우리학과 남윤기 교수 연구팀이 잉크젯 프린팅 기술과 나노 입자 기술을 융합하여, 정밀한 형태의 열 패턴을 원격으로 발생할 수 있는 나노 광열 신경자극 기술을 개발하였다. 이 열 패턴을 이용하면 신경세포의 전기적 활성을 열이 발생한 부분에서만 일시적으로 억제할 수 있어 선택적 광열 신경자극 실험이 가능하다. 본 기술은 간질 등의 뇌질환 증상의 환자 및 실험 모델에 맞춤형 정밀 광열 자극을 도입할 수 있어 큰 의의를 갖는다.

나노 광열자극 기술은 금속 나노 입자의 열-플라즈모닉 현상을 이용해 신경 세포의 활성을 조절한다. 연구진은 지난 4년간 나노 광열효과에 의한 신경세포 활성 억제 현상을 발견하고, 이를 이용해 간질 등의 뇌질환에서 나타나는 신경세포의 비이상적 활동을 조절하기 위한 기술을 개발하여 왔다. 이번 연구에서는 기존의 공간적 선택성과 해상도의 제약을 극복하기 위하여 잉크젯 프린팅 기술을 이용한 나노 입자의 미세 패터닝을 통해 나노 광열 자극 기술에 공간 선택적 기능을 도입하였다. 이를 통해 원하는 세포만 선택적으로 활동을 억제할 수 있었으며, 이는 뇌 질환 치료에서 환자 맞춤형 광열 신경자극 치료의 가능성을 높였다.

본 연구는 정밀 잉크젯 프린팅과 고분자전해질 적층 코팅법을 결합하여 고해상도의 선택적 광열 자극 기술을 구현하였다. 정밀 잉크젯 프린팅 기술은 금속 나노 입자를 잉크로 사용하여 수 십 마이크로미터 크기의 나노 입자 패턴을 만들어 낼 수 있다. 여기에 고분자전해질 적층 코팅법을 결합하면, 원하는 모양을 보다 정밀하게 인쇄할 수 있으며, 높은 안정성으로 다양한 기판에 적용 가능하다. 또한, 고분자전해질 코팅법은 세포 친화적이라 세포 실험 및 생체 적용이 가능하다. 본 기술을 통해 금 나노막대 입자를 수 십 마이크로미터의 해상도로 인쇄하여 수 센티미터 이상의 정밀한 나노 입자 패턴을 손쉽게 제작하였다. 이러한 패턴에 빛을 조사하면 인쇄한 모양대로 정밀한 열 패턴을 형성할 수 있다.

연구팀은 본 인쇄 기반 광열 패턴 기술로 배양된 뇌신경세포의 활동을 선택적, 일시적으로 광 조사를 통해 억제할 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다. 또한 본 인쇄 기반 광열 패턴 기술은 얇고 유연한 기판에도 적용하여, 체내 이식용 뇌질환 치료 장치나 웨어러블 의료 장치 등으로 응용할 수 있음을 보였다.

강홍기 박사(연수연구원)가 주도하고 이구행, 정현준, 이지웅 박사과정이 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘ACS 나노 (ACS Nano)’ 2월 5일자에 게재되었다.

남 교수는 “원하는 형태의 열 모양을 손쉽게 원하는 곳 어디든지 인쇄 할 수 있다는 점에서 본 기술은 폭 넓은 공학적 활용성이 높다.”며 “바이오 공학 분야에서 빛과 열을 이용한 생체기능 조절을 위한 다양한 인터페이스 제작에 적용이 가능하며, 열패터닝을 활용한 새로운 위조 방지 기술 등에도 적용해 볼 수 있을 것이다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원을 받아 수행되었다.