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▲  (왼쪽위) 구불구불한 형태 전극과 직선 형태 전극의 변형 시 응력 분포 분석. 해당 이미지는 시뮬레이션을 통해 구현됨. (왼쪽 아래) 구불구불한 형태 전극의 변형에 따른 응력(파란선)과 직선 형태 전극의 응력(붉은 선) 분석. (오른쪽위) 탐침의 변형 시 사진 이미지. (오른쪽아래) 탐침의 변형 시 주사전자현미경 이미지.
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단 하나의 '유연한 탐침'을 통해 뇌 손상을 최소화 하면서도 뇌 내(內) '도파민' 농도를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 '도파민 측정 소자'가 개발됐다. 

여기서 탐침이란 일반적으로 조사나 측정을 위해 산입되는 장치 혹은 도구, 뇌 내 도파민 농도를 측정하기 위해 뇌조직에 삽입되는 작은 센서나 도구를 의미한다.

DGIST(대구경북과학기술원, 총장 국양)은 27일 장경인 교수 연구팀의 이같은 성과를 알리면서 "삽입 가능한 유연한 탐침 형태의 소자를 단 하나만 사용하고도 실시간으로 정밀한 측정이 가능해져 퇴행성 뇌질환 환자를 위한 맞춤형 탐침 개발의 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다. 

도파민은 중추신경계에 널리 분포하는 중요한 신경전달물질 중 하나다. 특히 도파민은 동기부여·기억·보상과 같은 뇌 기능과 관련이 있는데, 뇌 내 도파민 농도가 비정상적으로 높거나 낮은 경우 퇴행성 뇌질환을 야기할 수 있다. 그렇기에 뇌질환을 겪고 있는 환자의 뇌 속 도파민 농도를 측정하는 것은 뇌질환 진단과 치료를 위해 매우 중요하다고 한다.

하지만 기존에 개발된 '뇌 삽입형 탐침'은 측정을 위해 두 개 이상 사용될 뿐더러 구조가 빳빳해 부드러운 뇌 조직과 맞지 않았다. 이로 인해 삽입 시 뇌 조직 손상을 일으키거나 염증을 유발하고, 지속적이고 정확한 측정이 어렵다는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 유연 소자 기반의 뇌 삽입형 탐침 기술들이 개발되고 있으나 여전히 탐침의 면적이 넓거나 여러 개의 탐침을 삽입해야 해 뇌 손상을 크게 유발한다는 지적이다. 

3전극 시스템 기반 안정적인 구조의 뇌 삽입형 도파민 센서 개발
 

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▲  (왼쪽위) 본 연구를 통해 제안된 양면구조 올인원 탐침의 적층 구조 (중간위) 제작된 탐침의 사진 이미지 및 뇌 모형에 삽입된 탐침 이미지 (오른쪽위) 도파민 농도를 측정하는 작업 전극의 산화아연 기반 3차원 나노로드 구조 (왼쪽아래) 도파민 농도에 따른 전류 변화량. 해당 그래프는 탐침의 성능 중 민감도(sensitivity)를 나타냄. 파란선과 초록선의 차이는 효소의 유무에 의해 결정됨 (중간아래) 방해종 단백질에 대한 노이즈 분석 그래프. 해당 그래프는 탐침의 성능 중 선택성(selectivity)를 나타냄. (오른쪽아래) 뇌 삽입 후 시간에 따른 탐침의 민감도 그래프. 해당 그래프는 탐침의 성능 중 장기간 안정성(longivity)를 나타냄.
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이와 같은 한계를 극복해 장경인 교수 연구팀이 이번에 '단 하나의 유연한 탐침'을 사용해 장기간 안정적이고 안전하게 삽입할 수 있는 기술을 개발했다. 

DGIST는 "연구팀이 제안한 탐침은 양면 구조로, 작업 전극과 기준 전극을 한쪽 면에, 상대 전극을 다른 한쪽 면에 위치시켰다"면서 "이 덕분에 삽입 면적을 유지하면서도 기존의 단일 구조의 탐침보다 이용할 수 있는 면적을 2배가량 크게 증가시킬 수 있었다"고 설명했다. 

이어 "뿐만 아니라, 작업 전극에 산화아연(ZnO) 기반의 복잡한 3차원 나노로드 구조를 구현해 실질적인 탐침의 비표면적을 매우 크게 증가시켰다"면서 "즉 이번 연구에서 제시한 탐침 구조는 뇌조직 손상을 최소화하며 탐침의 기능은 극대화시킨 새로운 탐침형태의 도파민 센서"라고 강조했다. 

전극이 탐침의 양면에 위치하면 탐침의 중립층과 전극 사이의 거리가 멀어져, 탐침이 변형되었을 때 전극이 역학적으로 불안정해지는 구조적 한계가 존재하는데, 이번 연구에서는 전극이 변형되어도 역학적으로 안정할 수 있도록 전극을 구불구불한 구조(Serpentine-pattern)를 갖는 마이크로 전극을 설계하여 이를 해결했다는 것이 핵심 성과라는 것. 

장경인 DGIST 로봇 및 기계전자공학전공 장경인 교수는 "이번에 개발한 양면 구조의 탐침은 기존의 탐침으로는 불가능했던 장기간 안정적인 초정밀 도파민 농도 측정이 가능하여, 추후 뇌질환 환자를 보조하는 탐침 개발에 기준이 될 수 있을 것"이라며 "이미 쥐 실험을 통해 높은 정밀성과 안정성을 확인했으며, 추후 연구 내용을 더 발전시켜 뇌질환 환자의 삶의 만족도를 높일 수 있는 뇌삽입형 탐침 기술로 발전시키겠다"고 말했다. 

한편, 이번 연구는 DGIST 박정락 박사과정생·정한희 박사·하정대 석박사통합과정생이 제1저자로, DGIST 장경인·오용석 교수가 공동교신저자로, 한국생산기술연구원 금호현 박사가 공저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지인 <Advanced Functional Materials> 10월자 온라인 판에 게재됐다. 
 

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▲  사진 왼쪽 위부터 로봇및기계전자공학과 장경인 교수, 하정대 석박사통합과정생 (아래) 정한희 박사
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