PDMS기반의 고원형 신경 접속 전극 구조 설계 및 구현

Abstract

복잡한 표면 굴곡을 갖는 신경 조직과 효과적으로 인터페이스하기 위한 PDMS기반의 유연한 평판형 미세전극을 개발하고 그 성능을 검증하였다. 기록전극 측면에서, 기존의 요철형 전극 구조를 탈피하고 고원지형 모양의 전극을 특징으로하는 플라토(plateau)전극 제조 방법을 제안하였다. 기존의 다른 생체적합성 폴리머인 폴리이미드나 패럴린으로 제작된 다채널전극은 낮은 적합성(conformability)과 신경조직과 비교하여 높은 영률 그리고 뉴런과 전극 사이에 공기 갇힘 현상이 발생하는 한계를 가지고 있었다. 전극의 요철 구조는 뇌와 같이 부드러운 신경 조직에서는 재분포(repopulation)현상으로 문제가 완화되지만 척수와 같이 신경 다발로 이루어진 조직에서는 신호 열화의 주된 요인이 되었다. 본 연구에서사용한PDMS는생체적합성폴리머중가장신경조직과의영률이유사하고 뛰어난 적합성을 가지고 있어 기록용전극의 재료로 적합하다. 그러나 다른폴리머와 유사하게 PDMS의 소수성 특성으로 인하여 전극의 크기가 작아질수록 공기 갇힘현상이 두드러지게 발생하였고 이로인하여 실험의 신뢰성에 문제가 발생하였다. 개발된 플라토전극은 신경조직과의 적합성 및 공기 갇힘 현상을 효과적으로 해결함으로써 신뢰성있는 동물실험을 수행할 수 있었다. 자극전극 측면에서, 기존 수직형 벽면 전극의 전류 밀도 분포는 전극의 가장자리에서 가장 강하게 나타나 조직을 균일하게 자극하기 어려웠다. 하지만 전극의 벽면 모양에 따라 전극의 표면에 유기되는 전류 밀도 분포가 변하는 것을 확인하고 PDMS기반의 경사벽면을 갖는 전극 제작 기법을 제안하고 제작하였다. 경사각을 제어하기 위해서 음성감광제의 노광에너지를 변화시키는 방법을 이용하였다. 과소노광정도와 마스크와 감광제의 간격에 따라 감광제 기둥의 경사를 효율적으로 제어할 수 있으며,이를 이용하여 전극 벽면의 경사를 제어할 수 있었다. 그리고 수직 벽면 전극, 경사벽면 전극, 표면 부착형 전극구조에서 전류 밀도 분포를 검증하기 위하여 COMSOL을 이용해 전류 밀도 분포를 시뮬레이션하였다. 다층 기판 제작에 있어 가장 중요한 층간연결 기법을 기존의 수직형 층간연결에서 경사형 층간연결로 대체함으로써 도금공정없이 다층기판을 제작하는 공정 기술을 제안하였다. 그리고 층간연결 과정에서 PDMS와 금을 연결하기 위한 티타늄을 배제하는 공정을 제안함으로써 층간연결에서 발생하는 저항을 효과적을 방지하였다. 그리고 PDMS기판의 인장 및 굽힘시험을 수행하여 인장비율이4%이내에서는 단선이 발생하지 않음을 확인하였고 3000회의굽힘 실험 동안에 성능의 열화가 미미함을 확인하였다. 본 연구에서는 8개의 층간연결과 5회의 도선 교차가 발생하는 양면 기판을 제작하여 제안 기법의 유효성을 검증하였다. 기존 방식으로 제작한 오목한(recessed) 전극과 제안한 플라토 전극을 이용하여 동물 실험을 수행하였다. 오목한 전극에서는 공기 갇힘 현상으로 인하여 신뢰성 있는 신호 기록이 이루어지지 않았으나, 플라토 전극에서는 공기 갇힘 현상이 일어나지 않아 효과적으로 생체 신호를 기록할 수 있었다. 동물 실험은 두가지 환경에서 진행하였는데, 한 실험은 설치류의 회음부를 물리적으로 자극함으로써 발생하는 척수신경 신호를 기록함으 로써 자극의 유효성을 검증하였고, 다른하나는 2가지의 냄새물질을 설치류의 코에 주입한 후, 뇌의 후각망울에서 그 신호를 측정함으로써 자극의 유효성을 검증하였다.