박홍규 교수 연구팀, Nano Letters 논문 게재

기존 한계점 극복, 다양한 생물학 연구 및 의학적 치료 활용 기대 

이과대학 물리학과 박홍규 교수 및 이정민 연구교수 연구팀은 그물망 전자장치(mesh electronics)로 구성된 나노탐침(probe)을 주사기를 통해 살아있는 쥐의 뇌에 삽입하여 단일 뉴런의 활동을 장기간 관측하는데 성공했다.

이번 연구는 하버드대학교 찰스 리버 교수와의 공동연구를 통해 수행됐으며, 8월 14일 세계적인 학술지인 Nano Letters (IF: 12.279) 에 출판됐다.

- 저자정보: 박홍규 (교신저자, 고려대학교), 이정민 (제1저자, 고려대학교), 찰스 리버 (교신저자, 하버드대학교)

- 논문명 : Nanoenabled direct contact interfacing of syringe-injectable mesh electronics. Nano Letters 19, 5818-5826 (2019).

▲ 물리학과 박홍규 교수(왼쪽), 이정민 연구교수(오른쪽)

뇌의 복잡성을 풀기 위해서 공간적으로는 수십 나노미터의 개별 시냅스에서 수 센티미터의 뇌의 상호연결 부위까지, 시간적으로는 수 밀리초 동안의 단일 활동 전위에서 수개월에서 수년에 걸친 발달/학습/기억/질병과 관련된 장기적인 변화까지 모두 측정할 수 있는 방법이 필요하다. 지금까지 개발된 전기생리학 탐침은 실리콘 기반의 전자장치 혹은 금속의 마이크로와이어 전극 배열로 구성되어, 단일 뉴런의 시공간 해상도를 가지고 수백에서 수천개의 뉴런들을 동시에 관측할 수 있다. 하지만, 이러한 단단하고 잘 휘어지지 않는 탐침을 이용하는 기술은 탐침이 뇌에 삽입되었을 때 만성적인 면역 반응을 일으킬 뿐 아니라, 연한 생체 조직에서 탐침의 움직임 때문에 장시간 안정적인 뉴런 신호를 관측하는데 한계점이 있다.

뉴런의 중요 기능을 이해하기 위해서는 오랜 기간 효과적으로 뉴런 신호를 관측할 필요가 있다. 이를 위해 본 연구에서는 살아있는 쥐의 뇌에 안정적으로 삽입할 수 있는 새로운 나노탐침 기술을 개발하였다. 그물망 전자장치로 구성된 이 나노탐침은 3차원의 열린 다공성 구조를 포함하여 매우 잘 휘어지는데, 실제 뉴런 조직처럼 보이고 느끼도록 디자인된 것이다. 나노탐침의 크기 또한 뉴런의 크기와 비슷하다. 따라서 이 탐침 디자인은 면역 반응을 최소화할 수 있고, 전자장치와 신경망 사이의 결합을 원활히 하여 매우 뛰어난 생체 적합성을 보인다. 높은 수율로 생체 신호를 측정할 수 있을 뿐 아니라, 안정적으로 단일 뉴런을 장기간 추적하는 것도 가능하다. 

연구팀은 나노탐침의 활용도를 높이기 위해, 나노탐침의 입출력(I/O) 패드를 매우 유연하게 디자인하여 어떠한 열과 압력 없이도 모세관 힘(capillary force)을 통해 외부 전극과 접촉할 수 있도록 하였다. 또한, 이 새로운 입출력(I/O) 패드의 양면에 모두 금속을 코팅함으로써, 방향에 상관없이 외부 전극과 연결되도록 하였다. 이렇게 형성된 전극 인터페이스가 얼마나 낮은 접촉 저항을 갖는지, 그리고 얼마나 잘 휘어지는지에 대한 체계적인 연구를 진행하였다. 특히, 인접한 채널과 합선되지 않고 높은 수율로 전극 인터페이스를 형성할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 다음으로, 본 연구에서 새롭게 개발된 직접 접촉 방식(direct contact method)을 이용하여 32개 채널의 그물망 전자장치 나노탐침을 외부 전극에 효율적으로 연결하였다. In-vitro 및 in-vivo 실험을 통해 모든 채널이 전기적으로 잘 연결되었음을 확인하였다. 게다가, 32개 채널의 나노탐침은 살아있는 쥐의 뇌에 삽입되었는데, 2개월 이상 동안 채널 기록의 손실 없이 단일 단위 뉴런의 활동을 일관되게 추적함으로써 본 전극 인터페이스 방식이 장기적으로 안정적임을 확인할 수 있었다.

이번 연구는 다중 그물망 전자장치 나노탐침을 이용하여 많은 채널에서 높은 수율로 뉴런의 활동을 추적 및 관측하였다는 점에서 그 의미가 크다. 연구팀이 새롭게 개발한 직접 접촉 방식의 전극 인터페이스는 다른 휘어지는 전자장치에도 적용이 가능하고, 따라서 다양한 생물학 연구 및 의학적인 치료에 활용할 수 있을 것이다. 
 

▲ 살아있는 쥐의 뇌에 이식된 그물망 전자장치 나노탐침의 입출력 (I/O) 인터페이스를 보여주는 개념도

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)