KR20030045745A - 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면에 절연막이 형성되어 있는 금속 미세 전극을 마스크용 커버, 바람직하게는 유리관 안에 삽입하고, 상기 유리관의 외부로 노출된 상기 금속 미세 전극의 첨단부에 열을 가하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 첨단부의 절연막 제거 방법 및 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 유리 마이크로 피펫을 마스크로 사용하여 전극의 첨단부의 절연막을 제거함으로써 금속 미세 전극을 용이하게 제조할 수 있다.

Description

신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 제조 방법 {A method for preparation of a metal microelectrode for recording neural signals}

본 발명은 표면에 절연막이 형성되어 있는 금속 미세 전극을 마스크용 커버, 예를 들어, 유리관 안에 삽입하고, 상기 유리관의 외부로 노출된 상기 금속 미세 전극의 첨단부에 열을 가하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 첨단부의 절연막 제거 방법 및 금속 미세 전극의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 국내에서 파킨슨병과 같은 운동장애 질환을 치료하기 위하여 뇌심부 자극술(DBS, Deep Brain Stimulation) 등이 시술되고 있다. 이 수술법은 주로 시상핵, 담창구(Globus Pallidus), 하시상핵 등과 같은 뇌심부 구조물에 일정한 전기자극을 가함으로써 이루어진다. 이를 위해서는 심부 구조물 내의 병원 부위의 정확한 위치를 설정하여야 한다. 자기공명영상(MRI)을 이용한 영상과 미세 전극을 함께 이용함으로써 위치 설정 및 수술의 정밀도를 월등히 높일 수 있다.

뇌심부 구조물로부터 신경 신호를 기록할 수 있는 미세 전극으로는, 도 1과 같이 끝부분이 날카롭게 가공되고, 신경 신호 측정부를 제외한 부분은 절연되어 있는 금속 전극이 사용된다. 상기 금속 미세 전극을 제조하기 위해서는 첨단부가 날카롭게 가공된 금속선에 절연막을 형성한 후, 첨단부의 절연막을 제거하여 신경신호 측정부의 금속을 노출시켜야 한다. 단일 신경 세포로부터의 신경 신호 측정을 목적으로 하기 때문에, 신경 신호 측정부 금속은 수 ㎛ 정도만 노출되어야 한다.

절연막의 미소 부분만을 제거하기 위해서 종래에는 수천 볼트의 DC 전압을 인가하여 방전 시 발생하는 아크를 사용하는 방법이나 레이저를 이용하는 방법이 일반적으로 사용된다.

그러나, 아크를 이용하는 방법은 절연막의 두께가 두꺼워지면 방전이 어려울 뿐 아니라, 얇은 금속 첨단이 녹아서 무뎌질 수 있다. 또한, 레이저를 이용하는 방법은 고가의 장비를 필요로 할 뿐만 아니라, 레이저를 원하는 부분에 조사하고, 출력을 조정하는 작업이 매우 어렵다. 또한, 사용하는 레이저 파장의 절반 이하의 두께의 절연막은 제거되지 않기 때문에 추가 공정이 필요하다.

이에 본 발명자들은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 본 발명과 같이, 표면에 절연막이 형성되어 있는 금속 미세 전극을 유리관과 같은 마스크용 커버 안에 삽입한 후, 상기 유리관의 외부로 노출된 상기 금속 미세 전극의 첨단부에 열을 가하는 경우, 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 첨단부의 절연막을 용이하게 제거할 수 있음을 확인하고, 본발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 금속 미세 전극의 첨단부의 절연막을 용이하게 제거하는 방법 및 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 제조 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 신경 신호 측정용 금속 미세 전극을 도시한 것이고,

도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 전체 제조 과정을 도시한 것이며,

도 3은 본 발명에 따라 제조된 금속 미세 전극의 첨단부를 촬영한 사진이고,

도 4는 본 발명에 따른 절연막 제거 전·후의 금속 미세 전극의 임피던스 크기의 변화를 도시한 것이며,

도 5는 본 발명에 따른 절연막 제거 전·후의 금속 미세 전극의 임피던스 위상의 변화를 도시한 것이고,

도 6은 본 발명에 따라 제조된 금속 미세 전극을 이용하여 측정한 래트의 신경 신호를 도시한 것이며,

도 7은 본 발명에 따라 제조된 금속 미세 전극을 이용하여 측정한 단일 신경 세포의 신경 신호를 도시한 것이며,

도 8a 내지 도 8c는 실리콘 재질의 관을 이용하여 금속 미세 전극의 절연막을 제거하는 과정을 도시한 것이고,

도 9는 실리콘 재질로서 내부에 홀이 형성되어 있는 웨이퍼를 이용하여 금속미세 전극의 절연막을 제거하는 과정을 도시한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 금속봉20 : 절연막

30 : 유리관40 : 토치(torch)

본 발명은 표면에 절연막이 형성되어 있는 금속 미세 전극을 마스크용 커버, 예를 들어, 유리관 안에 삽입하는 단계; 및 상기 유리관의 외부로 노출된 상기 금속 미세 전극의 첨단부에 열을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 첨단부의 절연막 제거 방법에 관한 것이다.

본 발명에서, 상기 유리관은 유리 마이크로 피펫에 열을 가하여 늘린 후 절단함으로써 용이하게 제조할 수 있다.

상기 마스크용 커버로는 상기 유리관 이외에, 보로실리케이트, 파이렉스, 소다 라임(soda lime), 보로플로우트(borofloat) 또는 수정(quarts) 등의 재질의 관이거나; 실리콘 재질의 관이거나; 실리콘 재질로서 내부에 홀이 형성되어 있는 웨이퍼일 수 있다.

상기 금속 미세 전극의 첨단부가 노출되는 상기 마스크용 커버(예를 들어, 상기 유리관)의 일단의 내경은 수 ㎛, 예를 들어, 1 내지 30㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 유리관의 외부로 노출된 상기 금속 미세 전극의 첨단부에 열을 가하기 위해서, 바람직하게는 토치의 불꽃을 상기 금속 미세 전극의 첨단부에 순간적으로 접촉시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은,

금속봉의 일단을 날카로운 형상으로 가공하는 단계(a);

상기 금속봉의 표면을 절연막으로 형성하는 단계(b);

유리 마이크로 피펫을 가열하여 늘린 후, 절단하여 유리관을 제조하는단계(c);

표면에 절연막이 형성되어 있는 상기 금속봉을 상기 유리관 안에 삽입하는 단계(d);

상기 유리관의 외부로 노출된 상기 금속봉의 첨단부에 열을 가하는 단계(e); 및

상기 유리관을 제거하는 단계(f)를 포함하는 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 제조 방법에 관한 것이다.

상기 방법에 있어서, 상기 단계(c)는 상기 마스크용 커버를 제조하기 위한 것이다.

따라서, 상기 마이크로 피펫을 가열하여 늘린 후, 절단하여 유리관을 제조하는 단계(c) 대신에, 마이크로머시닝 방법에 의하여 두 개의 실리콘 웨이퍼에 상기 금속봉이 안착될 수 있는 홈을 형성한 후, 상기 두 개의 실리콘 웨이퍼를 서로 접합함으로써, 상기 홈에 의한 관통공을 형성하거나; 반도체 공정에 의하여 실리콘 웨이퍼에 홀 패턴을 형성함으로써 상기 마스크용 커버를 제조할 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금속 미세 전극의 절연부의 제거 방법 및 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 제조 방법의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 전체 제조 과정을 도시한 것이다.

전극 금속으로 사용될 금속봉(10)으로서, 직경 약 500㎛, 길이 약 10cm의 텅스텐 봉(A-M Systems, Inc., U.S.A.)을 사용하였다(도 2a).

먼저, 상기 텅스텐 봉(10)의 끝 부분을 뾰족하게 가공하기 위하여 전기화학적인 방법을 이용하여 식각하였다(도 2b). 첨단부의 직경은 약 1~2㎛이고, 약 12.8mm의 길이를 균일한 각도(25:1 테이퍼링)가 되도록 식각하였다.

상기와 같이 텅스텐 봉(10)을 가공한 후, 절연막(20)을 증착하였다(도 2c). 상기 절연막(20)으로는 생체 삽입 물질의 코팅에 주로 사용되는 파릴렌(parylene)-C를 사용하였으며, 파릴렌 코팅기(Labcoater PPs 2010, SCS Inc., U.S.A.)를 이용하여 약 3㎛의 두께로 증착시켰다.

한편, 마스크용으로 사용되는 유리관(30)을 제조하기 위하여, 범용으로 사용되는 20㎕ 규격의 유리 마이크로 피펫을 알콜 램프로 가열하여 늘린 후, 절단하였다(도 2d).

이와 같은 방법으로 제조된 유리관(30)에, 상기 파릴렌(20)이 코팅된 날카로운 텅스텐 봉(10)을 삽입하여 수 ㎛ 정도의 첨단 부분만 노출되도록 고정한다(도 2e).

상기 노출된 부분의 파릴렌(20)을 산소·아세틸렌 토치(40)의 불꽃에 순간적으로 노출시킨다(도 2f). 파릴렌의 녹는점이 유리에 비하여 훨씬 낮기 때문에, 첨단 부분의 유리관의 손상없이 상기 노출된 파릴렌(20)만이 제거된다(도 2g).

이후, 상기 유리관(30)을 제거함으로써, 금속 미세 전극을 제조할 수 있다(도 2h).

도 3은 상기 방법에 따라 제조된 금속 미세 전극의 첨단부를 촬영한 사진이다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 첨단부의 수 ㎛ 길이의 파릴렌만이 선택적으로 제거되었음을 알 수 있다.

전극 첨단부의 파릴렌을 제거하기 전과 본 발명에 따라 제거한 후의 상기 금속 미세 전극의 전기적인 특성을 비교하기 위하여, 정전위기(Potentiostat. Impedance Analyzer IM6, Zahner Inc., Germany)를 이용하여 전극과 수용액 사이의 계면 임피던스를 측정하였다.

기준 전극으로는 상용 은/염화은 전극을 사용하였고, 상대 전극으로는 백금선을 사용하였다. 0.9% 생리 식염수 환경에서, 100Hz 내지 10kHz, 20mV_pp의 조건 하에서 측정하였다. 일반적으로 전극이 용액과 접하는 면적이 증가함에 따라 병렬 정전 용량이 증가하므로, 모든 측정은 전극을 균일하게 약 10mm 정도 식염수에 잠기게 한 상태에서 측정하였다.

측정 결과를 도 4 및 도 5에 도시하였다. 도 4는 파릴렌 제거 전·후의 전극 임피던스의 크기 변화를 도시한 것이고, 도 5는 파릴렌 제거 전·후의 전극 임피던스의 위상 변화를 도시한 것이다.

1kHz에서 파릴렌을 제거하기 전과 후의 임피던스 크기는 각각 1.67㏁ 및 1.43㏁이었고, 위상은 각각 -88.25° 및 -78.63°로 측정되었다. 식염수에 잠긴 전극의 전체 면적에 비하여 파릴렌이 제거되어 텅스텐이 노출된 면적이 미미하기 때문에 임피던스 크기의 변화는 크지 않았다.

임피던스의 위상은 파릴렌을 제거하기 전에는 거의 -90°로서 순수한 정전 용량 성분만을 나타내었지만, 파릴렌 제거 후에는 저주파 영역에서 저항 성분이 크게 증가하였음을 알 수 있다. 이는 파릴렌이 효과적으로 제거되어 텅스텐이 노출되었음을 의미한다.

상기 제조된 전극을 이용하여 실제 동물의 신경 신호를 측정하기 위하여 동물 실험을 수행하였다. 실험 동물로는 스프라그 돌리 래트(Sprague Dawley Rat) 수컷을 사용하였으며, 우레탄(urethane) 1mg/㎖로 마취시켰다. 상기 제조한 금속 미세 전극을 이용하여 대뇌 피질의 체성 감각 유발 전위를 측정하였다. 신호 처리 및 기록용 장치로서 멀티채널 애퀴지션 프로세서(Multichannel Acquisition Processor, Plexon Inc., U.S.A.)를 이용하였다.

실험 대조군으로는 상용 텅스텐 미세 전극(A-M Systems, U.S.A.)을 사용하여 측정하였다.

측정 결과를 도 6에 도시하였다. 상기 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 금속 미세 전극을 이용하여 측정된 신경 신호(하)와, 상용 전극을 이용하여 측정된 신경 신호(상)의 형태는 유사함을 알 수 있다.

또한, 상기 제조된 금속 미세 전극을 이용하여 뇌심부의 단일 신경 세포로부터 신경 신호를 기록하는 것이 가능한지 여부에 대하여 실험하였다. 래트의 하시상핵에 본 발명에 따라 제조된 전극을 삽입하여 활동 전위를 기록하였다. 대조 실험군으로는 1㏁의 임피던스를 갖는 유리 전극(glass electrode)을 사용하였다.

실험 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 금속 미세 전극을 이용하여 측정된 신경 신호(하)와, 상기 유리 전극을 이용하여 측정된 신경 신호(상)의 형태는 유사함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 전극을 이용하여 단일 신경 세포로부터 신경 신호를 측정하는 것이 가능함을 알 수 있다.

상기 실험들로부터, 본 발명에 따라 제조된 금속 미세 전극은 정상적으로 동작함을 알 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 실리콘 재질의 관을 이용하여 금속 미세 전극의 절연막을 제거하는 과정을 도시한 것이다.

먼저, 마이크로머시닝 방법에 의하여 상기 두 개의 실리콘 웨이퍼에 상기 금속봉이 안착될 수 있는 홈을 형성한다(도 8a). 이후, 상기 두 개의 실리콘 웨이퍼를 서로 접합시켜, 상기 홈에 의한 관통공을 형성한다. 이후, 상기 관통공 안에 금속봉을 삽입한 후, 상기 관통공의 외부로 노출된 상기 금속봉의 첨단부에 열을 가함으로써, 상기 금속봉의 첨단부에 존재하는 절연막을 제거할 수 있다.

도 9는 실리콘 재질로서 내부에 홀이 형성되어 있는 웨이퍼를 이용하여 금속 미세 전극의 절연막을 제거하는 방법을 도시한 것이다.

먼저, 반도체 공정에 의하여 실리콘 웨이퍼에 홀 패턴을 형성시킨 후, 금속봉을 상기 실리콘 웨이퍼의 홀에 삽입한다. 이후, 상기 실리콘 웨이퍼의 홀의 외부로 노출된 상기 금속봉의 첨단부에 열을 가함으로써, 상기 금속봉의 첨단부에 존재하는 절연막을 제거할 수 있다.

본 발명에서는 유리 마이크로 피펫을 마스크로 사용하고, 산소·아세틸렌 토치를 이용하여 전극의 첨단부의 절연막을 용이하게 제거할 수 있다. 즉, 고가의 장비를 사용하지 않으면서도 기존의 방법보다 훨씬 간단하게 신경 신호 측정용 금속 미세 전극을 제조할 수 있다.

Claims (9)

1. 표면에 절연막이 형성되어 있는 금속 미세 전극을 마스크용 커버 안에 삽입하는 단계; 및

   상기 마스크용 커버의 외부로 노출된 상기 금속 미세 전극의 첨단부에 열을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 첨단부의 절연막 제거 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 마스크용 커버는

   유리, 보로실리케이트, 파이렉스, 소다 라임(soda lime), 보로플로우트(borofloat), 또는 수정(quartz) 재질의 관;

   실리콘 재질의 관; 또는

   실리콘 재질로서 내부에 홀이 형성되어 있는 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 마스크용 커버는 유리관인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 유리관은 유리 마이크로 피펫에 열을 가하여 늘린 후 절단하여 제조된 것임을 특징으로 하는 방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 유리관의 외부로 노출된 상기 금속 미세 전극의 첨단부를 불꽃에 순간적으로 노출시켜 열을 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 금속 미세 전극의 첨단부가 노출되는 상기 마스크용 커버의 일단의 내경 또는 상기 유리관의 일단의 내경은 1 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 금속봉의 일단을 날카로운 형상으로 가공하는 단계(a);

   상기 금속봉의 표면에 절연막을 형성하는 단계(b);

   마스크용 커버를 제조하는 단계(c);

   표면에 절연막이 형성되어 있는 상기 금속봉을 상기 마스크용 커버 안에 삽입하는 단계(d);

   상기 마스크용 커버의 외부로 노출된 상기 금속봉의 첨단부에 열을 가하는 단계(e); 및

   상기 마스크용 커버를 제거하는 단계(f)를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 마스크용 커버를 제조하는 단계(c)는,

   유리 마이크로 피펫을 가열하여 늘린 후, 절단하여 유리관을 제조하는 단계이거나;

   마이크로머시닝 방법에 의하여 두 개의 실리콘 웨이퍼에 상기 금속봉이 안착될 수 있는 홈을 형성한 후, 상기 두 개의 실리콘 웨이퍼를 서로 접합함으로써, 상기 홈에 의한 관통공을 형성하는 단계이거나;

   반도체 공정에 의하여 실리콘 웨이퍼에 홀 패턴을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 금속봉의 일단을 날카로운 형상으로 가공하는 단계(a);

   상기 금속봉의 표면에 절연막을 형성하는 단계(b);

   유리 마이크로 피펫을 가열하여 늘린 후, 절단하여 유리관을 제조하는 단계(c);

   표면에 절연막이 형성되어 있는 상기 금속봉을 상기 유리관 안에 삽입하는 단계(d);

   상기 유리관의 외부로 노출된 상기 금속봉의 첨단부에 열을 가하는 단계(e); 및

   상기 유리관을 제거하는 단계(f)를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경 신호 측정용 금속 미세 전극의 제조 방법.