차세대 신경 인터페이싱 전극 및 미세 전극 어레이를 위한 펨토초 레이저 계층적 표면 재구성

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13966(2022) 이 기사 인용

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장기 이식형 신경 인터페이싱 장치는 신경 자극을 통해 많은 심장, 신경, 망막 및 청각 장애를 진단, 모니터링 및 치료할 수 있을 뿐만 아니라 신경 조직과의 전기 신호를 감지하고 기록할 수 있습니다. 이러한 장치의 특이성, 기능성 및 성능을 향상시키기 위해서는 대부분의 최신 장치의 기초가 되는 전극 및 미세전극 배열을 더욱 소형화해야 하며 뛰어난 전기화학적 성능과 신경 조직과의 전하 교환 특성을 보유해야 합니다. 이 보고서에서 우리는 펨토초 레이저 계층적으로 재구성된 전극의 전기화학적 성능을 조정하여 문헌에 보고된 값을 크게 초과하는 전례 없는 성능 값을 생성할 수 있음을 처음으로 보여줍니다. 예를 들어 전하 저장 용량 및 특정 커패시턴스는 재구성되지 않은 전극에 비해 각각 2배, 700배 이상 향상되었습니다. 또한, 레이저 매개변수, 전기화학적 성능 및 전극의 표면 매개변수 사이의 상관관계가 확립되었으며, 성능 측정 기준은 레이저 매개변수와 상대적으로 일관되게 증가하는 거동을 보이는 반면, 표면 매개변수는 이러한 표면 매개변수와 표면 매개변수 사이의 직접적인 관계를 부정하는 예측하기 어려운 경향을 따르는 경향이 있습니다. 성능. 이러한 성능과 조정 가능성을 주도하는 요인과 표면적 증가 및 전극 거칠기라는 널리 채택된 추론이 관찰된 성능 증가의 주요 원인인지 여부에 대한 질문에 답하기 위해 집속 이온 빔을 사용한 전극의 단면 분석은 다음을 보여줍니다. , 처음으로 관찰된 전기화학적 성능 향상에 기여했을 수 있는 지하 특징의 존재가 발견되었습니다. 이 보고서는 신경 인터페이싱 응용 분야를 위한 펨토초 레이저 계층적으로 재구성된 전극에 대해 이러한 성능 향상 및 조정 가능성이 보고된 것은 처음입니다.

인구 노령화와 약물만으로는 치료할 수 없는 심장1,2, 신경학적3,4,5,6, 망막7,8 및 청각 장애9,10의 존재로 인해 다음과 같은 환자 수가 크게 증가했습니다. 장기간 이식 가능한 장치가 필요합니다. 이러한 장치와 광범위한 적용 범위는 표 1에 요약되어 있습니다. 이식형 장치는 신경 자극기 또는 이식형 펄스 발생기(IPG)에서 이식형 전극 또는 미세 전극 배열로 외부 전기 신호를 전달하여 생체 조직의 인공 자극을 통해 작동합니다. 그런 다음 신경 세포나 조직의 막을 통과합니다11. 신경계는 근육 운동을 유도하기 위해 뇌에서 근육으로 이동하는 전기 신호의 전달을 담당하며, 그 반대의 경우도 감각 기관에서 뇌로(예: 감지, 청각 및 시각) 이동합니다. 예를 들어 척수 손상의 경우와 같이 신경이 손상되고 뇌와 말초 사이의 통신이 중단된 경우 장치를 사용하여 뇌가 회복할 수 없는 기능을 회복할 수 있습니다. 신경계에서 이 정보를 제어하거나 기록합니다. 지난 수십 년 동안 전 세계의 많은 환자들이 생명에 중요한 기능과 생명 유지 기능을 위해 이식형 장치에 의존해 왔으며16,17,18, 이로 인해 이러한 장치에 엄청난 변화가 일어났습니다. 특히, 정상적인 인간 활동과 호환되고 호스트의 편안함을 향상시키기 위해 더 작은 이식형 장치가 필요하기 때문에 장치 소형화에 대한 강한 추세가 있었습니다19,20. 따라서 이러한 장치의 모든 구성 요소는 무게, 크기 및 환자의 편안함을 위해 최적화되어야 합니다. 이러한 장치의 대부분은 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. (1) 배터리와 전자 장치가 포함된 신경 자극기 또는 IPG; (2) 내인성 신경 또는 심장 활동을 감지하고 기록하며 속도 조절 및 자극 목적으로 펄스를 전달하는 전극 또는 미세전극 어레이; (3) IPG와 전극 또는 (마이크로)전극 어레이 사이를 연결하는 리드. 그림 1은 신경 자극 장치의 예와 위에서 설명한 세 가지 주요 구성 요소를 모두 보여줍니다.