KR20240033399A - 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체 - Google Patents
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Abstract
생체 삽입형 커패시터 전극 구조체를 제공한다. 상기 전극 구조체는 세포의 침투를 막고 이온을 투과시키는 이온투과 지지체를 구비한다. 상기 이온투과 지지체 내에, 탄소층들과 상기 탄소층들 사이에 배치된 카테콜 기능기를 갖는 코팅층을 구비하는 코아전극이, 상기 이온투과 지지체로부터 이격되어 배치된다.
Description
본 발명은 생체 삽입 전극에 관한 것으로 구체적으로는 생체 삽입형 커패시터 전극에 관한 것이다.
고령화 및 만성 질환 환자 증가로 인하여, 심박 조율기, 삽입형 심장 박동 모니터기, 척추 신경 자극기 등 인체 기관을 보조하거나 모니터링할 수 있는 생체 삽입형 의료장치에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 의료장치에 전기 에너지를 공급하기 위해서는, 생체 외부 전지와 생체 삽입된 의료장치를 도선을 통해 연결하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 도선이 피부 및 조직을 통과하므로 격한 운동 또는 외부 충격으로 인해 병원균 침투가능성이 있고 이는 2차 감염문제를 발생시킬 수 있다.
이에 따라, 최근 생체 삽입형 전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 생체 내에 삽입된 전지는 용량이 제한적이고 일정 시간이 지나면 전지를 교체하는 재수술이 필요하며, 전해액이 생체 내에서 유출될 위험이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 생체 내에서 우수한 에너지 밀도를 갖고 생체 전해질을 사용하여 구동할 수 있어 반영구적으로 사용 가능한 에너지 저장매체용 생체 삽입 전극을 제공함에 있을 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 실시예는 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체를 제공한다. 상기 전극 구조체는 세포의 침투를 막고 이온을 투과시키는 이온투과 지지체를 구비한다. 상기 이온투과 지지체 내에, 탄소층들과 상기 탄소층들 사이에 배치된 카테콜 기능기를 갖는 코팅층을 구비하는 코아전극이, 상기 이온투과 지지체로부터 이격되어 배치된다.
상기 코아전극은 1차원 형태를 가질 수 있다. 상기 탄소층들은 탄소나노튜브 시트를 나선형으로 꼬아서 형성된 것일 수 있다. 상기 카테콜 기능기를 갖는 코팅층은 폴리도파민 코팅층일 수 있다.
상기 이온투과 지지체는 원통형의 형태를 갖고, 상기 코아전극은 상기 이온투과 지지체의 길이 방향으로 연장될 수 있다.
상기 이온투과 지지체는 다공성 튜브와 상기 다공성 튜브에 코팅된 하이드로겔막을 구비할 수 있다. 상기 다공성 튜브는 나일론 편직물일 수 있다. 상기 하이드로겔막은 아가로스막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체는, 우수한 에너지 밀도 및 전력 밀도를 갖고 생체 전해질을 사용하여 구동할 수 있어 반영구적으로 사용 가능하고 추가적인 이온투과 지지체로 조직 흡착을 막을 수 있는 생체 삽입형 커패시터를 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터용 전극 구조체를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 커패시터용 전극 구조체 내의 코아 전극을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 코아 전극을 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도4는 도 1에 도시된 이온투과 지지제를 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 5 및 도 6은 각각 생체 삽입 전극 제조예들 2 및 3에 따른 생체 삽입 전극들을 촬영한 광학사진들이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 및 도 7e는 PBS, 식염수, HBSS 또는 말 혈청을 전해질로 사용하였을 때 PDA/CNT 전극을 구비하는 슈퍼커패시터의 10mVs-1에서의 CV 곡선(도 7a), 면적 커패시턴스 및 부피 커패시턴스(도 7b), 2.67mA/cm2에서 측정한 정전류 곡선(도 7c), 나이퀴스트 곡선(Nyquist curve) (도 7d), 및 충전/방전 주기 동안 정전용량 유지특성을 나타낸 그래프(도 7e)를 각각 나타낸다.
도 8a는 생체적합성 실험에 따른 세포 이미지를 나타내고, 도 8b는 살아있는 세포와 죽은 세포의 퍼센트를 나타내는 그래프이다.
도 9는 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험들 1 내지 3에 따른 실험들에서 사용된 생체 삽입 전극들을 촬영한 광학사진들(a, b, c)과 삽입 21일 후 절제된 조직 내 전극들의 단면을 촬영한 광학사진들(d, e, f)이다.
도 10은 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험들 1 내지 3에 따른 실험들에서 수술 직후 측정된 CV 커브(a), 수술 당일, 수술 후 7일, 14일, 21일에 측정된 커패시턴스(b), 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험 3을 통해 수행한 주당 1000 충방전 사이클 동작하였을 때 커패시턴스 유지정도(c)를 보여주는 그래프들이다.
도 2는 도 1에 도시된 커패시터용 전극 구조체 내의 코아 전극을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 코아 전극을 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도4는 도 1에 도시된 이온투과 지지제를 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 5 및 도 6은 각각 생체 삽입 전극 제조예들 2 및 3에 따른 생체 삽입 전극들을 촬영한 광학사진들이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 및 도 7e는 PBS, 식염수, HBSS 또는 말 혈청을 전해질로 사용하였을 때 PDA/CNT 전극을 구비하는 슈퍼커패시터의 10mVs-1에서의 CV 곡선(도 7a), 면적 커패시턴스 및 부피 커패시턴스(도 7b), 2.67mA/cm2에서 측정한 정전류 곡선(도 7c), 나이퀴스트 곡선(Nyquist curve) (도 7d), 및 충전/방전 주기 동안 정전용량 유지특성을 나타낸 그래프(도 7e)를 각각 나타낸다.
도 8a는 생체적합성 실험에 따른 세포 이미지를 나타내고, 도 8b는 살아있는 세포와 죽은 세포의 퍼센트를 나타내는 그래프이다.
도 9는 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험들 1 내지 3에 따른 실험들에서 사용된 생체 삽입 전극들을 촬영한 광학사진들(a, b, c)과 삽입 21일 후 절제된 조직 내 전극들의 단면을 촬영한 광학사진들(d, e, f)이다.
도 10은 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험들 1 내지 3에 따른 실험들에서 수술 직후 측정된 CV 커브(a), 수술 당일, 수술 후 7일, 14일, 21일에 측정된 커패시턴스(b), 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험 3을 통해 수행한 주당 1000 충방전 사이클 동작하였을 때 커패시턴스 유지정도(c)를 보여주는 그래프들이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "결합"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 결합"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적, 화학적, 물리적 결합"이 되어 있는 경우도 포함할 수 있음을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터용 전극 구조체를 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 커패시터용 전극 구조체 내의 코아 전극을 나타낸 개략도이다. 또한, 도 3은 도 2에 도시된 코아 전극을 제조하는 방법을 나타낸 개략도이고, 도4는 도 1에 도시된 이온투과 지지체를 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2을 참조하면, 커패시터용 전극 구조체는 이온투과 지지체 내에 배치되고, 상기 이온투과 지지체와 소정간격을 가지면서 이격된 코아 전극(10)을 구비할 수 있다. 상기 코아 전극(10)은 상기 이온투과 지지체의 일부분 일 예로서 말단부에 결합용 부재(미도시)를 사용하여 결합 또는 고정되어, 일정한 간격으로 이격되고 또한 이온투과 지지체로부터 이탈되지 않을 수 있다.
코아 전극(10)은 적층된 탄소층들(11)과 상기 탄소층들(11) 사이에 배치된 카테콜 기능기를 갖는 코팅층(12)을 포함한다. 코아 전극(10)을 1차원의 원형 실 형태로 도시하였으나 이에 한정되지 않고 2차원의 납작하고 길이 대비 폭이 좁은 형태 일 예로서, 리본형태를 가질 수도 있다. 상기 코아 전극(10)의 두께는 약 150~250 ㎛ 일 수 있다.
상기 탄소층들(11)은 탄노나노튜브 시트일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 시트는 일 방향으로 배열된 다수의 다중벽 탄소나노튜브들을 구비할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 시트는 일 예로서, 실리콘 웨이퍼 상에 촉매층을 증착한 후, 아세틸렌을 전구체로 하여 상기 촉매층 상에 탄소나노튜브 포레스트를 성장시키고, 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 뽑아낸 것일 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 카테콜 기능기를 갖는 코팅층(12)은 카테콜 아민 코팅층 구체적으로, 폴리도파민 코팅층일 수 있다.
일 예로서, 상기 코아 전극(10)이 1차원 형태, 구체적으로 실 형태, 더 구체적으로 단면이 둥근 실 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 시트(11a)를 카테콜 기능기를 갖는 코팅층(12)으로 코팅한 후, 코팅된 탄소나노튜브 시트(11a)를 꼬아서 형성할 수 있다. 그 결과, 코아 전극(10)은 나선형으로 적층된 탄소층들(11)과 상기 탄소층들(11) 사이에 배치된 카테콜 기능기를 갖는 코팅층(12)을 구비하게 될 수 있다.
다른 예에서, 상기 코아 전극(10)이 2차원의 납작한 리본형태를 갖는 경우, 탄소나노튜브 시트(11a)를 카테콜 기능기를 갖는 코팅층(12)으로 코팅한 후 다수층 적층하거나, 탄소나노튜브 시트(11a)를 다수층 적층한 후 카테콜 기능기를 갖는 물질 내에 함침하여 탄소나노튜브 시트(11a)들 사이에 코팅층(12)을 형성한 후, 리본 형태로 제조할 수도 있다.
상기 카테콜 기능기를 갖는 코팅층(12)은 예를 들어, 도파민 단분자 용액 구체적으로 도파민 하이드로클로라이드 수용액을 사용하여 형성할 수 있다. 이 때, 도파민 단분자는 고분자화하여 코팅층(12)에서는 폴리도파민으로 변화할 수 있다.
상기 이온투과 지지체는 내부에 상기 코아 전극(10)을 수용할 수 있는 공간을 갖는 것으로, 전해질 내의 이온들 구체적으로 생체전해질 내의 이온들은 투과할 수 있으나, 조직세포가 침투되는 것은 막을 수 있다. 생체전해질 내의 이온은 Ca2+, Na+, Mg+, Cl-, 및 HCO3 -로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 이온투과 지지체는 원통형의 형태를 가질 수 있고, 이 경우 상기 코아 전극(10)은 상기 이온투과 지지체의 길이 방향으로 연장될 수 있다. 상기 이온투과 지지체는 1mm 내지2mm의 직경을 가질 수 있고, 그 두께는 400㎛ 내지 500㎛일 수 있다.
구체적으로, 상기 이온투과 지지체는 다공성 튜브(20)와 상기 다공성 튜브(20)에 코팅된 하이드로겔막(30)을 구비할 수 있다. 상기 다공성 튜브(20)는 다공성 고분자 튜브일 수 있다. 상기 다공성 고분자 튜브는 일 예로서, 나일론 편직물일 수 있다. 상기 하이드로겔(30)은, 상기 다공성 튜브(20)의 기공 내에 위치하여 혹은 기공을 충진하도록 배치되어 상기 기공을 통해 조직세포가 침투되는 것을 막을 수 있고, 또한 전해질 내의 이온들을 투과시킬 수 있다. 상기 하이드로겔(30)은, 구체적으로 다당류 일 예로서, 아가로스(agarose)일 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 이온투과 지지체는 상기 다공성 튜브(20)를 하이드로겔(30) 내에 침지 구체적으로, 딥코팅한 후, 일정시간 건조하여, 상기 다공성 튜브(20)에 하이드로겔막(30)을 코팅하여 제조할 수 있다. 이 때, 하이드로겔은 아가로스 수용액일 수 있는데, 이 때 아가로스 수용액은 약 4 내지 6 wt% 구체적으로, 4.5 내지 5.5 wt%의 농도를 가질 수 있다. 아가로스 수용액이 이 범위 내의 농도를 가질 때, 형성된 하이드로겔막(30)이 적절한 강도를 가져 생채 내 삽입하기에 적당할 수 있고, 또한 적절한 전해질 이동도 구체적으로 이온의 이동도를 나타낼 수 있다.
다른 예에서, 상기 이온투과 지지체는 프리스탠딩 이온투과막이 원통형의 형태를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학 캐패시터는 한 쌍의 전극들과 이 전극들 사이에 위치하는 전해질을 구비할 수 있다. 상기 전기화학 캐패시터는 생체 내에서 작동하는 것으로 상기 전해질은 생체 전해질일 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 전극들 중 적어도 하나는 도 1을 참조하여 설명한 전극 구조체일 수 있다.
상기 도 1을 참조하여 설명한 전극 구조체에서, 상기 카테콜 기능기를 갖는 코팅층(12)은 카테콜기가 양성자 및 전자를 잃으면서 산화되어 퀴논기로 변화되면서 상기 전기화학 커패시터를 방전시키고, 이의 역반응을 통해 상기 전기 화학 커패시터를 충전킬 수 있다. 이러한 카테콜 기능기를 갖는 코팅층(12) 구체적으로 폴리도파민 코팅층은 높은 에너지 밀도와 전력 밀도를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 전극 구조체에서 코아 전극(10)은 코아 전극(10)을 지지하는 이온투과 지지체와 소정간격 이격하여 배치되므로, 상기 이온투과 지지체와 상기 코아 전극(10) 사이의 공간에 생체 전해질이 채워질 수 있다. 그러나, 상기 이온투과 지지체를 통해서는 조직세포가 침투할 수 없어, 이 공간이 증식된 세포로 채워지지 않을 수 있다. 그 결과, 전기화학 캐패시터의 성능을 장기간 유지할 수 있다.
상기 전기화학 캐패시터는 상기 도 1을 참조하여 설명한 전극 구조체를 생체 내에 삽입하고 생체 전해질을 사용하여 전력을 공급할 수 있다. 따라서, 생체삽입된 디바이스, 웨어러블 디바이스 등에 생체 내에서 반영구적으로 전력을 공급할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
생체 삽입 전극 제조예 1
화학기상증착법으로 증착한 MWCNT 포레스트에서 폭 2cm의 MWCNT 시트를 뽑아, 유리 위에 5겹으로 쌓았다. 도파민 하이드로클로라이드 수용액(25mg/ml)에 NaOH를 첨가하여 pH 10을 맞춘 후, 유리 위에 쌓은 MWCNT 시트 상에 상기 도파민 하이드로클로라이드 용액을 도포한 후, 48시간 동안 방치하여 MWCNT 시트에 폴리도파민(polydopamine; PDA)을 증착하였다. 이 후, 폴리도파민이 증착된 MWCNT 시트를 전기 모터를 사용하여 미터당 ~1,000턴(turn)으로 꼬아서 바이스크롤된 얀 전극(biscrolled yarn electrode)인 PDA/CNT 전극을 제조하였다.
생체 삽입 전극 제조예 2
나일론 섬유를 편직기(ST2B/HS-R, LAMB Knitting Machine Corporation(USA))를 사용하여 편직한 후, 직경이 약 2mm인 원통형 니트 지지대를 제조하였다. 이 후, 생체 삽입 전극 제조예 1의 PDA/CNT 전극을 상기 원통형 니트 지지대의 내부에 설치하고, PDA/CNT 전극과 상기 원통형 니트 지지대를 적절한 간격을 가질 수 있도록 일부에서 지지대로 연결하였다. 그 결과 생체 삽입 전극을 제조하였다.
생체 삽입 전극 제조예 3
아가로스 (agarose)를 증류수에 5wt%의 농도로 혼합한 후 60℃ 이상으로 가열하여 아가로스 수용액을 얻고, 이 아가로스 수용액이 40℃ 이하가 될 때 상기 원통형 니트 지지대를 침지한 후 일정한 속도로 pulling하여 상기 원통형 니트 지지대의 내외부를 아가로스 필름으로 코팅한 후, 상온에서 6 시간 건조시켰다. 이 후, 생체 삽입 전극 제조예 1의 PDA/CNT 전극을 상기 아가로스 필름이 코팅된 원통형 니트 지지대의 내부에 설치하고, PDA/CNT 전극과 상기 원통형 니트 지지대를 적절한 간격을 가질 수 있도록 일부에서 지지대로 연결하였다. 그 결과 생체 삽입 전극을 제조하였다.
도 5 및 도 6은 각각 생체 삽입 전극 제조예들 2 및 3에 따른 생체 삽입 전극들을 촬영한 광학사진들이다.
생체 삽입 전극의 슈퍼캐패시터 특성 실험
상기 생체 삽입 전극 제조예 1에서 얻어진 PDA/CNT 전극의 슈퍼캐패시터 특성을 전기화학적 분석기(CHI 627b, CH Instruments)를 사용하여 3전극 시스템으로 측정했다. 상대 전극과 기준전극은 각각 백금 와이어와 Ag/AgCl 전극을 사용했고, 전해질은 PBS, HBSS, 생리식염수, 또는 말 혈청 용액을 사용하였다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 및 도 7e는 PBS, 식염수, HBSS 또는 말 혈청을 전해질로 사용하였을 때 PDA/CNT 전극을 구비하는 슈퍼커패시터의 10mVs-1에서의 CV 곡선(도 7a), 면적 커패시턴스 및 부피 커패시턴스(도 7b), 2.67mA/cm2에서 측정한 정전류 곡선(도 7c), 나이퀴스트 곡선(Nyquist curve) (도 7d), 및 충전/방전 주기 동안 정전용량 유지특성을 나타낸 그래프(도 7e)를 각각 나타낸다.
여기서, 슈퍼커패시터의 커패시턴스는 CV 곡선으로부터 C = I/(dV/dt)를 통해 계산되었다. 이 때, I는 평균 전류이고 dV/dt는 전압 스캔 속도이다. 동일한 애노드 및 캐소드 캐패시턴스를 갖는 슈퍼커패시터의 각 전극에 대한 비면적 캐패시턴스는 CA = 4C/A를 사용하여 계산되었으며, 여기서 A는 애노드와 캐소드의 총 표면적이다. 또한, 동일한 양극 및 음극 정전용량을 갖는 슈퍼커패시터의 각 전극에 대한 비체적 정전용량은 Cv = 4C/V를 사용하여 계산되었으며, 여기서 V는 양극과 음극의 총 부피이다. 주어진 일정한 스캔 속도 v 및 초기 방전 전압(Vi)에 대해 전류(I) 대 전압(V) 곡선을 통합하여 Pav=Vi-1V10IVdV의 수식을 통해 평균 전력을 계산했다. 에너지는 방정식 E= 13600vV10IVdV를 사용하여 계산되었다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 및 도 7e를 참조하면, PBS, 식염수, HBSS 또는 말 혈청을 전해질로 사용하였을 때 PDA/CNT 전극을 구비하는 슈퍼커패시터는 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있고, 이로부터 PDA/CNT 전극을 구비하는 슈퍼커패시터는 생체 내의 전해질에서도 우수한 동작특성을 나타낼 수 있음을 추정할 수 있다.
생체 삽입 전극의 체외 생체 적합성 실험
상기 생체 삽입 전극 제조예 3에서 얻어진 아가로스 필름이 코팅된 원통형 니트 지지대의 내부에 설치된 PDA/CNT 전극을 페니실린-스트렙토마이신이 포함된 10 mL PBS에서 37°C에서 24시간 동안 인큐베이션했다. 쥐 대동맥 평활근 세포(Movas-1)를 100파이 디쉬에 Gross media와 함께 시딩했다. 세포는 37°C에서 5% CO2에서 3주가량 배양되었다. 세포 생존력은 샘플에 100 uL Calcein-AM/PI, Ethidium Homodimer I, Hoechst 33342 Solution 염색 스톡 용액을 각각 첨가하고 15분 동안 인큐베이션 후 평가하였다. 10일 경과 후 형광 현미경(Olympus, IS53)을 사용하여 세포 이미지를 얻었다.
도 8a는 생체적합성 실험에 따른 세포 이미지를 나타내고, 도 8b는 살아있는 세포와 죽은 세포의 퍼센트를 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, Hoechst 양성 세포 중에서 EthD-1 양성인 죽은 세포 대비 Calcein-AM 양성인 살아있는 세포가 압도적으로 많은 것으로 보아, 상기 생체 삽입 전극 제조예 3에서 얻어진 생체 삽입 전극 상에서 세포가 생존력을 가질 수 있음을 알 수 있다. 이는 원통형 니트 지지대에 코팅된 아가로스 필름이 우수한 생체 적합성을 갖고 있음을 의미할 수 있다.
생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험 1
7주령 수컷 Sprague Dawley(SD) 쥐를 Samtako Inc.(Osan, Korea)에서 구입하여 1주일 동안 순응시킨 후 사용하였다. 그들은 25 ℃의 주변 온도에서 12시간 명암 주기로 음식과 물에 자유롭게 접근할 수 있었다. SD 쥐는 O2, NO 및 이소플루란(유도 5%, 유지 2.5%)의 기체 혼합물을 사용하여 마취되었다. 마취된 상태의 SD 쥐의 복강 오른 쪽 내에, 생체 삽입 전극 제조예 1에서 얻어진 두 개의 PDA/CNT 실 형태 전극들을 서로 간섭하지 않도록 삽입하였다. 이식 후 근육과 복부 피부를 봉합하고 동물을 마취에서 회복시켰다. 전기화학적 측정을 위해 수술 당일, 수술 후 7일, 14일, 21일에 호흡마취하에 전기화학분석기(CHI 627b, CH Instruments)에 연결하였다. 관심 조직을 절제하고 조직학적 분석을 위해 4% 파라포름알데히드 용액에 고정하였다. 이러한 실험에서 동물의 관리 및 취급은 한양대학교 동물연구소 동물관리위원회에서 고시한 지침과 국립보건원 지침을 따랐고, 모든 관련 윤리 규정을 준수했다.
생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험 2
생체 삽입 전극 제조예 1에서 얻어진 두 개의 PDA/CNT 실 형태 전극들 대신에 생체 삽입 전극 제조예 2에서 얻어진 두 개의 원통형 니트 지지대와 PDA/CNT 전극의 복합전극들을, 마취된 상태의 SD 쥐의 복강 내에 삽입한 것을 제외하고는 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험 1과 동일한 방법을 사용하여, 실험을 수행하였다.
생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험 3
생체 삽입 전극 제조예 1에서 얻어진 두 개의 PDA/CNT 실 형태 전극들 대신에 생체 삽입 전극 제조예 3에서 얻어진 두 개의 아가로스 필름이 코팅된 원통형 니트 지지대와 PDA/CNT 전극의 복합전극들을, 마취된 상태의 SD 쥐의 복강 내에 삽입한 것을 제외하고는 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험 1과 동일한 방법을 사용하여, 실험을 수행하였다.
도 9는 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험들 1 내지 3에 따른 실험들에서 사용된 생체 삽입 전극들을 촬영한 광학사진들(a, b, c)과 삽입 21일 후 절제된 조직 내 전극들의 단면을 촬영한 광학사진들(d, e, f)이다.
도 9를 참조하면, 생체 삽입 전극 제조예들 1 및 2에서 얻어진 전극들은 체내에서 조직세포들이 흡착되어 캐패시터로서의 역할을 제대로 수행할 수 없음을 보여준다. 그러나, 생체 삽입 전극 제조예 3에서 얻어진 전극은 아가로스 필름이 코팅된 원통형 니트 지지체 외부로는 조직세포들이 흡착되었지만, PDA/CNT 전극과 원통형 니트 지지체 사이의 내부 공간에는 조직세포들이 침투하지 않았음을 보여준다. 이로부터, 원통형 니트 지지체에 아가로스 필름을 코팅하지 않은 경우 원통형 니트 지지체의 기공들을 통해 세포가 침투할 수 있는 반면, 아가로스 필름이 코팅된 원통형 니트 지지체는 세포가 침투할 수 있는 충분한 크기의 기공은 구비하지 않는 것으로 추정할 수 있다.
도 10은 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험들 1 내지 3에 따른 실험들에서 수술 직후 측정된 CV 커브(a), 수술 당일, 수술 후 7일, 14일, 21일에 측정된 커패시턴스(b), 생체 삽입 전극의 체내 임플란트 실험 3을 통해 수행한 주당 1000 충방전 사이클 동작하였을 때 커패시턴스 유지정도(c)를 보여주는 그래프들이다.
도 10을 참조하면, 생체 삽입 전극 제조예들 1 및 2에서 얻어진 전극들 즉, PDA/CNT 전극(생체삽입전극 제조예 1)과 원통형 니트 지지대와 PDA/CNT 전극의 복합전극(생체삽입전극 제조예 2) 대비, 생체 삽입 전극 제조예 3에서 얻어진 전극 즉, 아가로스 필름이 코팅된 원통형 니트 지지대와 PDA/CNT 전극의 복합전극을 사용한 경우 커패시턴스 유지율이 매우 우수함을 알 수 있다. 특히, 생체 삽입 전극 제조예 3에서 얻어진 전극 즉, 아가로스 필름이 코팅된 원통형 니트 지지대와 PDA/CNT 전극의 복합전극은 약 4주에 걸쳐 4000 사이클 동작한 경우에도 80% 이상의 커패시턴스 유지율을 나타내는 것으로 나타났다. 이는 도 9에서 살펴본 바와 같이, 아가로스 필름이 코팅된 원통형 니트 지지체는 세포가 침투할 수 있는 충분한 크기의 기공을 구비하지 않아 PDA/CNT 전극과 원통형 니트 지지체 사이의 공간에 생체 전해질이 정상적으로 공급될 수 있음을 의미할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (8)
- 세포의 침투를 막고 이온을 투과시키는 이온투과 지지체;
상기 이온투과 지지체 내에 상기 이온투과 지지체로부터 이격되어 배치되고, 탄소층들과 상기 탄소층들 사이에 배치된 카테콜 기능기를 갖는 코팅층을 구비하는 코아전극을 포함하는,
생체 삽입형 커패시터 전극 구조체. - 청구항 1에 있어서,
상기 코아전극은 1차원 형태를 갖는 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체. - 청구항 2에 있어서,
상기 탄소층들은 탄소나노튜브 시트를 나선형으로 꼬아서 형성된 것인 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체. - 청구항 1에 있어서,
상기 카테콜 기능기를 갖는 코팅층은 폴리도파민 코팅층인 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체. - 청구항 1에 있어서,
상기 이온투과 지지체는 원통형의 형태를 갖고,
상기 코아전극은 상기 이온투과 지지체의 길이 방향으로 연장되는 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체. - 청구항 1에 있어서,
상기 이온투과 지지체는 다공성 튜브와 상기 다공성 튜브에 코팅된 하이드로겔막을 구비하는 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체. - 청구항 6에 있어서,
상기 다공성 튜브는 나일론 편직물인 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체. - 청구항 6에 있어서,
상기 하이드로겔막은 아가로스막인 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체.
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