나노섬유를 이용한 신경 자극

탄소 나노섬유(carbon nanofibres (CNFs))는 파키슨 병, 간질(epilepsy)과 우울증등을 제어하는 뇌를 자극하는 의공 소자의 기능과 신뢰성을 높일 수 있다. 신경-전자 공학은 기계, 화학공학, 전자공학등의 다양한 영역이 병합되어야 하기 때문에 매우 복잡하고 힘든 분야중의 하나이다.

미국 항공 우주국(NASA)의 준 리(Jun Li) 박사팀은 수직으로 정렬된 탄소 나노섬유를 템플레이트로 이용하여 전기 전도성이 있는 고분자를 코팅하는 것에 성공하였다. 이러한 방법에 있어서 구조는 굽힘에 의한 기계적인 응력을 줄여주는 부드러운 바늘처럼 거동하게 된다.

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근에 나노 테크놀로지와 신경과학이 만나 하버드대학에서 실리콘 나노와이어를 통하여 살아있는 생물의 엑손(axon)과 덴드라이트(Dendrites)에서 신호를 감지하였다. 하버드 대학교의 화학과 교수인 찰스 리버(Charles M. Lieber) 박사와 그의 연구원들은 나노 와이어와 뉴런의 만남에 대한 연구를 발표하였다. 이는 처음으로 나노 전자 소자와 각각의 뉴런 사이의 인공 시냅시스를 보여주고, 고상 상태의 소자, 즉 나노 와이어 트랜지스터를 뉴런과 연결하여 뇌에 정보를 전달하는 연구를 수행하였다. (GTB2006080971)

기존에도 이탈리아의 연구자들은 탄소 나노튜브로 코팅된 유리 기판에 놓인 뇌의 해마상융기(hippocamus) 지역에서 신경 세포들을 성장시켜서 나노튜브가 세포 사이의 신경 신호전달을 증진시킨다는 것을 발견했다.탄소 나노튜브는 전도체나 반도체가 될 수 있기 때문에 원리적으로 더 이상 신호를 전달할 수 없는 뉴런들을 구조적인 면이나 기능적인 면에서 재연결하는데 보조적인 장치로 이용될 수 있을 것이다. 이는 처음으로 탄소나노튜브 기판의 존재에 의한 신경신호 효능의 향상을 보여주었다. 장기적으로 우리의 결과는 손상된 뉴런을 기능적으로 재연결하거나 신경 신호전달을 직접적으로 향상시키는데 적합한 물질 개발과 같은 새로운 조직 가공 기법 개발을 유도할 것이다. (GTB2005051438)

탄소 나노구조는 기존에도 많이 연구되었지만, 서로 얽혀있는 구조에서는 움직임이 둔하여 세포 조직의 기계적 변형에 대한 지지체로 응용하기에는 어려움이 있었다. 하지만 이번에 NASA에서 실리콘 웨이퍼 위에 200나노미터의 크롬 박막위에 니켈을 촉매로 한 플라즈마 화학 기상 증착법으로 탄소 나노섬유를 제조하였다. 이러한 나노 섬유는 직경이 평균150나노미터이고 높이가 7마이크로미터를 가졌다.

이러한 3차원적인 구조는 신경세포와 개별적인 고분자가 코팅된 탄소 나노섬유와의 물리적 접촉을 가능하게 하여서 신경 세포가 탄소 나노섬유위에 배양될 수 있게 해 주었다.

각각의 전극의 크기가 신경세포의 크기보다 작기때문에, 각각의 신경에 전기적 자극을 줄 수 있는 시스템을 개발하여 신경 전달에 따른 전기화학적 신호를 감지할 수 있게 된다. 이러한 것은 향후 뇌의 오작동으로 인한 질병등의 치료에 사용될 수 있을 것으로 여겨진다. 이들의 연구 결과는 과학저널 바이오메드 엔지니어링(IEEE Trans. Biomed. Eng.)에 발표되었다.

이러한 연구 결과는 만성환자의 신경 이식 디자인에 즉각적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 척추손상 분야에서 신경 조직과 상호작용하는 나노물질에 대한 연구는 심한 신경 손상을 일으키지 않고 미세한 척추자극을 제공하는 작은 전극을 설계하는 것에 도움을 줄 것으로 여겨진다.

정보제공 : 한국과학기술정보연구원(KISTI) 해외과학기술동향
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