[기계신문] 뇌공학 분야의 발전으로 신경신호를 읽고 자극하는 신경전극의 역할이 점차 강조되고 있다. 그러나 신경세포는 뇌, 신경 섬유 다발, 망막 등과 같이 굴곡을 가진 3차원 공간 내에 분포하고 있어 단순한 구조의 전극으로는 목표하는 위치에 접근하기 어려운 한계를 지닌다.
최근 한국과학기술연구원 임매순, 이병철 박사 연구팀이 다양한 길이의 미세전극이 촘촘히 배열된 마이크로 니들(microneedle, 초미세 신경 전극 다발)을 제작할 수 있는 보다 단순한 반도체 공정을 개발했다.
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 필요하다. 이를 위해 기존에는 길이가 서로 다른 신경전극을 개별로 제작하고 조립하는 복잡하고 반복적인 방식을 거쳐야만 했다.
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 개발했다.
또, 끝을 뾰족하게(전극 말단 단면 폭 ~145 ㎚) 하면서 종횡비를 높여(25:1) 목표하는 신경 층에 정확히 위치하면서도 삽입 시 조직 손상을 최소화할 수 있도록 설계했다.
날카롭고 얇은 압정과 못이 벽에 더 부드럽게 잘 박히는 것과 같은 원리로, 실제 제작된 마이크로니들은 기존 연구 대비 100배 가량 작은 힘으로도 생쥐 뇌에 삽입될 수 있었다. 이는 애벌레 가시털이 생쥐 피부를 뚫는 힘과 비슷한 정도이다.
한편, 단위면적당 625개까지 미세전극을 아주 촘촘히 배열함으로써 신경신호를 대량으로 읽어낼 수 있어 복잡한 신경망의 기능적 연결 관계를 밝히는 것에 유용하도록 설계하였다.
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 있다.
노현희 학생연구원은 “실명한 동물 안구 내에 소자를 이식하고 망막을 전기적으로 자극하여 인공 시각을 구현하는 전자약 실험도 준비하고 있다”고 밝혔다.
한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구지원사업과 차세대지능형반도체기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료과학 및 나노기술 분야 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터즈(Nano-Micro Letters)’에 12월 9일 온라인 게재되었다.
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