[정준수 교수팀] 3차원 신경접속장치 개발 상위 1% 저널에 게재
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이현경
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원-스텝 미세 3차원 구조 통한 고성능 신경접속장치 개발- 뇌, 척수, 망막 등 다양한 형태의 신경조직과 효과적으로 접속하기 위한 최적 3차원 구조의 미세전자소자 제작기술 열어(정준수 교수, 엄경식 교수, 이동현 박사, 박영훈 박사과정 학생) 부산대학교 정준수 교수와 엄경식 교수 연구팀은 미세전자열성형(μETF)이라는 혁신적인 방법으로 미세한 3차원 구조를 갖춘 유연한 신경 인터페이스를 제작하여 뇌-컴퓨터 접속장치나 인공망막 장치의 신경 기록 및 자극 성능을 향상시키는 데 성공했다. 이 연구 결과는 2025년 1월 22일 JCR 기준 1.8% 최상위 논문인 npj Flexible Electronics 저널 (IF:12.3)에 온라인 게재되었다. 부산대학교 정준수 교수(의생명융합공학부)와 이동현박사, 엄경식 교수(전기전자공학부)와 박영훈 박사과정생은 플라스틱 필름을 일회용 컵, 뚜껑 등 다양한 형태로 가공하는 열성형기술에서 영감을 얻어, 신경계를 효율적으로 기록/자극하기 위한 미세 3차원 구조의 유연성 신경접속장치를 제작하기 위한 “미세전자열성형(μETF: Microelectrothermoforming)” 기술을 세계 최초로 개발했다. 뇌, 척수, 망막 등 복잡한 형태의 신경조직에 맞춤 제작된 미세전자소자를 제작하여 신경자극의 효율성과 정밀도를 높임으로써 뇌-컴퓨터 접속장치, 인공망막장치 등 다양한 뇌신경공학기술의 발전에 획기적 돌파구가 될 것으로 기대된다. 정 교수는 "테이크아웃 커피의 플라스틱 뚜껑을 관찰하면서 이번 연구에 대한 아이디어가 떠올랐습니다. 플라스팅 성형방법을 마이크로미터 수준의 미세구조에 활용하면 신경 접속 전자소자를 위한 3D 구조를 만들 수 있을 것이라고 생각했습니다."라고 설명했다. (3차원 구조의 신경전극과 망막세포 반응 실험 결과) 신경계와 접속하여 신경신호를 기록하거나 자극하여 다양한 질병과 장애를 치료하기 위한 신경공학기술에서 생체전자소자와 신경세포의 밀접한 접촉이 매우 중요하다. 기존의 신경접속장치는 일반적으로 평면 구조를 가지고 있어 다양한 형태의 신경 조직에 밀착하는 데 한계가 있었으며, 3D 구조를 제작하기 위해서는 공정이 복잡해지고 디자인 형태가 제한되는 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 부산대학교 정준수 교수와 엄경식 교수 연구팀은 플라스틱 필름을 식품용기, 포장재 등 다양한 형태로 성형하는 플라스틱 열성형(thermoforming)에서 영감을 받아 이를 미세한 구조의 유연전자소자에 적용하여 3차원 구조를 손쉽게 만들 수 있는 미세전자열성형(μETF: Microelectrothermoforming) 기술을 세계 최초로 개발했다. 미세전자열성형 기술은 미세 전극이 내장된 얇고 유연한 폴리머 필름을 가열한 후 3D 프린팅된 몰드에 압착하는 방식으로 이루어진다. 이 공정을 통해 정밀한 돌출 및 함몰 구조를 형성하여 전극이 목표 신경에 보다 가깝게 배치되도록 하면서도 전기적 특성을 유지할 수 있다. 기존 미세 가공 방식과 달리, μETF는 공정을 단순화하면서도 복잡한 3D 구조를 단일 MEA 내에서 구현할 수 있다. 연구팀은 망막 자극을 최적화한 3D 전극을 개발하여 시각장애인을 위한 인공망막장치 적용 가능성을 탐색했다. 컴퓨터 시뮬레이션과 망막 실험 결과, 3D 전극은 기존 평면 전극 대비 자극 임계값을 1.7배 낮추고 공간 해상도를 2.2배 향상시키는 것으로 나타났다. 엄 교수는 "우리의 3D 구조는 전극을 목표 신경에 더욱 가깝게 배치하여 자극의 효율성과 정밀도를 높입니다."라고 설명했다. 이 기술의 가장 유망한 응용 분야 중 하나는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)이다. BCI는 마비 환자의 움직임을 복원하는 데 활용될 수 있으며, 3D 신경 전극 어레이를 운동 피질에 이식하면 신경 신호를 해독하여 로봇 팔이나 휠체어를 제어하는 등의 물리적 동작으로 변환할 수 있다. 연구팀은 웨어러블 전자 기기, 오가노이드 연구, 랩온어칩(Lab-on-a-Chip) 시스템 등 다양한 분야에서 이 기술이 적용될 가능성을 탐색하고 있다.본 연구성과는 Yahoo파이낸스, MSN, PR Newswire, Benzinga 포함 다수의 해외언론에 소개되었다. 본 사업은 과학기술정보통신부 우수신진연구 및 기초연구실 지원사업을 통해 수행되었다. - 국문: 미세전자열성형 기술을 통한 고성능 3차원 신경접속장치- 영문: MicroElectroThermoForming (μETF): One-step Versatile 3D Shaping of Flexible Microelectronics for Enhanced Neural Interfaces- 저널명: npj Flexible Electronics (JCR 상위 %: 1.8%, IF: 12.3)- 출판일: 25.01.22- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41528-024-00378-0