인체 삽입 디바이스 (Injectable Cellular-Scale)

작을수록 좋다

---

이러한 기술과 광유전학 기술을 사용한 동물 시험 모델은 무선 제어를 이용하여 증명하고 또한 기본적인 행동 신경 과학에 대한 새로운 시각을 제공합니다.

미세바늘의 주입 및 방출 과정. 삽입 후 인공 뇌척수액 (중앙) 에 외부 실크 기반 접착제를 녹여 미세바늘이 제거되어 (오른쪽) 뇌에 활성 장치만 남게 됩니다.

 - 현재 반도체 소자 기술은 생물학적 조직 내의 정밀하게 지정된 위치에 발광 다이오드, 실리콘 소자, 액추에이터 및 센서를 주입할 수 있게 해줍니다. 더 나아가 첨단 반도체 장치와 생물학적 시스템의 성공적인 통합은 기본적인 과학적 발견과 임상 기술로의 변환을 가속화할 것입니다. 신경과학에서, 특히 광유전학에서 광원, 감지기, 센서 및 기타 구성 요소를 심부 뇌의 정확한 위치에 삽입하는 능력은 중요합니다. 

 

 - 이를 기반으로 자유롭게 움직이는 동물에 대한 완전 무선 및 프로그래밍된 복잡한 행동 제어를 포함하여 광유전학의 타의 추종을 불허하는 작동 모드의 예와 함께 이러한 기능을 제공하는 주사 가능한 종류의 세포 규모 광전자공학을 이 논문에서 소개합니다. 

 

 - 신체와 통합된 전자 시스템은 기초 연구 및 임상 의학분야에 정밀한 진단 및 치료 기능을 제공합니다. 최근, 뇌의 다양한 기능성을 부여하기위해 뇌, 피부 및 심장등의 부드러운 외부 표면에 전자 회로, 발광 다이오드(LED), 센서 등의 기계적 구성을 연구 중입니다. 그러나 이러한 장치를 작동하는 데 있어 중요한 제약은 표면 부착성과 조직의 체적 깊이에 직접적인 상호 작용 어렵다는 점입니다. 외부에 위치한 전자 제어 및 광원에 따라 상호 연결된 수동 관통 전극과 광섬유는 특히 신경과학, 공학 및 수술 상황에서 유용할 수 있습니다. 직접적인 생물학적 통합은 삽입 중 조직 병변, 지속적인 자극, 열 관리, 캡슐화, 전력 전달 부분에서 공학적으로 어려움이 존재하여 개발이 제한됩니다. 이러한 문제 중에 다수는 기존의 벌크 LED를 뇌 조직에 삽입하고 반도체 나노 와이어 장치를 세포 프로브 또는 활성, 시험관 내 조직 지지체로 사용하려는 실험이 어렵습니다. 또한 광유전학 측면에서 기존의 테더링된 광섬유 장치의 한계점은 생체 내 사용과 광범위한 생물학적 응용할 수 있는 기회를 제한합니다. 이러한 문제의 해결책으로 인간의 연조직에 깊숙이 삽입하기 위해 삽입 가능한 주사 바늘을 장착할 수 있고 기계적으로 호환되는 초박형 다기능 광전자 시스템을 발견했습니다. 이러한 무선 장치는 독립적으로 주소를 지정할 수 있는 다색 마이크로 스케일, 무기 발광 다이오드(μ-ILED)부터 함께 배치된 정밀 광학, 열 및 전기 생리학적 센서 및 액추에이터에 이르기까지 셀룰러 규모의 구성 요소를 통합합니다.

 

자극 , 감지 및 작동에서 다기능 작동을 하는 주사 가능한 세포 규모의 반도체 장치 .

 

 - 시스템의 구성 요소인 분리된 질화갈륨(GaN) μ-ILED디바이스와 배양된 인간 배아 신장 중 소자의 표면 형광 이미지 분석하였습니다. 각각의 "셀룰러 규모" μ-ILED (두께 6.45μm, 50 × 50μm2 )는 사파이어 기판에서 성장한 고품질 에피택셜 재료를 사용하여 접점을 설정하도록 만들어 졌습니다.( 모서리에 15 × 15μm 2 정사각형 패드 및 L- p-형 오믹 접촉을 위한 모양의 전류 퍼짐 층 형성). 그런 다음 이완되어 좁고 얇은 플라스틱 스트립에 전사 인쇄가 가능합니다. μ-ILEDs은 이하 천분 1mm의 측 방향 치수를 갖는 종래의 LED (100 μm의 두께) 및 광섬유 프로브로 신호 전달 실험을 진행했습니다. 작은 크기의 μ-ILED는 공간적으로 정확한 세포 규모의 광자 전달, 효과적인 열 관리, 조직 손상 감소 및 생체 내 장기간 사용을 위한 최소화된 염증을 나타냅니다. 또한 장치의 내구성을 조사하고 몇 개월 동안 기능을 유지할 수 있도록 센서 및 μ-ILED를 캡슐화하여 테스트했습니다. 결과적으로 자유롭게 움직이는 동물에서 장치가 잘 견딘다는 것을 추가적으로 입증했습니다.

 

 - 이러한 실험은 이러한 장치가 광유전학 실험에서 쉽게 구현될 수 있음을 보여줍니다. 미래의 가능한 사용은 폐쇄 루프 작동에 있습니다. 여기에서 액추에이터(예: 열, 빛 및 전기)는 단일 센서와 같은 생리학적 매개변수에 응답하여 빛 자극을 변경하기 위해 센서(예: 온도, 빛 및 전위)와 함께 작동합니다. 이 장치는 단위 활성, pH, 혈중 산소 또는 포도당 수준, 또는 신경전달물질 방출과 관련된 신경화학적 변화에 적합합니다. 광 유전학분야에서 유용하게 만드는 많은 장치 속성은 생물학 및 의학에서 더 폭넓은 활용 가능성을 시사합니다. 이와 같이, 주사 가능한 세포 규모 플랫폼에서 입증된 실리콘 기술의 호환성은 전자 처리 및 생물학적 상호 경계에 정교한 기능을 예상할 수 있습니다.

 

 

<출 처>

 

논문 제목: Injectable, Cellular-Scale Optoelectronics with Applications for Wireless Optogenetics

 

저 자: Tae-il Kim, Jordan G. McCall, Yei Hwan Jung, Xian Huang, Edward R. Siuda, Yuhang Li, Jizhou Song, Young Min Song, Hsuan An Pao, Rak-Hwan Kim, Chaofeng Lu, Sung Dan Lee, Il-Sun Song, GunChul Shin, Ream Al-Hasani, Stanley Kim, Meng Peun Tan, Yonggang Huang, Fiorenzo G. Omenetto, John A. Rogers, Michael R. Bruchas