도를 측정함으로써 수행된다. 이와 같이, 광 간섭성 단층촬영 이미지는 단면 평면 또는 조직 부피에서의 광학 후방 산란의 차이를 나타낸다. 광 간섭성 단층촬영 이미징은 빛의 일부가 상이한 광학 특성을 갖는 구조물 및 상이한 구조물 사이의 경계로부터 후방 반사되는 조직 상으로 입사광의 빔을 지향시킴으로써 수행된다.
전형적으로, 입사광은 약 700 nm 내지 약 1 mm 범위의 파장을 갖는 전자기 스펙트럼의 적외선 영역 내의 파장을 갖는 단파광 또는 간섭 길이가 짧은 지속파 광이다. 조직의 여러 구조의 모양과 치수는 에코 측정을 통해 결정된다.
본 발명에 따른 투명하고 간섭이 작은 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 및 이를 이용한 신경 신호 검출 방법을 이용하여 본 발명은 신경 질환과 연관된 환자 및 병원뿐만 아니라 두뇌 및 신경과학 연구자들에게 새로운 연구 도구를 제공할 수 있고, 척추, 관절, 근육 등 다양한 신체 부위에 적용이 가능하여 향후 시신경 검사 센서, 당뇨 측정 센서, 신경전달물질 센서 연구 등으로의 응용이 가능하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[실험예: 그래핀 전극 사이트 및 백금 전극 사이트의 임피던스 비교]
그래핀 재료와 백금 재료를 각각 전극 사이트로 제작한 후 유사 생체환경에서 측정한 임피던스(Ω)와 위상(˚) 측정결과를 비교하여 각각 도 7 내지 10에 나타내었다.
| 비교예 1 | 실시예 1 | |
| 전극 재료 | 그래핀 | 백금 |
도 7은 비교예 1의 임피던스(Ω), 도 8은 비교예 1의 위상(˚), 도 9는 실시예 1의 임피던스(Ω), 도 10은 실시예 1의 위상(˚)을 나타내는 그래프이다.
임피던스와 위상 측정결과를 전기적으로 모델링 하였을 때 피팅(Fitting)이 잘 되는 것으로 보아, 두 전극 모두 적절히 모델링 된 것을 확인할 수 있었다. 두 전극 비교시, 백금 전극(실시예 1, 도 9)의 경우 1 kHz 주파수에서 수십 킬로 옴 (kΩ)의 임피던스를 가지는데 반해 그래핀 전극(비교예 1, 도 7)은 동일 주파수에서 수백 킬로 옴의 임피던스를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 백금 전극의 임피던스가 그래핀 보다 약 10배 적은 것으로 보아 허용할 수 있는 전류량은 10배 정도 많다고 할 수 있다. 반면 그래핀 전극은 허용 전류량은 백금에 비해 10배 정도 작으나 투명한 장점을 가진다.
본 발명에서는 두 가지 물질을 적절한 부분에 배치(전극 사이트에 금속 재료를 배치하고, 인터커넥터에 탄소 재료를 배치)함으로써 투명도와 전기전도도 두 가지 장점을 골고루 가질 수 있음을 예측할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이
110: 기판 120: 전극 사이트
121: 그래핀 시트 130: 전기전도성 콘택트
140: 인터커넥터 141: 전극 사이트 전기신호 전달 회로
142: 콘택트 전기신호 전달 회로 150: 오버레이어
151: 개구부
200: 광섬유
201: 코어 202: 접착제층
203: 클래딩
110: 기판 120: 전극 사이트
121: 그래핀 시트 130: 전기전도성 콘택트
140: 인터커넥터 141: 전극 사이트 전기신호 전달 회로
142: 콘택트 전기신호 전달 회로 150: 오버레이어
151: 개구부
200: 광섬유
201: 코어 202: 접착제층
203: 클래딩
Claims (8)
- 생체적합성 유전체 기판;
상기 기판 위의 한쪽에 배치되는 복수의 전극 사이트;
상기 기판 위의 다른 한쪽에 배치되는 복수의 전기전도성 콘택트; 및
상기 전극 사이트에서 연장되어 상기 콘택트와 연결되며, 상기 전극 사이트의 전기 신호를 전달하는 회로, 상기 콘택트의 전기 신호를 전달하는 회로 및 이들이 접하고 있는 부분을 구비하는 투명한 인터커넥터;를 포함하고,
상기 전극 사이트는 금속 재료로 이루어지고, 상기 인터커넥터는 탄소 재료로 이루어지는 것인
뇌 심부 자극 투명 전극 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 금속 재료는 백금, 이리듐, 텅스텐, 철, 니켈, 구리, 아연, 티타늄, 알루미늄, 은, 금 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 재료는 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 플러렌, 및 팽창흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 재료는 1 내지 10 층의 그래핀 시트 형태인 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 전극 사이트와 인터커넥터의 접합부는 열 어닐링 또는 전류 어닐링 처리된 것인 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 기판 아래에 접합되는 광섬유를 더 포함하는 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법.
- 제7항에 있어서,
전기적으로 활성인 생물학적 조직 상에 상기 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 삽입하는 단계; 및
전극 부위의 신경 조직에서 신경 세포에 의해 생성된 신경 반응을 기록하는 단계를 포함하는
뇌 심부 자극 투명 전극 어레이를 이용한 신경 신호 검출 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020180091399A KR102140137B1 (ko) | 2018-08-06 | 2018-08-06 | 뇌 심부 자극 투명 전극 어레이 및 이를 이용한 신경 신호 검출 방법 |
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| KR20240131662A (ko) | 2023-02-24 | 2024-09-02 | 재단법인대구경북과학기술원 | 미세전극 어레이의 제조방법 |
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-
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