목표하는 깊이에 닿을 수 있는 똑똑한 3차원 마이크로니들
목표하는 깊이에 닿을 수 있는 똑똑한 3차원 마이크로니들
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.12.22 19:32
  • 조회수 3276
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욕실 바닥 타일의 틈새까지 닿기 위해서는 길이가 다른 솔이 촘촘히 배열된 청소용 브러쉬를 사용하는 것이 유리하죠. 마찬가지로 인체 조직 내 여러 깊이에 존재하는 신경세포들에 가까이 다가가 이들의 신호를 기록하고 선택적으로 자극하기 위해 길이가 서로 다른 신경전극 다발로 만든 마이크로 니들 (microneedle, 초미세 신경 전극 다발)이 소개됐습니다. 

 

한국과학기술연구원 임매순, 이병철 박사 연구팀이 다양한 길이의 미세전극이 촘촘히 배열된 마이크로 니들을 제작할 수 있는 보다 단순한 반도체 공정을 개발했는데요. 

 

복잡한 굴곡이 있는 뇌, 망막 같은 3차원 조직 내 여러 층에 분포하는 신경세포들로부터 오는 신호를 동시에 기록하는 한편 원하는 위치의 신경세포만 자극하기 위해서는 제각기 다른 길이의 전극들로 구성된 마이크로 니들이 필요합니다. 이를 위해 기존에는 길이가 서로 다른 신경전극을 개별로 제작 하고 조립하는 복잡하고 반복적인 방식을 거쳐야만 했습니다. 

제각각 다른 깊이의 신경세포를 자극하기 위한 마이크로 니들 개념도. 서로 다른 여러 길이의 초미세전극들이 배열된 마이크로 니들(microneedle, 초미세 전극 다발)은 신경섬유 다발, 망막, 뇌와 같이 굴곡진 조직의 서로 다른 깊이에 존재하는 신경세포 가운데 표적하는 세포에만 가까이 접근하여 신경신호를 효과적으로 읽어낼 수 있다.그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원·고려대학교 노현희 학생연구원
제각각 다른 깊이의 신경세포를 자극하기 위한 마이크로 니들 개념도. 서로 다른 여러 길이의 초미세전극들이 배열된 마이크로 니들(microneedle, 초미세 전극 다발)은 신경섬유 다발, 망막, 뇌와 같이 굴곡진 조직의 서로 다른 깊이에 존재하는 신경세포 가운데 표적하는 세포에만 가까이 접근하여 신경신호를 효과적으로 읽어낼 수 있다.그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원·고려대학교 노현희 학생연구원

연구팀은 길이가 다른 신경전극을 각각 따로 제작하는 번거로움 없이 원하는 길이 배열 정보를 담은 포토마스크 디자인을 이용해 다양한 길이의 신경전극 다발을 한 번에 제작하는 방법을 개발했습니다. 또 끝을 뾰족하게(전극 말단 단면 폭: ~145nm) 하면서 종횡비를 높여 (25:1) 목표하는 신경 층에 정확히 위치하면서도 삽입 시 조직 손상을 최소화할 수 있도록 설계했습니다. 

 

날카롭고 얇은 압정과 못이 벽에 더 부드럽게 잘 박히는 것과 같은 원리로, 실제 제작된 마이크로니들은 기존 연구 대비 100배 가량 작은 힘으로도 생쥐 뇌에 삽입됐는데요. 이는 애벌레 가시털이 생쥐 피부를 뚫는 힘과 비슷한 정도입니다. 단위면적당 625개까지 미세전극을 아주 촘촘히 배열함으로써 신경신호를 대량으로 읽어낼 수 있어 복잡한 신경망의 기능적 연결 관계를 밝히는 것에 유용하도록 설계됐습니다. 

마이크로 니들의 균일도와 생쥐모델 뇌조직에의 삽입력 측정결과. 포토마스크 디자인 변경만으로 다양한 길이의 초미세 전극들이 배열된 마이크로 니들을 한 번에 제작할 수 있다. 표적하는 조직이나 세포에 최적화된 길이 배열을 디자인하고 제작할 수 있는 실마리가 된다. 또한 끝을 뾰족하게(~145nm) 하면서 종횡비를 높게(1:25) 만들어 조직 삽입시 원하는 세포만 표적하기에 유리하다. 또한 아주 촘촘하게(단위면적(mm2) 당 625개 미세전극) 고밀도로 미세전극을 배열, 실제 신경 조직인 쥐 뇌에 적용했을 때, 172μN의 매우 낮은 삽입력을 보였다. ※ 삽입력 : 인체의 피부, 조직 내에 바늘을 찔러 넣기 위해 필요한 힘. 바늘의 모양 및 삽입 속도 등과 관련이 있다.그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원·고려대학교 노현희 학생연구원
마이크로 니들의 균일도와 생쥐모델 뇌조직에의 삽입력 측정결과. 포토마스크 디자인 변경만으로 다양한 길이의 초미세 전극들이 배열된 마이크로 니들을 한 번에 제작할 수 있다. 표적하는 조직이나 세포에 최적화된 길이 배열을 디자인하고 제작할 수 있는 실마리가 된다. 또한 끝을 뾰족하게(~145nm) 하면서 종횡비를 높게(1:25) 만들어 조직 삽입시 원하는 세포만 표적하기에 유리하다. 또한 아주 촘촘하게(단위면적(mm2) 당 625개 미세전극) 고밀도로 미세전극을 배열, 실제 신경 조직인 쥐 뇌에 적용했을 때, 172μN의 매우 낮은 삽입력을 보였다. ※ 삽입력 : 인체의 피부, 조직 내에 바늘을 찔러 넣기 위해 필요한 힘. 바늘의 모양 및 삽입 속도 등과 관련이 있다.그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원·고려대학교 노현희 학생연구원

공정 최적화와 소자의 생체적합성, 전기적 특성 평가 등을 계획하고 있는 연구팀은 이번 연구결과를 이용한 고밀도 신경신호 분석이 뇌의 효율적 동작원리 규명 등을 위한 실마리가 될 것으로 기대하고 있습니다. 노현희 학생연구원은 “실명한 동물 안구 내에 소자를 이식하고 망막을 전기적으로 자극하여 인공 시각을 구현하는 전자약 실험도 준비하고 있다”고 밝혔습니다.

 

이번 연구의 성과는 재료과학 및 나노기술 분야 국제학술지‘나노-마이크로 레터즈(Nano-Micro Letters)’에 12월 9일 게재(온라인)됐습니다.

논문명 : Fabrication of High‑Density Out‑of‑Plane Microneedle Arrays with Various Heights and Diverse Cross‑Sectional Shapes 


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