▲ 잉크젯 프린팅을 이용한 광열 효과 패턴 방식 및 이를 이용한 뇌신경세포의 선택적 활동 조절 기술

잉크젯 프린팅으로 마이크로미터 수준의 열 패턴을 마음대로 찍어내고, 이를 이용해 원격으로 신경세포의 전기적 활성을 제어할 수 있는 기술을 KAIST 바이오및뇌공학과 남윤기 교수 연구팀이 개발했다.

선택적 나노 광열 신경자극이라 할 수 있는 이 기술은 잉크젯 프린팅 기술과 나노입자 기술을 융합한 것으로 뇌전증 등의 뇌질환 환자들에게 맞춤형 정밀 광열 자극을 도입할 수 있는 기반기술이 될 것으로 기대된다.

뇌를 이루는 신경세포의 활동을 조절하는 신경자극 기술은 뇌의 원리를 탐구하고 뇌질환 치료법을 연구하는데 중요한 역할을 담당하여 왔다.

최근에는 빛으로 신경세포의 전기적 활성을 흥분 또는 억제하는 것이 가능한 광유전학 기술이 신경회로의 원리를 이해하는 연구에 많이 적용되고 있지만, 광유전학은 유전자 조작을 통해서만 구현이 가능하기 때문에, 신경활동조절을 통한 뇌질환 치료법 개발을 위해서는 비유전자조작 기술이 필요하다.

연구팀은 지난 4년간 연구를 통해 나노 광열효과에 의한 신경세포 활성 억제 현상을 발견했고, 이를 이용해 뇌전증 등의 뇌질환에서 발생하는 신경세포의 비정상적 활동을 조절하기 위한 기술을 연구했다.

연구에서는 다양한 재질의 기판 상에 고해상도 나노광열자극 플랫폼을 구현하기 위하여, 고분자전해질 적층 코팅법을 이용한 나노 입자의 잉크젯 프린팅 기술을 개발하였다.

이 기술을 통해 원하는 곳 어디에든지 다양한 형태의 열-플라즈모닉 현상 패턴을 만들어낼 수 있었다. 범용성이 높은 고분자전해질 코팅법을 통한 나노입자 잉크의 접촉선고정현상과 나노입자와 고분자전해질 간의 정전기적 인력을 통해, 인쇄된 나노입자 패턴의 정밀도와 외부 환경 안정성을 향상 시킬 수 있었다.

또 나노 입자의 고른 분포를 이끌어내서 열-플라즈모닉 현상 효율을 증가시켰다.

이 금 나노입자 인쇄 공정 방식을 얇고 유연한 체내이식 혹은 웨어러블 기판에도 성공적으로 적용이 가능함을 보여 복잡한 열 패턴도 폭넓게 제작이 가능함을 증명했다.

마지막으로 빛을 이용하여 만들어낸 열 패턴으로 뇌신경세포의 활동을 선택적으로 조절하는 것이 가능함을 실험적으로 증명햇다.

근적외선을 조사시 패턴화된 열이 발생한 공간에 위치한 뇌신경세포의 활동만 선택적으로 억제되는 현상을 확인하였다.

▲ 남윤기 교수와 강홍기박사

이는 비정상적 세포의 활동만 선택적인 광열자극을 통해 억제하는 기술로 사용할 수 있으며 맞춤형 광열자극 기술로 사용될 수 있다.연구팀은 기존의 나노 광열자극 기술이 갖는 공간적인 선택성의 한계와 해상도의 제약을 극복하기 위해 잉크젯 프린팅 기술을 이용한 나노 입자의 미세 패턴 작업을 통해 나노 광열자극 기술을 선택적인 부분에만 가할 수 있는 기술을 개발했다.

남 교수는 “원하는 형태의 열 모양을 손쉽게 어디든지 인쇄할 수 있다는 점에서 공학적으로 폭넓게 활용 가능하다”며 “바이오공학 분야에서 생체기능 조절을 위해 빛과 열을 이용한 다양한 인터페이스 제작에 적용할 수 있고 새로운 위조 방지 기술 등에도 적용 가능할 것이다”고 말했다.

강홍기 박사가 주도하고 이구행, 정현준, 이지웅 박사과정이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 2월 5일자에 게재됐다.