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윤명한·이광희 교수 공동연구팀, 심장의 자극 및 신호 획득이 가능한 고성능 고분자 전극 개발

  • 대외협력팀
  • 등록일 : 2018.04.17
  • 조회수 : 784

□  GIST(지스트, 총장 문승현) 신소재공학부 윤명한·이광희 교수 공동연구팀이광희 교수 연구팀과 공동연구를 통해 심장세포 자극 및 박동신호의 고감도 획득이 가능한 고성능, 고안정성 고분자 전극을 개발했다.

   ∘ 이번 연구성과로 용액공정 유기물기반 생체전극에서 문제로 꼽히던 취약한 물질안정성을 확보하였을 뿐 아니라, 기존 전극 대비 구동 성능을 획기적으로 향상시킴으로써, 고성능 유기생체전자소자(Organic Bioelectronics)*의 개발을 위한 재료공학적 접근법을 새로이 제시하였고, 향후 신경보철**기기로의 응용과 같은 의공학적 응용가능성을 높일 것으로 기대된다.

* 고분자 혹은 단분자를 기반으로 하는 생체전자소자를 이르는 분야로 체내의 이온 기반 전기적 신호를 전자신호로 변환하거나, 전자신호를 통하여 체내 전기신호의 유도하는 역할을 함.

** 인공 손, , 피부, 신경 등을 이식해 신체능력을 향상시키는 기술로 신경보철 장비를 인체에 삽입하여 중추신경계의 기능을 개선하거나 대체하여 질병이나 부상으로 상실한 장기나 장기계통의 기능을 자극할 수 있음.

   ∘ 유기생체전극효과적인 전기적 자극 및 높은 신호대비잡음비(Signal to noise ratio)*의 생체 신호 획득 가능성으로 의공학적 응용도가 높은 기술이다. 하지만 기존의 유기생체전극의 경우, 대면적 및 유연소자 제작이 어려운 점이 한계로 지적되었다.

     * 신호탐지 시스템의 성능을 확인하는 지표중 하나로써, 획득한 신호의 노이즈 전력 대비 신호 전력의 세기

□  GIST 공동연구팀용액공정으로 고성능 고안정성 전도성고분자 전극을 개발하고 이를 통해 심근세포의 저전압 전기자극 및 높은 신호대비잡음비의 세포 활동전위 획득에 성공하였다.

∘  본 연구팀은 용액매개결정화법(Solvent-assited crytstallization)*을 통해 고분자 혼합물인 PEDOT:PSS를 정렬시킴으로써, 생체전극의 전기전도도와 전기화학활성도를 크게 향상 시켰으며, 나아가 전극이 침수 21일 후에도 ~ 2000S/cm 의 높은 전기전도도를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 체외배양실험을 통해 비교군 대비 세포생존율의 차이가 나지 않는 높은 생체친화성을 보임을 확인하였다.

    * 용액매개결정화법은 PEDOT:PSS를 자가결정화 시킬 수 있는 용매에 필름을 침수시켜 결정화를 유도하는 방법

∘  본 전극은 우수한 전기적 전기화학적 성능 덕분에, 1V 미만 저전압 전기자극으로 전극 표면에 직접 배양된 심근세포의 박동 횟수 조절이 가능하였으며, 심근세포로부터 발생하는 활동전위를 높은 신호대잡음비(Signal to noise ratio, SNR)로 탐지할 수 있는 것을 확인하였다.

□   윤명한 교수차세대 의공학기기 개발에 있어서 가장 유망한 기술로 인정받고 있는 유기생체전자소자(Organic Bioelectronics)의 핵심 소재인 고성능, 고안정성 전도성 고분자개발 기술은 현재 유기전자소자 분야와 의공학분야에서 가장 관심이 큰 주제이며, 이번 연구를 통해 제시된 결정형 전도성 고분자 제작기술은 간단한 방식으로 고분자의 안정성과 성능을 동시에 올릴 수 있어, 추후 심장, 신경의 자극 및 신호획득 플랫폼의 설계에 활발히 응용할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

□  광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 윤명한 교수이광희 교수(공동 교신저자)가 주도하고, 신소재공학부 김성민 박사과정 연구원히거신소재연구센터 김나라 박사(공동 제1저자)가 수행한 본 논문은 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(NRF-2017R1A2B4003873) ()나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단(글로벌프론티어사업)과 광주과학기술원의 재원인 GRI(GIST연구원) 사업의 지원을 받아 수행되었다. 본 논문은 재료기술 분야 권위지이자 Nature 자매지인 NPG 아시아 머티리얼스(NPG Asia Materials) 2018416일 온라인 판에 게재됐다. <>

 

논문 제목 : High-Performance, Polymer-Based Direct Cellular Interfaces for Electrical Stimulation and Recording

대표교신저자 : GIST 윤명한 교수(신소재공학부)

공동교신저자 : GIST 이광희 교수(신소재공학부)

1저자 : 김성민 박사과정생(신소재공학부)

공동 1저자 : 김나라 박사 (신소재공학부, Linkoping University, Sweden)


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