KR20110062684A - 생체 이식형 전극의 전극 팁 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 생체 이식형 전극의 전극 팁 제조 방법은 전극팁 지지부에서 전극팁의 표면에 박막 및 후막을 제작하는 단계; 박막 및 후막에 포함된 불용성 원소들을 선택적으로 식각하여 나노 다공체를 제작하는 단계; 및 나노 다공체를 어닐링하여 나노구조물을 포함하는 전극팁을 제작하는 단계를 포함한다. 따라서 인체 생리 물질로 인한 전극 팁의 부동태화를 감소시켜 전기적으로 발생하는 임피던스 값을 저하시킬 수 있고, 전극 자체의 S/N 비를 증가시켜 효과적으로 뇌 기능의 장애를 극복할 수 있다.
생체 이식형 전극, 전극 팁(tip), 나노구조물

Description

생체 이식형 전극의 전극 팁 및 그 제조방법{The implantable electrode tip and manufacturing method thereof}
본 발명은 생체 이식형 전극에 관한 것으로, 특히 생체 이식형 전극의 전극 팁 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
선천적 또는 후천적 뇌신경 손상 환자의 뇌신경 기능을 회복시키기 위하여 뇌 중추신경계에 대해 전기적 자극을 가하는 방법에 관해서는 오랜 기간 연구가 진행되어 왔다. 초기 연구의 대부분은 운동대상영역, 공간처리능력 및 언어 영역 등 뇌기능의 특정 부분에 대한 뇌기능의 매핑(Mapping)에 관한 것이었다.
초기 연구에 의해 이와 같은 뇌기능 매핑에 따른 기능성 지도를 얻게 됨으로써 최근에는 우울증, 파킨슨씨병, 뇌졸중, 간질, 만성 신경병증성 통증 등의 질병에 경두개 자기자극 및 경두개 직류전기자극을 도입하여 직접적으로 치료에 임하고 있다. 이는 전기자극이 신경 간의 연결을 활성화하거나 억제시킴으로써 증상 개선에 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
또한 종래에는 전극 재료로서 고탄성 금속 소재를 사용하고 있으나 이들 고탄성 금속 재료들은 생체 친화적인 재료로서의 특성이 우수하지 못하여 전극으로 사용하는 경우 인체에서 수액과 반응을 일으켜 부식이 발생하는 단점이 있다.
따라서 생체에 이식하였을 때 사용 기간의 제한이 있으며 이로 인하여 환자에게 통증 및 염증을 유발시키는 문제점이 있었다.
또한 고탄성 금속 재료로 제작된 전극은 봉형태로서 크기가 상대적으로 커서 대뇌 피질의 목적 부위보다 광범위한 부위에 자극을 전달하는 단점이 있으며 원하는 강도의 자극을 주기 위해서는 강한 세기의 전기적 자극을 주어야 하는 단점이 있다.
또한, 이들 고탄성 금속 재료들은 인체에 삽입되었을 때 전극의 표면이 인체 생리 물질과 반응을 일으켜 부동태를 형성함으로써, 전기적인 자극의 양을 감소시키는 임피던스를 증가시키고, 이로 인하여 신경 세포의 사멸을 촉진시켜 뇌 신경의 기능 변화의 정도를 감소시키는 문제점이 있었다.
즉, 종래의 두개골(Skull)과 대뇌 피질(Cerebral Cortex) 사이의 공간에 삽입되어 전기적인 자극을 대뇌 피질에 전달하는 경두개성 자극 장치를 통한 전기적 자극은 대뇌피질의 목적부위보다 불필요하게 광범위한 피질에 자극이 전달되는 단점, 전극을 삽입하기 위해서는 광범위한 두피 및 두개골의 절개가 필요하며 이를 위해서 전신마취가 불가피하여 환자의 불편함과 의료 비용의 과다 증가를 초래하는 단점, 및 전극 재료로서 사용되는 고탄성 금속 소재들의 부적절한 생체 친화성으로 인하여 장기간 생체 내에 이식하여 사용하기에는 어려운 단점 등 여러 한계점을 드러내고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 나노 구조물을 이용하여 생체 이식형 전극의 전극 팁을 제조함으로써 효과적으로 뇌 기능의 장애를 극복할 수 있는 생체 이식형 전극 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 생체 이식형 전극의 전극 팁 제조 방법은 전극팁 지지부에서 전극팁의 표면에 박막 및 후막을 제작하는 단계;
상기 박막 및 후막에 포함된 불용성 원소들을 선택적으로 식각하여 나노 다공체를 제작하는 단계; 및
상기 나노 다공체를 어닐링하여 나노구조물을 포함하는 전극팁을 제작하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 생체 이식형 전극의 전극 팁 및 그 제조 방법에 의하면,
인체 친화성 재료(예를 들면, 귀금속족 원소)를 사용함으로써 인체 생리 물질과의 반응으로 인한 부동태화를 방지하여 전기적인 임피던스를 저하(예를 들면, 1~2000Ω)시키고, 신경 세포 사멸을 방지하고 S/N비(Signal to Noise ratio)를 향상시킴으로써 선천적 또는 후천적으로 발생된 뇌신경의 기능의 변화를 유도하여 뇌 신경 기능 개선에 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 나노 구조물을 이용함으로써 기존의 뇌 자극 전극보다 크기를 초소형화할 수 있다. 따라서 국소 마취 후 최소한의 부분적인 절개 방법으로 대뇌 피질에 삽입할 수 있는 장점이 있어 수술 후 발생할 수 있는 신체 손상을 최소화할 수 있으며, 대뇌 피질의 정확한 목적 부위에 전극을 위치시켜 최소한의 부위에 정량적으로 조절된 전기적인 자극을 줄 수 있는 장점이 있어 신체 손상을 최소화할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 구조물을 이용한 생체 이식형 뇌자극 전극을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노 구조물을 이용한 생체 이식 형 전극(100)은 전극팁(tip)(110)과 전극팁 지지부(120)를 포함한다.
전극팁(110)은 나노구조물로 이루어져 있고, 전극팁 지지부(120)는 이 나노구조물을 지지해주는 역할을 한다.
전극팁(110)은 두개골(Skull)과 대뇌 피질(Cerebral Cortex) 사이의 공간에 삽입되어 선택된 전기적인 신호에 따라 대뇌 피질에 직접적으로 자극을 가해주는(즉, 전기적인 자극을 대뇌 피질에 전달하는) 부분이다.
전극팁(110)의 재료는 이원계 합금(AxB1-x, x는 조성)이 될 수 있으며, 생체 친화형 원소인 Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 등의 백금족계와 Ag, Au, Pt 등의 귀금속족과, Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 등의 천이금속계와 Si, Ge, As 등의 반금속계로 구성될 수 있다.
이원계 합금을 구성하는 A 및 B는 상호간에 불용성(insoluble) 원소이며 동시에 A, B 둘 중 한 개의 원소는 선택적인 식각이 가능한 원소로 이루어져 있다.
전극팁(110)은 길이 1 nm ~ 1000 um, 두께 1 nm ~ 1000 um 및 부피 1 nm3 ~ 1000um3인 나노 다공체로 이루어진 나노 구조물로 구성될 수 있다.
전극팁 지지부(또는 전극 팁의 지지 부분)(120)은 길이 1 ~ 100 mm, 두께 1 ~ 1000 um로 제작된 Ti, V, Cr, Zn, Y, Zr, Nb, W 등의 천이금속계, Ru, Rd, Pd, Os, Ir, Pt 등의 백금족계와 Ag, Au, Pt 등의 귀금속족계 및 스테인레스(SUS)로 제작될 수 있다.
전극팁 지지부(120)는 전극 팁(110)의 선택적인 식각에 견딜 수 있는 원소로 만들어진 박판(plate) 구조일 수 있다.
이하에, 상기의 구성을 포함하는 생체 이식형 전극의 전극 팁 제조 방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노 구조물을 이용한 생체 이식형 뇌자극 전극의 전극 팁 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 전극팁의 지지부분(120)에서 전극 팁(110)의 표면에 물리적 또는 화학적 성장 방법을 이용하여 박막(thin film) 및 후막(thick film)을 제작한다(S210).
물리적 성장 방법은 스퍼터링(Sputtering)법, ALD(Atomic Layered Deposition), PLD(Pulsed Laser Deposition), IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법 등을 포함한다.
화학적 성장 방법은 졸(Sol)-겔(Gel)법, CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), VSLE(Vapor Liquid Solid Epitaxial)법 등을 포함한다.
이러한 물리적 성장 방법 또는 화학적 성장 방법을 이용하여 1 nm ~ 1000 um의 박막 및 후막을 제작할 수 있다.
다음으로, 박막 및 후막에 포함된 특정 불용성 원소들을 선택적으로 식각하기 위하여 박막 및 후막을 염기성 및 산성 용액 속에 1초 ~ 60분 정도 침적시킨 후 세정하여 나노 다공체를 제작한다(S220).
여기에서, 염기성 및 산성 용액 속에 침적시킨 박막 및 후막의 불용성 원소 를 선택적으로 식각하여 나노 다공체를 만들기 위해 수행하는 세정 과정은 상온에서 증류수와, 염기성 및 산성 용액을 세정할 수 있는 유무기 용매를 이용하여 수행한다.
그 후, 진공, 불활성 가스 분위기에서 1초 ~ 24시간 동안 50 ~ 500oC의 온도에서 어닐링(annealing)하여 지지부분에 균일한 크기 및 형태를 지닌 나노 구조물을 포함하는 전극 팁을 제조한다(S230).
이와 같은 공정(연속적인 공정도 가능하다)을 진행하여 전극 팁을 제조하면, 제조된 전극 팁이 생체 친화성 재료로 구성되기 때문에 인체 생리 물질과의 반응으로 인한 부동태화를 방지하여 전기적인 임피던스를 저하(즉, 임피던스 값이 1 ~ 2000 Ω의 범위에서 전기적인 자극을 대뇌 피질에 전달할 수 있음)시킬 수 있다.
따라서, 신경 세포 사멸을 방지할 수 있고, 전극의 장수명화 및 전기 자극 신호의 S/N 비를 상승시킬 수 있다.
또한, 이와 같은 공정(예를 들면, 선택적인 식각 방법을 이용)에 의하면, 지지부분에 균일한 크기 및 형태를 지닌 표면적이 큰 생체 친화성 나노 구조물을 포함하는 전극팁을, 금형을 제작해야 하는 기존의 제작 방법보다 용이하게 제작할 수 있고, 재현성 및 균일성이 보장되며 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 구조물을 이용한 생체 이식형 뇌자극 전극의 전극 팁을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노 구조물을 이용한 생체 이식형 뇌자극 전극의 전극 팁 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

Claims (1)

  1. 전극팁 지지부에서 전극팁의 표면에 박막 및 후막을 제작하는 단계;
    상기 박막 및 후막에 포함된 불용성 원소들을 선택적으로 식각하여 나노 다공체를 제작하는 단계; 및
    상기 나노 다공체를 어닐링하여 나노구조물을 포함하는 전극팁을 제작하는 단계를 포함하는 생체 이식형 전극의 전극 팁 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105559778A (zh) * 2016-02-02 2016-05-11 上海交通大学 一种用于长期脑电信号采集的脑电极及其制备方法

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