KR20140107809A - Electrode for measuring neural signal including single-crystalline au nanowire - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 단결정 금 나노선을 포함하는 신경신호 측정용 신경전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신경 세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직내로 삽입되어 상기 신경세포 또는 생체조직으로부터의 전기신호를 수신하거나 자극을 제공할 수 있으며, 상기 단결정 금 나노선을 포함하는 신경전극에 관한 것이다.The present invention relates to a neural electrode for measuring a neural signal including a monocrystalline gold nanowire, and more particularly, to a neural electrode for measuring a neural signal including a nerve cell or a nerve cell, Stimulation, and relates to a nerve electrode comprising the monocrystalline gold nanowire.
간질, 파킨슨 신드롬, 만성 우울증, 만성 통증 등과 같이 신경 시스템과 관련된 여러 질병을 이해하기 위해서는 신경 활동을 기록하고 높은 공간 해상도로 신경 시스템의 활동을 관찰/분석하는 새로운 도구의 개발이 필수적이다. In order to understand many diseases related to the nervous system, such as epilepsy, Parkinson's syndrome, chronic depression, chronic pain, it is essential to record new activities and to develop new tools to observe / analyze the activities of the nervous system with high spatial resolution.
이와 같은 신경 시스템 질환을 효과적으로 연구 및 치료할 수 있는 방법 중 하나로, 신경소자를 이용하는 방법이 주목받고 있으며 의학적으로 보다 더 활발하게 채택되고 있다.As a method for effectively studying and treating such a neurological system disease, a method of using a neural element is attracting attention and is being actively adopted more medically.
보다 상세하게는 상기 신경 시스템 질환에 관한 연구는 신경 전극을 신경세포가 위치한 곳에 삽입하여 그 신호를 감지, 자극함으로써 이루어질 수 있는데, 신경 시스템의 활동을 연구하기 위해 금속, 실리콘, 금속 산화물을 포함하여 여러 가지 물질로 만들어진 마이크로 전극이 개발되어 왔다.More specifically, studies on the neurological system diseases can be performed by inserting a nerve electrode into a nerve cell and detecting and stimulating the signal. In order to study the activity of the nervous system, Microelectrodes made of various materials have been developed.
상기 신경 전극은 생체내에 삽입되는 경우 외상, 장기간의 염증 반응을 최소화 하고 전극의 높은 공간 분해능을 획득하기 위해 신경 전극의 크기는 극히 축소되어야 한다.When the nerve electrode is inserted into the living body, the size of the nerve electrode must be minimized in order to minimize the inflammatory reaction during the trauma and the long term and obtain high spatial resolution of the electrode.
예컨대, 뇌에서의 반흔(scar) 조직 형성에 관한 연구와 같이 10 μm 이하의 직경을 가지는 삽입 가능한 전극을 디자인하는 것이 매우 중요하나, 현재까지 종래 기술에서는 신경 전극에 쓰이는 소재의 기기적 특성 및 전기적 특성은 전극의 크기가 10 μm 이하로 축소될 경우 기록이나 자극을 성공적으로 수행하기에 불충분하여 신경신호 측정을 위해 탄소나노튜브, 실리콘 나노선, 금 나노입자와 같은 나노물질로 이루어진 나노전극이 제작되어 연구되고 있다. For example, it is very important to design an insertable electrode having a diameter of 10 μm or less as in the study of scar tissue formation in the brain. However, in the prior art, the mechanical characteristics of the material used for the nerve electrode, The characteristics are insufficient to successfully perform recording or stimulation when the size of the electrode is reduced to 10 μm or less. Thus, a nano electrode made of a nanomaterial such as carbon nanotube, silicon nanowire, or gold nanoparticle .
이에 관한 종래 기술로서, 등록특허공보 제10-1188368호(2012.10.05)에서는 기판상에 실리콘 나노와이어를 형성하고 상기 나노와이어의 표면에 금이 코팅된 나노와이어 신경탐침 전극 및 이의 제조방법에 관해 기재되어 있고, 또한 Nature nanotechnology, vol. 3, 2008, Issue. 7, 434- 439 에서는 신경세포를 포함하는 조직에 삽입하는 신경전극으로서 MEA전극에 탄소나노튜브가 코팅된 전극을 사용한 것에 관해 기재되어 있다. As a conventional technique related thereto, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-1188368 (Oct. 20, 2012) discloses a nanowire nerve probe electrode in which silicon nanowires are formed on a substrate and the surface of the nanowire is coated with gold and a method of manufacturing the nanowire And in Nature nanotechnology, vol. 3, 2008, Issue. 7, 434-439 discloses the use of electrodes coated with carbon nanotubes on MEA electrodes as nerve electrodes to be inserted into tissues containing nerve cells.
그러나, 종래기술을 포함하는 상기와 같은 신경전극에 관한 기술에도 불구하고, 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직으로부터의 전기신호를 수신하거나 자극을 제공하는 신경전극에 있어서, 우수한 기계적 강도와 높은 전기 전도성을 가지며, 또한 전극이 삽입되었을 경우에 염증 반응을 최소화시키고 높은 공간 분해능을 가지는 소형화된 신경 전극 및 이를 이용하여 신경 세포 등으로부터의 전기신호를 수신하거나, 이들에 전기 자극을 제공하는 방법에 관한 지속적인 연구 개발이 요구되고 있다.However, in spite of the technology relating to the nerve electrode as described above including the conventional art, in a neural electrode that receives or stimulates an electrical signal from a living tissue including nerve cells or nerve cells, A miniaturized neural electrode having electrical conductivity and minimizing the inflammation reaction when the electrode is inserted and having a high spatial resolution, and a method of using the same to receive electrical signals from nerve cells or the like, or to provide electric stimulation to the electrodes There is a need for continuous research and development.
본 발명은 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직내로 삽입되어 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직으로부터의 전기신호를 수신하거나 자극을 제공하는 신경전극에 있어서, 우수한 기계적 강도와 높은 전기 전도성을 가지며, 또한 전극이 삽입되었을 경우에 염증 반응을 최소화시키고 높은 공간 분해능을 가지는 소형화된 신경 전극을 제공하는 것이다. The present invention relates to a neural electrode inserted into a living body tissue containing neurons or nerve cells to receive or stimulate an electrical signal from living body tissues including the neuron or neuron, and has excellent mechanical strength and high electrical conductivity And to provide a miniaturized neural electrode having a high spatial resolution with minimized inflammation reaction when an electrode is inserted.
본 발명의 다른 목적은 인간을 제외한 포유류의 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직 내에 상기 신경 전극을 삽입하여 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직으로부터의 전기신호를 수신하거나, 또는 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직에 전기 자극을 제공하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of inserting a nerve electrode into a biological tissue including a nerve cell or a nerve cell of a mammal other than a human to receive an electric signal from the biological tissue including the nerve cell or the nerve cell, The present invention provides a method of providing electrical stimulation to a biological tissue including a cell or a nerve cell.
본 발명은 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직내로 삽입되어 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직으로부터의 전기신호를 수신하는 단결정 금 나노선; 및 상기 금 나노선을 지지하여 고정시키고 생체내 상기 전기신호를 외부로 전달하며, 표면이 노출되지 않도록 절연체로 코팅된 금속 팁;을 포함하는, 신경신호 측정용 신경전극을 제공한다. The present invention relates to a monocrystalline gold nanowire inserted into a biological tissue including a nerve cell or a nerve cell and receiving an electrical signal from a biological tissue including the nerve cell or the nerve cell; And a metal tip that supports and fixes the gold nanowire and transmits the electrical signal to the outside in the living body and is coated with an insulator so that the surface is not exposed.
또한 본 발명은 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직내로 삽입되어 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직에 전기 자극을 제공하는 단결정 금 나노선; 및 상기 금 나노선을 지지하여 고정시키고 외부로부터의 전기 자극을 상기 금나노선에 전달하며, 표면이 노출되지 않도록 절연체로 코팅된 금속 팁;을 포함하는, 신경세포 자극용 신경전극을 제공한다. The present invention also relates to a monocrystalline gold nanowire inserted into a biological tissue including a nerve cell or a nerve cell to provide electric stimulation to a biological tissue including the nerve cell or the nerve cell; And a metal tip that supports and fixes the gold nanowire and transmits an electric stimulus from the outside to the gold line and is coated with an insulator so that the surface is not exposed.
일 실시예로서, 상기 금속 팁은 금, 은, 백금, 구리, 텅스텐 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금이 사용될 수 있다. In one embodiment, the metal tip may be made of one or more selected from gold, silver, platinum, copper, and tungsten.
일 실시예로서, 상기 단결정 금 나노선은 직경이 20 내지 300 nm이고, 그 길이는 1 내지 100 μm일 수 있다. 이 경우에 상기 단결정 금 나노선은 기상이송법에 의해 제조된 것일 수 있다. In one embodiment, the single crystal gold nanowire may have a diameter of 20 to 300 nm and a length of 1 to 100 mu m. In this case, the single crystal gold nanowire may be one produced by vapor phase transfer.
일 실시예로서, 상기 금 나노선은 전도성 접착제에 의해 금속 팁에 고정될 수 있다.In one embodiment, the gold nanowire may be secured to the metal tip by a conductive adhesive.
일 실시예로서, 상기 신경전극은 일단부에 상기 금 나노선을 포함하는 금속팁이 부착되며, 내부에는 상기 금속팁으로 외부의 전기신호가 전달되도록 배선이 연결되되, 외부는 절연되어 있는 본체를 추가로 포함할 수 있다.In one embodiment, the nerve electrode has a metal tip including the gold nanowire attached to one end, a wire is connected to the inside of the nerve electrode to transmit an external electrical signal to the metal tip, May be further included.
일 실시예로서, 상기 신경전극은 기판을 포함하며, 상기 금 나노선을 포함하는 금속팁이 기판상에 고정되고, 상기 기판상 또는 기판내에 형성된 배선이 상기 금속팁과 연결되고, 상기 금속팁과 연결되는 반대쪽의 배선을 외부와 연결함으로써 상기 신경전극의 금속팁으로 외부의 전기신호가 전달되는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, the neural electrode includes a substrate, a metal tip comprising the gold nanowire is fixed on the substrate, a wire formed on or within the substrate is connected to the metal tip, And an external electrical signal is transmitted to the metal tip of the nerve electrode by connecting the wire on the opposite side to the outside.
또한 본 발명은 상기 단결정 금 나노선을 포함하는 신경전극을 2개 이상 포함하며, 상기 각각의 신경전극은 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직에 독립적으로 삽입되어, 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직으로부터 독립적으로 전기신호를 수신하거나 또는 전기 자극을 제공할 수 있는 신경전극 장치를 제공할 수 있다. In addition, the present invention includes two or more nerve electrodes including the single crystal gold nanowire, wherein each of the nerve electrodes is independently inserted into a biological tissue including nerve cells or nerve cells, It is possible to provide a neuroelectrode device capable of receiving electrical signals or providing electrical stimulation independently from the contained biological tissue.
본 발명은 또한, 인간을 제외한 포유류의 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직내에 본 발명의 상기 단결정 금 나노선을 포함하는 신경전극을 삽입함으로써, 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직으로부터의 전기신호를 수신하거나, 또는 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직에 전기 자극을 제공하는 방법을 제공할 수 있다. The present invention also relates to a method for producing a nerve cell comprising the step of inserting a nerve electrode containing the single crystal gold nanowire of the present invention into a biological tissue including nerve cells or nerve cells of a mammal other than a human, Or to provide electrical stimulation to a biological tissue including the nerve cell or the nerve cell.
일 실시예로서, 상기 신경세포를 포함하는 생체조직은 포유류의 뇌 또는 척수일 수 있다. In one embodiment, the biological tissue comprising the nerve cell may be the brain or spinal cord of a mammal.
본 발명은 또한, 인간을 제외한 포유류의 신경세포를 포함하는 생체조직내에 상기 단결정 금 나노선을 포함하는 신경전극을 삽입하고 이로부터 전기신호를 수신함으로써, 신경성 질환의 발작 중심을 검출하는 방법을 제공할 수 있다.The present invention also provides a method for detecting a seizure center of a neurological disease by inserting a nerve electrode containing the single crystal gold nanowire into a biological tissue including a nerve cell of a mammal other than a human and receiving an electric signal therefrom can do.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 신경 전극을 이용하는 경우에 상기 전극의 금 나노선이 매우 작은 직경을 가짐으로써, 생체조직내 삽입되는 경우에 염증반응을 최소화시키고 높은 공간 분해능을 가질 수 있다.In the case of using the neural electrode according to the above-described embodiments of the present invention, since the gold nanowire of the electrode has a very small diameter, it can minimize the inflammatory reaction and have a high spatial resolution when inserted into the living tissue .
또한 본 발명의 상기 신경 전극은 높은 유연성과 높은 강도를 가짐으로써 기계적 특성이 우수하며, 또한 뛰어난 전기 전도성으로 인해 신경신호의 분해능이 향상된 전극을 제조할 수 있다. In addition, the neuro electrode of the present invention has high flexibility and high strength to produce an electrode having excellent mechanical properties and improved resolution of nerve signals due to excellent electrical conductivity.
또한 본 발명은 인간을 제외한 포유류의 신경세포를 포함하는 생체조직내에 상기 단결정 금 나노선을 포함하는 신경전극을 삽입하고 이로부터 전기신호를 수신함으로써, 신경성 질환의 발작 중심을 정확하게 검출할 수 있다. In addition, the present invention can accurately detect the seizure center of a neurological disease by inserting a nerve electrode containing the single crystal gold nanowire into a biological tissue including nerve cells of a mammal other than a human, and receiving an electric signal therefrom.
도 1(a) 내지 1(c)은 본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노선을 포함하는 신경 전극의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 1(d) 내지 1(g)는 이에 의해 제조되는 신경 전극의 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진 및 광학현미경 사진들이다.
도 2(a) 및 2(b)는 순환전압전류법과 전류-전압 (I-V) 측정을 통해 금 나노선 전극의 전기화학적 결과를 도시한 그림이다.
도 3(a)는 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 agarose 젤에 삽입하기 전, 삽입 후 및 이를 젤로부터 제거한 후의 사진을 나타내었고, 도 3(b)는 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 고체 표면에 대고 눌러졌을 경우의 각각의 사진을 도시하였다.
도 4(a)는 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 쥐의 뇌의 hippocampus CA1 영역에 1 mm 떨어져서 2개를 삽입한 것을 나타내는 사진이고, 도 4(b)는 상기 쥐의 뇌에 삽입된, 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극과 비교예로 사용되는 텅스텐 전극의 형태를 도시한 그림이다.
도 5(a)는 본 발명에서의 금 나노선을 포함하는 두 개의 신경 전극을 1 mm간격으로 쥐의 뇌에 삽입하였을 때의 60초 동안 기록한 신경 전극신호를 도시하였고, 도 5(b)는 도 5(a)의 경우에서의 trace의 colored power spectrum을 도시하였다.
도 6(a)는 비교예로서 텅스텐 전극을 포함하는 두 개의 신경 전극을 1 mm간격으로 쥐의 뇌에 삽입하였을 때의 60초 동안 기록한 신경 전극신호를 도시하였고, 도 6(b)는 도 6(a)이 경우에서의 trace의 colored power spectrum을 도시하였다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명에서 금 나노선을 포함하는 신경전극과 텅스텐 전극을 포함하는 신경전극의 크로스 연관분석(cross-correlation analysis)을 도시한 그림이고, 도 7(c)는 금 나노선 및 텅스텐 전극으로 측정한 신경 신호의 크로스 연관분석 곡선의 첫 번째 peak 값의 평균을 도시하였다.
도 8(a)는 본 발명에서 외부침입자를 두지 않은 상태에서 혼자 있는 쥐의 뇌에 신경전극이 삽입된 것을 도시하였고, 도 8(b)는 상기 쥐의 뇌에 금 나노선을 포함하는 신경전극을 삽입한 경우에 제공된 신경신호와 텅스텐 전극을 삽입한 경우에 제공된 신경신호를 도시하였으며, 도 8(c)는 각 경우에서의 trace의 colored power spectrum을 도시하였다.
도 9(a)는 본 발명에서 외부침입자로서 다른 쥐가 있는 상태에서의 쥐의 뇌에 신경전극이 삽입된 것을 도시하였고, 도 9(b)는 상기 쥐의 뇌에 금 나노선을 포함하는 신경전극을 삽입한 경우에 제공된 신경신호와 텅스텐 전극을 삽입한 경우에 제공된 신경신호를 도시하였으며, 도 9(c)는 각 경우에서의 trace의 colored power spectrum을 도시하였다.
도 10(a)는 발작을 유도하는 약물인 pilocarpine을 쥐에게 주입했을 때 쥐 뇌의 hippocampal CA1 영역에 1 mm 간격으로 떨어져서 삽입된 세 개의 금 나노선 전극을 삽입하여 측정한 신경신호를 도시하고 있고, 도 10(b)는 동일한 조건하에서 세 개의 텅스텐 전극을 삽입한 경우의 신경신호를 도시하고 있다. FIGS. 1 (a) to 1 (c) are views for explaining a method of manufacturing a nerve electrode including a gold nanowire according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 1 (d) Scanning electron microscope (SEM) photographs and optical microscope photographs of the manufactured nerve electrodes.
2 (a) and 2 (b) are electrochemical results of gold nanowire electrodes through cyclic voltammetry and current-voltage (IV) measurements.
FIG. 3 (a) is a photograph of a neural electrode containing gold nanowires of the present invention before, after and after the insertion of the neural electrode into the agarose gel, and FIG. 3 (b) Are pressed against a solid surface. The photographs are shown in Fig.
FIG. 4 (a) is a photograph showing that the neural electrode including the gold nanowire of the present invention is inserted into the hippocampus CA1 region of the rat brain at a distance of 1 mm, FIG. 4 (b) FIG. 3 is a view showing the shape of the inserted neural electrode including the gold nanowire of the present invention and a tungsten electrode used as a comparative example. FIG.
FIG. 5 (a) shows the nerve electrode signal recorded for 60 seconds when two neurons including gold nanowires according to the present invention were inserted into the brain of a mouse at intervals of 1 mm, and FIG. 5 (b) The colored power spectrum of the trace in the case of FIG. 5 (a) is shown.
FIG. 6 (a) shows a signal of a nerve electrode recorded for 60 seconds when two neurons including a tungsten electrode are inserted into a brain of a mouse at intervals of 1 mm, and FIG. 6 (b) (a) The colored power spectrum of the trace in this case is shown.
7 (a) and 7 (b) are cross-correlation analysis of a nerve electrode including a gold nanowire and a tungsten electrode according to the present invention. c) shows the average of the first peak values of the cross-correlation analysis curve of neuronal signals measured with gold nanowire and tungsten electrodes.
FIG. 8 (a) shows the insertion of a nerve electrode into the brain of a single rat without an external intruder, and FIG. 8 (b) FIG. 8 (c) shows the colored power spectrum of the trace in each case. FIG. 8 (c) shows the color power spectrum of the trace in each case.
FIG. 9 (a) shows the insertion of a nerve electrode into the brain of a rat in the state where another rat is present as an external intruder, FIG. 9 (b) Figure 9 (c) shows the colored power spectrum of the trace in each case. Figure 9 (c) shows the colored power spectrum of the trace in each case.
FIG. 10 (a) shows the neural signals measured by inserting three gold nanowire electrodes inserted at 1 mm intervals into the hippocampal CA1 region of rat brain when pilocarpine, a seizure inducing drug, was injected into rats , And Fig. 10 (b) show the nerve signals when three tungsten electrodes are inserted under the same conditions.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
본 발명의 신경 전극은 단결정 금 나노선(Single-Crystalline Au Nanowire)를 이용하여 구현될 수 있는데, 상기 금 나노선은 증기 이송법을 이용하여 기판 상에 금(Au) 증기를 공급하여 에피택셜(epitaxial) 성장시키는 단계를 포함하여 제조할 수 있다. The neural electrode of the present invention can be implemented using a single-crystalline gold nanowire, wherein the gold nanowire is supplied with gold (Au) vapor on a substrate using a vapor transfer method to form an epitaxial epitaxial) growth step.
보다 상세하게, 본 발명에서의 상기 금 나노선은 촉매를 사용하지 않고 기판상에 금(Au) 증기를 공급하여 에피택셜(epitaxial) 성장시킴으로써 형성시킬 수 있다. 만약에 촉매를 사용하여 금 나노선을 형성하는 경우에는 촉매로 인해, 금 나노선의 합성이 끝난 후에도 전극 표면에 촉매 잔유물 등이 남아 있을 수 있고 이는 최종적으로 비효율적이거나 원치 않는 신호 전달이 일어날 수 있어 바람직하지 않은 결과를 보여줄 수 있다. More specifically, the gold nanowire in the present invention can be formed by epitaxial growth by supplying gold (Au) vapor onto a substrate without using a catalyst. If a catalyst is used to form gold nanowires, catalyst residues may remain on the surface of the electrode after synthesis of the gold nanowires, resulting in ineffective or undesirable signal transmission. You can show the results that you did not.
한편, 본 발명의 상기 단결정 금 나노선은 상대적으로 매끄러운 표면을 가질 수 있다. 예를 들어, 탑-다운(top-down) 방식으로 제조된 종래의 금 나노선은 수 나노미터(㎚)수준의 표면 거칠기를 가지지만, 상기와 같은 제조방법을 이용하여 합성된 단결정 금 나노선은 원자 수준의 표면 거칠기, 즉 종래의 금 나노선에 비하여 매우 매끄러운(ultra-smooth) 표면을 가질 수 있다.On the other hand, the monocrystalline gold nanowire of the present invention can have a relatively smooth surface. For example, a conventional gold nanowire fabricated in a top-down manner has a surface roughness of the order of a few nanometers (nm), but a monocrystalline gold nanowire synthesized using the above- Can have an atomic surface roughness, i.e., an ultra-smooth surface compared to a conventional gold nanowire.
상기 단결정 금 나노선은 기판 상에 금 증기를 기상 이송법에 의해 공급하여 금 나노선을 에피택셜 방식으로 성장시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 기판으로서 c-cut 사파이어 기판을 사용할 수 있다. 상기 c-cut 사파이어 기판은 금과 우수한 격자 일치성을 가지므로 기판상에 수직으로 금 나노선이 용이하게 성장될 수 있다.The single crystal gold nanowire can be formed by epitaxially growing gold nanowires by supplying gold vapor on a substrate by vapor phase transfer. For example, a c-cut sapphire substrate can be used as the substrate. Since the c-cut sapphire substrate has excellent lattice matching with gold, the gold nanowire can be grown vertically on the substrate.
상기 기상 이송 방법을 수행하기 위한 장치인 반응로(Furnace)는 수평으로 배치된 석영관(Quartz tube)으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 석영관의 지름은 약 1인치일 수 있고, 상기 반응로는, 전단부에 선구물질(precursor)인 금 슬러그(Au slug)를 투입하기 위한 알루미나 재질의 보트형 용기(Alumina boat)를 포함하며, 후단부에 상기 단결정 금 나노선이 합성되는 단결정 기판(Substrate)(예를 들어, 사파이어 기판)을 포함할 수 있다. 불활성 기체(예를 들어, 아르곤(Ar) 기체)는 상기 반응로의 전단부로 투입되어 후단부로 배기될 수 있다. 상기 반응로는 후단부에 배치되는 진공 펌프를 더 포함할 수 있으며, 발열 장치 및 온도 조절 장치를 더 포함할 수 있다. The furnace, which is an apparatus for performing the vapor phase transfer method, may be a horizontally disposed quartz tube. For example, the diameter of the quartz tube may be about 1 inch, and the reactor may include an alumina boat (Alumina boat) for introducing gold slug (Au slug), which is a precursor at the front end, And a monocrystalline substrate (for example, a sapphire substrate) in which the single crystal gold nanowire is synthesized at the rear end. An inert gas (for example, argon (Ar) gas) may be introduced into the front end of the reactor and exhausted to the rear end. The reaction furnace may further include a vacuum pump disposed at the rear end, and may further include a heating device and a temperature control device.
예시적인 실시예들에 따르면, 금 증기가 상기 기판 상에 도입되면서 상기 기판 표면 상에 반-팔면체(half-octahedral) 형상의 씨드(seed)가 지배적으로 형성될 수 있다. 이후, 상기 씨드로부터 금 나노선이 에피텍셜(epitaxial) 방식으로 성장될 수 있다. According to exemplary embodiments, a half-octahedral seed may be predominantly formed on the substrate surface while gold vapor is introduced onto the substrate. Thereafter, the gold nanowires may be grown from the seeds in an epitaxial manner.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 기판 상에 공급되는 금 증기의 유량을 조절함으로써, 상기 금 나노선의 성장 방향을 결정할 수 있다. 상기 금 증기의 유량이 상대적으로 작을 경우에는 상기 금 나노선은 상기 기판에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 성장될 수 있다. 한편, 상기 금 증기의 유량이 상대적으로 클 경우에는 상기 금 나노선은 상기 기판에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 성장될 수 있다. According to exemplary embodiments, the growth direction of the gold nanowires can be determined by controlling the flow rate of the gold vapor supplied onto the substrate. When the flow rate of the gold vapor is relatively small, the gold nanowire can be grown in a direction substantially perpendicular to the substrate. On the other hand, when the flow rate of the gold vapor is relatively large, the gold nanowire can be grown in a direction substantially parallel to the substrate.
예를 들어, 상기 금 증기의 유량이 1100 ℃, 약 100 내지 약 250 sccm인 범위인 경우 상기 기판에 대해 수직한 방향으로 성장된 금 나노선이 지배적으로 형성될 수 있다. 상기 금 증기의 유량이 약 400 sccm 이상으로 증가되는 경우, 상기 기판에 대해 평행한 방향으로 성장된 금 나노판이 지배적으로 형성될 수 있다.For example, when the flow rate of the gold vapor is in the range of about 100 to about 250 sccm, gold nanowires grown in a direction perpendicular to the substrate can be predominantly formed. When the flow rate of the gold vapor is increased to about 400 sccm or more, a gold nano plate grown in a direction parallel to the substrate may be predominantly formed.
도 1(a) 내지 1(c)은 본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노선을 포함하는 신경 전극의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 1(d) 내지 1(g)는 이에 의해 제조되는 전극의 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진 및 광학현미경 사진들이다. FIGS. 1 (a) to 1 (c) are views for explaining a method of manufacturing a nerve electrode including a gold nanowire according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 1 (d) Scanning electron microscope (SEM) photographs and optical microscope photographs of electrodes to be manufactured.
상기 도 1(a) 내지 1(c)에 따르면, 상기 금 나노선을 포함하는 전극은 기판 상에 단결정의 금 나노선을 형성하는 단계; 금속 팁의 단부에 전도성 접착제를 부착하는 단계; 상기 전도성 접착제가 부착된 금속 팁의 단부를 기판상에 형성된 금 나노선의 상단부와 접촉함으로써, 금 나노선을 기판으로부터 분리하여 상기 금속 팁에 부착시키는 단계; 및 상기 금 나노선이 부착된 금속 팁의 금속 표면이 노출되지 않도록 절연체로 코팅하는 단계;를 포함하여 이루어진다. 1 (a) to 1 (c), the electrode including the gold nanowire may include a step of forming a monocrystalline gold nanowire on the substrate; Attaching a conductive adhesive to an end of the metal tip; Separating the gold nanowire from the substrate and attaching the gold nanowire to the metal tip by bringing the end of the metal tip with the conductive adhesive into contact with the upper end of the gold nanowire formed on the substrate; And coating the surface with an insulator such that a metal surface of the metal tip to which the gold nanowire is attached is not exposed.
상기 기판 상에 단결정의 금 나노선을 형성하는 단계는 앞서 기재한 바에 의해 형성될 수 있고, 금속 팁의 단부에 전도성 접착제를 부착하는 단계에서의 금속팁은 금, 은, 백금, 구리, 텅스텐 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금이 사용될 수 있고, 바람직하게는 텅스텐이 사용될 수 있다. The step of forming the single crystal gold nanowire on the substrate may be performed as described above. In the step of attaching the conductive adhesive to the end of the metal tip, the metal tip may be formed of gold, silver, platinum, copper, tungsten Any one or two or more alloys selected may be used, and preferably tungsten may be used.
또한, 본 발명에서 금속팁에 금 나노선을 부착하기 위해 사용되는 상기 전도성 접착제는 전도성을 띠며 두 종류의 금속을 접착에 의해 연결할 수 있는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있으나, 바람직하게는 입자 형태의 은이 열경화성, 열가소성, 또는 자외선 경화성 수지에 배합되어 있는 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나가 될 수 있다.In addition, in the present invention, the conductive adhesive used for attaching the gold nanowire to the metal tip may be any conductive material that is conductive and can connect two kinds of metals by bonding. Preferably, silver in particle form is thermosetting , A thermoplastic resin, or a mixture blended with an ultraviolet ray curable resin.
본 발명에 있어서, 상기 금속 팁에 금 나노선을 결합시켜 부착하는 단계는 피에조일렉트릭 스테이지로 구성된 나노 조작기(nanomanipulator)를 이용하여 결합시킬 수 있다. 상기 나노조작기는 x축, y축, z축 방향으로 나노미터(nm)의 단위로 움직임이 가능한 것으로서, 일예로서, 고정판 위에 설치된 x축, y축, z축 스테이지 및 상기 각 스테이지에 설치되어 각 스테이지를 나노미터(nm)의 단위로 이동시키는 압전 모터를 구비할 수 있다. 즉, x축 스테이지는 압전 모터에 의해 x축 방향으로 자유도를 가지며 이동되고, y축 스테이지는 압전 모터에 의해 y축 방향으로 자유도를 가지며 이동되며, z축 스테이지는 압전 모터에 의해 z축 방향으로 자유도를 가지면 이동될 수 있다.In the present invention, the step of bonding gold nanowires to the metal tip may be performed using a nanomanipulator composed of a piezo electric stage. The nano manipulator is capable of moving in units of nanometers (nm) in the x-, y-, and z-axis directions. For example, the nano-manipulator includes x-, y-, and z- And a piezoelectric motor for moving the stage in units of nanometers (nm). That is, the x-axis stage is moved with a degree of freedom in the x-axis direction by the piezoelectric motor, the y-axis stage is moved with the degree of freedom in the y-axis direction by the piezoelectric motor, and the z- It can be moved if it has a degree of freedom.
또한 본 발명에서 상기 금속팁의 금속 표면을 절연체로 코팅하는 단계에서 사용되는 절연체는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 용제에 녹인 바니시, 또는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 용제에 녹이고 이에 안료를 포함하는 바니시, 또는 자외선에 의해 경화되는 절연성 접착제에서 선택되는 어느 하나를 금속표면에 코팅함으로써 이루어질 수 있다.In the present invention, the insulator used in the step of coating the metal surface of the metal tip with the insulator may be a varnish in which a thermosetting resin or a thermoplastic resin is dissolved in a solvent, a varnish containing a pigment in which a thermosetting resin or a thermoplastic resin is dissolved in a solvent, And an insulating adhesive which is cured by ultraviolet rays.
본 발명에서 금 나노 전극에 사용될 수 있는 금 나노선의 길이와 직경은 제조공정에 따라 달라질 수 있으나, 바람직하게는 20 내지 300 nm이고, 그 길이는 1 내지 100 μm일 수 있다. In the present invention, the length and diameter of gold nano-wires that can be used for the gold nano-electrode may vary depending on the manufacturing process, preferably 20 to 300 nm, and the length may be 1 to 100 μm.
본 발명에서 상기 신경 전극은 일단부에 상기 금 나노선을 포함하는 금속팁이 부착되며, 내부에는 상기 금속팁으로 외부의 전기신호가 전달되도록 배선이 연결되되, 외부는 절연되어 있는 본체를 추가로 포함할 수 있다. 상기 본체는 사용자가 상기 금 나노선을 포함하는 금속팁을 외부의 전기신호를 제공하는 기기들과의 연결을 용이하게 할 수 있으며, 또한 실험조작의 편의를 위해 구비되는 것으로서 필요에 따라 선택될 수 있다. In the present invention, a metal tip including the gold nanowire is attached to one end of the nerve electrode, a wire is connected to the inside of the nerve electrode to transmit an external electrical signal to the metal tip, . The main body can facilitate connection of the metal tip including the gold nanowire with the devices providing external electrical signals, and is provided for convenience of experiment and can be selected as needed have.
본 발명에서 상기 신경 전극이 본체를 포함하는 경우에, 상기 금속팁과 금 나노선을 부착하는 단계는 상기 본체가 금속팁에 부착된 후에 나노조작기에 의해 부착될 수도 있고, 본체가 금속팁에 부착되기 전에 나노조작기에 의해 금속팁과 금 나노선이 부착되도록 한 후에 금 나노선을 포함하는 금속팁에 본체를 연결할 수 있다. In the present invention, in the case where the neural electrode includes a body, the step of attaching the metal tip and the gold nanowire may be performed by a nanomechanical machine after the body is attached to the metal tip, The metal tip and the gold nanowire can be attached by a nano manipulator before the body can be connected to a metal tip including a gold nanowire.
상기 본체는 일반적으로 사용자가 다루기 쉽도록 길이방향으로 원통형 또는 다각형의 형태를 가지되, 내부에는 상기 금속팁으로 외부의 전기신호가 전달되도록 배선이 연결되며, 표면의 외부는 절연체로 코팅되거나 또는 절연체로 둘러쌓인 구조로 이루어질 수 있다. The main body is generally cylindrical or polygonal in the longitudinal direction so that the main body can be easily handled by the user. Inside the main body, wirings are connected so that external electric signals are transmitted to the metal tip. The outside of the surface is coated with an insulator, As shown in FIG.
예시적으로 상기 본체의 길이는 0.5 내지 20 cm 의 범위를 가질 수 있고, 상기 금속팁의 길이는 1 mm 내지 50 mm의 범위를 가질 수 있다. Illustratively, the length of the body may range from 0.5 to 20 cm, and the length of the metal tip may range from 1 mm to 50 mm.
또한, 상기 신경 전극은 기판을 포함하며, 상기 금나노선을 포함하는 금속팁이 기판상에 고정되고, 상기 기판상 또는 기판내에 형성된 배선이 상기 금속팁과 연결되고, 상기 금속팁과 연결되는 반대쪽의 배선을 외부와 연결함으로써 상기 나신경전극의 금속팁으로 외부의 전기신호가 전달되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the nerve electrode may include a substrate, a metal tip including the gold line may be fixed on the substrate, a wire formed on or in the substrate may be connected to the metal tip, And an external electrical signal is transmitted to the metal tip of the nerve electrode by connecting the wire to the outside.
예시적으로, 상기 금 나노선을 포함하는 금속팁은 전기화학 측정장비 등의 외부 기기와 연결되기 위해 상기 본체 또는 기판의 배선부분이 상기 외부기기에서 제공되는 집게와 같은 연결수단과 결합할 수 있다. Illustratively, the metal tip, including the gold nanowire, may be coupled with a connection means, such as a clamp, provided on the external device, for connecting the body portion or the wiring portion of the substrate to an external device such as an electrochemical measuring device .
또한 본 발명은 상기 단결정 금 나노선을 포함하는 신경전극을 2개 이상 포함하며, 상기 각각의 신경전극은 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직에 독립적으로 삽입되어, 상기 신경세포 또는 신경세포를 포함하는 생체조직으로부터 독립적으로 전기신호를 수신하거나 또는 전기 자극을 제공할 수 있는 신경전극 장치를 제공할 수 있다. 상기 신경전극 장치는 단결정 금 나노선을 포함하는 신경전극을 복수개 포함함으로써, 각각의 신경전극이 삽입된 신경세포 또는 생체조직으로부터 전기신호를 동시에 독립적으로 전달받을 수 있고, 상기 신경세포 또는 생체조직에 전기자극을 동시에 독립적으로 제공할 수 있다. 상기 신경전극 장치의 구성은 예시적으로, 2 개 또는 3개의 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 조합하여 제조할 수 있고, 이보다 더 많은 개수의 신경 전극을 포함할 수도 있다. In addition, the present invention includes two or more nerve electrodes including the single crystal gold nanowire, wherein each of the nerve electrodes is independently inserted into a biological tissue including nerve cells or nerve cells, It is possible to provide a neuroelectrode device capable of receiving electrical signals or providing electrical stimulation independently from the contained biological tissue. The neural electrode device includes a plurality of nerve electrodes including monocrystalline gold or nanowires, so that electrical signals can be independently transmitted from nerve cells or biotissues into which the respective nerve electrodes are inserted, Electrical stimulation can be provided independently at the same time. The configuration of the neural electrode device is illustratively made by combining a neural electrode including two or three gold nanowires, and may include a larger number of neural electrodes.
또한 본 발명의 신경전극이 본체 또는 기판을 포함하는 경우, 상기 신경전극 장치는 각각의 신경전극이 본체 또는 기판을 각각 구비할 수도 있거나, 또는 하나의 본체 또는 기판내에 각각의 신경전극이 구비된 형태일 수 있다.In the case where the nerve electrode of the present invention includes a body or a substrate, each of the nerve electrode units may have a body or a substrate, or may have a shape in which each nerve electrode is provided in one body or a substrate Lt; / RTI >
상기 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 제조하기 위한 예시적인 방법을 실시예를 통하여 설명하면, 다음과 같다. 본 발명에서 앞서 설명된 기상 이송법에 의해 기판상에 형성된 금 나노선을 광학 현미경을 이용한 관찰 하에서 피에조일렉트릭 스테이지로 구성된 나노 조작기(nanomanipulator)를 이용하여 상기 금 나노선을 텅스텐 팁에 붙이고 텅스텐 팁을 네일 바니시(nail varnish)로 절연하여 상기 신경 전극을 제작할 수 있다. An exemplary method for manufacturing the nerve electrode including the gold nanowire will now be described with reference to the following examples. The gold nanowire formed on the substrate by the above-described vapor phase transfer method according to the present invention was attached to the tungsten tip using a nanomanipulator composed of a piezoelectric electric stage under observation with an optical microscope, and a tungsten tip The nerve electrode may be fabricated by inserting it with a nail varnish.
이 경우 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 텅스텐 팁은 선택적으로 본체와 연결되거나 또는 기판상에 고정되며 배선을 통해 외부와 연결될 수 있다. In this case, as described above, the tungsten tip may be selectively connected to the main body or fixed on the substrate, and may be connected to the outside through the wiring.
본 발명에서 사용되는 상기 금 나노선은 c-cut 사파이어 기판 상에, 알루미나 보트내 Au slug를 채우고 이를 1100도로 가열하면서, 챔버내 압력을 5-15 torr 하에서 Ar가스를 100 sccm의 유량으로 흘려 금 증기를 공급하고, 촉매를 사용하지 않은 조건에서 기판에 실질적으로 수직한 방향으로 금 나노선을 애피택셜 성장시켜 얻을 수 있다. The gold nanowire used in the present invention is formed by filling an Au slug in an alumina boat on a c-cut sapphire substrate and flowing the Ar gas at a flow rate of 100 sccm under a pressure of 5 to 15 torr while heating the same at 1100 degrees. Steam can be supplied, and the gold nanowire can be epitaxially grown in a direction substantially perpendicular to the substrate under the condition that the catalyst is not used.
c-cut 사파이어 기판은 Au (110) 면과 선호하는(favorable) 격자 관계를 가지고 있어서 기판 위에서 반정팔면체 금 시드(half-octahedral Au seed)가 형성되고 이 시드(seed)로부터 금 나노선이 수직 성장한다. The c-cut sapphire substrate has a favorable lattice relationship with the Au (110) plane, so that a half-octahedral Au seed is formed on the substrate, and the gold nanowires are grown vertically from the seed do.
도 1(d)는 수직 성장한 금 나노선의 전자현미경 사진이다. 상기 도 1(d)에서의 스케일바(scale bar)는 2 ㎛를 표시한다. 금 나노선은 10 내지 300 nm의 직경과 1 내지 100 μm의 길이를 갖는다. 금 나노선이 충분히 길고 빛을 잘 산란시키므로 일반적인 광학 현미경으로 단일 금 나노선까지 관찰할 수 있다. 1 (d) is an electron micrograph of gold nanowires grown vertically. The scale bar in Fig. 1 (d) indicates 2 [mu] m. The gold nanowire has a diameter of 10 to 300 nm and a length of 1 to 100 m. Because the gold nanowire is long enough and the light is well scattered, a single gold or nanowire can be observed with a conventional optical microscope.
또한 본 발명에서 상기 금속 팁으로서 텅스텐을 사용하여, 텅스텐 팁에 금 나노선을 붙이기 위해 텅스텐 팁을 나노조작기(nanomanipulator)에 장착시키고, 텅스텐 팁끝에 전도성 접착체로서 은입자를 주성분으로 하는 수지 접착제를 묻힌 뒤, 기판상에 형성된 금 나노선으로 접근시키고, 부드럽게 접촉시켜서 집어낸다(도 1(a) 및 1(b) 참조) In the present invention, tungsten is used as the metal tip, and a tungsten tip is attached to a nanomanipulator in order to attach a gold nanowire to the tungsten tip. A resin adhesive mainly composed of silver particles as a conductive adhesive agent is attached to the tip of the tungsten tip After being buried, the gold nanowires formed on the substrate are brought into close contact with each other and gently contacted (refer to FIGS. 1 (a) and 1 (b))
상기 나노조작기를 이용하여 금 나노선이 부착된 텅스텐 팁을 네일 바니시(nail varnish)로 텅스텐 팁의 표면을 선택적으로 절연한다.(도 1(c) 참조) The nano manipulator is used to selectively insulate the surface of the tungsten tip with a nail varnish with a gold nanowire-attached tungsten tip (see FIG. 1 (c)).
상기 텅스텐 팁이 절연되지 않고 노출되면, 전극을 측정장치로서 사용하는 경우 원치 않는 신호가 측정되므로, 텅스텐 팁을 완전하게 절연하는 것이 중요하다. 한편, 상기 금 나노선이 부착된 텅스텐 팁은 광학적 관찰 하에서도 정밀하게 제어할 수 있으므로, 금 나노선을 제외하고 텅스텐 팁의 텅스텐 표면만을 쉽게 절연할 수 있다. If the tungsten tip is exposed without insulation, it is important to completely isolate the tungsten tip, since unwanted signals are measured when the electrode is used as a measurement device. On the other hand, the gold nanowire-attached tungsten tip can be precisely controlled even under optical observation, so that only the tungsten surface of the tungsten tip except for the gold nanowire can be easily insulated.
기존에 보고된 나노전극 제작법은 진공 환경, 금속 증착, 이온 집속빔을 이용한 절단, 금속 나노입자 코팅 또는 복잡한 절연 반응 등을 포함하는 데 비해, 본 발명의 금 나노선 제조 방법은 간단하면서도 빠른 시간안에 금 나노선 전극을 제조할 수 있는 장점이 있으며, 예컨대, 상기 금 나노선 전극은 광학적 모니터링 하의 상온/상압 조건에서 10분 이내에 제작될 수 있다. Conventional nanoparticle fabrication methods include vacuum environment, metal deposition, ion focusing beam cutting, metal nanoparticle coating, or complex insulation reaction, while the gold nanowire manufacturing method of the present invention is simple and fast For example, the gold nanowire electrode can be fabricated within 10 minutes under normal temperature / normal pressure conditions under optical monitoring.
도 1(e)는 제작된 금 나노선 전극의 광학 현미경사진을 보여주며, 도 1(f)는 제작된 금 나노선 전극의 전자 현미경 이미지를 보여주며, 스케일바(scale bar)는 20 ㎛를 표시한다. 또한 도 1(f)는 깨끗한 전자 현미경 이미지를 얻기 위해 이 나노선 전극은 절연 과정 이전에 관찰되었고, 금 나노선 전극의 확대된 전자 현미경 이미지인 도 1(g)는 기하학적으로 잘 정의된 전극 구조를 보여준다. 상기 도 1(g)에서의 스케일바(scale bar)는 100 nm를 표시한다. FIG. 1 (e) shows an optical microscope image of the fabricated gold nanowire electrode. FIG. 1 (f) shows an electron microscope image of the fabricated gold nanowire electrode and a scale bar of 20 μm Display. 1 (f), the nanowire electrode was observed before the insulation process to obtain a clean electron microscope image, and FIG. 1 (g), which is an enlarged electron microscope image of the gold nanowire electrode, shows a geometrically well defined electrode structure Lt; / RTI > The scale bar in FIG. 1 (g) indicates 100 nm.
상기 단결정 금 나노선은 다른 물질들로부터 구분되는 여러 가지 특징을 가지고 있는데, 첫째로 극히 작은 크기와 금의 생적합성으로 인해 염증이 최소로 일어날 수 있고, 둘째로 작은 직경으로 인한 공간적 분해능이 양호하며, 셋째로 우수한 전기 전도성과 강하면서도 유연한 우수한 기계적 특성을 가지고, 네째로 잘 정의된 단결정 구조에 의한 재현성있는 물질 특성을 구현하며, 마지막으로 용이한 표면 개질을 위한 원자수준에서 편평한 금 (111) 표면을 가짐으로써, 상기 금 나노선을 이상적인 신경 전극으로 만들 수 있다.The monocrystalline gold nanowire has several features distinguished from other materials: firstly, minimal size and gold biocompatibility can result in minimal inflammation; secondly, small spatial resolution due to small diameters; , Third is to have excellent electrical conductivity, strong and flexible, excellent mechanical properties, fourthly to realize reproducible material properties by well-defined monocrystalline structure, and finally to form a flat (111) surface at atomic level for easy surface modification , The gold nanowire can be made into an ideal neural electrode.
한편, 도 2(a) 및 2(b)는 순환전압전류법과 전류-전압 (I-V) 측정을 통해 금 나노선 전극의 전기화학적 결과를 도시하였다. 2 (a) and 2 (b) show the electrochemical results of the gold nanowire electrodes through cyclic voltammetry and current-voltage (I-V) measurements.
도 2(a)에서는 50 mM 황산 용액에서 얻어진 순환전압전류곡선(CV)을 나타낸다. 상기 도 2(a)에서 0.89 와 0.40 V에서 피크를 관찰할 수 있는데 이는 금 (111) 표면의 산화 및 환원과 연관되어있다. 한편 텅스텐의 반응과 관련된 피크는 관찰되지 않았는데, 이는 텅스텐 부분이 완벽하게 절연되었음을 나타낸다. 2 (a) shows the cyclic voltammetric curves (CV) obtained in a 50 mM sulfuric acid solution. In FIG. 2 (a), peaks can be observed at 0.89 and 0.40 V, which is related to oxidation and reduction of the gold (111) surface. On the other hand, no peak related to the reaction of tungsten was observed, indicating that the tungsten portion was completely insulated.
금 나노선 전극의 표면 특성을 더 조사하기 위해 우리는 5 mM CuSO4/50 mM 황산 용액에서 금 나노선 위의 구리 underpotential deposition(UPD)를 측정하였고 이는 도 2(a)의 내부에 도시하였다. To further examine the surface characteristics of the gold nanowires electrodes We 5 mM CuSO 4/50 mM was measured copper underpotential deposition (UPD) above the gold nanowires in a sulfuric acid solution, which is shown therein in FIG. 2 (a).
금속의 UPD는 금속 이온이 전기화학적으로 환원되어 다른 금속 전극 위에 증착될 때 열역학적으로 예측되는 전위보다 덜 네가티브(less negative)한 전위에서 환원이 일어난다. 일반적으로 UPD는 전극 표면의 결정성이나 거칠기에 매우 민감하며, 본 발명에서의 금 나노선 전극에서는 4개의 {111} 측면과 등변 삼각형으로 이루어진 2개의 {111} 윗면이 노출되어 있다. 상기 도 2(a)에서 볼 수 있듯이 -0.16 V에서 갈라짐 없이 날카로운(sharp) 환원 및 산화 피크는 잘 정의된 Au (111) 표면에서 구리 단층이 증착되고 용해되는 것을 명백하게 나타낸다. The UPD of the metal is reduced at a less negative potential than the thermodynamically predicted potential when metal ions are electrochemically reduced and deposited on other metal electrodes. Generally, the UPD is very sensitive to the crystallinity and roughness of the electrode surface. In the gold nanowire electrode of the present invention, four {111} sides and two {111} upper surfaces composed of equilateral triangles are exposed. As can be seen in FIG. 2 (a), sharp reduction and oxidation peaks at -0.16 V clearly indicate that the copper monolayer is deposited and dissolved at the well-defined Au (111) surface.
한편, 도 2(b)에서는 20 mM K3Fe(CN)6용액에서 얻은 금 나노선 전극의 s-모양 정상상태 CV를 나타내는데, 이는 나노미터 크기의 아주 작은 전극에서 예측되는 대로, 전극표면으로의 물질 수송이 컨버전트(convergent) 확산에 의해 빠르게 일어남을 나타낸다. 이러한 전기화학적 테스트는 금 나노선 전극이 전통적인 신경 임플란트에 비해 매우 작으면서도, 신경 전극장치에서 필수적인 특출한 계면 조건을 제공함을 입증한다.2 (b) shows the s-shaped steady state CV of the gold nanowire electrode obtained from a 20 mM K 3 Fe (CN) 6 solution, which, as expected from a very small nanometer-sized electrode, Indicating that the material transport of the material is rapidly accelerated by convergent diffusion. This electrochemical test demonstrates that the gold nanowire electrode is very small compared to conventional neural implants, but also provides a superb interface condition that is essential in neuroelectrode devices.
일반적으로 신경신호를 측정하는 데 있어, 전극의 기계적 성질, 전기적 임피던스, 활성전극면적, 생체 적합성(biocompatibility) 등은 관찰되는 신경신호의 질에 매우 큰(critical) 영향을 준다. 따라서 본 발명에서는 신경 조직과 유사한 동력학적 특성(dynamic mechanical behavior)을 보인다고 보고된 0.4% agarose 젤을 사용하여 금 나노선 전극의 기계적 특성을 조사하였고, 도 3(a)는 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 agarose 젤에 삽입하기 전, 삽입 후 및 이를 젤로부터 제거한 후의 사진을 나타내었고, 도 3(b)는 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 고체 표면에 대고 눌러졌을 경우의 각각의 사진(scale bar는 10 ㎛)을 도시하였다. In general, the mechanical properties, electrical impedance, active electrode area, biocompatibility, etc. of the electrodes in measuring neuronal signals have a critical impact on the quality of the observed neural signals. Therefore, in the present invention, the mechanical properties of gold nanowire electrodes were investigated using a 0.4% agarose gel reported to exhibit dynamic mechanical behavior similar to that of nerve tissue. Figure 3 (a) , And FIG. 3 (b) is a photograph of the nerve electrode including the gold nanowire of the present invention pressed against the solid surface. FIG. 3 (The scale bar is 10 mu m).
상기 도 3(a)에서 보는 바와 같이 0.4 ~ 0.6 % agarose 젤에 삽입됐을 때 금 나노선 전극은 직선의 곧은(straight) 모양을 유지하는 것을 볼 수 있다, 또한 전극을 불투명한 브레인 슬라이스(brain slice)에 삽입하였을 때, 금 나노선의 구조적 형태를 직접적으로 관찰할 수 없었지만, 삽입 후 금 나노선을 빼냈을 때, 나노선이 곧은 모양을 유지하는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 3 (a), when the gold nanowire electrode is inserted into a 0.4 to 0.6% agarose gel, it can be seen that the wire maintains a straight line shape, and the electrode is made of an opaque brain slice ), We could not directly observe the structural morphology of the gold nanowires. However, we can confirm that when the gold nanowires are removed after insertion, the nanowires maintain their straight shape.
또한 200 nm 이하의 가는 금 나노선이 뇌 조직 (또는 뇌와 같은 물질) 속에 삽입(implant) 되었을 때 직선의 곧은(straight) 형태가 유지되었던 까닭은 금 나노선이 유연하고 대단히 강한 역학적 성질을 동시에 가지기 때문으로 추정되며, 이러한 특별한 역학적 성질은 금 나노선의 완전한 결정성에 기인한다. 전자현미경 동영상으로부터 캡쳐된 그림 3(b)의 SEM 이미지는 금 나노선이 고체 표면에 대고 눌러졌을 때 유연하게 휘어졌다가 다시 완전히 복원되는 것을 보여준다.In addition, when a thin gold nanowire of less than 200 nm was implanted into the brain tissue (or brain), the straight line was retained because the gold nanowire was flexible and had very strong mechanical properties This particular mechanical property is attributed to the complete crystallinity of the gold nanowire. The SEM image of Figure 3 (b) captured from an electron microscope video shows that the gold nanowire is flexed flexibly when fully pressed against the solid surface and then fully restored.
본 발명의 신경 전극은 금 나노선을 포함하며, 상기 단일 금 나노선은 52 Ω의 저항과 2.08 × 10-8Ωm의 비저항을 보여주는데, 이는 벌크(bulk)의 금의 비저항 값(2.21 × 10-8Ωm)과 잘 일치한다. 생물학적으로 관련있는 주파수인 1 kHz에서 측정된 7개의 금 나노선 전극의 평균 임피던스는 5.6 MΩ 이었다. 금 나노선 전극의 표면적이 직경이 수십 μm인 상용의(conventional) 텅스텐 전극의 표면적의 ~10-4에 해당하지만, 그들의 임피던스 값은 유사하다. 따라서 이러한 금 나노선 전극의 우수한 전기적 특성은 신경 탐침을 위한 뛰어난 신소재로서의 응용이 가능하게 한다. Nerve electrode according to the invention comprises a gold nanowires, the nanowires are single gold to show a resistance of 52 Ω and 2.08 × 10 -8 Ωm resistivity, which resistivity of gold in bulk (bulk) (2.21 × 10 - 8 Ωm). The average impedance of seven gold nanowire electrodes measured at 1 kHz, a biologically relevant frequency, was 5.6 MΩ. The surface area of gold nanowire electrodes corresponds to ~ 10 -4 of the surface area of a conventional tungsten electrode with a diameter of several tens of micrometers, but their impedance values are similar. Therefore, the excellent electrical properties of these gold nanowire electrodes make it possible to apply them as excellent new materials for the nerve probe.
앞서 기재한 금 나노선 전극의 우수한 기계적 및 전기적 특성에 더하여, 금 나노선의 가장 특별한 성질은 가장 높은 공간 분해능을 제공하는 극히 작은 크기이다. In addition to the excellent mechanical and electrical properties of the gold nanowire electrodes described above, the most specific property of gold nanowires is the extremely small size that provides the highest spatial resolution.
본 발명에서의 금 나노선 전극을 포함하는 신경 전극의 특성을 파악하기 위해, 자유롭게 움직이는 쥐의 뇌에서 신경 신호를 측정하였다. In order to characterize the nerve electrodes containing gold nanowire electrodes in the present invention, nerve signals were measured in freely moving rat brain.
본 발명에서 실시예로서 사용된 쥐는 Young male C57BL/6 mice (22 ~ 25 g)으로서, 12시간의 light/dark 주기와 자유식(ad libitum access to food and water) 조건하에서 길러졌다. The rats used as examples in the present invention were young male C57BL / 6 mice (22-25 g) and were raised under light / dark cycles of 12 hours and ad libitum access to food and water conditions.
또한, 상기 쥐에 전극을 삽입하는 방법은 쥐를 stereotaxic apparatus에 고정시킨 후 1% ketamine(30 mg/kg), xylazine hydrochloride(4mg/kg)용액을 주사하여 마취하였고, 쥐의 뇌 속으로 2개의 전극을 삽입하였다. Methods for inserting the electrodes into the mice were as follows: mice were fixed in a stereotaxic apparatus and anesthetized with a solution of 1% ketamine (30 mg / kg) and xylazine hydrochloride (4 mg / kg) Electrodes were inserted.
상기 삽입된 뇌의 위치는 우뇌의 hippocampal CA1 영역 내 정수리점으로부터 anteroposterior (AP) -1.8, lateral (L) 1.8, dorsoventral (DV) 1.5 mm, 및 AP -1.8, L 0.8, DV 1.4 mm 지점에 해당하며 소뇌에 접지 전극을 위치시켰다.The position of the inserted brain corresponds to anteroposterior (AP) -1.8, lateral (L) 1.8, dorsoventral (DV) 1.5 mm, AP -1.8, L 0.8, DV 1.4 mm from the crown of the hippocampal CA1 region of the right brain And the ground electrode was placed in the cerebellum.
또한, pilocarpine 약물에 의한 신경 반응을 측정할 때에는 추가적으로 right hemisphere ar AP -2.5, L 2.0, DV 1.4 mm 위치에 세 번째 전극을 삽입하였다. In addition, when measuring the neuronal response to pilocarpine drug, a third electrode was inserted in the right hemisphere ar AP -2.5, L 2.0, DV 1.4 mm.
또한, 신경 신호 측정 조건은 digital electroencephalography system (CometXL, Astro-Med,Inc., Warwick, RI)를 이용하였으며. 신호 증폭은 1200배, bandpass filtering은 0.1 ~ 70 Hz, 샘플링 레이트(sampling rate)는 400 Hz로 하였다. In addition, the nerve signal was measured using a digital electroencephalography system (CometXL, Astro-Med, Inc., Warwick, RI). The signal amplification was 1200 times, the bandpass filtering was 0.1 to 70 Hz, and the sampling rate was 400 Hz.
본 발명의 신경 전극의 공간 분해능을 테스트하기 위하여 쥐 뇌의 hippocampus CA1 영역에 1 mm 떨어져서 심어진 2개의 금 나노선 전극으로 신경 신호를 측정하였고, 비교예로서 기록 성능을 비교하기 위해 우리는 같은 방법으로 1 mm 떨어진 2개의 텅스텐 전극으로부터 신경신호를 측정하였다. In order to test the spatial resolution of the neuroelectrodes of the present invention, the neural signals were measured with two gold nanowire electrodes implanted at a distance of 1 mm from the hippocampus CA1 region of the rat brain. To compare the recording performance as a comparative example, The nerve signals were measured from two
도 4(a)는 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 쥐의 뇌의 hippocampus CA1 영역에 1 mm 떨어져서 2개를 삽입한 것을 나타내는 사진이고, 도 4(b)는 상기 쥐의 뇌에 삽입된, 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극과 비교예로 사용되는 텅스텐 전극의 형태를 도시한 그림이다.FIG. 4 (a) is a photograph showing that the neural electrode including the gold nanowire of the present invention is inserted into the hippocampus CA1 region of the rat brain at a distance of 1 mm, FIG. 4 (b) FIG. 3 is a view showing the shape of the inserted neural electrode including the gold nanowire of the present invention and a tungsten electrode used as a comparative example. FIG.
도 4(b)를 통해 본 발명에서 사용된 금 나노선 전극 (A)과 비교예로서 사용한 텅스텐 전극 (B)의 광학이미지가 비교될 수 있다. 여기서, 상기 텅스텐 전극은 금 나노선이 부착된 지지 텅스텐 전극과 동일하며, 중간 부분에서 직경이 1 μm인 테이퍼된(tapered) 구조를 가지며, 도 4(b)의 초록색 영역은 nail varnish에 의한 절연층을 나타내며, scale bar는 5 ㎛를 나타낸다. The optical image of the gold nanowire electrode A used in the present invention and the tungsten electrode B used as a comparative example can be compared through FIG. 4 (b). Here, the tungsten electrode is the same as the supporting tungsten electrode to which the gold nanowire is attached, has a tapered structure with a diameter of 1 μm at the middle portion, and the green region of FIG. 4 (b) Layer, and the scale bar represents 5 mu m.
도 5 및 도 6은 각각 상기 금 나노선 전극과 텅스텐 전극으로 60초 동안 기록한 신경 신호를 보여준다.5 and 6 show the nerve signals recorded for 60 seconds by the gold nanowire electrode and the tungsten electrode, respectively.
보다 구체적으로, 도 5(a)는 본 발명에서의 금 나노선을 포함하는 두 개의 신경 전극을 1 mm간격으로 쥐의 뇌에 삽입하였을 때의 60초 동안 기록한 신경 전극신호를 도시하였고, 도 5(b)는 도 5(a)이 경우에서의 신경 신호의 colored power spectrum(주파수별 신호의 세기를 시간에 따라 나타낸 것)을 도시하였고, 도 6(a)는 비교예로서 텅스텐 전극을 포함하는 두 개의 신경 전극을 1 mm간격으로 쥐의 뇌에 삽입하였을 때의 60초 동안 기록한 신경 전극신호를 도시하였고, 도 6(b)는 도 6(a)이 경우에서의 신경 신호의 colored power spectrum(주파수별 신호의 세기를 시간에 따라 나타낸 것)을 도시하였다. More specifically, FIG. 5 (a) shows the nerve electrode signal recorded for 60 seconds when two neurons including the gold nanowires according to the present invention were inserted into the brain of a mouse at intervals of 1 mm, and FIG. 5 (b) shows the colored power spectrum of the neural signal in this case (the intensity of the signal in each frequency is shown in time), and Fig. 6 (a) shows the tungsten electrode Fig. 6 (b) shows the neuronal signal recorded for 60 seconds when two neurons were inserted into the brain of a mouse at intervals of 1 mm. Fig. 6 (b) Frequency-dependent signal intensity in time).
상기 도 5 및 도 6을 통해 본 발명의 금 나노선 전극은 특징적인 신경 스파이크 신호가 측정가능하였고, 국소적인 신경 신호가 독립적으로 측정되는 것을 알 수 있고, 상기 텅스텐 전극은 뚜렷한 스파이크 신호를 측정할 수 없었고, 서로 상당히 연관된 신경 신호가 측정되었다. 5 and 6, it can be seen that the gold nanowire electrode of the present invention is capable of measuring a characteristic nerve spike signal and that local nerve signals are independently measured, and that the tungsten electrode measures a sharp spike signal And the neuronal signal, which is highly related to each other, was measured.
또한 도 5 및 도 6은 두 전극이 유사한 baseline oscillation을 보여주지만 특징적인 신경 스파이크 신호는 금 나노선 전극에서만 관찰되었다. 5 and 6 show that the two electrodes exhibit similar baseline oscillations, but characteristic nerve spike signals are observed only on gold nanowire electrodes.
또한, 상기 쥐 뇌에서 1 mm만큼 떨어져 심어진 두 금 나노선 전극로부터 측정된 신경 신호는 각각으로부터 서로 상당히 다름을 알 수 있어, 특정 공간의 부분에서의 신경신호는 이와 1 mm 떨어진 부분의 신호와 차이가 있어 공간 분해능이 매우 좋은 것을 알 수 있다.In addition, the neural signals measured from the two gold nanowire electrodes spaced 1 mm apart from the rat brain are significantly different from each other, and the neural signals in the specific space portion are different from the signals of the 1 mm apart portion And the spatial resolution is very good.
한편, 신경전극의 크로스 연관분석(cross-correlation)을 통해 두 금 나노선 전극과 두 텅스텐 전극으로부터 얻어진 신경 신호를 정량적으로 분석하였다. On the other hand, the neuronal signals obtained from two gold nanowire electrodes and two tungsten electrodes were quantitatively analyzed by cross-correlation analysis of the neural electrodes.
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명에서 금 나노선을 포함하는 신경전극과 텅스텐 전극을 포함하는 신경전극의 크로스 연관분석(cross-correlation analysis)을 도시한 그림이고, 도 7(c)는 금 나노선 (n = 6) 및 텅스텐 (n = 8) 전극으로 측정한 신경 신호의 크로스 연관분석 곡선의 첫 번째 peak 값의 평균을 도시하였다. 7 (a) and 7 (b) are cross-correlation analysis of a nerve electrode including a gold nanowire and a tungsten electrode according to the present invention. c) shows the average of the first peak values of the cross-correlation analysis curve of neuronal signals measured with gold nanowire (n = 6) and tungsten (n = 8) electrodes.
상기 신경 신호의 cross-correlation 곡선의 첫 번째 peak 값의 평균은 이 값이 높을수록 신호의 유사도가 높음을 의미하며, 상기 error bar는 표준 편차를 나타낸다.The average of the first peak value of the cross-correlation curve of the neural signal means that the higher the value is, the higher the degree of similarity of the signal, and the error bar indicates the standard deviation.
상기 도 7(a) 에서 보는 바와 같이 두 개의 금 나노선 전극으로부터의 신호는 0.20의 유사도를 가지며 도 7(b)에서는 두 텅스텐 전극으로부터의 유사도는 0.80이다. 또한, 금 나노선 (n = 6) 과 텅스텐 (n = 8) 전극은 각각 평균 유사도 0.28과 0.88을 보였다. As shown in FIG. 7 (a), the signals from the two gold nanowire electrodes have a degree of similarity of 0.20 and the similarity from the two tungsten electrodes in FIG. 7 (b) is 0.80. In addition, the gold nanowire (n = 6) and tungsten (n = 8) electrodes showed an average similarity of 0.28 and 0.88, respectively.
이러한 결과는 통계적으로 의미가 있으며 (P < 0.05), 금 나노선 전극이 텅스텐 전극에 비해 더 높은 공간 분해능을 제공할 수 있는 것을 볼 수 있고, 이는 금 나노선 전극보다 약 10배 더 큰 텅스텐 전극으로는 불가능하지만 ~120 nm 직경의 금 나노선 전극이 높은 공간 분해능으로 매우 깨끗한 스파이크 신경신호를 잡아낼 수 있음을 보여준다.These results are statistically significant (P <0.05), indicating that gold nanowire electrodes can provide higher spatial resolution than tungsten electrodes, which is about 10 times larger than gold nanowire electrodes , But the ~ 120 nm diameter gold nanowire electrode can capture very clean spike nerve signals with high spatial resolution.
이는 본 발명의 금 나노선 신경 전극이 금 나노선의 매우 감소된 표면적에 의해 텅스텐에 비해 훨씬 높은 공간 분해능을 가짐을 나타낸다. 일반적으로 신경 신호의 분출(burst)은 공간적으로 분포된 포텐셜 필드(potential field)의 시간에 따른 변화를 일으키며, 더 높은 공간 분해능을 갖는 더 작은 신경 전극은 시간에 따른 포텐셜 필드(potential field)의 국부적인 변화를 감지할 수 있지만, 더 큰 전극은 이를 구현하기가 어려운 것으로 추정된다. This indicates that the gold nanowire electrode of the present invention has much higher spatial resolution than tungsten due to the very reduced surface area of gold nanowires. In general, the burst of a neural signal causes a time-dependent change in the spatially distributed potential field, and a smaller neural electrode with a higher spatial resolution is localized in the potential field over time , But larger electrodes are assumed to be difficult to implement.
또한 전극 삽입(implanting)에 기인한 조직 손상 및 이에 따른 조직의 염증 반응이 측정된 신경신호에 중요한 영향을 줄 수 있는데, 상기 전극삽입의 경우 신경조직을 손상시킬 수 있고 이는 신경 신호를 저하한다. 일반적으로 신경신호 측정 전에 보통 전극삽입 후 상처가 치유되도록 소정 기간(~7일)을 기다리긴 하지만, 새롭게 생성된 조직은 신경신호측정에 불확실성을 제공할 수 있다. 따라서 본 발명에서의 금 나노선 전극과 같은 극히 작은 크기와 날카로운 팁은 삽입에 의한 손상 및 조직의 염증 반응을 최소화할 수 있어 장점을 가질 수 있다.In addition, tissue damage due to electrode implantation and subsequent tissue inflammation can have a significant effect on the measured neural signals, which can damage the nerve tissue in the case of electrode insertion, which degrades nerve signals. Generally, the newly created tissue may provide uncertainty in nerve signal measurement, although it usually waits for a predetermined period (~ 7 days) to heal the wound after insertion of the electrode prior to nerve signal measurement. Therefore, the extremely small size and sharp tip such as the gold nanowire electrode according to the present invention can be advantageous because it minimizes the damage due to insertion and the inflammation reaction of the tissue.
또한 본 발명에서의 금 나노선 신경전극의 성능은 신경 활동의 다양한 유형의 구별을 잠재적으로 가능하도록 이용될 수 있다. 예시적으로, 본 발명의 신경 전극을 사회적 상호작용 및 발작 중심 검출을 위한 뇌 신경신호의 변화를 측정하는데 이용할 수 있다. The performance of the gold nanowire electrodes in the present invention can also be exploited to potentially enable different types of nerve activity to be distinguished. Illustratively, the neuroelectrodes of the present invention can be used to measure changes in cranial nerve signals for social interaction and seizure center detection.
이를 위해 본 발명의 금 나노선 신경전극을 뇌에 삽입한 쥐와 비교예로서 텅스텐 전극을 포함하는 신경전극을 삽입한 쥐의 공간에 낯선 쥐가 침입하도록 하고 신경신호의 변화를 측정하였다. For this purpose, the neuronal electrode of the present invention was infiltrated into the brain of a rat with a neural electrode containing a tungsten electrode as a comparative example, and the change of the neural signal was measured.
도 8(a)는 본 발명에서 외부침입자를 두지 않은 상태에서 혼자 있는 쥐의 뇌에 신경전극이 삽입된 것을 도시하였고, 도 8(b)는 상기 쥐의 뇌에 금 나노선을 포함하는 신경전극을 삽입한 경우에 제공된 신경신호와 텅스텐 전극을 삽입한 경우에 제공된 신경신호를 도시하였으며, 도 8(c)는 각 경우에서의 신경 신호의 colored power spectrum(주파수별 신호의 세기를 시간에 따라 나타낸 것)을 도시하였고, 도 9(a)는 본 발명에서 외부침입자로서 다른 쥐가 있는 상태에서의 쥐의 뇌에 신경전극이 삽입된 것을 도시하였고, 도 9(b)는 상기 쥐의 뇌에 금 나노선을 포함하는 신경전극을 삽입한 경우에 제공된 신경신호와 텅스텐 전극을 삽입한 경우에 제공된 신경신호를 도시하였으며, 도 9(c)는 각 경우에서의 신경 신호의 colored power spectrum(주파수별 신호의 세기를 시간에 따라 나타낸 것)을 도시하였다. FIG. 8 (a) shows the insertion of a nerve electrode into the brain of a single rat without an external intruder, and FIG. 8 (b) FIG. 8 (c) is a graph illustrating the relationship between the colored power spectrum of the neural signal in each case FIG. 9 (a) shows the insertion of a nerve electrode into the brain of a rat in the state where another rat is present as an external intruder in the present invention, and FIG. 9 (b) Fig. 9 (c) shows the colored power spectrum of the nerve signal in each case (frequency-dependent signal At the time of the century Shows the d) are shown.
도 8(b) 및 도 9(b)의 신경 신호를 보면, 본 발명에서의 금 나노선 신경 전극에서는 침입 이후에 스파이크 신호가 눈에 띄게 향상되었는데, 이는 높은 뇌 활동을 나타내는 것을 알려 주며, 상응하는 파워 스펙트럼(power spectrum) 또한 쥐의 흥분 상태와 관련된 고주파수의 신경 신호를 보여준다. 8 (b) and Fig. 9 (b), the spike signal was noticeably improved after the invasion in the gold nanowire neuro electrode of the present invention, indicating that it exhibits high brain activity, The power spectrum also shows high frequency nerve signals related to the rat excitability.
그러나, 상기 탕스텐 전극에서는 침입 이후에 신경 신호 및 그에 상응하는 colored power spectrum이 의미 있게 달라지지 않음으로써, 침입에 따른 스파이크 신호의 증강을 측정할 수 없었다. 따라서 이를 통해 본 발명에서의 금 나노선 전극이 일반적으로 사용되는 텅스텐 전극에 비해 더 높은 감도로 신경 신호를 측정하여 보다 상세한 정보를 제공할 수 있음을 알 수 있다. However, since the neural signal and the corresponding colored power spectrum after intrusion were not significantly changed in the Tanten electrode, the enhancement of the spike signal due to the intrusion could not be measured. Therefore, it can be seen that the gold nanowire electrode according to the present invention can provide more detailed information by measuring the neural signal with higher sensitivity than that of the commonly used tungsten electrode.
또한 본 발명의 신경 전극은 발작 중심 검출을 위한 뇌 신경신호의 변화를 측정하는데 이용할 수 있다. The neural electrode of the present invention can also be used to measure changes in the cranial nerve signals for seizure center detection.
뇌 활동은 또한 간질 등의 신경성 질환에 의해서 대단히 증가되는데, 간질의 치료를 위해서는, 간질 스파이크를 형성시키는 발작 중심을 정밀하게 찾는 것이 중요하다. 이를 위해 쥐 뇌의 hippocampus CA1 영역에 3개의 금 나노선 전극을 서로 1 mm만큼 떨어뜨려서 심었고, 발작을 유도하는 물질로 사용되는 muscarinic acetylcholine 수용체 효능제인 pilocarpine 을 주입(330 mg/kg, intraperitoneal injection) 후 신경 신호를 기록하였다. 또한 비교를 위해 텅스텐 전극을 이용한 기록도 수행되었는데, 이는 앞서 사용한 텅스텐 신경 전극과 동일하다. 상기 결과를 도 10(a) 및 도 10(b)에 도시하였다.Brain activity is also greatly increased by neurological disorders such as epilepsy. For the treatment of epilepsy, it is important to precisely locate the seizure center that forms epileptic spikes. To this end, three gold nanowire electrodes were placed 1 mm apart on the hippocampus CA1 region of the rat brain, and pilocarpine (330 mg / kg, intraperitoneal injection), a muscarinic acetylcholine receptor agonist, The posterior nerve signals were recorded. For comparison, recording with a tungsten electrode was also performed, which is the same as the previously described tungsten nerve electrode. The results are shown in Figs. 10 (a) and 10 (b).
도 10(a)는 발작을 유도하는 약물인 pilocarpine을 쥐에게 주입했을 때 쥐 뇌의 hippocampal CA1 영역에 1 mm 간격으로 떨어져서 삽입된 세 개의 금 나노선 전극을 삽입하여 측정한 신경신호를 도시하고 있고, 도 10(b)는 동일한 조건하에서 세 개의 텅스텐 전극을 삽입한 경우의 신경신호를 도시하고 있다. FIG. 10 (a) shows the neural signals measured by inserting three gold nanowire electrodes inserted at 1 mm intervals into the hippocampal CA1 region of rat brain when pilocarpine, a seizure inducing drug, was injected into rats , And Fig. 10 (b) show the nerve signals when three tungsten electrodes are inserted under the same conditions.
이를 살펴보면, 본 발명에서의 3개의 금 나노선 전극으로부터의 신경신호는 3개의 텅스텐 전극으로부터의 신호에 비해 훨씬 더 독립적임을 알 수 있고, 도 10(a)에서의 중간의 금 나노선 전극으로부터의 신호는 다른 금 나노선 전극들로부터의 신호에 비해 더 높은 세기의 뚜렷한 초기 스파이크 활동을 보여주었는데, 이는 본 발명의 금 나노선을 포함하는 신경 전극을 이용하여 발작 중심을 정밀하게 찾는 것이 가능하다는 것을 시사한다.It can be seen that the neuronal signals from the three gold nanowire electrodes in the present invention are much more independent than the signals from the three tungsten electrodes, and the signal from the middle gold nanowire electrode in FIG. 10 (a) Signal showed a pronounced early spike activity at a higher intensity than signals from other gold nanowire electrodes suggesting that it is possible to precisely locate the seizure center using the neural electrodes containing the gold nanowires of the present invention It suggests.
이상 본 발명의 실시예들에 따른 단결정 금 나노선을 포함하는 신경 전극 및 이를 이용하여 생체조직으로부터의 전기신호를 수신하거나, 또는 상기 생체조직에 전기 자극을 제공하는 방법에 관하여 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.As described above, the neural electrode including the single crystal gold nanowire according to the embodiments of the present invention and the method for receiving the electric signal from the living tissue or providing the electric stimulation to the living tissue using the same, refer to the preferred embodiment It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.
Claims (12)
상기 금속 팁은 금, 은, 백금, 구리, 텅스텐 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금이 사용되는 것을 특징으로 하는, 신경 전극3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the metal tip is made of at least one selected from the group consisting of gold, silver, platinum, copper and tungsten.
상기 단결정 금 나노선은 직경이 20 내지 300 nm이고, 그 길이는 1 내지 100 μm인 것을 특징으로 하는, 신경 전극 3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the single crystal gold nanowire has a diameter of 20 to 300 nm and a length of 1 to 100 μm.
상기 단결정 금 나노선은 기상이송법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는, 신경 전극 5. The method of claim 4,
Characterized in that the monocrystalline gold nanowire is manufactured by a vapor phase transfer method,
상기 금 나노선은 전도성 접착제에 의해 금속 팁에 고정되는 것을 특징으로 하는, 신경 전극 The method of claim 3,
Characterized in that the gold nanowire is fixed to the metal tip by a conductive adhesive.
상기 신경전극은 일단부에 상기 금 나노선을 포함하는 금속팁이 부착되며, 내부에는 상기 금속팁으로 외부의 전기신호가 전달되도록 배선이 연결되되, 외부는 절연되어 있는 본체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 신경 전극 The method of claim 3,
The nerve electrode may further include a main body having a metal tip attached to the one end of the gold nanowire and connected to the wire so that an external electrical signal is transmitted to the metal tip, The nerve electrode
상기 신경전극은 기판을 포함하며, 상기 금나노선을 포함하는 금속팁이 기판상에 고정되고, 상기 기판상 또는 기판내에 형성된 배선이 상기 금속팁과 연결되고, 상기 금속팁과 연결되는 반대쪽의 배선을 외부와 연결함으로써 상기 신경전극의 금속팁으로 외부의 전기신호가 전달되는 것을 특징으로 하는, 신경 전극The method of claim 3,
Wherein the nerve electrode includes a substrate, a metal tip including the gold line is fixed on the substrate, a wiring formed on the substrate or the substrate is connected to the metal tip, and a wiring on the opposite side connected to the metal tip And an external electrical signal is transmitted to the metal tip of the nerve electrode by being connected to the outside.
상기 신경세포를 포함하는 생체조직은 포유류의 뇌 또는 척수인 것을 특징으로 하는, 생체조직으로부터의 전기신호를 수신하거나, 또는 상기 생체조직에 전기 자극을 제공하는 방법 11. The method of claim 10,
A method for receiving an electric signal from a living tissue or providing an electric stimulus to the living tissue, wherein the living tissue including the nerve cell is a brain or spinal cord of a mammal
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