KR20160105174A

KR20160105174A - 피부 보철용 신축성 전자장치

Info

Publication number: KR20160105174A
Application number: KR1020150028507A
Authority: KR
Inventors: 김대형; 현택환; 김재민; 이민철; 심형준
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 기초과학연구원
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-06
Also published as: KR101781542B1; US20160250015A1; US10045843B2

Abstract

본 발명은 신장가능한 피부 보철물용 실리콘 나노리본 전자장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 제1 봉지층; 상기 제1 봉지층에 인접하여 형성된 히터; 상기 히터에 인접하여 형성된 제2 봉지층; 상기 제2 봉지층에 인접하여 형성된 제1 센서 어레이 층; 상기 제1 센서 어레이 층에 인접하여 형성된 제3 봉지층; 및 상기 제3 봉지층에 인접하여 형성된 제2 센서 어레이 층을 포함하는, 신장가능한 피부 보철용 전자장치, 그리고 이의 제조 방법에 대한 것이다.

Description

신장가능한 피부 보철물용 실리콘 나노리본 전자장치 및 이의 제조 방법{Stretchable Silicon Nanoribbon Electronics for Skin Prosthesis and Process for Preparing the Same}

피부기반 기계적 감각수용기 및 온도 수용기(skin-based mechanoreceptor and thermo-receptor)는 외부 환경으로부터 많은 양의 정보를 수집한다. 중추 및 자율 신경계는 이러한 감각적 입력(sensory inputs)을 분석하고, 이를 조절된 생리적 반응 및 모터 출력(motor outputs)으로 변환한다.

기계적 및 온도 감각에 대한 신경 회로의 이해에 현저한 발전이 있음에도 불구하고, 이러한 능력을 인공 피부 및 보철물에 복제하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 많은 상/하지 절단 수술을 받은 환자들은, 원래의 팔에 대한 기능적 대체물로서가 아닌, 미용상의 이유 또는 보조적 동작 보조기로서 의지(prosthetic limb)를 착용한다.

강성 및/또는 반유연성 촉각 센서가 통합된 의지 설계에 대한 최근의 발전에 의해 변화하는 환경에 반응하여 피드백을 가능하게 하는 감각 수용이 제공된다. 그러나 웨어러블 보철물(wearable prosthetics)에서의 종래의 전자장치와 연한 생물학적 조직 간의 기계적 불일치가 여전히 존재하고, 이로 인하여 상/하지 절단자에 있어서 보철물의 유용성 및 성능이 제한된다.

인공 피부와 실제 피부 간의 기술적인 격차를 줄이려는 노력들이 진행되고 있다. 다양한 마이크로/나노 물질 및 구조체에 기반하는 연성(flexible) 및/또는 신장가능한(stretchable) 촉각 센서들이 중점적으로 연구되고 있다.

구체적으로, 압력 감지 고무(PSR)가 인장 스트레인(tensile strain)에 반응하는 저항성 소자(resistive element)로서 사용되는데, 이는 연성 유기 전자장치 및 나노물질기반(나노와이어 및 나노튜브)의 트랜지스터에 통합될 수 있다.

그러나 종래의 PSR은 반응 시간이 느리고 심각한 이력현상(hysteresis)을 갖는다. 단결정 실리콘 기반의 장치는 빠른 반응 시간을 제공하지만, 형태의 이종성(heterogeneity) 및 다른 해부학적 구조에 걸쳐 피부의 스트레인 프로파일로 인해 구체적인 신체의 위치에 따라 맞춤 설계를 해야 한다.

따라서, 부위특이적 기하학적 배치(site-specific geometrical layout)에 있어서 전자-저항성 열적 구동(electro-resistive thermal actuation)과 결합된 압력, 온도 및 습도 감지의 이종성 통합(heterogeneous integration)은 스마트 보철물(smart prosthetics) 및 인공 피부의 기술을 극적으로 진보시킬 기회를 제공한다.

본 발명자들은 극초박형(ultrathin) 단결정 실리콘 나노리본(SiNR) 스트레인, 압력 및 온도 센서 어레이가 장착된 신장가능한 보철 피부를 발명하였다.

본 발명의 기본적인 목적은 제1 봉지층; 상기 제1 봉지층에 인접하여 형성된 히터; 상기 히터에 인접하여 형성된 제2 봉지층; 상기 제2 봉지층에 인접하여 형성된 제1 센서 어레이 층; 상기 제1 센서 어레이 층에 인접하여 형성된 제3 봉지층; 및 상기 제3 봉지층에 인접하여 형성된 제2 센서 어레이 층을 포함하는, 신장가능한 피부 보철용 전자장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 (i) 실리콘 옥사이드 웨이퍼를 폴리이미드로 코팅하는 단계; (ii) 도핑된 실리콘 나노멤브레인(SiNM)을 전사하고 경화시키는 단계; (iii) 상기 SiNM를 패터닝하여 SiNR을 형성하는 단계; (iv) 금속을 증착시키고 패터닝하는 단계; (v) 폴리이미드로 봉지하고 경화시키는 단계; (vi) 폴리이미드를 에칭하는 단계; (vii) 장치를 실리콘 옥사이드 웨이퍼로부터 제거하고 PDMS로 코팅된 PVA 필름 위로 전사하는 단계; 및 (viii) PDMS로 봉지하는 단계를 포함하는, 신장가능한 피부 보철용 전자장치 제조 방법을 제공하는 것이다.

을술한 본 발명의 기본적인 목적은 제1 봉지층; 상기 제1 봉지층에 인접하여 형성된 히터; 상기 히터에 인접하여 형성된 제2 봉지층; 상기 제2 봉지층에 인접하여 형성된 제1 센서 어레이 층; 상기 제1 센서 어레이 층에 인접하여 형성된 제3 봉지층; 및 상기 제3 봉지층에 인접하여 형성된 제2 센서 어레이 층을 포함하는, 신장가능한 피부 보철용 전자장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.

상기 제1 봉지층은 폴리디메틸실록산(PDMS)와 같은 실리콘 고무일 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 고무는 에코플렉스(Ecoflex®) 또는 실비온(Silbione®)일 수 있다. 또한, 상기 제1 봉지층의 두께는 10 μm 내지 100 μm일 수 있다.

상기 제2 봉지층은 폴리디메틸실록산(PDMS)와 같은 실리콘 고무일 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 고무는 에코플렉스(Ecoflex®) 또는 실비온(Silbione®)일 수 있다. 또한, 상기 제2 봉지층의 두께는 10 μm 내지 100 μm일 수 있다.

상기 제3 봉지층은 폴리디메틸실록산(PDMS)와 같은 실리콘 고무일 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 고무는 에코플렉스(Ecoflex®) 또는 실비온(Silbione®)일 수 있다. 또한, 상기 제3 봉지층의 두께는 10 μm 내지 100 μm일 수 있다.

상기 히터는 구리, 알루미늄, 금, 은 등의 금속으로 제조된 전극, 또는 은 나노와이어, 탄소 나노튜브 등으로 제조된 연성(flexible) 전극으로 제조될 수 있다.

상기 제1 센서 어레이 층은 스트레인 센서, 압력 센서, 온도 센서 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 스트레인 센서는 1 μm 두께의 폴리이미드층으로서 p형으로 도핑된 실리콘 나노리본의 상부와 하부를 각각 봉지하여 중성역학층(Neutral mechanical plane)을 이루고, 상기 실리콘 나노리본의 압전저항 특성에 의해 가해진 스트레인을 측정할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 압력 센서는 1 μm 두께의 폴리이미드층으로서 p형으로 도핑된 실리콘 나노리본의 상부를 봉지하는 구조를 이루고, 상기 실리콘 나노리본의 압전저항 특성에 의해 가해진 압력을 측정할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 온도센서는 폴리이미드층으로서 p-n형으로 도핑된 실리콘 나노리본의 상부와 하부를 각각 봉지하여 중성역학층(Neutral mechanical plane)을 이루고, p-n으로 도핑된 실리콘 나노리본이 가지는 다이오드의 온도특성에 따라 외부 온도를 측정할 수 있다.

상기 제2 센서 어레이 층은 습도 센서를 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 습도 센서는 1 μm 두께의 폴리이미드층으로서 패터닝된 금속 선을 봉지하는 구조를 이루고 있고, 상기 폴리이미드층과 금속 사이에 형성된 전기용량(capacitance)의 습도에 따른 변화를 측정함으로써 습도를 측정한다.

전술한 본 발명의 또 다른 목적은 (i) 실리콘 옥사이드 웨이퍼를 폴리이미드로 코팅하는 단계; (ii) 도핑된 실리콘 나노멤브레인(SiNM)을 전사하고 경화시키는 단계; (iii) 상기 SiNM를 패터닝하여 SiNR을 형성하는 단계; (iv) 금속을 증착시키고 패터닝하는 단계; (v) 폴리이미드로 봉지하고 경화시키는 단계; (vi) 폴리이미드를 에칭하는 단계; (vii) 장치를 실리콘 옥사이드 웨이퍼로부터 제거하고 PDMS로 코팅된 PVA 필름 위로 전사하는 단계; 및 (viii) PDMS로 봉지하는 단계를 포함하는, 신장가능한 피부 보철용 전자장치 제조 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 (i)단계에서 상기 실리콘 옥사이드 웨이퍼를 폴리아믹산으로 스핀코팅(8000rpm, 60s)할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 (ii)단계에서 상기 도핑된 실리콘 나노멤브레인을 전사인쇄(transfer printing) 기법을 이용하여 상기 스핀코팅된 웨이퍼 위에 전사할 수 있다. 이후, 250℃에서 1시간 동안 상기 폴리아믹산 층을 경화시켜 폴리이미드 층을 형성할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 (iii)단계에서 상기 전사된 SiNM을 포토리소그래피 공정을 이용한 패터닝을 통해 실리콘 나노리본(SiNR)을 형성할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 (iv)단계에서 진공 열 증착 방법을 이용해 100 μm 두께 가량의 금속을 증착시키고, 포토리소그래피 공정과 습식 식각(wet etching) 공정을 거쳐 금속을 패터닝할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 (v)단계에서, 상기 (i)단계에서의 방법과 마찬가지로, 폴리아믹산을 스핀코팅(8000rpm, 60s)하고, 250℃에서 1시간 가량 경화시켜 폴리이미드 봉지층을 형성할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 (vi)단계에서 포토리소그래피 공정과 반응성 이온 식각 공정을 통해서 폴리이미드를 식각할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 (vii)단계에서 물방출 테이프(water release tape)를 이용한 전사인쇄 기법을 이용해, PDMS(40:1, PDMS : 경화제 w/w)로 스핀코팅(3000rpm, 30s)된 PVA 필름 위로 장치를 전사할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시 태양에서, 상기 (viii)단계에서 PDMS(40:1, PDMS : 경화제 w/w)를 스핀코팅(3000 rpm, 30s)에 의해 봉지할 수 있다.

본 발명에 따른 신장가능한 피부 보철용 전자장치는 뛰어난 시공간적 감도 및 기계적 신뢰도를 제공함으로써, 외부의 다양한 환경 및 자극에 반응하여 인공 피부의 감지 능력을 현저하게 향상시킨다.

도 1a는 보철 손의 전체 표면을 덮는 집적된 신장가능한 센서 및 구동기를 갖춘 본 발명의 대표적인 스마트 인공 피부에 대한 사진이고(삽입도는 약 20% 신장된 인공 피부), 도 1b는 6개의 스택 층(stacked layers)으로 이루어진 인공 피부에 대한 전개도이며, 도 1c는 SiNR 스트레인 게이지에 대한 대표적인 현미경 사진이고(좌측 S1의 곡률이 0 mm^-1이고, 우측 S6의 곡률이 10 mm^-1이다), 도 1d는 SiNR 압력 센서 S6 및 온도 센서 S6에 대한 대표적인 현미경 사진이며, 도 1e는 습도 센서에 대한 현미경 사진이고(하부 우측의 삽입도는 중앙 부위에 대한 확대도이며, 각 전극들이 동일한 나선-간 간극(inter-spiral gap)을 가진다는 점을 보여줌), 도 1f는 전자저항성 히터에 대한 현미경 사진이고, 도 1c 내지 1f의 상부 우측 삽입도는 각 장치의 단면도를 보여주며, 도 1g는 실리콘 옥사이드 기판 상에 전사된 SiNR에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 1h는 상기 도 1g의 주름진 SiNR에 대한 확대도이며, 도 1i는 상기 스트레인 게이지에 대한 단면 투과전자현미경(TEM) 사진이고, PI 층으로 봉지된 SiNR이 중성역학층에 위치하는 것을 보여준다.
도 2는 다양한 곡률, 즉 κ = 0(S1), 1.94(S2), 4.74(S3), 7.4(S4), 9.75(S5) 및 10 mm^-1(S6)을 가지는 구불구불한 형태의 스트레인 및 온도 센서에 대한 현미경 사진을 보여주며, 도 2a는 스트레인 센서용의 선형 및 구불구불한 형태의 p형으로 도핑된 SiNR이고, 도 2b는 온도 센서용의 선형 및 구불구불한 형태의 SiNR p-n 접합 다이오우드이다.
도 3a는 본 발명에 따른 동작 포착 시스템에 대한 개념도이고, 도 3b는 주먹 쥐기, 앞으로 굽히기, 좌우로 기울이기의 4가지 다른 동작에 대해 상기 동작 포착 시스템에 의해 획득된 위치 정보를 사용하여 계산된, 피부의 부위별 스트레인 맵(regional strain map)이며(각 경우에서 상부 좌측의 삽입도는 반사 표지가 장착된 실제 손을 보여 준다), 도 3c는 도 3b로부터 획득한 데이터를 조합함으로써 얻은 전체 영역에 대한 최대 신장 범위(maximum stretching range)에 대한 맵과 부위특이적으로 설계된 SiNR 스트레인 게이지의 상응하는 배열을 보여 주고(우측의 프레임은 각 설계(S1, S3 및 S6 설계; 흑색 박스로 표시됨)에 대한 확대도임), 도 3d는 손등에 완전히 밀착되도록(conformally) 부착된 부위특이적으로 설계된 SiNR 스트레인 게이지 어레이에 대한 사진이다(우측의 프레임은 각 설계(백색 박스로 표시됨)에 대한 확대도이고, S1, S3 및 S6 설계는 각각 적은 변형, 중간정도의 변형 및 큰 변형 위치에 대한 것이다).
도 4는 동작 포착 시스템을 사용하여 손 피부의 부위특이적 변형을 측정하기 위한 반사 표지를 보여 준다. 도 4의 선들은 유도된 스트레인을 계산하기 위한 인접한 표지들 간의 거리를 나타낸다.
도 5a는 SiNR기반의 센서 어레이를 사용하여 스트레인 및 온도를 측정하기 위한 실험 설정을 보여 주고, 도 5b는 손목에 완전히 밀착되도록 부착된 스트레인 게이지 어레이에 대한 확대 사진이며, 도 5c는 상기 센서 어레이로 부위별 스트레인 분포를 측정하기 위한 다중 측정 계획을 보여 준다.
도 6a는 다른 스트레인이 걸린 상황하에서(0%, 15%, 30%) SiNR 스트레인 게이지의 순차적인 사진(상부) 및 대응하는 FEA 결과(하부)를 보여 주고, 도 6b는 다른 곡률의 SiNR에 대한 스트레인에 의존하는 저항 변화(좌측) 및 반복적인 신장(cycling stretching) 하에서의 다른 곡률을 갖는 ?SiNR의 시간적인 저항 변화를 보여 주며, 도 6c는 부위특이적으로 설계된 스트레인 게이지 어레이(작은 신장 영역에 대해 S1, 큰 신장 영역에 대해 S6)로 측정된 부위별로 맵핑된 퍼센트 저항 변화이고(4개의 다른 동작에 대해 맵핑된 영역(부위)은 적색 점선 박스로 표시됨), 도 6d는 공동이 없는 SiNR 압력 센서(하부 좌측)와 대비한 공동을 가지는 SiNR 압력 센서의 작동 원리, 공동을 가진 장치의 단면(상부 중간)과 공동이 없는 장치의 단면(하부 중간)에 대한 SEM 사진, 그리고 FEA 결과(상부 우측; 하부 우측)를 보여 주며, 도 6e는 다른 SiNR 설계(S1: 좌측 그래프, S6:우측 그래프)에 걸린 압력과 관련하여, 공동이 있거나(흑색) 공동이 없는(적색) 압력 센서의 저항 변화를 보여 주고, 도 6f는 점진적인 압력 증가에 대한 S6의 압력 센서 어레이에 의해 측정된 부위별로 맵핑된 퍼센트 저항 변화를 보여 준다.
도 7a는 SiNR 스트레인 게이지의 신장 방향에 대한 의존성 분석을 위한 실험 설정에 대한 예시이고, 도 7b는 수직(적색) 및 수평(흑색) 방향 스트레인에 대한 SiNR 스트레인 게이지의 퍼센트 저항 변화를 보여 주며, 도 7c는 휘트스톤 브리지 구성에서 SiNR 스트레인 게이지에 대한 현미경 사진이고, 도 7d는 휘트스톤 브리지로부터 측정된 출력 전압 변화(적색) 및 단일-저항기 기반의(single-resistor-based) 스트레인 게이지의 퍼센트 저항 변화(청색)를 온도의 함수로서 나타낸 것이다(적색 삽입도는 휘트스톤 브리지, 청색 삽입도는 단일-저항기).
도 8은 굽힙 동작 중 무릎에서의 스트레인 검출 결과이고, 도 8a는 최소 굽힘(좌측)과 최대 굽힘(우측)의 경우에서 동작 포착 시스템에 의해 얻은 위치 정보를 사용하여 계산된 무릎 위의 피부에 대한 부위별 스트레인 맵이며(삽입도는 반사 표지가 부착된 무릎에 대한 사진), 도 8b는 굽힌 무릎 위에 완전히 밀착되도록 부착된 스트레인 게이지 어레이에 대한 확대 사진이며, 도 8c는 동작 상태(무릎의 반복적인 이완 및 굽힘)에 의존하는, 다른 설계들(S1, S2, S3)의 스트레인 게이지에 대한 퍼센트 저항 변화를 보여 준다(S1 및 S2 설계는 반복적인 굽힘 동작 중에 고장남).
도 9는 실온에서 다른 설계들(도 9a: S1, 도 9b: S2, 도 9c: S3, 도 9d: S4, 도 9e: S5, 도 9f: S6)에 대해 스트레인이 걸린 상황에서(0%, 1%, 3%, 5%, 7%, 9%) 온도 센서의 I-V 특성 곡선이다.
도 10a는 SiNR 온도 센서의 특성을 파악하기 위한 개략적인 실험 설정이고, 도 10b는 스트레인이 없거나(좌측) 스트레인이 있을 때(우측, 10%)의 S1 온도 센서의 I-V 곡선이며, 도 10c는 스트레인이 없거나(좌측) 스트레인이 있을 때(우측, 10%)의 S6 온도 센서의 ?I-V 곡선이다.
도 11a는 10% 신장(적색) 및 신장되지 아니한 상태(흑색) 하에서 대표적인 설계들(S1: 좌측 그래프, S6: 우측 그래프)의 SiNR 온도 센서의 교정 곡선이고, 도 11b는 초기 조건(좌측) 및 부분적으로 가열된 조건(우측)에 대한 적외선 카메라 및 S6 설계의 SiNR 온도 센서 어레이에 의해 측정된 부위별로 맵핑된 온도이며, 도 11c는 동일 평면상의 습도 센서의 교정 곡선(좌측)과 동일 평면상에 제작된 습도 센서에 대해 동시에 측정된 시간적인 습도 변화 및 전기용량 변화의 이중 y 플롯(double y plot)이고, 도 11d는 동일 평면상의 습도 센서 어레이의 부분적인 영역을 덮고 있는 물방울 사진(좌측)과 대응하는 부위별 전기용량 변화에 대한 맵(우측)이며, 도 11e는 히터의 가열 능력을 보여 주고(체온을 모방한 37℃(좌측) 및 58℃(우측)에서 프랙탈 구조를 모방한(fractal-inspired) 히터), 도 11f는 히터의 신장도(stretchability)이다(히터가 약 5%(좌측) 내지 약 20%(우측) 신장되었고, 가열 성능 저하가 없었음).
도 12a는 본 발명의 습도 센서에 대한 실험 설정의 예시(좌측) 및 센서와 감지 메커니즘에 대한 개략적인 다이아그램(우측)이고, 도 12b는 건조한 손가락으로 습도 센서 어레이를 접촉하는 외부 장애 테스트(좌측) 및 이에 상응하는 습도 센서의 응답(우측)을 보여 준다.
도 13a는 악수를 하는 보철 손의 연속적인 사진이고(SiNR 스트레인 게이지의 저항 변화에 대한 시공간적인 맵이 대응하는 손등의 위치에 중첩되어 있음), 도 13b는 키보드를 누르는 보철 손의 사진(상부 좌측) 및 대응하는 SiNR 압력 센서의 시간적인 저항 변화(상부 우측)과, 야구공을 잡는 보철 손의 사진(하부 좌측) 및 이에 대응하는 SiNR 압력 센서의 시간적인 저항 변화(하부 우측; 잡기(적색), 유지하기(흑색) 및 펴기(청색) 동작)이며, 도 13c는 뜨거운 컵(상부 좌측)과 얼음물 컵(하부 좌측)에 접촉하는 보철 손의 사진과, 이에 상응하는 SiNR 온도 센서의 시간적인 전류 변화(PIN 다이오우드, 적색)와 적외선 센서에 의해 측정된 실제 온도 변화(청색)을 보여 주고(상부 우측: 뜨거운 물, 하부 우측: 얼음물), 도 13d는 건조된 다이어퍼(diaper)(상부 좌측) 및 젖은 다이어퍼(하부 좌측)를 착용한 아기 인형에 대한 사진과 건조된 다이어퍼(상부 중간) 및 젖은 다이어퍼(하부 중간)를 접촉하는 보철 손에 대한 사진, 그리고 건조된(적색)/젖은(청색) 다이어퍼에 접촉하기 전/후의 습도 센서의 전기용량 값에 대한 막대 플롯(우측)이며, 도 13e는 아기 인형의 머리(상부 좌측) 및 배(하부 좌측)를 접촉하는 보철 손에 대한 사진, 인공 피부 내의 히터에 의해 체온으로 가열된 보철 손의 적외선 카메라 영상(상부 중간, 하부 중간), 및 보철 손을 뗀 이후에 아기 인형에 잔존하는 열(상부 우측, 하부 우측)을 보여 준다.
도 14a는 MEA(multi-electrode array)를 사용하여 말초신경섬유에 보철 손을 연결하는 방법에 대한 예시이고(삽입도는 세리아 나노입자가 흡착된 백금 나노와이어(PtNW)가 금 전극 위에서 성장한 모습을 보여줌), 도 14b는 PtNW에 대한 SEM 사진(좌측)과 상기 PtNW에 흡착된 세리아 나노입자에 대한 TEM 사진이며, 도 14c는 적용된 신호의 주파수에 대한 금(Au), Pt/Au, PtNW/Au 전극들의 임피던스(좌측)와, 세리아 나노입자가 내포된 PtNW/Au 전극 및 세리아 나노입자가 내포되지 아니한 PtNW/Au 전극 간의 ROS 제거 성능 비교(우측)이고, 도 14d는 34개의 독립된 접촉 전극(좌측 삽입도에 확대 사진)을 포함하는 신장가능한 MEA에 대한 사진 및 라트 모델(rat model)의 근육 조직 내의 말초신경 상의 MEA(우측)을 보여 주며(신경에 접촉하는 전극은 청색 화살표로 표시됨), 도 14e는 라트 모델의 신경섬유에 완전히 밀착되도록 감싼 신장가능한 MEA(좌측; 삽입도는 상기 신장가능한 MEA가 신경섬유의 변형 하에서도 긴밀한 접촉을 유지하는 것을 보여줌; 청색 화살표는 신경에 접촉하는 전극을 나타냄)와 구불구불한-메쉬 형태의 MEA가 평면-쉬트형 MEA 보다 전단응력이 더 낮다는 것을 보여 주는 FEA 결과(우측)를 보여 주고, 도 14f는 보철 피부 내에 내포된 스트레인 게이지로부터 측정된 신호(흑색), 이와 동시에 감지된 신호에 따라 신경에 적용된 전기적 자극(적색) 및 신경을 통해 전달된 신호(청색)를 보여 주며, 도 14g는, 도 14f에 나타난 데이터와 유사하지만, 보철 피부 내의 압력 센서를 사용하여 얻은 유사한 데이터를 보여 준다.
도 15는 구불구불한-메쉬 형태의 MEA(도 15a) 및 평면-쉬트 형태의 MEA(도 15b)에 대한 금속 접속(metal interconnection)을 강조한 MEA 메쉬를 보여 준다.
도 16a는 감지된 정보를 신경계로 전달하기 위한 신경 인터페이스를 제작하기 위해 필요한 구성요소를 보여 주는 개념도이고, 도 16b는 양방향 피드백 개념을 설명하는 상세한 흐름도이다(청색 화살표, 적색 화살표 및 보라색 설명은 각각 자극, 상기 자극에 대한 응답, 및 두가지 모두의 경우에 상응한다).

한하, 다음의 실시예 또는 도면을 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 다음의 실시예 또는 도면에 대한 설명은 본 발명의 구체적인 실시 태양을 특정하여 설명하고자 하는 것일 뿐이며, 본 발명의 권리 범위를 이들에 기재된 내용으로 한정하거나 제한해석하고자 의도하는 것은 아니다.

실시예 1. SiNR 기반 장치의 제작

SOD(spin-on-dopant)를 이용하여 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼의 도핑부터 시작하였다. 상기 도핑된 부분을 실리콘 옥사이드(SiO₂) 웨이퍼 위에 코팅된 폴리이미드(PI) 필름 위로 전사인쇄하였다. 포토리소그래피와 반응성 이온 에칭(RIE)법을 사용하여 SiNR을 추가로 패터닝하였다. 열증발법(thermal evaporation)을 이용한 금속의 증착(metallization)(Au/Cr, 70 nm/7 nm), 포토리소그래피 및 습식 에칭 단계들에 의해 구불구불한 금속 배선(serpentine metal lines)을 형성하였다. 상부 PI 층을 스핀코팅하였고 전체 3층(PI/장치/PI)을 RIE에 의해 패터닝하였다. 상기 장치를, PVA 필름 위에 스핀코팅된 PDMS로 전사인쇄하였고 스핀코팅법에 의해 또 다른 PDMS로 봉지하였다. 상기 장치를 표적 기판(예를 들면, 인공 손(prosthetic hand))에 부착시키기 위해, 상기 봉지된 장치를 표적 위치에 부착한 후 탈이온수에 침지하여 상기 PVA 필름을 제거하였다.

실시예 2. Au 기반 장치의 제작

PI의 전구체 용액을 SiO₂ 웨이퍼 위에 스핀코팅하였다. 상기 PI 층을 250℃에서 1시간 동안 충분히 경화시켰다. 습도 센서용의 분리된 전극들 및 히터용의 저항성 전도 경로(resistive conduction path)를 형성하기 위해, Au/Cr(70 nm/7 nm) 층들을 열증발법 공정에 의해 증착시켰다. 상기 증착된 금속 필름을 포토리소그래피에 의해 패터닝하였다. 봉지(encapsulation)하기 위해, 또 다른 PI 층을 스핀코팅하였고 동일한 절차 및 조건을 사용하여 경화시켰다. 전체 구조(PI/금속/PI)를 신장가능한 형태로 패터닝하였고, 상기 SiO₂ 웨이퍼로부터 떼어냈으며, 상기 Si-NR기반 장치에서와 동일한 방법을 사용하여 고분자 기판에 전사하였다.

실시예 3. 부위특이적으로 설계된 신장가능한 전자장치를 갖춘 인공 피부 보철물

도 1a는 보철 손의 표면 위에 적층된 집적 전자장치(integrated electronics)를 갖춘 인공 피부에 대한 사진을 보여 준다. 상기 보철물의 인공 피부 표면은 매우 순응적(compliant)이고, 상기 보철물의 곡면 표면에 기계적으로 결합되었다. 스택 층들(stacked layers)에 대한 예시(도 1b)는 내포된 전자장치, 센서 및 구동기(actuator)의 위치를 강조하며, 이들의 확대도가 도 1c 내지 1f에 나타나 있다.

바닥 층은 폴리디메틸실록산(PDMS, Dow Corning, USA)에 결합된 필라멘트 패턴의 전자저항성(electroresistive) 히터를 포함한다. 이러한 열적 구동기(thermal actuator)는 프랙탈 구조를 모방한 포맷(fractal-inspired format)이어서(도 1f) 상기 피부 층의 신장 및 수축 동안에 균일한 가열이 되도록 한다. 구동 중에 촉각 및 열적 피드백을 감시하기 위해, 상기 스택(stack)의 중간 층에 스트레인 센서(도 1c), 압력 센서(도 1d 좌측) 및 온도 센서(도 1d 우측) 어레이를 사용하였다. 이러한 센서들의 네트워크는, 보철물의 메카니즘에 따라, 직선형에서 구불구불한 형태(도 2의 S1 - S6)까지 공간적으로 다양한 기하학적 설계를 갖는다. 상부의 봉지층(encapsulation layer) 내에서 동일 평면상의 축전기로 구성된, 습도 센서의 어레이는 다른 습도 수준에서 전기용량의 변화를 검출하여(도 1e 하부 우측의 삽입도는 확대도를 보여줌) 주변 조건에 대한 정보를 획득한다.

전술한 모든 장치들은 초박 영역, 즉 폴리이미드(PI; 도 1c 내지 1f의 상부 우측의 삽입도)에 의해 봉지된(passivated) SiNR 또는 패터닝된 금 층을 포함한다. 한 가지 예외는 촉각 센서의 설계인데, 이는 기계적인 압력 변화에 반응하는 감도를 향상시키기 위해 공동(cavity)을 포함한다. 이러한 촉각 센서의 제작에 사용되는 중요한 물질은 p형으로 도핑된 단결정 SiNR이고, 이는 높은 피에조저항(piezoresistivity)(게이지 인자: 약 200) 및 낮은 파괴 인성(fracture toughness)약 1.0 MPa m^1/2)를 가진다. 소자가 휘어짐에 따라 생길 수 있는 결함을 방지하기 위해, 기계적인 전략을 사용했고, 여기에서 초박형(약 110 nm) SiNR이 상기 스택의 중성 역학층(neutral mechanical plane) 내에 유지되었다. 도 1g는 산화실리콘 기판 위에 전사된 크랙없는 SiNR의 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여 준다. 기계적 변형 하에서 상기 SiNR의 초박형 성질 및 기계적 유연성을 강조하기 위해 의도적으로 주름을 유도했다(도 1h). 도 1i는 상기 중성 역학층(PI/SiNR/PI 구조) 내에 위치한 SiNR에 대한 단면 투과전자현미경(TEM) 사진을 보여 준다. 이러한 설계는 굽힘유래 스트레인을 최소화하는 것을 돕는다.

실시예 4. 다양한 동작에서 피부의 스트레인 분포 검출

피부는 정상적으로 다축 힘을 받고 다른 신체 위치에서 다양한 각운동 및 직선운동을 겪는다. 이러한 동작에서의 이종성 및 피부의 스트레인은 인공 피부 및 보철물에서 센서 및 구동기의 위치특이적 최적화가 필요하다는 점을 암시한다.

팔 및 손에서 동작 및 피부 역학의 기계적 거동의 특성을 구하기 위해, 동작 포착 카메라 시스템(도 3a)를 사용하여 피부 상의 몇개의 표적점들(도 4)로부터 동작 및 스트레인을 포착하였다. 종합적으로, 12개의 동작포착 카메라(OptiTrack Prime 41, NaturalPoint, USA)를 동시에 사용하여 손 및 손목에 부착된 반사 표지(reflective marker)에 대한 3차원 좌표를 획득하였다. 주먹 쥐기뿐만 아니라 수직(굽히기) 및 수평(기울이기) 손목 운동을 포함하는, 4개의 대표적인 손 동작을 분석하였다(도 3b). 이웃하는 반사 표지에 대한 변위를 측정함으로써 스트레인 분포를 계산하였다. 주먹을 쥐는 동안에, 상기 피부는 약 5% 늘어나고(도 3b 상부 좌측), 굽히기에 대해서 현저하게 더 큰 스트레인(약 16%)이 초래되었다(도 3b 상부 우측). 기울이기 동작은 손목의 주름진 면에서 압축을 초래했고, 상기 손목의 반대쪽 면에서는 피부가 늘어났다(도 3b 하부).

이러한 동작 데이터를 수집함으로써, 손목 및 손 근처의 스트레인 프로파일을 매핑하였다(도 3c). 피부가 거의 늘어나지 아니하는 영역에 대하여, 선형 SiNR(S1 설계)을 사용하여 감도를 최대화하였다. 반면에, 보다 더 신장성인(stretchy) 영역에 대하여 구불구불한 SiNR(예를 들면, S3 또는 S6 설계)을 적용하여 더 큰 범위의 스트레인 변화를 수용하였다. 또한, 밑에 있는 해부학적 구조의 신장성(stretchability)에 따라(예를 들면, 약 5%의 낮은 변형 영역: S1 설계, 약 10%의 중간 변형 영역: S3 설계, 약 16%의 높은 변형 영역: S6 설계, 도 3c의 우측 프레임) 상기 SiNR의 곡률을 최적화하였다. 이러한 부위특이적 SiNR 센서 어레이가 도 3d에 나타나 있다. 우측의 전개된 프레임은 각 설계에 대한 확대도이다. 이러한 초박형 필라멘트형 설계는 인간 피부 위에 완전히 밀착되어 높은 신호 감도 및 기계적 내구성을 가지는 것을 가능하게 한다.

실시예 5. 다른 감도 및 검출 영역을 가지는 SiNR 기계적 센서(스트레인 게이지 및 압력 센서)

다른 SiNR 센서 설계에 대한 스트레인의 효과를 밝히기 위해, 곡률 κ= 0(S1), 1.94(S2), 4.74(S3), 7.4(S4), 9.75(S5) 및 10 mm^-1(S6)인 6가지 독특한 구불구불한 설계에 대해 검사하였다. 주문제작한 굽힘 스테이지를 사용하는 신장(strech) 시험 실험 설정이 도 5a에 나타나 있다. 도 6a(상부 프레임)는 다양한 스트레인(0%, 15% 및 30%)에 노출된 SiNR 스트레인 게이지를 보여 준다. 하부 프레임은 유한요소분석법(FEA) 결과를 보여 준다. 적용된 스트레인이 증가할수록, 작은 곡률의 SiNR 스트레인 게이지는 더 큰 곡률의 SiNR 스트레인 게이지보다 현저히 더 큰 스트레인이 발생한다. 큰 곡률의 구불구불한 설계는 작은 곡률의 경우에서 보다 유도된 스트레인을 더 잘 완화시킨다. 이러한 효과를, 상대 저항(ΔR/R)을 적용된 스트레인의 함수로서 측정하여 포착하였다(도 6b 좌측).

큰 곡률의 SiNR 센서는 더 큰 스트레인을 견딜 수 있고, 따라서 더 큰 동적 범위(dynamic range)를 갖지만, 감소된 감도를 보인다(도 6b). 상기 SiNR S6는 약 30%까지의 스트레인을 견디는 반면에, S1 균열(fracture)은 약 10%의 스트레인이 가해지기 전에 일어났다. 그러나 반복적인 신장 시험(stretching test)에 의하면, 곡률이 작을수록 감도가 증가하였다(도 6b 우측). 이러한 트레이드오프 효과에 따르면, 적은 범위로 신장하는 부위에는 SiNR S1이 가장 적합한 반면에, 크게 신장하는 부위에는 SiNR S6가 더 적합하다. 또한, 상기 결과는 SiNR 스트레인 게이지는 선형의 빠른 응답 시간을 가지며, 설계에 무관하게 이력현상을 보이지 아니한다는 점을 보여 준다. S1 및 S6 스트레인 게이지 어레이를 합하면 영역들에 걸친 비등방성 신장(anisotropic stretching)을 수용할 수 있게 된다(도 7a 및 7b). 상기 스트레인 센서에서의 노이즈는 종종 외부 온도의 변화에 의해 초래되며, 이는 개별적인 스트레인 센서의 저항 측정에 영향을 미친다. 이러한 열적 이동(thermal shift)에 의한 노이즈 효과를 줄이기 위해, 휘트스톤 브리지 구성을 적용할 수 있다(도 7c 및 7d).

인간의 손의 복잡한 형상에 순응하는 스트레인 게이지 어레이를 위한 부위특이적 설계(도 3d, 도 5b)를 사용하여 스트레인 분포를 측정하였다. 도 6c는 4가지 대표적인 손 동작에 반응한 스트레인 분포 맵(적색 점선 박스 영역)을 보여 준다. 다중 측정 장치로 신호를 수집하였다(도 5a 및 5c). 피부 변형이 적은 위치(예를 들면, 손과 손목의 등부분)을 위해, 상기 S1 설계를 사용하였다(주먹 쥐기; 도 6c 상부 좌측). 손등에 유도된 스트레인인 적음에도 불구하고, S1 설계의 SiNR 스트레인 게이지 어레이는 상기 영역에 대한 스트레인 분포를 성공적으로 매핑하였다. 반대로, S6 설계의 SiNR 스트레인 게이지 어레이를, 현저하게 굽히고(도 6c 상부 우측) 기울이는(도 6c 하부), 큰 피부 변형이 발생하는 부위(손목 부위; 도 3b 상부 좌측 및 하부)에 사용하였다. 상기 SiNR 스트레인 게이지 어레이는 유도된 큰 스트레인을 높은 충실도(fidelity)로 측정하였다. 심지어 무릎 근처의 더 크게 유도된 스트레인도 측정할 수 있었다(도 8a 및 8b). 큰 곡률을 갖는 SiNR 스트레인 게이지(예를 들면, S3)는 작은 곡률을 갖는 SiNR 스트레인 게이지(예를 들면, S1) 보다 무릎 관절의 반복적인 굽힘에 반응한 기계적 변형에 더 잘 견디었다.(도 8c).

도 6d는 SiNR 압력 센서의 작동 원리를 보여 준다. SiNR의 PI 봉지 층(passivation layer) 내의 동공을 설계함으로써, FEA에 의해 확인된 바와 같이, 압력 검출 감도가 향상되었다(도 6d 상부 대 하부). 동공기반의 SiNR 압력 센서는, S1 및 S6 설계 모두에 있어서, 동공이 없는 SiNR 압력 센서에 비해 약 10배 더 높은 압력 감도를 보였다(도 6e). S1 및 S6에 대한 자세한 감도 측정치는, 각각, 0.41 %/kPa(동공 있음) 대 0.0315 %/kPa(동공 없음), 및 0.075 %/kPa(동공 없음) 대 0.075 %/kPa(동공 있음)이었다. 구불구불한 형상의 SiNR 압력 센서(예를 들면, S6)는 선형 압력 센서(S1)와 대비하여 수직방향 압력에 대한 감도가 감소하였다. 그러나 S6 설계의 압력 감도는, 보통 양 87 kPa의 작은 응력에 반응하는 인간의 기계적 감각수용기의 반응에 필적할 만하다. 도 6f는 S6 설계의 센서 어레이에 대한 압력 반응 맵을 각각 보여 준다.

실시예 6. 신장가능한 온도 센서, 습도 센서 및 히터

온도를 측정하기 위해, SiNR을 2회 도핑하여 p-n 접합(junction)을 형성하였다(도 1d 우측). 온도 센서가 집적된 온보드(onboard) 보철 피부는 기계적 변형에 영향받지 아니하여야 한다. 도 9는 적용된 스트레인에 반응하는 구별되게 설계된 온도 센서들(S1 내지 S6 설계)의 실온에서의 I-V 곡선을 보여 준다. 다른 스트레인 하에서 각 I-V 곡선 간의 차이(divergence)는 센서의 곡률이 증가할수록(예를 들면, S6) 현저하게 감소하였다. 큰 곡률을 가지는 센서는 넓은 범위의 신장 조건하에서 안정적인 온도 측정을 가능하게 한다. S1 및 S6 온도 센서의 I-V 곡선을 0% 및 10%의 스트레인 하의 서로 다른 온도에서 얻었다(도 10). 도 11a는 I-V 곡선으로부터 특정 전류(약 10 nA)에서 전압을 추출함으로써 얻은 교정 곡선을 보여 준다. S1 설계에 대한 교정 곡선은 스트레인에 대하여 매우 큰 이동(shift)을 보인 반면에, S6 설계에서는 최소한의 변화만을 보였다. S6 설계의 온도 센서는 온도 감지에서 기계적 변형의 효과를 최소화하기 위해 사용되었다. 국소 가열을 하거나 하지 아니한 채로 이러한 센서 어레이를 사용하여 온도 분포 맵을 작성하였다(도 11b 좌측 및 우측). 상기 온도 센서 어레이 데이터 스트림은, 대조군으로서 상용 적외선 카메라로 수집한 데이터 스트림에 필적할 만하였다. SiNR 다이오우드로 이루어진 상기 온도 센서 어레이의 공간적 해상도는 가열된 대상의 형상을 정확히 인식할 만큼 충분히 높았다.

피부가 습기에 노출되었을 때 이를 감지하는 특정한 생물학적 수용체가 없음에도, 인간의 피부는 기계적 감각수용체 및 온도 수용기(thermo-receptor)로 습도의 변화를 감지할 수 있다. 이러한 능력을 모사하기 위해, 신장가능한 전기용량기반의 습도 센서 어레이를 제작하였다. 습도를 제어하는 테스트 체임버 내에서 습도 감지를 수행하였다(도 12a 좌측). 상기 습도 센서 어레이는, 물 분자를 흡수하는 PI의 유전율 변화에 의해 야기된 전기용량 변화를 검출하였다(도 12a 우측). 교정 곡선(도 11c 좌측)이 이러한 거동을 실증하였다. 도 11c의 우측 프레임은 상용 습도 센서(청색)로 측정된 습도 변화가 상기 제작된 습도 센서(적색)로 측정된 전기용량 변화와 잘 맞는다는 것을 보여 준다. 습도에 있어서의 공간적 차이가 식별되었다(도 11d). 센서에 대한 직접적인 접촉에 따른 외부의 방해는 무시할만 하였다(도 12b).

보철 장치와 인공 피부가 자연스럽게 느껴지기 위해, 이들의 온도 프로파일이 이간 신체의 그것과 맞도록 제어되어야 한다. 따라서 열 신호(thermal signature)가 즉시 제어가능하도록 신장가능한 열적 구동기 어레이(stretchable thermal actuator array)를 제작하였다. 가열 어레이(heating array)는 체온을 유지하거나(도 11e 좌측) 더 높은 온도로 조절될 수 있다(도 11e 우측). 상기 열적 구동기 성능은 다양한 신장 조건들(약 5% 및 약 20%; 도 11f)에서 손상되지 아니하였다.

실시예 7. 다양한 일일 생활 상황에서의 전자 피부의 반응

보철 손과 적층된 전자 피부는 악수, 키보드 누르기, 공 잡기, 온/냉음료 컵 들기, 건조/습윤 표면 접촉, 및 인간 대 인간 접촉과 같은 많은 복잡한 작동을 하게 된다(도 13). 악수의 경우에, 시공적인 스트레인(spatiotemporal strain)을 SiNR 스트레인 게이지 어레이로 매핑할 수 있다. 상기 스트레인 맵은 매우 충실도가 높고 검지(index finger) 및 각 관절 근처의 스트레인에서의 작은 변화(minor shift)를 포착하였다(도 13a). SiNR 압력 센서의 성능을 조사하기 위해, 키보드 누르기(도 13b 상부) 및 공 잡기(도 13b 하부)에 반응한 시간에 따른 저항 변화(temporal resistance change)를 검사하였다. 압력 센서는 상기 두가지 상황에서 외부 자극에 대하여 신속하고 신뢰할만한 반응을 보였다. 온도 감지는 피부 보철물의 또 다른 중요한 기능이다. 손이 뜨거운 액체를 담은 컵(도 13c 상부)과 차가운 액체를 담은 컵(도 13c 하부)에 접촉했을 때 시간적인 온도 감시가 성공적으로 수행되었다(적색). 적외선 센서를 사용하여 대조군 온도 측정을 수행하였다(청색).

스마트 보철물의 또 다른 용도는 유체 접촉에 의한 축축함(dampness)의 촉각 감지이다. 보철 손의 습도 센서는 대표적인 예인 다이어퍼(diaper)에서 습도(humidity) 및 습윤도(wetness)(도 13d 상부 및 하부)에 대한 피드백을 제공하였다. 건조 및 습윤된 경우 간의 측정된 전기용량 차이는 명백히 구별되었다(도 13d 우측). 또한, 열적 구동기는 제어가능하게 가열하여 보철물로부터의 촉감을 자연스럽게 만들었다(도 13e 좌측). 신장가능한 히터를 갖춘 인공 피부를 약 36.5℃로 가열하여 체온과 유사하게 하였다. 이후, 아기 인형에 전달된 열을 적외선 카메라로 포착하였다(도 13e 우측).

실시예 8. Au 전극 상에서 PtNW 의 합성

전착(electrodeposition)을 위해 1.5 M HClO₄(70%, ACS reagent, Sigma Aldrich)를 1%(wt/wt) 함유하는 H₂PtCl₆(≥99.5%, Sigma Aldrich) 용액을 제조하였다. 다공성 AAO 주형(template)(Anodisc, Whatman)를 Au 전극 어레이 위에 적층시켰고 상기 H₂PtCl₆ 용액에 담갔다. 주문제작한 홀더(holder)로 상기 Au 전극 상의 AAO 주형을 단단히 고정하였다. Pt, Ag/AgCl 및 Au 전극을 각각 상대전극, 기준전극 및 작동전극으로 사용하는 3전극 시스템을 갖춘 전기화학 워크스테이션(electrochemical workstation)을 사용하여 전착을 수행하였다. -0.35 V의 전위를 갖는 정전위 모드(potentiostatic mode)를 사용하여, 실온에서 약 30분간 전착을 수행하였다. 상기 전착이 완료된 후, 샘플을 3차 증류수(triple-distilled water)로 세척하였다. 마지막으로, 상기 샘플을 실온에서 약 30분간 1 M NaOH 용액에 담가서 상기 AAO 주형을 용해시켰다.

실시예 9. 세리아 나노입자의 합성

1 mmol(0.4 g)의 세륨(III) 아세테이트(98%, Sigma Aldrich) 및 12 mmol(3.2 g)의 올레일아민(약 80-90%의 C18 함량, AcrosOrganics)을 15 mL의 자일렌(98.5%, Sigma Aldrich)에 첨가하였다. 상기 혼합된 용액을 실온에서 약 15분간 소니케이터(sonicator)로 처리하였고 90℃로 가열하였다. 상기 용액을 90℃에서 격렬히 교반하면서 1 mL의 탈이온수를 주입한 후, 상기 용액의 색이 황백색(off-white)으로 변하였는데, 이는 상기 반응이 일어났다는 것을 의미한다. 이렇게 얻은 혼합물을 90℃에서 3시간 동안 숙성시켜 연한 황색의 콜로이드성 용액을 얻었고, 이를 실온으로 냉각하였다. 아세톤(100 mL)을 첨가하여 세리아 나노입자를 침전시켰다. 원심분리를 통해 아세톤으로 상기 침전물을 세척하였고 이렇게 얻은 세리아 나노입자는 클로로포름에 쉽게 분산되었다.

실시예 10. 포스포리피드 - PEG 로 캡핑된 세리아 나노입자의 합성

생체적합성 세리아 나노입자를 만들기 위해, 클로로포름에 분산된 세리아 나노입자를 PEG-포스포리피드 쉘(shell)로 캡핑하였다(encapsulate). 먼저, CHCl₃ 내의 세리아 나노입자 5 mL(10 mg/mL)를 30 mg의 mPEG-2000 PE를 함유하는 35 mL의 CHCl₃ 용액과 혼합하였다. 이후, 회전증발기를 사용하여 용매를 증발시켰고 클로로포름을 전부 제거하기 위해 진공하의 70℃에서 1시간 동안 인큐베이션하였다. 5 mL의 물을 첨가한 결과 투명한 연황색(clear and light-yellowish)의 현탁액이 생성되었다. 여과 후에, 초원심분리에 의해 과량의 mPEG-2000 PE를 제거하였다. 정제된 포스포리피드-PEG로 캡핑된 세리아 나노입자를 증류수에 분산시켰다.

실시예 11. 세리아 나노입자의 항산화 특성

세리아 나노입자의 항산화 특성을 확인하기 위해, 카타라제유사 분석(catalase mimetic assay)을 사용하였다. Amplex® Red Hydrogen Peroxide/Peroxidase assay kit(Molecular Probes Inc.)를 사용하여 과산화수소의 소광(quenching)을 정량하였다. Amplex Red 시약(10-아세틸-3,7-디하이드록시페녹사진)은 과산화수소와 반응하여 HRP(horseradish peroxide)와 함께 적색의 형광 레소루핀(resorufin)을 생성하였다. 레소루핀의 형광(571 nm에서 여기, 585 nm에서 방출)은 상기 샘플에서 과산화수소의 준위를 나타낸다. 먼저, 각 샘플의 과산화수소 농도를 결정하기 위해 과산화수소 표준 곡선을 준비하였다. 30 μL의 5 mM 세리아 나노입자 용액을 상기 PtNW로 피복된 전극 위에 드롭 캐스팅(drop casting)하였고, 각 샘플을 각 마리크로 웰(micro well)에 두었으며 50 μL의 과산화수소 용액을 첨가하였다. 이어서 50 μL의 Amplex® Red 시약/HRP 작동 용액을 첨가하였다. 과산화수소의 초기 농도는 5 μM이었다. 실온에서 30분간 인큐베이션한 후에 형광을 측정하였다.

실시예 12. 신장가능한 전극을 통한 감각 신호의 말초신경으로의 전달

피부 보철물의 궁극적인 목표는 상/하지 절단 수술을 받은 자로 하여금 다양한 외부 자극을 느끼도록 하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 다양한 센서 어레이에 걸쳐서 포착된 신호를 처리하고 전송하여 대응하는 말초신경계를 자극해야 한다(도 14a). 말초신경으로 효과적인 전하 주입을 위해, MEA(multi-electrode array)의 낮은 임피던스가 필수적이다. 또한, 이웃한 근육의 기계적 동작이 다양한데, 이는 기계적 접촉을 유지하기 위해 접하는 전극의 변형이 요구된다. 더욱이, 전극과 신경 간의 계면에서 기계적 불일치(mechanical mismatch)에 의한 염증이 억제되어야 한다.

낮은 임피던스를 달성하기 위해, 상기 MEA를 백금 나노와이어(PtNW; 도 14a의 삽입도 및 도 14b 좌측)로 피복하였다. 산화극 알루미늄 옥사이드(anodic aluminum oxide (AAO)) 나노구조체를 주형으로 사용하는 전기화학적 방법으로 PtNW를 성장시켰다. 세리아 나노입자를 상기 PtNW에 흡착시켜(도 14b 우측), 고농도에서 신경독성이 있는 반응성 산소종(ROS) 생성을 억제하였다. 백금의 낮은 임피던스 및 나노와이어의 큰 표면적은 평면형의 금 또는 백금 전극보다 현저히 더 임피던스를 감소시킨다(도 14c 좌측). PtNW에 피복된 세리아 나노입자는 ROS를 성공적으로 제거하였고(도 14c 우측), 이로써 ROS로 인한 염증을 방지하였다. 도 14d는 근육 조직(우측) 내의 신경(청색 화살표)에 완전히 밀착되도록(conformally) 접촉한 신장가능한 MEA(좌측)를 보여 준다. Sprague Dawley 라트에서, 둔근을 해부한 후에 본 실험을 위해 좌골신경을 노출시켰다. 상기 신장가능한 MEA를 상기 신경 섬유 주위로 감쌌고(도 14e 좌측) 변형하에서 긴밀한 접촉(conformal contact)을 유지하였다(도 14e 삽입도). 유한요소분석(FEA)(도 14e 우측)에 의하면, 유연성의 평면 쉬트형(planar-sheet type)의 MEA(도 14e 우측 하부)보다 신장가능하고 구불구불한 메쉬형(serpentine-mesh type)의 MEA(도 14e 우측 상부)을 사용한 경우에 훨씬 더 낮은 전단응력이 상기 신경 섬유에 걸렸다. 도 15에 금속 접속(metal interconnection)을 강조한 MEA 메쉬가 나타나 있다. 기계적-응력-유래 염증을 상기 신장가능한 MEA에 흡착된 세리아 나노입자에 의해 방지할 수 있다.

신경 자극을 위해 필요한 시스템 구성요소 및 신호 흐름이 도 16에 나타나 있다. 스트레인 및 압력 센서로부터 나온 신호(흑색)을 얻어 입력 신호(적색)로 처리하였고, 신경으로 주입하였다(도 14f 및 14g). 입력 신호를 신장가능한 MEA를 통해 주입하였고 흐르는 전류를 측정하였다(청색). 측정된 신호는 상기 센서 및 입력 신호와 유산한 신호 형태를 보였는데(도 14f 및 14g), 이는 나노물질로 피복된 신장가능한 MEA 인터페이스를 통해 신호 주입이 성공적이었다는 것을 의미한다.

Claims

제1 봉지층; 상기 제1 봉지층에 인접하여 형성된 히터; 상기 히터에 인접하여 형성된 제2 봉지층; 상기 제2 봉지층에 인접하여 형성된 제1 센서 어레이 층; 상기 제1 센서 어레이 층에 인접하여 형성된 제3 봉지층; 및 상기 제3 봉지층에 인접하여 형성된 제2 센서 어레이 층을 포함하는, 신장가능한 피부 보철용 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 봉지층이 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스 및 실비온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 봉지층의 두께가 10 μm 내지 100 μm인 것임을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 봉지층이 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스 및 실비온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 봉지층의 두께가 10 μm 내지 100 μm인 것임을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 제3 봉지층이 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스 및 실비온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 제3 봉지층의 두께가 10 μm 내지 100 μm인 것임을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 히터가 구리, 알루미늄, 금, 은, 은 나노와이어 및 탄소 나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된 것임을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 센서 어레이 층이 스트레인 센서, 압력 센서 및 온도 센서로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것임을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 센서 어레이 층이 습도 센서를 포함하는 것임을 특징으로 하는 전자장치.
한) 실리콘 옥사이드 웨이퍼를 폴리이미드로 코팅하는 단계;
(ii) 도핑된 실리콘 나노멤브레인(SiNM)을 전사하고 경화시키는 단계;
(iii) 상기 SiNM를 패터닝하여 SiNR을 형성하는 단계;
(iv) 금속을 증착시키고 패터닝하는 단계;
(v) 폴리이미드로 봉지하고 경화시키는 단계;
(vi) 폴리이미드를 에칭하는 단계;
(vii) 장치를 실리콘 옥사이드 웨이퍼로부터 제거하고 PDMS로 코팅된 PVA 필름 위로 전사하는 단계; 및
(viii) PDMS로 봉지하는 단계를 포함하는,
신장가능한 피부 보철용 전자장치 제조 방법.