빛으로 뇌 활동을 조절하며 동시에 전기적인 뇌 신호 측정이 가능한 투명 유연 초박막 금 전극 어레이 연구
[연구필요성]
최근 뇌를 더 잘 이해하고 신경 질환 및 장애 극복을 위한 다양한 뇌공학 기술들이 개발되고 있다. 뇌신경 전기 신호를 정확하게 측정하고 조절하기 위한 투명하고 유연한 전극의 필요성이 커지고 있다. 이러한 투명 유연 전극을 활용하면 고해상도로 뇌 내부를 분석할 수 있는 고성능 현미경 이미징이나, 신경 세포의 활동을 정밀하게 제어할 수 있는 광유전학(optogenetics) 및 광열 자극(photothermal stimulation)과 같은 뇌 신경 광자극 기술을 효과적으로 동시에 적용할 수 있다.
투명 전극은 불투명 전극에 비해 광 자극 시 빛 흡수에 의한 노이즈 발생을 피할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 투명하고 유연한 전극을 제작하는 데 있어 제안된 새로운 재료와 공정 기술은 여러 번 구부리면 쉽게 깨지거나, 생체 친화성의 검증이 부족하다는 한계점이 있어, 이를 기존의 생체 친화적 전극 소재와 공정법으로 극복해야 할 필요가 있다.
[연구성과/기대효과]
본 연구에서는 생체 친화적 소재인 금(gold) 전극을 8 나노미터 수준의 매우 얇은 초박막으로 제작 가능하게 하여, 불투명했던 전극을 투명하게 만드는 기술을 개발하였다. EDTA라는 다양한 바이오 응용에 쓰이는 고분자 물질을 코팅 층으로 하여 플렉서블 기판에 제작하여 투명하고 유연한 다채널 뇌피질전도 신경 전극을 개발하였다. 광학적 투명성을 유지하면서 전기적 뇌 신호 측정 성능을 나타내는 전극 임피던스를 기존 불투명 금 전극에 비해 50배 이상 낮췄고, 전기 자극 특성은 100배 이상 향상시켰다. 또한, 얇아짐에 따라 유연성도 증가하여 5만 번 구부림에도 변화 없는 안정성을 보였고, 뇌 이식 2주 후에도 안정적인 전기적 성능 유지와 낮은 면역 반응을 보였다. 더불어, 우수한 투명성으로 빛 흡수에 의한 신호 왜곡 없이 광유전학적 신경 자극을 높은 효율로 수행할 수 있었으며, 이는 뇌 연구와 치료에서 전기적, 광학적 방식을 상호보완적으로 동시에 사용할 수 있다는 중요한 기술적 의의를 갖는다.
최근 미국의 싱크론(Synchron), 뉴럴링크(Neuralink) 등의 BCI (Brain Computer Interface) 기업이 임상 환자 뇌에 전극 칩을 이식하여 전기적 뇌 신호 측정만으로 사지마비 장애를 극복하는 가능성을 보여주고 있다. 본 연구의 투명 전극 기술을 적용한다면 전기적 측정 뿐만 아니라, 동시에 빛을 이용한 뇌 신호 분석 및 자극 조절이 가능하여 보다 다양한 BCI 기술 가능성을 보여줄 수 있을 것으로 기대한다.
[본문]
* 이번 연구는 공동 제1저자인 김두희 (대구경북과학기술원 석박통합과정학생), Murali Bissannagari (서울대학교 의학연구원 의용생체공학연구소 연수연구원), 김보일 (대구경북과학기술원 석박통합과정생) 연구원이 서울대학교 의과대학 의공학교실 강홍기 교수와 대구경북과학기술원 뇌과학과 최한경 교수 지도하에 수행하였다.
* 본 연구는 한국연구재단 (No. RS-2022-NR069917, RS-2024-00416319), 서울대학교 의대-공대 학제간 연구 지원사업 (800-20240490), 호주 NHMRC (Ideas Grant (APP1188414))의 지원을 받아 수행되었으며, 분야 최상위저널 중 하나인 npj Flexible Electronics (IF: 12.3, JCR 상위 1.8%)에 게재되었다.
[연구결과]
Hexagonal Metal Complex Based Mechanically Robust Transparent Ultrathin Gold µECoG for Electro-Optical Neural Interfaces
Duhee Kim, Murali Bissannagari, Boil Kim, Nari Hong, Jaeu Park, Hyeongtae Lim, Junhee Lee, Jungha Lee, Yoon Kyoung Kim, Youngjae Cho, Kwang Lee, Junghyup Lee, Jong-Hyeok Yoon, Jae Eun Jang, David Tsai, Sanghoon Lee, Hyuk-Jun Kwon, Han Kyoung Choe & Hongki Kang
(npj Flexible Electronics, https://doi.org/10.1038/s41528-025-00403-w )
투명 전기-광학 신경 인터페이스 기술은 고해상도의 공간 해상도를 가진 현미경 이미징과 고시간 해상도의 전기 기록 및 자극을 동시에 제공한다. 그러나 투명하고 유연하며 기계적으로 강력한 신경 전극을 높은 전기화학적 성능으로 제작하는 것은 여전히 도전 과제이다. 본 연구에서는 EDTA/PSS 시드 층을 이용한 육각 치환 금속-폴리머 리간드 결합으로 10nm 이하 두께의 초박막 금 µECoG(뇌피질전도) 신경 전극을 제작하였으며, 이 전극은 투명도 73%, 기계적 강도 (5만번 구부림에 견디는)를 갖추고 있다. 생체적합성 금으로 투명하게 제작한 µECoG 전극은 신경 기록 및 자극을 위한 뛰어난 전기화학적 성질(0.73 Ω·cm²)을 가지며 장기적인 안정성을 보여준다. 우리는 생체 내에서 뇌 표면 파형을 기록하였고, 급성 및 2주간의 기록 동안 낮은 기준선 노이즈와 높은 신호 대 잡음비를 유지했다. 또한, 우리는 7.32 mW/mm²의 레이저 파워 밀도에서 광자극에 의한 아티팩트 없이 성공적으로 광유전학적 조절을 수행했다. 이 접근법은 디지털 헬스케어 시스템에서 확장 가능한 임플란트형 신경 전극과 웨어러블 광전자 장치에 큰 잠재력을 보여준다.
[그림설명]
(상단, 좌) 초박막 투명 금 제작 원리, (상단, 우) 투명 금 전극, (하단) 투명, 유연 금 전극의 뇌 이식 및 14일간 뇌피질 전도 신호 측정 결과
투명 금 전극의 뇌 전기 신호 측정과 광유전학 신경 자극 동시 수행 결과