표제지

목차

양자소재 및 나노탐침을 이용한 뇌질환 진단 및 치료기술개발 1

제출문 3

보고서 요약서 4

요약문 5

SUMMARY 7

CONTENTS 10

목차 11

제1장 연구개발과제의 개요 12

제1절 연구개발의 필요성 12

제2절 연구개발의 범위 17

제2장 국내외 기술개발 현황 20

제1절 국내외 관련분야의 환경변화 20

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 30

제1절 연구범위 및 연구수행 방법 30

제2절 연구결과 34

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 148

제1세부과제 148

제2세부과제 152

제3세부과제 154

제4세부과제 157

제5세부과제 160

제5장 연구개발결과의 활용계획 162

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 165

제7장 참고문헌 175

양자소재기반 뇌질환 진단 및 치료용 탐침의 안전성·유효성 연구 179

제출문 181

보고서 요약서 182

요약문 183

SUMMARY 185

CONTENTS 187

목차 188

제1장 연구개발과제의 개요 189

제1절 연구개발의 필요성 189

제2절 연구개발의 범위 194

제2장 국내외 기술개발 현황 195

제1절 국내외 관련분야의 환경변화 195

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 202

제1절 연구범위 및 연구수행 방법 202

제2절 연구결과 203

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 242

(1) 연구개발의 최종목표 242

(2) 연차별 연구개발 목표 및 내용 242

(3) 계획대비 달성도 244

(4) 위 연구목표(총연구기간)에서 중요도 순으로 4-5개 목표 추출 및 가중치 부여 246

제5장 연구개발결과의 활용계획 247

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 250

제7장 참고문헌 252

뇌질환 진단용 인체친화형 양자소재 및 활용기술 개발 256

제출문 258

보고서 요약서 259

요약문 260

SUMMARY 261

CONTENTS 262

목차 263

제1장 연구개발과제의 개요 264

1절 연구개발의 목적 264

2절 연구개발의 필요성 264

3절 연구개발의 목표 267

4절 연구의 범위 및 수행 방법 268

제2장 국내외 기술개발 현황 269

1절 국내외 기술개발 현황 269

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 276

1절 광섬유 온도센서의 개발 276

2절 광섬유를 이용한 바이오센서 개발 287

3절 Ferritin-QD을 이용한 신경전달물질 검지 297

4절 실리카에 담지된 ZnSe 양자점 소재 개발 299

5절 인체친화형 바이오센서 미디어 개발 302

6절 골드-키토산 나노입자를 이용한 도파민 측정기술 개발 318

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 324

(1) 연구개발의 최종목표 324

(2) 연차별 연구개발 목표 및 내용 324

(3) 계획대비 달성도 325

(4) 세부연구목표 및 가중치 325

제5장 연구개발결과의 활용계획 326

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 328

제7장 참고문헌 331

양자소재를 이용한 전기적 측정 시스템 기반의 탐침형 뇌센서 개발 334

제출문 336

보고서 요약서 337

요약문 338

SUMMARY 339

CONTENTS 341

목차 342

제1장 연구개발과제의 개요 343

제1절 연구의 목적 343

제2절 연구 개발의 필요성 343

제3절 연구개발의 범위 346

제2장 국내외 기술개발 현황 347

제1절 국내외 관련분야의 환경변화 347

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 348

제1절 연구범위 및 연구수행 방법 348

제2절 연구결과 349

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 390

(1) 연구개발의 최종목표 390

(2) 연차별 연구개발 목표 및 내용 390

(3) 계획대비 달성도 391

(4) 위 연구목표(총연구기간)에서 중요도 순으로 4-5개 목표 추출 및 가중치 부여 395

제5장 연구개발결과의 활용계획 396

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 397

제7장 참고문헌 400

나노탐침형 뇌센서용 무선시스템 개발 404

제출문 405

보고서 초록 406

요약문 407

SUMMARY 410

CONTENTS 413

목차 414

제1장 연구개발과제의 개요 415

제1절 연구개발 필요성 415

제2절 연구개발 목표 및 내용 419

제2장 국내외 기술개발 현황 423

제1절 국내외 기술동향 423

제2절 국내외 연구동향 428

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 438

제1절 인체용 pPPD (physical pin probe device) 개발 438

제2절 뇌센서용 WPDT 개발 471

제3절 Biofuel Cell 개발 486

제4절 관련특허 분석 521

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 536

1. 연구개발의 최종목표 536

2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 536

3. 계획대비 달성도 (선정시 제시된 연구목표) 537

4. 논문게제 538

5. 특허 출원 실적 539

6. 위 연구목표(총연구기간)에서 중요도 순으로 4~5개 목표 추출 및 가중치 부여 540

제5장 연구개발결과의 활용계획 541

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외 과학기술 정보 542

제7장 참고문헌 546

뇌기능 분석을 위한 탐침과 마이크로 스펙트로미터 개발 555

제출문 557

보고서 요약서 558

요약문 559

SUMMARY 561

CONTENTS 563

목차 564

제1장 연구개발과제의 개요 565

제1절 연구의 목적 565

제2절 연구 개발의 필요성 565

제3절 연구개발의 범위 566

제2장 국내외 기술개발 현황 567

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 568

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 647

제1절 연구개발의 최종목표 647

제2절 연차별 연구개발 목표 및 내용 647

제3절 계획대비 달성도 648

제4절 세부연구목표 및 가중치 648

제5절 관련 분야 기여도 649

제5장 연구개발결과의 활용계획 650

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 651

제7장 참고문헌 653

양자소재 및 나노탐침을 이용한 뇌질환 진단 및 치료기술 개발

I. 제목

양자소재 및 나노탐침을 이용한 뇌질환 진단 및 치료기술 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

뇌질환의 진단 및 치료를 위한 인체 친화형 양자 소재를 기반으로 한 뇌 삽입형 나노탐침 시스템을 개발함. 이를　위해 신경전달물질, 뇌압 등을 감지할 수 있는 센서와, 센서용 양자 소재, 탐침시스템（PPD, probe pin device) 및 무선동력전달 장치를 개발하고, 탐침시스템의 독성 및 유효성 평가를 통한 안전성을 확보함

III. 연구개발의 내용 및 범위

본 과제는 신개발 의료기기인 뇌질환 진단 및 치료용 양자소재 적용 PPD(Probe Pin Device, 탐침)의 독성 및 유효성 평가를 통하여 인체이식용 의료기기의 안전성 및 유효성을 확보하기 위해 나노입자에 대한 양자점 소재 기반 센서를 만들 때 사용되는 소재의 in vitro 안정성 평가와 생체적합성 평가와 바이오센서를 제작할 때 사용 되는 나노소재의 in vitro 안정성 평가와 조직적합성시험 평가를 수행할 것임. 또한 광섬유 침상식각 공정을 이용한 PPD 삽입용 탐침을 개발하고, 양자점을 이용한 광섬유 온도센서를 개발하여 온도변화의 안정적 측정 기술의 확보하였고, FRET을 이용한 광섬유 바이오센서를 개발하여 뇌질환 신경전달물질의 농도를 광학적으로 측정할 수 있는 기술을 개발할 것임. Dopamine, GABA 등과 같은 뇌질환 관련 신경전달물질을 전기적으로 측정할 수 있는 양자소재 기반의 나노탐침형 뇌 센서를 개발할 것이다. 생물 분자가 집적화된 나노탐침형 뇌 센서는 1) 나노 기술 (나노 양자입자, 나노와이어, 나노수준의 생체 분자 제어 기술)과 바이오 기술 (뇌질환 유발인자 반응 특이적 생물분자 선정, 생체 분자막 제조기술, 생체친화성 박막코팅 기술)을 융합되어 개발할 것임. 뇌상태에 따라 변화되는 뇌의 압력을 모니터링하기 위한 PPD용 초소형 MEMS 압력센서의 설계, 공정개발을 통해 시제품과 생체적합 패키지기술을 적용하여 전위차센서, 뇌압센서, 뇌온도 센서가 집적된 삽입형 physical PPD 설계하고 제작하고, 부위에서의 무선전력공급 및 PPD 센서데이터 무선 송수신기술 개발할 것임. 선동력 시스템과 연결되는 Micro-spectrometer의 각 부품을 테스트하는 Component Test Platform을 개발 하였으며 Micro spectrometer에 들어가는 스마트 광학물질(Smart Optics Material)을 측정하는 계측장치인 Smart Optics Material Characterization System을 개발과 프레넬 회절현상을 이용하여 초소형 광학 신경 신호 감지 장치를 개발할 것임

IV.　연구개발결과

신개발 의료기기인 뇌질환 진단 및 치료용 양자소재 적용 PPD(Probe Pin Device, 탐침)의 독성 및 유효성 평가를 통하여 인체이식용 의료기기의 안전성 및 유효성을 확보하기 위해 colloidal 형태를 지닌 금 나노입자가 뇌나 척추세포를 구성하는 세포에 안전한지에 대한 데이터 분석과 바이센서 제작에 사용되는 silicon wafer의 생물학적 안전성에 대해 형태적 변화와 독성 여부에 대한 분석 및 drug delivery system, telemetry의 소재로 사용되고 있는 SWCNT(3종류)와 MWCNT(4종류)가 신경세포에 미치는 영향에 대해 농도별로 분석하였음.

• 금속 및 반도체 양자소재의 quantum 효과를 이용해 온도 및 신경전달물질(neurotransmitter)의 농도를 측정할 수 있는 식각공정을 이용한 PPD형 탐침의 개발, 양자점을 이용하여 광섬유 온도센서의 개발, FRET을 이용한 광섬유 바이오센서의 개발, Femtin-QD을 이용한 신경전달 물질 검지, 인체친화형 ZnSe 양자점 소재 개발, 코어-쉘 나노복합체 바이오센서 소재 개발

• 양자소재를 이용한 전기적 측정 시스템 기반의 탐침형 뇌센서의 요소기술 개발와 전기적 신호 검출 기반의 뇌센서 시스템 개발을 위한 플랫폼 기술 및 뇌질환의 진단과 치료가 가능한 통합형 시스템 구축을 위한 원천기술 확보

• 금속 및 반도체 양자소재의 quantum 효과를 이용해 온도 및 신경전달물질(neurotransmitter)의 농도를 측정할 수 있는 식각공정을 이용한 PPD형 탐침의 개발, 양자점을 이용하여 광섬유 온도센서의 개발, FRET을 이용한 광섬유 바이오센서의 개발, Ferritin-QD을 이용한 신경전달 물질 검지, 인체친화형 ZnSe 양자점 소재 개발, 코어-쉘 나노복합체 바이오센서 소재 개발

• 정전용량형 Honeycomb 어레이 구조의 독특한 뇌압센서를 고안하고 제조공정을 개발하여 0.4xl.0mm 크기의 초소형 pPPD용 MEMS 뇌압센서와 생체적합 패키지기술을 적용하여 전위차, 뇌압, 뇌온도를 측정할 수 있는 직경 3mm 크기의 뇌 삽입형 physical PPD 제작하였고, 뇌부위 삽입되는 implant module, 무선전력송신 및 PPD 센서 데이터송수신용 mobile module로 구성된 flexible WPDT 시스템 설계 및 제작하였음.

• 프레넬 회절현상을 이용하여 광학 부분의 부피가 약 1mm³의 초소형 Micro-spectrometer의 각 부품을 테스트 하는 Component Test Platform을 개발하였으며 Micro spectrometer에 들어가는 스마트 광학물질(Smart Optics Material)을 측정하는 계측장치인 Smart Optics Material Characterization System을 개발하였음.

V. 연구개발결과의 활용계획

• 다양한 금 나노입자 및 탄소나노튜브에 대한 생체·조직 적합성에 대한 객관적이면서 체계적인 연구결과를 토대로 1) 나노물질의 독성시험 및 독성 기전 연구의 자료 축적, 2)나노물질의 안전성 기준을 제시하여 인체 유해성 방지 대책 마련, 3)나노물질의 인체 유해성 평가 가이드라인 제시 등 생체시스템에 적용하여 검증·평가하는데 응용될 것임

• 나노탐침형 진단소자를 통해 진단과 함께 동시에 치료가 가능한 통합시스템의 센서소재로 활용해서 DBS에 응용할 것임.

• 뇌질환 진단 및 치료가 동시에 가능한 통합시스템 구축에 활용.

• 개발된 기술은 확장되어 기타 질병의 지표물질들을 저농도로 측정을 가능하게 하여 국민의 보건향상을 위한 핵실기술로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 식품, 보건, 국방 분야의 유해물질 측정용 나노 바이오칩, 센서 기술 개발을 위한 원천기술로 광범위하게 활용.

• 뇌센서용 pPPD는 질환에 의한 뇌내부의 물리적 변를 모니터링하는 툴로 활용할 예정이고, 개발된 저전력급 평면형 무선전력 공급기술은 인공중이, implanted 당뇨센서, 안압센서 등 소전력이 소모되는 인체에 삽입되는 의료 디바이스에 적용할 예정임. 개발한 셀룰로오스 기반의 생체연료전지는 생체적합성이 매우 우수하여 생체이식장치, 바이오센서, 의약품 이송체 등의 초소형 생체전자장치의 개발에 이용될 수 있고 재사용과 재순환이 가능한 연료를 이용하고, 쉽게 구부러지고 접힐 수 있는 특징은 다양한 형태의 휴대용 전력 공급장치로 활용될 수 있는 가능할 수 있음.

• 뇌신경신호 감지 시스템은 뇌신경신호를 실시간으로 측정하고 이를 상시적으로 모니터링할 수 있어 이를 뇌심부자극 장치와 연동하여 뇌질환 치료에 직접적으로 적용할 수 있다. 이러한 장점은 뇌심부자극 치료방법의 문제점인 자극 정도 및 방법 조정의 어려움을 해소할 수 있어, 뇌심부 자극 치료의 효과를 향상시키며, 치료시 나타나는 부작용을 크게 해소할 수 있음. 이러한 개발결과는 생체내 물질 및 신호의 광학반응을 측정하는 것을 기반으로 하고 있어 이의 응용분야는 암을 포함한 각종 질병의 조기진단과 상시적인 모티터링등의 의료 공학 전반으로 확대될 수 있음.

양자소재기반 뇌질환 진단 및 치료용 탐침의 안전성·유효성 연구

I. 제목

양자소재기반 뇌질환 진단 및 치료용 탐침의 안전성·유효성 연구

II. 연구개발의 목적 및 필요성

나노입자가 코팅 또는 물리적으로 함입된 의료기기의 안정성 평가를 위하여 체내 적용시 유리될 수 있는 유·무기 나노입자의 세포독성, 조직적합성, 체내 축적 여부 등의 평가 방법 개발

III. 연구개발의 내용 및 범위

1) 양자점 소재 기반 센서를 만들 때 사용되는 소재의 in vitro 안정성 평가와 생체적합성 평가

• 나노입자가 코팅 또는 물리적으로 함입된 의료기기에 대한 자료조사와 분석

• 인체친화 나노입자 및 나노소재에 대한 생체적합성 평가(Gold nanoperticle, gold nanorod, glodnanowire, SWCNT and MWCNT)

• 인체친화 나노입자에 대한 조직적합성 평가(Gold nanoperticle, 뇌 이식시험)

2) 바이오센서를 제작할 때 사용되는 나노소재의 in vitro 안정성 평가와 조직적합성시험 평가

• 인체친화 나노입자 및 나노소재에 대한 생체적합성 평가 : 3D culture (Gold nanoperticle, gold nanorod, glodnanowire, SWCNT and MWCNT)

• 인체친화 나노입자 및 나노소재에 대한 조직적합성 평가 : Brain Slice Culture (Gold nanoperticle, gold nanorod, glodnanowire, SWCNT and MWCNT)

IV. 연구개발결과

• 바이오센서 또는 나노공학을 이용한 drug delivery system, telemetry의 소재로 사용되고 있는 SWCNT(3종류)와 MWCNT(4종류)가 신경세포에 미치는 영향에 대해 농도별로 분석한 결과를 통해 genesis 발생이나 세포사멸, 또는 대조군과 동일한 양상을 보여주는 농도를 각각 제시함으로써 생물학적 안전 농도에 대해 제시함

• colloidal 형태를 지닌 금 나노입자가 뇌나 척추세포를 구성하는 세포에 안전한지에 대한 데이터 분석을 통해, 금 나노입자가 작은 경우 뇌 조직이나 전구세포를 더 많이 손상시킨다는 것을 체계적으로 입증함. 인체에 안전하여 의료기기에 많이 사용되는 금도 크기와 농도에 따라 손상 정도가 다르고, 크기가 작은 금 입자가 생물학적으로 안전하지 못하다는 것을 제시함. 인체친화 나노입자 및 나노소재에 대한 생체적합성 평가(Gold nanoperticle, gold nanorod, glodnanowire)를 통해 안정적인 농도를 제시함.

• 바이센서 제작에 사용되는 silicon wafer의 생물학적 안전성에 대해 형태적 변화와 독성 여부에 대한 분석 결과를 제시함.

V. 연구개발결과의 활용계획

• 다양한 금 나노입자 및 탄소나노튜브에 대한 생체·조직 적합성에 대한 객관적이면서 체계적인 연구결과를 토대로 1) 나노물질의 독성시험 및 독성 기전 연구의 자료 축적, 2)나노물질의 안전성 기준을 제시하여 인체 유해성 방지 대책 마련, 3)나노물질의 인체 유해성 평가 가이드라인 제시 등 생체시스템에 적용하여 검증·평가하는데 응용될 것임

뇌질환 진단용 인체친화형 양자소재 및 활용기술 개발

I. 제목

뇌질환 진단용 인체친화형 양자소재 및 활용기술 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

금속 및 반도체 양자소재의 quantum 효과를 이용해 온도 및 신경전달물질(neurotransmitter)의 농도를 측정할 수 있는 인체친화형 바이오센서 소재를 개발하고, 항원-항체반응 원리를 이용해 neurotransmitter를 선택적이고 고감도로 탐측할 수 있는 PPD 삽입용 탐침시스템의 개발을 목적으로 함.

III. 연구개발의 내용 및 범위

- 광섬유 침상식각 공정을 이용한 PPD 삽입용 탐침을 개발하고, 양자점을 이용한 광섬유 온도센서를 개발하여 온도변화의 안정적 측정기술의 확보

- FRET을 이용한 광섬유 바이오센서를 개발하여 뇌질환 신경전달물질의 농도를 광학적으로 측정할 수 있는 기술을 개발함.

- Ferritin-QD을 이용한 신경전달 물질 검지 및 인체친화형 ZnSe 양자점 소재 개발

- 코어-쉘 나노복합체의 제조 및 바이오센서 소재로 응용함

IV. 연구개발결과

2단계 연구기간에 수행한 연구결과는 다음과 같다.

1) 식각공정을 이용한 PPD형 탐침의 개발

2) 양자점을 이용하여 광섬유 온도센서의 개발

3) FRET을 이용한 광섬유 바이오센서의 개발

4) Ferritin-QD을 이용한 신경전달 물질 검지

5) 인체친화형 ZnSe 양자점 소재 개발

6) 코어-쉘 나노복합체 바이오센서 소재 개발

V. 연구개발결과의 활용계획

- 나노탐침형 진단소자를 통해 진단과 함께 동시에 치료가 가능한 통합시스템의 센서소재로 활용해서 DBS에 응용할 계획임.

- 나노 바이오칩, 센서기술, 표적세포를 탐측하는 양자소재 등 다양한 의료용 원천 기술에 활용해서 국민의 보건향상에 기여할 수 있음.

양자소재를 이용한 전기적 측정시스템 기반의 나노탐침형 뇌 센서 개발

I. 제목

양자소재를 이용한 전기적 측정시스템 기반의 나노탐침형 뇌 센서 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

바이오 기술(BT: 뇌질환 유발인자 검출)과 나노기술(NT: 나노 양자소재, 나노와이어 제작 및 이를 바탕으로 한 전기적 측정)을 융합시켜 뇌질환을 측정할 수 있는 양자소재를 이용한 전기적 측정 시스템 기반의 나노탐침형 바이오센서를 개발한다. 개발된 나노탐침형 뇌 센서는 정보통신기술(IT:뇌 센서 신호분석을 통한 뇌질환 진단 및 date base 구축 기술)을 통하여 뇌질환 치료를 위한 통합시스템 구축의 원천기술 제공한다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

본 연구과제에서는 Dopamine, GABA 등과 같은 뇌질환 관련 신경전달물질을 전기적으로 측정할 수 있는 양자소재 기반의 나노탐침형 뇌 센서를 개발할 것이다. 생물 분자가 집적화된 나노탐침형 뇌센서는 1) 나노 기술 (나노 양자입자, 나노와이어, 나노수준의 생체 분자 제어 기술)과 바이오 기술 (뇌질환 유발인자 반응 특이적 생물분자 선정, 생체 분자막 제조기술, 생체친화성 박막코팅 기술)을 융합되어 개발할 것이며, 2) 개발된 뇌센서는 전기적 신호 측정 기술이 적용될 것이다. 상기에서 개발된 나노탐침형 뇌센서는 향후 wireless power system(타세부과제)와 결합하여 소형화된 통합 시스템으로 개발될 것이며, 이는 궁극적으로 뇌질환 진단 및 치료기술에 대한 원천기술을 제공할 것이다.

IV. 연구 개발 결과

• 양자소재를 이용한 전기적 측정 시스템 기반의 탐침형 뇌센서의 요소기술 개발

• 전기적 신호 검출 기반의 뇌센서 시스템 개발을 위한 플랫폼 기술 확보

• 뇌질환의 진단과 치료가 가능한 통합형 시스템 구축을 위한 원천기술 확보

V. 연구 개발 결과의 활용 계획

• 뇌질환 관련인자의 저농도 측정을 가능하게 하여 오늘날 사회적으로 문제화되는 뇌질환 진단의 새로운 기술의 원천 기술을 확보

• 뇌질환 진단 및 치료가 동시에 가능한 통합시스템 구축에 활용.

• 개발된 기술은 확장되어 기타 질병의 지표물질들을 저농도로 측정을 가능하게 하여 국민의 보건향상을 위한 핵실기술로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 식품, 보건, 국방 분야의 유해물질 측정용 나노 바이오칩, 센서 기술 개발을 위한 원천기술로 광범위하게 활용.

나노탐침형 뇌센서용 무선시스템 개발

I. 제목

나노탐침형 뇌센서용 무선시스템 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

- 인체 내에 implant 되는 의료용 소자(medical devices)의 구동에 필요한 반영구적 전원 공급장치가 필요함. 삽입되는 배터리의 용량이 한계가 있으므로 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 방안으로 무선전력공급 기술과 생체 전지 기술이 대안이 될 수 있음.

- 생체연료전지(biofuel cell)는 인체 내에 항상 존재하는 포도당과 산소를 연료로 사용하고, 생체 촉매인 효소를 사용하여 산화/환원반응을 통해 전기에너지를 생산할 수 있는 인체 친화적이고 반영구적인 전지임. 따라서 인체 내에 이식된 의료용 소자의 구동을 위한 가장 이상적인 전원 공급 장치인 생체연료전지의 실용화를 위해서는 핵심 요소기술 개발이 절실히 요구됨.

- 뇌에 삽입되는 나노 탐침형 뇌센서에 전원을 공급하기 위한 인체에 적합한 power transmitter와 receiver, converter 등의 요소기술과 뇌센서의 데이터를 인체매질를 통한 데이터 통신기술을 개발하여 뇌센서용 wireless power & Data transmission(WPDT) 장치 및 생체 연료전지의 원천기술을 확보한다.

- 뇌의 이상현상을 모니터링하기 위한 초소형 온도, 뇌압력, 전위차 센서가 다중화 된 뇌센서 프로브 Physical PPD(Pin Probe Device)기술을 개발함.

- 무선전력공급 및 데이터통신, 다중 뇌센서 제어 및 신호처리 기능을 갖는 뇌센서용 평면형 WPDT 시스템을 두뇌부 삽입에 적합한 생체 친화적 패키징 기술로 최적화함.

III. 연구개발의 내용 및 범위

1) 인체 뇌내부 상태 모니터링을 위한 Physical PPD용 단위센서소자 연구

- 뇌상태에 따라 변화되는 뇌의 압력을 모니터링하기 위한 PPD용 초소형 MEMS 압력센서의 설계, 공정개발을 통해 시제품 제작 및 평가

- 뇌온도, 전위차 측정을 위한 단위센서를 개발하여 뇌압센서와 결합함

2) 생체적합 패키지기술을 적용하여 전위차센서, 뇌압센서, 뇌온도 센서가 집적된 삽입형 physical PPD 설계하고 제작 및 평가

3) 뇌부위에서의 무선전력공급 및 PPD 센서데이터 무선 송수신기술 개발

- MIC 기술을 이용한 저전력 무선전력공급 기술 개발

4) 뇌센서용 WPDT 시스템 개발

- 뇌부위 삽입되는 implant module, 무선전력송신 및 PPD 센서 데이터송수신용 mobile module 로 구성된 flexible WPDT 시스템 설계 및 제작 평가

5) 박막형 효소-CNT 전극의 제조

- CNT에 효소를 물리흡착, 가교결합 방법에 의해서 고정화하고, 박막형태의 효소-CNT 전극을 만들고자 한다. 한편, CNT 박막을 먼저 제조하고 효소를 고정화할 수도 있다.

6) 효소-CNT 전극의 효소활성 및 안정성 연구

- CNT의 길이, 종류, functionalization 등을 달리해서 GOx와 BOx가 mediator 없이 DET를 통해서 활성을 나타내는 조건을 최적화 한다.

7) 효소-CNT-셀룰로오스 composite 제작

- 이온성 액체를 이용하여 효소-CNT-셀룰로오스 composite을 만들고 전기화학적 특성을 연구하여 composite 제작 방법 및 조성을 최적화 한다.

8) Blood compatible CNT-헤파린-셀룰로오스 composite 개발 연구

- 셀룰로오스 대신에 헤파린-셀룰로오스 composite을 이용하여 혈액 적합성을 향상시킨다.

9) 효소-CNT-셀룰로오스 composite의 fabrication 연구

- GOx-CNT-셀롤로오스 anode와 BOx-CNT-셀룰로오스 cathode를 fabrication 하여 생체연료전지를 개발한다.

IV. 연구개발결과

1) 정전용량형 Honeycomb 어레이 구조의 독특한 뇌압센서를 고안하고 제조공정을 개발하여 0.4×1.0㎜ 크기의 초소형 pPPD용 MEMS 뇌압센서를 제작하고 평가함

2) 생체적합 패키지기술을 적용하여 전위차, 뇌압, 뇌온도를 측정할 수 있는 직경 3㎜ 크기의 뇌 삽입형 physical PPD 제작 및 평가함. 뇌압범위는 760±200mmHg이고, 뇌온도는 20~50℃ 이고, 전위차는 30㎷ 까지 측정이 가능함.

3) 뇌부위 삽입되는 implant module, 무선전력송신 및 PPD 센서 데이터송수신용 mobile module로 구성된 flexible WPDT 시스템 설계 및 제작 평가함.

4) 이온성 액체를 이용한 셀룰로오스 용해 및 재구성 과정을 통하여 셀룰로오스-탄소나노튜브 복합 전극 제작

5) 셀룰로오스-CNT composite에 포도당 산화효소, 빌리루빈 산화효소를 고정화하여 생체 적합성 생체연료전지를 위한 효소 전극 개발

6) 혈액 적합성이 뛰어난 헤파린-탄소나노튜브 복합 전극 개발

V. 연구개발결과의 활용계획

본 연구에서 개발한 뇌센서용 pPPD는 질환에 의한 뇌내부의 물리적 변를 모니터링 하는 툴로 활용할 예정이고, 개발된 저전력급 평면형 무선전력 공급기술은 인공중이, implanted 당뇨센서, 안압센서 등 소전력이 소모되는 인체에 삽입되는 의료 디바이스에 적용할 예정임. 개발한 셀룰로오스 기반의 생체연료전지는 생체적합성이 매우 우수하여 생체이식장치, 바이오센서, 의약품 이송체 등의 초소형 생체전자장치의 개발에 이용될 수 있다. 또한 재사용과 재순환이 가능한 연료를 이용하고, 쉽게 구부러지고 접힐 수 있는 특징은 다양한 형태의 휴대용 전력 공급장치로 활용될 수 있는 가능성을 지니고 있다.

뇌기능 분석을 위한 탐침과 마이크로 스펙트로미터 개발

I. 제목

뇌기능 분석을 위한 탐침과 마이크로 스펙트로미터 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

본 연구의 목적은 인간 뇌에서 일어나는 미세한 뇌신경 신호의 발생 및 전달 과정을 생체내에 이식하여 직접 측정할 수 있는 광학 신경 신호 감지 장치를 세계 최초로 개발하는 것을 목표로 하고 있으며, 측정된 신호를 치료 시스템에 적용하여 뇌질환 및 뇌기능 이상 환자의 진단 및 치료 방법을 획기적으로 개선하는 것을 지향하고 있다. 이를 위해 뇌 안에서 직접 전기적, 화학적, 생물학적인 신호를 감지할 수 있도록 나노테크놀로지가 적용된 미세 탐침과 상시적으로 감지되는 분광 신호를 전기적인 신호로 변화, 처리하는 마이크로 분광기를 포함하는 초소형 뇌신호 감지시스템을 개발하는 것을 주요 연구 목적으로 하고 있다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

본 연구 개발은 프레넬 회절현상을 이용하여 초소형 광학 신경 신호 감지 장치를 개발하는 것을 주요 내용으로 하고 있으며, 이장치의 개발은 여섯가지 주요 세부과제로 구성되어 있다.

1) 뇌신경 조직과 접촉하여 뇌신경 신호 발생 및 전달 과정에서 발생하는 전기적, 화학적, 물리적인 상태변화를 광학신호로 변환하여 주는 미세 탐침의 개발

2) 감지신호의 세기, 선별도, 그리고 생체 친화성을 향상시키기 위해 탐침의 구조에 나노테크놀로지를 적용하는 연구

3) 탐침을 통해 감지, 전달되는 광신호 스펙트럼을 전기 신호로의 변환을 하는 마이크로스펙트로메터를 초소형으로 개발

4) 뇌신경 감지 장치의 생체 이식시 상시적으로 이루어지는 감지 신호의 생체 외부로의 전달, 모니터링을 위해 무선 전력 전달 시스템을 개발

5) 뇌신호 감지 장치 및 신호 처리, 해석 방법의 생체내 검증을 위한 신경 조직 및 동물 실험

6) 장치의 제어/구동, 측정신호의 실시간 처리, 전송, 표시, 저장, 해석을 위한 소프트웨어 개발

IV. 연구개발결과

본 연구팀은 2단계 연구기간 동안 micro-spectrometer의 초소형화 및 성능향상을 이루었다. 광센서의 물리적 이동 스캔을 기본 방식으로 하던 1단계 3차 개발 시스템의 디자인을 변경하여, 기계적인 움직임이 전혀 필요하지 않는 소형 선형 Imaging Sensor를 사용한 선형 프레넬 마이크로 분광기를 제작하였으며 개선된 3차 개발 시스템의 크기가 1단계 개발 시에 비해 3.8%의 크기로 초 소형화 되었다. 이 과정 동안 광신호 감지 및 전달을 용이하게 하는 미세 광섬유구조를 3차 시스템에 적용하여, 뇌신호 감지 영역을 뇌구조의 표면으로부터 심층 구조까지 확장하였다. 이러한 영역확장은 이연구의 직접적인 적용분야인 뇌심부 전기자극기에 용이하게 융합될 수 있다. 또한, 2011년에 이어 2012년에는 신경조직에 대한 생체 광학 특성 조사가 시작되었으며, 쥐의 뇌 조직 샘플에 대해 정밀 absorption, transmission, fluorescence 광학 측정을 하였다. 뇌신경조직의 광신호 반응을 확인하기 위하여 광신호 탐침을 쥐의 뇌에 이식하여, 뇌신경 신호 및 조직의 변화를 상시적으로 모니터링하는 동물실험을 시작하였다. 2단계 과정동안 두 가지의 무선 전력 전달 방식(Magnetic Resonance Coupling, Rectenna)이 연구되었으며 magnetic resonance coupling 원리를 사용한 소형 수신 장치의 경우 모자형의 전력 송신 구조를 이용 시 125 ㎽의 높은 power 전달 성능을 나타내었다.

V. 연구개발결과의 활용계획

본 연구 결과인 나노 탐침을 장착한 뇌신경 신호 감지시스템은 뇌질환 치료를 목적으로 하는 의료기기로의 활용을 최우선으로 하고 있다. 뇌신경신호 감지 시스템은 뇌신경신호를 실시간으로 측정하고 이를 상시적으로 모니터링 할 수 있어 이를 뇌심부자극 장치와 연동하여 뇌질환 치료에 직접적으로 적용할 수 있다. 이러한 장점은 뇌심부자극 치료방법의 문제점인 자극 정도 및 방법 조정의 어려움을 해소할 수 있어, 뇌심부 자극 치료의 효과를 향상시키며, 치료시 나타나는 부작용을 크게 해소할 수 있다.