Carbon Nanotube Devices for Monitoring the Activity of Thermoreceptors in Nanovesicles and Their Applications for Bioelectronic Skins

Abstract

Human perceives changes in external environments such as odorants, tastants and temperature through olfactory, gustatory and somesthetic systems. Among them, tactile sensations are triggered when thermoreceptors in cells receive chemical signals or feel changes in temperatures from outside cells. In other words, thermoreceptors act as the first sensing parts in sensory systems. Therefore, the monitoring of thermoreceptor activity is essential for the fundamental understanding of somesthetic systems. In addition, the study on thermoreceptors may lead to the development of bioelectronic sensors. In this dissertation, it will be discussed about the electrically monitoring of thermoreceptor activity via bioelectronic sensors. The bioelectronic sensors were based on carbon nanotube field effect transistors (CNT-FETs). First, a bioelectronic skin based on nanovesicles for the monitoring of thermoreceptor activity to cool sensation will be discussed. Here, CNT-FETs were hybridized with nanovesicles containing human thermoreceptors, transient receptor potential melastatin 8 (hTRPM8). This method enabled us to discriminate between menthol, well-known cooling agent, and non-cooling substances with high sensitivity and selectivity. Interestingly, bioelectronic skins could also be used for the detection of menthol in real samples such as an electronic liquid menthol oil. Moreover, the enhancement of cool sensation by lower temperature (18℃) was demonstrated using this platform. Next, a bioelectronic skin based on nanovesicles for the monitoring of human thermoreceptor activity to irritant substances and cold sensation will be discussed. In this strategy, a floating electrode-based CNT-FET was functionalized with nanovesicles containing human thermoreceptors, transient receptor potential ankyrin 1 (hTRPA1). This strategy allowed us to sensitively evaluate the contents of cinnamaldehyde, as low as 1 fM. Here, we also demonstrated that the responses of hTRPA1 to cinnamaldehyde could be enhanced by a lower temperature (10℃). Furthermore, the method provided a means to quantitatively evaluate cinnamaldehyde in real samples such as cinnamon massage oil.

인간은 후각과 미각 촉각 등 다양한 기관을 통해 외부의 냄새, 맛 물질과 온도의 변화를 인지한다. 그 중, 촉각은 피부세포에 존재하는 온도 수용체들이 세포 밖의 화학 신호를 받아들임으로써 생성된다. 즉, 온도 수용체들이 감각 기관에서 첫번째 감지 파트로서 작용하게 된다. 따라서, 온도 수용체의 작용을 측정하는 것은 촉각 기관에 대한 근본적인 이해를 위하여 필수적이다. 또한, 촉각 수용체에 대한 연구는 바이오전자 센서의 개발로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 바이오전자 센서를 통하여 촉각 수용체의 작용을 전기적으로 모니터링하는 것에 대하여 논의 할 것이다. 이 바이오전자 센서는 탄소나노튜브를 채널로 제작한 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 하고 있으며, 이 센서는 향상된 센서 감도와 선택성을 가지고 있다. 먼저, 시원한 온도에 대한 인간의 온도 수용체의 작용을 모니터링하기 위한 나노베지클 기반 바이오 전자 촉각 센서에 대하여 논의할 것이다. 이를 위하여, 탄소나노튜브 전계 효과 트랜지스터와 TRPM8 (Transient receptor potential melastatin 8)이라는 인간의 온도 수용체를 포함하고 있는 나노베지클이 융합되었다. 이를 통해 시원한 감각을 내는 물질로 잘 알려진 멘솔 (menthol)을 다른 자극성 물질로부터 높은 감도와 선택성을 가지고 구별할 수 있었다. 흥미롭게도, 이 바이오전자 촉각 센서는 피부에 직접 바르는 마사지 오일에 존재하는 멘솔을 검지하는 데에도 이용되었다. 다음으로, 유해한 차가운 감각 및 고통에 대한 인간의 촉각 수용체의 작용을 모니터링하기 위한 나노베지클 기반 바이오 전자 촉각 센서에 관하여 논의 할 것이다. 이를 위하여, 플로팅 전극 기반의 탄소나노튜브 전계 효과 트랜지스터가 인간 촉각 수용체 TRPA1 (Transient receptor potential ankiryn 1)가 내장된 나노베지클이 준비되었다. 이를 통해 시나몬의 주요 구성 성분인 신남알데하이드를 1 fM 의 낮은 농도까지 검지할 수 있었다. 우리는 또한 사람의 피부처럼 고통을 느끼는 감각에 대해 차가운 온도인 10도정도에서 반응이 크게 향상됨을 입증하였다. 뿐만 아니라, 이 방법은 시나몬 오일과 같은 실제 샘플에서도 신남알데하이드 성분을 정량적으로 검출하기 위해 사용될 수도 있었다.