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학술

생체 내에서 분해/흡수되는 무선 뇌 화학시스템 개발

'Advanced Materials' 표지 논문으로 선정

고려대 KU-KIST융합대학원, 황석원-이철호 교수팀






고려대학교(총장 정진택) KU-KIST 융합대학원 황석원 교수와 이철호 교수 연구팀은 한양대 장동표 교수, KIST 정영미 박사, 펜실베니아주립대학교 Huanyu Cheng 교수와의 공동연구를 통해 뇌 심부에 삽입되어 신경화학정보를 측정하고, 사용이 끝난 후 스스로 녹아 사라지는 전자 의료시스템을 개발했다. 이번 연구는 향후 신경전달물질과 관련한 파킨슨병 등 뇌질환을 이해하고 치료하는 데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 세계적인 학술지 ‘Advanced Materials (IF = 30.849)’ 4월호 전면 겉표지(front cover)로 선정됐다. 

* 논문명 : Hetero-Integration of Silicon Nanomembranes with 2D Materials for Bioresorbable, Wireless Neurochemical System * 저널명 : Advanced Materials (Adv. Mater. 2022, 34, 2108203)

뇌 안의 신경세포가 분비하는 *신경전달물질은 체내에서 다양한 기능을 하며, 뇌질환 환자들은 정상인보다 뇌 안의 신경세포가 생성하는 신경전달물질 농도가 비정상적으로 높거나 낮다고 알려져 있다. 신경전달물질 중 도파민은 ‘행복 호르몬’으로 알려져 있으며, 성취감이나 운동 기능 조절의 활성과 관련이 있고, 특히 퇴행성 뇌질환의 하나인 파킨슨병은 도파민 생성이 줄어들며 발생한다. 따라서 뇌질환 연구와 치료에 있어서 도파민과 같은 신경전달물질의 정확한 측정과 뇌 안의 다양한 생리학적 지표들을 종합적으로 분석할 수 있는 기술이 필요했으나, 기존의 의료기술은 뇌 전기신호 측정에만 의존하고 있다.  
* 신경전달물질 : 뇌를 구성하고 있는 신경세포 (뉴런)들 간의 소통을 조절하여, 결과적으로 감정과 행동을 조절하는 체내 화학물질

이번 연구에서는 뇌 안 도파민의 실시간 농도 변화를 측정하기 위해 2차원 신소재 ‘전이금속 칼코게나이드’ 촉매를 개발했다. 연구진은 2차원 촉매가 반도체에서 금속성으로 변하는 상전이 특성에 주목했다. 이황화몰리브데넘(MoS2)와 이황화텅스텐(WS2) 재료를 이용한 금속성 2차원 촉매는 높은 표면 음전위와 뛰어난 화학반응성을 가져서 체내 도파민 분자를 효과적으로 전기신호로 변환할 수 있었고, 사용이 끝난 후 대사과정에 의해 분해될 수 있어 의료 시스템 사용에 적합했다.  




연구진은 2차원 촉매와 나노박막 실리콘을 결합해 제작한 센서시스템을 생쥐의 뇌에 삽입하여, 신경전달물질의 실시간 농도 변화를 4주 이상 무선으로 모니터링하고 뇌 활동과 관련된 pH/온도 변화, 전기신호를 동시에 수집하는 데 성공했다. 뇌 안에 삽입된 모니터링 시스템은 체내 대사과정에 의해 저절로 녹아 흡수되기 때문에 제거하기 위한 추가 수술이 필요 없어서, 뇌 수술 후 회복 기간 동안 모니터링과 재활에 효과적인 활용이 예상된다.




황석원 고려대 교수는 “이번 연구결과는 생분해성 전자소자를 구현하는 공학 기술과 뇌/신경 의학 연구의 융합을 통하여 그동안의 기술로는 접근하지 못했던 뇌 안의 신경화학작용을 실시간 모니터링 할 수 있으며, 다양한 급성 및 만성 뇌질환을 치료하는데 효과적일 것으로 기대된다” 라고 밝혔다.


연구 결과 개요

1. 연구배경

뇌 안의 신경세포가 분비하는 신경전달물질은 체내에서 다양한 기능을 하며, 뇌질환 환자들은 정상인보다 뇌 안의 신경세포가 생성하는 신경전달물질 농도가 비정상적으로 높거나 낮다고 알려져 있다. 

신경전달물질 중 도파민은 ‘행복 호르몬’으로 알려져 있으며, 성취감이나 운동 기능 조절의 활성과 관련이 있고, 특히 퇴행성 뇌질환의 하나인 파킨슨병은 도파민을 분비하는 영역의 신경세포가 손상되며 발생한다. 

따라서 뇌질환 연구와 치료에 있어서 도파민과 같은 신경전달물질의 정확한 측정과 뇌 안의 다양한 생리학적 지표들을 종합적으로 분석할 수 있는 기술이 필요하였으나, 기존의 의료기술은 뇌 전기신호 측정에만 의존하고 있다. 

이에, 본 연구팀은 뇌 안의 실시간 도파민 농도와 이와 관련된 신경화학활동을 동시에 정밀하게 모니터링할 수 있는 새로운 의료시스템을 개발하고자 하였다.


2. 연구내용

본 연구에서는 뇌 안 도파민의 실시간 농도 변화를 측정하기 위해 2차원 신소재 ‘전이금속 칼코게나이드’ 촉매를 개발했다. 연구진은 2차원 촉매가 반도체에서 금속성으로 변하는 상전이 특성에 주목했다.

이황화몰리브데넘 (MoS2)과 이황화텅스텐 (WS2) 재료를 이용한 금속성 2차원 촉매는 높은 표면 음전위와 뛰어난 화학반응성을 가져서 체내 도파민 분자를 효과적으로 전기신호로 변환할 수 있었고, 사용이 끝난 후 대사과정에 의해 분해될 수 있어 의료시스템 사용에 적합하였다. 

밀도범함수이론에 기반한 계산을 통해 개발한 촉매가 여러 비교 물질 사이에서 도파민 분자에 대해 높은 흡착에너지를 갖는다는 것이 확인되었고, 이는 실제 도파민 측정 실험결과와 일치하였다.

연구진은 개발한 2차원 촉매와 나노박막 실리콘을 결합한 센서시스템을 생쥐의 뇌에 삽입하여, 신경전달물질의 실시간 농도 변화를 4주 이상 무선으로 모니터링하고 뇌 활동과 관련된 pH/온도 변화, 전기신호를 동시에 수집하는 데 성공했다. 


3. 기대효과

본 연구에서 개발한 신경화학 시스템은 뇌의 여러 기능과 관련된 신경전달물질을 실시간으로 측정하고 이와 관련된 여러 생리 신호를 동시에 모니터링할 수 있고, 일정 기간 후 체내 대사과정에 의해 저절로 녹아 흡수되기 때문에 제거를 위한 추가 수술이 필요 없어서, 뇌 수술 후 회복 기간동안 모니터링과 재활에 도움을 줄 것으로 기대한다. 



[논문에 게재된 대표 그림 설명]



그림1. a. 개발된 뇌 임플란트 신경화학시스템 전개도.  시스템은 작고 부드러운 전극을 뇌 안에 심어 신경세포의 화학작용 (도파민 분비)과 다양한 생리신호들 (전기신호, pH, 온도)을 종합적으로 읽어낸다.  b. 뇌의 물성과 형태가 모사된 미니 브레인 모형에 적용된 신경화학시스템의 사진과 센서 부분의 확대 사진.  c. 신경화학시스템의 핵심 구성요소인 도파민 센서 원리.  d. 도파민 센서의 핵심 물질인 2차원 촉매 (MoS2, 위; WS2, 아래)가 높은 pH로 가속된 조건의 생체액에서 분해되는 과정을 시간에 따라 측정한 사진. 



그림2. a. 두 가지 2차원 촉매의 주사전자현미경 사진.  b. 개발된 2차원 촉매의 라만 분광 스펙트럼 분석.  제작 온도 조건에 따라 전기적 특성 (반도체/금속)이 달라짐.  c. 제작 온도별 금속 특성 비율과 촉매 작용 결함 분석.  d. 제타전위 특정을 통한 2차원 촉매의 높은 표면 음전위 확인.   e. 밀도범함수이론 계산에 기반한 2차원 촉매 표면에서의 뛰어난 도파민 분자 흡착 강도 계산.



그림3. a. 무선 신경화학시스템이 임플란트된 후 약 4주가 지난 뒤의 쥐 모델 사진.  b. 삽입된 시스템에 의해 측정된, 전기자극에 의한 도파민 분출.  c. 전기자극 시 변화하는 뇌 안 pH 측정값.  d. 도파민 분비와 함께 증가하는 국소 뇌 온도 측정 결과.  e. 수술 후 기간동안 지속적으로 도파민 분비를 측정함.  안정적인 측정 동작 이후, 임플란트 된지 약 5주 후부터 시스템이 체내 대사과정에 의해 점차 분해됨.



연구진 소개


1. 양승민 석박통합과정 (제1저자) 이력사항 



1. 인적사항
● 소속: 고려대학교 KU-KIST융합대학원
● E-mail: smyang1991@korea.ac.kr
2. 학력사항
● 2017년 – 현재 고려대학교 KU-KIST융합대학원 석박통합과정
● 2017년 고려대학교 전자공학과 (학사)
3. 전문분야 정보
● Flexible/Stretchable electronics
● Wearable/Implantable devices
● Transient/Bioresorbable electronic systems



2. 황석원 교수(교신저자) 이력사항



1. 인적사항
● 소속: 고려대학교 KU-KIST융합대학원, 융합에너지공학과
● 전화: 02-3290-5970
● E-mail: dupong76@korea.ac.kr
2. 학력사항
● 2013년 Department of Materials Science and Engineering, University of
●  Illinois at Urbana-Champaign (Ph.D.)
● 2003년/2005년 한양대학교 재료공학부 (학사/석사)
3. 경력사항
● 2014년 – 현재 고려대학교 KU-KIST융합대학원, 융합에너지공학과 교수
● 2013년 – 2014년 Postdoc.  University of Illinois at Urbana-Champaign
● 2005년 – 2008년 삼성전자 반도체연구소 차세대연구팀
4. 전문분야 정보
● Flexible/Stretchable electronics
● Wearable/Implantable devices
● Transient/Bioresorbable electronic systems



3. 심재형 석박통합과정 (제1저자) 이력사항 



1. 인적사항
● 소속: 고려대학교 KU-KIST융합대학원
● E-mail: terry67867@korea.ac.kr
2. 학력사항
● 2018년 – 현재 고려대학교 KU-KIST융합대학원 석박통합과정
● 2018년 고려대학교 신소재공학과 (학사)
3. 전문분야 정보
● Nanoelectronic materials (2D semiconductors, graphene, nanoorganic layer & their heterostrucutres, hybridstructures)
● Nanoscale catalyst and energy storage devices
● Inorganic 2D chemistry


4. 이철호 교수(교신저자) 이력사항



1. 인적사항
● 소속: 고려대학교 KU-KIST융합대학원, 융합에너지공학과
● 전화: 02-3290-5969
● E-mail: chlee80@korea.ac.kr
2. 학력사항
● 2011년 포항공과대학교 신소재공학과 (박사)
● 2005년 포항공과대학교 신소재공학과 (학사)
3. 경력사항
● 2014년 – 현재 고려대학교 KU-KIST융합대학원, 융합에너지공학과 교수
● 2011년 – 2014년 Postdoc. Department of Physics (Philip Kim Group) & Chemistry (Colin Nuckolls Group), Columbia University, U.S.A
● 2005년 – 20011년 Researcher, National Creative Research Initiative Center for Semiconductor Nanorods, Department of MSE, POSTECH / Department of Physics & Astronomy, Seoul National University, Korea
4. 전문분야 정보
● Nanoelectronic materials (2D semiconductors, graphene, nanoorganic layer & their heterostrucutres, hybridstructures)
● Nanoscale device physics (electronic, optoelctronic & thermoelectric properties)
● Nano-IT, Nano-ET & Nano-BT convergence technology

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