KAIST 바이오및뇌공학과 박성준 교수 연구팀·한양대 바이오메디컬공학과 최창순 교수 연구팀탄소나노튜브 시트·열 인발공정 이용한 ‘고분자 섬유 병합’
  • ▲ KAIST와 한양대 연구팀이 개발한 다기능성, 간단한 제작과정, 장기간 사용 가능한 섬유형 신경 인터페이스.ⓒKAIST
    ▲ KAIST와 한양대 연구팀이 개발한 다기능성, 간단한 제작과정, 장기간 사용 가능한 섬유형 신경 인터페이스.ⓒKAIST
    KAIST 바이오및뇌공학과 박성준 교수 연구팀과 한양대 바이오메디컬공학과 최창순 교수 연구팀이 열 인발공정(Thermal Drawing Process, TDP)과 탄소나노튜브 시트를 병합해 장기간 사용 가능한 다기능성 섬유형 신경 인터페이스를 개발했다.

    열 인발공정은 열을 가해 큰 구조체의 복잡한 구조체를 빠른 속도로 당겨 같은 모양 및 기능을 갖춘 섬유를 뽑아내는 일 또는 가공을 말한다.

    24일 연구팀에 따르면 뇌신경 시스템 탐구를 위한 삽입형 인터페이스는 생체 시스템의 면역 반응을 줄이기 위해 생체 친화적이며 부드러운 물질을 사용하면서도, 다양한 기능을 병합하는 방향으로 발전해 왔다. 하지만 기존의 재료와 제작 방법으로는 다양한 기능을 구현할 수 있으면서도 장기간 사용 가능한 디바이스를 만들기 어려웠고, 탄소 기반 전극의 경우 제조 및 병합 과정이 복잡하고 금속 전극보다 기능적 수행 능력이 떨어진다는 문제점이 있었다.

    연구팀은 문제 해결을 위해 이번 연구에서 탄소나노튜브 시트 전극과 고분자 광섬유를 병합했다. 탄소나노튜브 섬유가 한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 시트 전극을 통해 신경세포 활동을 효과적으로 기록했고, 광 전달을 담당하는 고분자 광섬유에 이를 감아 머리카락 크기의 다기능 섬유를 제작했다. 연구팀은 제작된 섬유는 우수한 전기적, 광학적, 기계적 성질을 보였음을 확인했다. 

    해당 뇌-기계 인터페이스를 실제 쥐 모델에 삽입한 결과, 전기적 신경 활성신호, 화학적 신경전달물질(도파민)을 잘 측정하고 광유전학적 조절을 통해 행동학적 산출을 끌어낼 수 있음을 확인했다. 

    연구팀은 1년 이상 광학적으로 발화된 신경 신호와 자발적으로 발화된 신경 신호를 측정함으로써 초장기간 사용 가능성도 보여줬다.

    이번 연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)에 2024년 3월 29일 자로 출판(논문명 Structurally Aligned Multifunctional neural Probe (SAMP) using forest-drawn CNT sheet onto thermally drawn polymer fiber for long-term in vivo operation)됐다.

    박성준 교수는 “전기적 신경 활성신호와 화학적 신경전달물질 기록 및 광학적 조절 기능을 갖춘 초장기간 사용 가능한 차세대 신경 인터페이스의 개발 성과ˮ라며 “향후 대동물 적용 및 자기공명영상 장비와 동시 사용을 통해 뇌 질환의 세부적인 메커니즘 파악과 전뇌적(Whole brain) 기록 및 조절 분야에 사용될 수 있을 것”이라고 말했다.