KR102382737B1 - 신경 전극의 표면 개질 방법 - Google Patents

신경 전극의 표면 개질 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 신경 전극의 표면 개질 방법은 신경 전극 어레이를 형성하는 단계; 상기 신경 전극 어레이의 표면에 식각 용액에 대한 용해도가 서로 다른 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자를 동시에 전기 전착하는 단계; 및 상기 제2 금속 나노 입자를 상기 식각 용액을 이용하여 선택적으로 식각하여 상기 신경 전극 어레이 표면에 상기 제1 금속 나노 입자로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

신경 전극의 표면 개질 방법{METHOD FOR SURFACE MODIFICATION OF NEURAL ELECTRODE}
본 발명은 신경 전극 형성 방법에 관한 것으로, 특히 신경 전극의 표면 개질 방법에 관한 것이다.
신경 전극은 생체 내(in vivo) 또는 생체 외(in vitro)의 신경 인터페이스 분야에 이용될 수 있다. 보다 구체적으로, 신경 전극은 신경에 전기 자극을 제공하거나, 신경 신호를 측정하거나 기록하는데 이용될 수 있다.
신경전극 소재는 백금, 금, 텅스텐, 이리듐과 같은 금속 선으로 제작된 제1 세대 전극, 반도체 및 다중 어레이와 같은 제2 세대 전극, 나노 구조체로 표면 개질된 제3 세대 전극 등이 있다. 최근에는 제3 세대 전극에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 신경전극 소재에 대해서는 Muhammed K. Gheith, Adv. Mater. 2005, 17, 2663-2670을 참고할 수 있다.
신경 상태의 정확한 파악을 위해, 신경세포 단위로 신경 신호를 기록할 필요가 있다. 이를 구현하기 위해 신경 전극의 크기가 신경세포 크기(약 10?m) 수준으로 소형화되고 있다. 그러나, 신경 전극이 소형화될수록 임피던스 및 열 잡음이 커져서 유효한 신경 신호의 측정 감도를 유지하기가 어려워지고 있다.
본 발명의 실시 예는 임피던스(impedance)를 저감하여 신경 전극의 성능을 향상시킬 수 있고, 신경 전극의 신호 측정 감도를 확보할 수 있는 신경 전극의 표면 개질 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 신경 전극의 표면 개질 방법은 신경 전극 어레이를 형성하는 단계; 상기 신경 전극 어레이의 표면에 식각 용액에 대한 용해도가 서로 다른 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자를 동시에 전기 전착하는 단계; 및 상기 제2 금속 나노 입자를 상기 식각 용액을 이용하여 선택적으로 식각하여 상기 신경 전극 어레이 표면에 상기 제1 금속 나노 입자로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 나노 입자는 금 나노 입자를 포함하고, 상기 제2 금속 나노 입자는 은 나노 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 신경 전극의 표면 개질 방법은 상기 금 나노 입자로 구성된 상기 다공성 구조의 표면에 티올(thiol) 작용기를 포함하는 분자를 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 나노 입자는 백금 나노 입자를 포함하고, 상기 제2 금속 나노 입자는 금 나노 입자를 포함할 수 있다.
상기 전기 전착 단계는 전해질 용액 내에 작업 전극(working electrode)으로서 상기 신경 전극 어레이와, 상대 전극(counter electrode) 과, 참조전극(reference electrode)을 제공하여 실시될 수 있다.
상기 상대 전극으로서 백금판이 이용되고, 상기 참조전극으로서 KCI 포화 용액 내의 Ag/AgCl 전극이 이용될 수 있다.
상기 전기 전착 단계에서 상기 상대 전극과 상기 작업 전극의 전위차가 -1.5V ~ 1V의 범위의 전압을 0초 ~ 1200초 동안 가하여 상기 제1 금속 나노 입자와 상기 제2 금속 나노 입자의 합금을 형성할 수 있다.
상기 전해질 용액은 상기 전기 전착으로 이종의 상기 제1 금속 나노 입자와 상기 제2 금속 나노 입자를 동시에 형성할 수 있는 용액으로 선택될 수 있다.
상기 전해질 용액은 1. 50mM KAu(CN)2, 50mM K2Ag(CN)3, 0.2M KCN, 0.5M KOH를 포함할 수 있다.
상기 제2 금속 나노 입자를 선택적으로 식각하는 단계는 25℃ ~ 70℃의 상기 식각 용액을 이용하여 0분 ~ 60분간 상기 제2 금속 나노 입자를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 식각 용액은 질산(HNO3)용액을 포함할 수 있다.
상기 식각 용액은 KI용액을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 신경 전극 어레이 표면에 서로 다른 종류의 금속 나노 입자들을 전착(electrode - deposition)하고, 한 종류의 금속 나노 입자를 선택적으로 식각함으로써, 신경 전극 어레이 표면을 다공성으로 개질할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 신경 전극 어레이의 표면을 다공성으로 개질하면, 신경 전극 어레이의 단위 면적당 표면적이 증가되므로 임피던스(impedance) 저감을 통해 열 잡음을 줄일 수 있으며, 유효한 신호 측정 감도를 확보할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 전기전착을 이용하여 특정 식각 용액에 식각이 되는 금속 나노 입자와 특정 식각 용액에 의해 식각되지 않은 금속 나노 입자를 신경 전극 어레이 표면에 동시에 도포하므로 금속 나노 입자들을 도포하는데 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 신경 전극의 표면 개질 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라, 신경 금 전극 어레이 표면에 금 나노 입자와 은 나노 입자의 합금을 전기 전착법으로 도포한 샘플의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 도 2의 샘플의 은 나노 입자를 질산 용액으로 선택적으로 식각한 후에 샘플 표면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 도 2의 샘플의 은 나노 입자를 선택적으로 식각한 후에 샘플을 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 금 전극과 다공성 금 나노 전극의 임피던스를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 설명되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 신경 전극의 표면 개질 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 신경 전극 어레이를 형성한다(ST1). 신경 전극 어레이는 기판 상에 도전성 금속을 증착하고 패터닝하여 형성할 수 있다. 이 때, 기판은 도전성 기판이거나, 플렉서블 기판일 수 있다. 신경 전극 어레이를 형성하기 위한 도전성 금속으로서 금(Au)이 이용될 수 있다. 신경 전극 어레이를 구성하는 패턴들은 마이크로 패턴일 수 있다.
이어서, 신경 전극 어레이의 표면에 서로 다른 제1 및 제2 금속 나노 입자를 동시에 전기 전착한다(ST3). 제1 및 제2 금속 나노 입자는 특정 식각 용액에 대한 용해도가 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 즉, 제1 금속 나노 입자는 특정 식각 용액에서 용해되는 물질로 형성되고, 제2 금속 나노 입자는 특정 식각 용액에서 용해되지 않은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 나노 입자는 질산(HNO3) 용액에 의해 용해되지 않은 물질로 형성되며, 제2 금속 나노 입자는 질산 용액에 의해 용해되는 물질로 형성될 수 있다. 또는 제1 금속 나노 입자는 KI용액에 의해 용해되지 않은 물질로 형성되며, 제2 금속 나노 입자는 KI 용액에 의해 용해되는 물질로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 제1 금속 나노 입자는 금 나노 입자일 수 있고, 제2 금속 나노 입자는 은 나노 입자일 수 있다. 또는 제1 금속 나노 입자는 백금 나노 입자일 수 있고, 제2 금속 나노 입자는 금 나노 입자일 수 있다.
상술한 이종의 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자를 신경 전극 어레이 표면에 전기 전착하기 위해, 전해질 용액 내에 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자가 전착될 작업 전극(working electrode)을 배치한다. 전해질 용액 내에 상대 전극(counter electrode) 및 참조 전극(reference electrode)이 더 배치된다. 작업 전극으로서 신경 전극 어레이가 제공된다. 작업 전극으로서의 신경 전극 어레이에 상대 전극이 전기적으로 연결될 수 있다. 금 나노 입자인 제1 금속 나노 입자와 은 나노 입자인 제2 금속 나노 입자를 전착하기 위해 상대 전극으로서 백금판이 제공될 수 있다. 금 나노 입자인 제1 금속 나노 입자와 은 나노 입자인 제2 금속 나노 입자를 전착하기 위해 참조 전극으로서 KCI 포화 용액 내의 Ag/AgCl 전극이 제공될 수 있다. 전해질 용액은 이종의 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자를 동시에 형성할 수 있는 용액으로 선택된다. 예를 들어, 금 나노 입자인 제1 금속 나노 입자와 은 나노 입자인 제2 금속 나노 입자를 전착하기 위해 전해질 용액은 1.50mM KAu(CN)2, 50mM K2Ag(CN)3, 0.2M KCN, 0.5M KOH를 포함할 수 있다. 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자를 신경 전극 어레이 표면에 전기 전착하기 위해, 상술한 기준 전극과 작업 전극에 -1.5V ~ 1V의 범위의 전압을 0초 ~ 1200초 동안 인가할 수 있다. 보다 구체적으로, 기준 전극과 작업 전극에 0.9V의 전압을 120초 동안 인가할 수 있다. 이로써, 작업 전극과 상대 전극 사이에 흐르는 전류에 의해, 제1 및 제2 금속 나노 입자들이 작업 전극 표면으로 이동하여 신경 전극 어레이의 표면에 전착될 수 있다. 참조 전극은 작업 전극과 상대 전극 사이의 전류의 흐름을 빠르게 조절할 수 있다. 상술한 전기 전착 단계에서 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자의 합금이 신경 전극 어레이 표면에 증착될 수 있다.
이어서, 전기 전착 방법에 의해 신경 전극 어레이 표면에 전착된 제1 및 제2 금속 나노 입자 가운데 제2 금속 나노 입자를 식각 용액을 이용하여 선택적으로 식각한다(ST5). 이로써, 신경 전극 어레이의 표면에 제1 금속 나노 입자로 구성된 다공성 구조가 형성될 수 있다. 즉, 신경 전극 어레이는 나노 다공성 구조체로 개질된 표면을 가질 수 있다. 제2 금속 나노 입자의 선택적 식각은 상온(25℃) ~ 90℃의 식각 용액을 이용하여 0분~60분간 실시될 수 있다. 보다 구체적으로 제2 금속 나노 입자의 선택적 식각은 70℃의 식각 용액에서 4분간 실시될 수 있다.
예를 들어, 신경 금 전극 어레이 표면에 금 나노 입자 및 은 나노 입자가 전착된 경우에, 은 나노 입자만을 선택적으로 식각한다. 은 나노 입자의 선택적 식각은 25℃ ~ 90℃의 질산(HNO3) 용액을 이용하여 0분 ~ 60분간 실시될 수 있다. 이로써, 신경 금 전극 어레이는 다공성 금 나노 입자를 포함하는 표면을 갖는다.
다른 예를 들어, 신경 전극 어레이 표면에 백금 나노 입자 및 금 나노 입자가 전착된 경우에, 금 나노 입자만을 선택적으로 식각한다. 금 나노 입자의 선택적 식각은 25℃ ~ 90℃의 KI 용액을 이용하여 0분 ~ 60분간 실시될 수 있다. 이로써, 신경 전극 어레이는 다공성 백금 나노 입자를 포함하는 표면을 갖는다.
상술한 바와 같이 신경 전극 어레이의 표면을 다공성 금속 나노 입자로 개질하면, 단위 면적당 신경 전극의 표면적이 증가되어 신경 전극의 임피던스를 감소시킬 수 있다. 신경 전극의 임피던스가 낮을수록 전기적 잡음이 줄어들 수 있다. 이로써, 본 발명의 실시 예에 따른 신경 전극 어레이는 다공성 금속 나노 입자로 개질된 표면을 가짐으로써 신호 대비 잡음 비 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 설치 비용이 많이 드는 스퍼터 등의 진공 장비를 이용하지 않고, 전기 전착 및 습식 식각 공정 등 상대적으로 단순한 방법을 이용하여 다공성 금속 나노 입자로 개질된 표면을 갖는 신경 전극을 제공할 수 있다.
신경 전극 어레이의 표면이 다공성 금 나노 입자로 개질되면, 신경 전극의 생체 적합성 및 표면 개질 능력이 향상될 수 있다. 금은 생체 적합성이 우수할 뿐 아니라, 다른 물질과의 결합이 용이한 티올(Thiol) 작용기와 반응성이 우수하기 때문이다.
도면에 도시하진 않았으나, 본 발명의 실시 예는 다공성 금 나노 입자로 개질된 신경 전극 어레이의 표면에 티올 작용기를 포함하는 분자를 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 금 나노 입자는 티올 작용기와 반응성이 높기 때문에, 다공성 금 나노 입자를 포함하는 신경 전극 어레이의 표면에 티올 작용기를 포함하는 분자들이 안정적으로 화학결합될 수 있다. 다공성 금 나노 입자에 결합된 티올 작용기는 바이오 물질들과 결합할 수 있다. 이에 따라, 티올 작용기는 신경 전극 어레이의 표면을 다양한 바이오 물질로 표면 처리할 수 있다. 티올 작용기는 신경 세포와 신경 전극 어레이 사이의 안정적인 결합을 제공하여 신경 신호의 측정 능력을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라, 신경 금 전극 어레이 표면에 전기 전착으로 금 나노 입자와 은 나노 입자의 합금을 도포한 샘플의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 도 2의 샘플의 은 나노 입자를 질산용액으로 선택적으로 식각한 후에 샘플 표면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 신경 전극 어레이 표면이 은 나노 입자의 선택적 식각 후, 다공성으로 개질됨을 알 수 있다.
도 4는 도 2의 샘플의 은 나노 입자를 선택적으로 식각한 후에 샘플을 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 금 전극과 다공성 금 나노 전극의 임피던스를 비교한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 다공성 금 나노 전극의 임피던스가 금 전극에 비해 낮음을 알 수 있다.

Claims (12)

  1. 신경 전극 어레이를 형성하는 단계;
    상기 신경 전극 어레이의 표면에 식각 용액에 대한 용해도가 서로 다른 제1 금속 나노 입자와 제2 금속 나노 입자를 동시에 전기 전착하는 단계; 및
    상기 제2 금속 나노 입자를 상기 식각 용액을 이용하여 선택적으로 식각하여 상기 신경 전극 어레이 표면에 상기 제1 금속 나노 입자로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전기 전착 단계는,
    전해질 용액 내에 작업 전극(working electrode)으로서 상기 신경 전극 어레이와, 상대 전극(counter electrode)과, 참조전극(reference electrode)을 제공하여 실시되며,
    상기 상대 전극으로서 백금판이 이용되고,
    상기 참조전극으로서 KCI 포화 용액 내의 Ag/AgCl 전극이 이용되는
    신경 전극의 표면 개질 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 나노 입자는 금 나노 입자를 포함하고,
    상기 제2 금속 나노 입자는 은 나노 입자를 포함하는 신경 전극의 표면 개질 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금 나노 입자로 구성된 상기 다공성 구조의 표면에 티올(thiol) 작용기를 포함하는 분자를 결합시키는 단계를 더 포함하는 신경 전극의 표면 개질 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 나노 입자는 백금 나노 입자를 포함하고,
    상기 제2 금속 나노 입자는 금 나노 입자를 포함하는 신경 전극의 표면 개질 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 전착 단계에서
    상기 상대 전극과 상기 작업 전극에 -1.5V ~ 1V의 범위의 전압을 0초 ~ 1200초 동안 가하여 상기 제1 금속 나노 입자와 상기 제2 금속 나노 입자의 합금을 형성하는 신경 전극의 표면 개질 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 용액은 상기 전기 전착으로 이종의 상기 제1 금속 나노 입자와 상기 제2 금속 나노 입자를 동시에 형성할 수 있는 용액으로 선택되는 신경 전극의 표면 개질 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전해질 용액은 1. 50mM KAu(CN)2, 50mM K2Ag(CN)3, 0.2M KCN, 0.5M KOH를 포함하는 신경 전극의 표면 개질 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 금속 나노 입자를 선택적으로 식각하는 단계는 25℃ ~ 90℃의 상기 식각 용액을 이용하여 0분 ~ 60분간 상기 제2 금속 나노 입자를 식각하는 단계를 포함하는 신경 전극의 표면 개질 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 식각 용액은 질산(HNO3)용액을 포함하는 신경 전극의 표면 개질 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 식각 용액은 KI용액을 포함하는 신경 전극의 표면 개질 방법.
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