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탄소-나노튜브 전극, 보다 좋은 뇌 연결 확인
연구소 2015-09-21 3346

 

 

탄소-나노튜브 전극, 보다 좋은 뇌 연결 확인

 

해외과학 기술 동향

2015-04-18

 

미국 과학자들이 탄소-나노튜브 섬유로 만든 전극을 제작했다. 연구팀은 이 전극을 이용해 뇌를 자극하고 신경으로부터 나오는 신호를 감지할 수 있다고 보고했다 (ACS Nano 2015, DOI: 10.1021/acsnano.5b01060). 이번에 개발된 연구 결과를 이용하면, 보철 장치와 신경 질환을 위한 뇌자극 치료법을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 나노튜브 섬유를 이용해 만든 전극은 기존 금속 전극과 비교할 때, 손상이 덜 되고, 쥐의 뇌 조직에 전기적으로 더 잘 연결되었다고 연구팀은 보고했다.

 

의사들은 파킨슨 질환과 같은 운동 장애를 치료하기 위해, 환자의 뇌에 금속 전극을 이식시킨 후에, 깊은 뇌 자극(Deep-Brain Stimulation, DBS)이라고 불리는 치료 방법으로 전류를 흐르게 할 수 있다. 의사들은 올바른 주파수를 정하기 위해 시행착오를 거친다. 예를 들어, 환자가 병원에 돌아와서 증세를 보고하고 전극을 조절하는 식이다. 따라서 뇌를 자극하고 뇌 활동을 기록할 수 있는 보다 나은 전극의 개발은, 자극 주파수를 조절할 수 있는 DBS 장치 개발로 이어질 수 있다. 이런 전극은 말초신경 시스템과 의수족 같은 체내 컴퓨터 인터페이스를 지원할 수도 있다.

 

라이스 대학(Rice University)Matteo Pasquali 박사팀은 강력한 전도성 탄소-나노튜브 섬유를 만들 수 있는 방법을 개발해 왔었다.Pasquali 박사는 신경 과학자들과의 대화 후, 섬유가 뇌를 탐지할 수 있는 좋은 전극으로 사용될 수 있다는 것을 깨달았다고 말한다. 탄소-나노튜브 섬유는 직경이 8μm 보다 적고, 전기 전도성을 잘 유지할 수 있어, 치료를 위한 자극을 전달하고 신경으로부터의 나오는 미세한 신호를 잡아내는데 이상적이다.

 

Pasquali 박사팀은 신경 공학자인 Caleb Kemere 박사와 협력 연구로, 파킨스 병의 쥐 모델을 이용해서12-μm 직영의 나노튜브 섬유를 시험해 보았다. 연구팀의 결과는 이리듐으로 코팅된 기존의 백금 전극을 사용했을 때의 결과와 비교 분석되었다. 연구팀은 쥐 뇌에 전극을 이식하고 DBS를 실시했다. 세포 조직에 전하를 이동시킬 때 나타나는 저항에 대한 경향을 나타내는 나노튜브 섬유의 임피던스(impedance)는 기존 전극의 1/20정도로 조사되었다. 이것은 나노튜브가 거대한 금속 전극만큼 효과적으로 전류를 전달할 수 있지만, 훨씬 작으면서도 보다 정확하게 타깃화된 뇌 지역에 전류를 이동시킬 수 있음을 보여주는 것이다.

 

Pasquali 박사를 놀라게 한 것은 섬유의 생물 적합성이다. 원래 연구팀이 개발한 섬유는 우주 항공에 응용하기 위해 개발해 왔기 때문이다. 또한 Pasquali 박사는 우리는 유연성에 대해서 말한 적이 없지만, 나중에 이들 섬유의 가장 중요한 특징이 되었다. 섬유는 부드러워서 뇌에 적합했다. 연구팀은 쥐에 전극을 이식한 뒤, 6주 후에, 전극 주위의 뇌 조직을 조사했으며, 금속 전극과는 다르게, 이식된 탄소-나노튜브 쥐 뇌에서 염증을 유발시키지 않았다는 것을 확인했다.

 

나노재료가 코팅된 전극을 개발하고 있는 미시간 대학(University of Michigan)Nicholas A. Kotov 박사는 이번 연구 결과가 인상적이라고 말했다. 박사는 전극이 얇을 수록 더 잘 작동하고, 섬유가 코팅이 될 수 있다면, 섬유의 임피던스를 더 낮출 수 있으며, 뇌 조직과의 연결을 향상시킬 수 있을 것이라고 덧붙였다. Pasquali 연구팀은 전극의 멀티 채널 어레이를 디자인하고 있으며, 이것은 뇌에서 여러 지역과 상호작용하는 기기가 될 것이라고 말했다.

 

[그림] 신경 케이블: 주사전자 현미경으로 촬영한 것으로, 꼬여있는 두 개의 탄소-나노튜브 섬유를 보여주고 있다. 이번에 개발된 섬유는 뇌 조직에 전류를 보내고, 뇌로부터 오는 신호를 기록할 수 있다.

 

 

* 키워드 : 탄소나노튜브, 전극, 깊은 뇌 자극

*   : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

*  : http://cen.acs.org/articles/93/web/2015/04/Carbon-Nanotube- Electrodes-Make-Better.html

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