본 논문에서는 살아 있는 세포가 자발적으로 내보내는 전기적인 신호를 측정하기 위하여 나노 크기의 전극이 제작되었다. 전기생리학은 신경학적인 질환 (알츠하이머병, 요통, 실어증, 아카르디 증후군), 심장 질환을 밝히며, 또한 뇌의 기능을 지도화 하는데 촉망되는 해답이다. 전기생리학의 전극은 크게 2가지로 (세포 내 측정 전극 과 세포 외 측정 전극) 나뉘어 진다. 세포 내 측정 전극은 신호의 크기가 크며 ...
본 논문에서는 살아 있는 세포가 자발적으로 내보내는 전기적인 신호를 측정하기 위하여 나노 크기의 전극이 제작되었다. 전기생리학은 신경학적인 질환 (알츠하이머병, 요통, 실어증, 아카르디 증후군), 심장 질환을 밝히며, 또한 뇌의 기능을 지도화 하는데 촉망되는 해답이다. 전기생리학의 전극은 크게 2가지로 (세포 내 측정 전극 과 세포 외 측정 전극) 나뉘어 진다. 세포 내 측정 전극은 신호의 크기가 크며 공간분해능이 우수한 장점이 있지만, 직접적으로 세포를 침투해야 한다는 단점 (세포의 손상으로 인해 장기간의 측정이 불가능)이 있다. 반면, 세포 외 측정은 비교적 좋은 공간분해능을 가지는 동시에 어레이 형태로 측정이 가능하며, 또한 세포의 손상이 적기 때문에 신호가 세포 내 측정 보다는 약하지만 장기간의 측정이 가능하다. 본 논문에서는, 나노 물질을 기반으로 세포 내 전극과 세포 외 전극을 제작하였으며, 그것들의 전기화학적 특성과 셀의 전기적 신호를 평가 하였다. 세포 외 측정을 위해서 그래핀과 수직 배열된 탄소 나노튜브들 (VACNTs)이 이종접합된 전극이 사용되었으며, 세포 내 측정 위해서 수직 성장된 실리콘 나노선이 사용되었다. 3장에서는 신경 세포를 대신하는 CAD (Cath.a-differentiated) 세포를 이용하여 VACNTs multielectrode array (MEA :다중 채널 전극 배열)의 측정 능력을 평가 하였다. MEA는 그래핀/Pt 전극 위에서 플라즈마-화학기상증착법 (PECVD)을 이용하여 직접적으로 VACNTs가 성장 되었다. 여기서 그래핀은 VACNTs와 Pt전극 사이의 저항을 낮춰주는 역할을 한다. 그러므로 낮은 교류 저항을 가지며, 20분간의 자외선-오존 처리를 통하여 전극과 세포 간의 접착을 강화 하였다. 전극의 1 kHz에서의 교류 저항은 110 kΩ 이며, 이는 세포 외 측정을 할 때 적합한 값으로, 잡음 대비 신호의 크기는 낮은 크기의 신호 또한 효율적으로 측정 할 수 있는 15.7 이다. CAD 세포로부터 오는 자발적인 전기적 신호 발생을 VACNTs MEA를 이용하여 성공적으로 측정 하였으며, 이 소자는 1 개월 이상 안정적인 특성을 유지하여 생물학적인 상호 작용에서도 상당히 견고하다는 것을 발견할 수 있었다. 4장에서는 VACNTs와 그래핀의 이종접합을 통하여 투명한 MEA소자를 제작하였으며, 이는 SD(Spraque-Dawley) 쥐로부터 얻어진 대뇌피질세포의 자발적인 활동전위를 측정하는데 사용되었다. 투명한 그래핀 전극은 셀의 전기적 신호를 측정하는 동시에 세포의 광학적 관찰까지 가능하게 한다. 투명한 그래핀/VACNTs 전극에 배양된 세포를 약 한 달 간 관찰하였으며, 이 결과는 그래핀/VACNTs 전극이 생체 적합한 물질임을 알 수 있었다. UV-ozone 처리를 통해 기능화되고 수용액에서 변형된 VACNTs는 효과적으로 전극과 셀의 접점을 강화 시킨다. 이렇게 조작된 투명한 전극은 전기 용량성 특성을 보여주며, 이는 전하 주입 실험을 통하여 확인 되었다. 이때의 1 kHz에서의 전류 저항은 390 kΩ 이다. 이와 같은 전기 용량성 특성과 낮은 전류 저항으로 인해 제작된 투명전극은 약 408 이라는 높은 잡음대비 신호 비율을 보였다. 이와 같은 높은 신호 측정 효율을 갖는 전극의 개발은 파열적으로 발생하는 세포신호 측정과 스파이크 크기의 분포분석을 통해는 뇌세포의 네트워크 활동에 귀중한 연구가 될 수 있을 것이다. 마지막 장에서는, 살아있는 한 개 세포의 활동 전위를 수직한 나노 전극을 이용하여 세포 내 방법으로 측정하였다. 세포 내 측정전극 제작을 위하여, 반경, 길이, 밀도를 조정한 실리콘 나노선을 성장하였으며, 그 위에 세포를 배양하였다. 수직 나노선 탐침은 CMOS (complementrary metal-oxide-semiconductor)과정을 통하여 제작되었다. 이러한 나노선 탐침은 약 60 nm의 반경을 가지며, 비교적 손상을 적게 입히면서 세포막을 관통하기에 충분하기 때문에 세포 내 측정 전극으로 사용 되었다. 실리콘 나노선 탐침에 GH3세포를 성장시켜 세포의 자발적인 활동전위를 성공적으로 측정하였다. 이들 활동준위는 평균 10 mV의 크기의 신호 진폭을 가지며, 140 ms의 지속기간, 0.9 Hz의 주기를 가진다. 이 실험으로부터 얻어진 결과들은 신경세포나 신경조직의 네크워크 활동을 신호화 하는데 쉽게 확장 될 수 있을 것이다.
본 논문에서는 살아 있는 세포가 자발적으로 내보내는 전기적인 신호를 측정하기 위하여 나노 크기의 전극이 제작되었다. 전기생리학은 신경학적인 질환 (알츠하이머병, 요통, 실어증, 아카르디 증후군), 심장 질환을 밝히며, 또한 뇌의 기능을 지도화 하는데 촉망되는 해답이다. 전기생리학의 전극은 크게 2가지로 (세포 내 측정 전극 과 세포 외 측정 전극) 나뉘어 진다. 세포 내 측정 전극은 신호의 크기가 크며 공간분해능이 우수한 장점이 있지만, 직접적으로 세포를 침투해야 한다는 단점 (세포의 손상으로 인해 장기간의 측정이 불가능)이 있다. 반면, 세포 외 측정은 비교적 좋은 공간분해능을 가지는 동시에 어레이 형태로 측정이 가능하며, 또한 세포의 손상이 적기 때문에 신호가 세포 내 측정 보다는 약하지만 장기간의 측정이 가능하다. 본 논문에서는, 나노 물질을 기반으로 세포 내 전극과 세포 외 전극을 제작하였으며, 그것들의 전기화학적 특성과 셀의 전기적 신호를 평가 하였다. 세포 외 측정을 위해서 그래핀과 수직 배열된 탄소 나노튜브들 (VACNTs)이 이종접합된 전극이 사용되었으며, 세포 내 측정 위해서 수직 성장된 실리콘 나노선이 사용되었다. 3장에서는 신경 세포를 대신하는 CAD (Cath.a-differentiated) 세포를 이용하여 VACNTs multielectrode array (MEA :다중 채널 전극 배열)의 측정 능력을 평가 하였다. MEA는 그래핀/Pt 전극 위에서 플라즈마-화학기상증착법 (PECVD)을 이용하여 직접적으로 VACNTs가 성장 되었다. 여기서 그래핀은 VACNTs와 Pt전극 사이의 저항을 낮춰주는 역할을 한다. 그러므로 낮은 교류 저항을 가지며, 20분간의 자외선-오존 처리를 통하여 전극과 세포 간의 접착을 강화 하였다. 전극의 1 kHz에서의 교류 저항은 110 kΩ 이며, 이는 세포 외 측정을 할 때 적합한 값으로, 잡음 대비 신호의 크기는 낮은 크기의 신호 또한 효율적으로 측정 할 수 있는 15.7 이다. CAD 세포로부터 오는 자발적인 전기적 신호 발생을 VACNTs MEA를 이용하여 성공적으로 측정 하였으며, 이 소자는 1 개월 이상 안정적인 특성을 유지하여 생물학적인 상호 작용에서도 상당히 견고하다는 것을 발견할 수 있었다. 4장에서는 VACNTs와 그래핀의 이종접합을 통하여 투명한 MEA소자를 제작하였으며, 이는 SD(Spraque-Dawley) 쥐로부터 얻어진 대뇌피질세포의 자발적인 활동전위를 측정하는데 사용되었다. 투명한 그래핀 전극은 셀의 전기적 신호를 측정하는 동시에 세포의 광학적 관찰까지 가능하게 한다. 투명한 그래핀/VACNTs 전극에 배양된 세포를 약 한 달 간 관찰하였으며, 이 결과는 그래핀/VACNTs 전극이 생체 적합한 물질임을 알 수 있었다. UV-ozone 처리를 통해 기능화되고 수용액에서 변형된 VACNTs는 효과적으로 전극과 셀의 접점을 강화 시킨다. 이렇게 조작된 투명한 전극은 전기 용량성 특성을 보여주며, 이는 전하 주입 실험을 통하여 확인 되었다. 이때의 1 kHz에서의 전류 저항은 390 kΩ 이다. 이와 같은 전기 용량성 특성과 낮은 전류 저항으로 인해 제작된 투명전극은 약 408 이라는 높은 잡음대비 신호 비율을 보였다. 이와 같은 높은 신호 측정 효율을 갖는 전극의 개발은 파열적으로 발생하는 세포신호 측정과 스파이크 크기의 분포분석을 통해는 뇌세포의 네트워크 활동에 귀중한 연구가 될 수 있을 것이다. 마지막 장에서는, 살아있는 한 개 세포의 활동 전위를 수직한 나노 전극을 이용하여 세포 내 방법으로 측정하였다. 세포 내 측정전극 제작을 위하여, 반경, 길이, 밀도를 조정한 실리콘 나노선을 성장하였으며, 그 위에 세포를 배양하였다. 수직 나노선 탐침은 CMOS (complementrary metal-oxide-semiconductor)과정을 통하여 제작되었다. 이러한 나노선 탐침은 약 60 nm의 반경을 가지며, 비교적 손상을 적게 입히면서 세포막을 관통하기에 충분하기 때문에 세포 내 측정 전극으로 사용 되었다. 실리콘 나노선 탐침에 GH3세포를 성장시켜 세포의 자발적인 활동전위를 성공적으로 측정하였다. 이들 활동준위는 평균 10 mV의 크기의 신호 진폭을 가지며, 140 ms의 지속기간, 0.9 Hz의 주기를 가진다. 이 실험으로부터 얻어진 결과들은 신경세포나 신경조직의 네크워크 활동을 신호화 하는데 쉽게 확장 될 수 있을 것이다.
In this thesis, nanoscale electrodes were fabricated to measure delicate electrical signals spontaneously fired by live cells. Electrophysiology is a promising solution to trace neurological disorder (such as Alzheimer’s disease, back pain, aphasia, Aicardi syndrome), heart disease and also is used ...
In this thesis, nanoscale electrodes were fabricated to measure delicate electrical signals spontaneously fired by live cells. Electrophysiology is a promising solution to trace neurological disorder (such as Alzheimer’s disease, back pain, aphasia, Aicardi syndrome), heart disease and also is used to mapping brain function. Depending on the types of electrodes, electrophysiology electrodes could be classified into two groups; intracellular recording and extracellular recording electrodes. Intracellular recording electrodes have many advantages such as large signal and high spatial resolution, but they are intrinsically invasive; long-term measurement is not possible due to the cell damage. On the other hand, the electrodes for extracellular recording could be made as massive arrays with relatively good spatial resolution, and long term measurement is possible due to its non-invasive nature. Being non-invasive, signals measured with extracellular recording are rather poor than those of intracellular recording. Here, nanomaterials-based intracellular and extracellular signal recording electrodes were fabricated, and performances of them were assessed with electrochemical method and directly measure cell signals. As for extracellular signal recording, hybrid electrodes fabricated with graphene and vertically aligned carbon nanotubes were used, and an individual vertical Si nanowire-based electrodes were used to measure intracellular cell signals, respectively. First, in chapter 3, Cath.a-differentiated (CAD) cells were used in place of primary neuronal cells to assess the performance of vertically aligned carbon nanotube (VACNTs) multi-electrode arrays (MEAs). High-performance MEAs were fabricated by directly growing VACNTs onto graphene/Pt electrodes using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Graphene served as an intermediate layer to lower the contact resistance between the VACNTs and the Pt electrode. The electrode impedance was lowered and the cell adhesion was enhanced by treating VACNT-MEAs with UV-ozone for 20 min. The impedance of the VACNT electrode at a frequency of 1 kHz was reasonable (110 kΩ) for extracellular signal recording, and the signal-to-noise ratio (15.7) was sufficiently high to measure low-amplitude signals. Spontaneous firing events from the CAD cells were successfully measured using the VACNT MEAs, which were also found to be surprisingly robust under biological interactions. In chapter 4, transparent MEA devices fabricated with transparent graphene/VACNTs hybrid electrode were employed to extracellularly record spontaneous action potential of cortical neuron dissociated from Sprague-Dawley (SD) rat. The transparent graphene electrode enables the dual function of cell electrical signal measuring and optical monitoring of cells. Cells cultured in transparent graphene/VACNTs electrodes were viable for a month, confirms the biocompatibility of VACNTs MEA. Deformed VACNTs upon functionalization effectively enhance the interface between electrodes and cell. Modified transparent electrode exhibits capacitive characteristics verified by charge injection measurements, impedance of which is 390 kΩ at 1 kHz. The capacitive characteristics and low impedance of transparent hybrid electrode enable signal recording with remarkably high signal to noise ratio (408). The measurement of burst firing activity and distribution of amplitude spikes may become valuable tool for researching a neuronal network activity. Finally, action potential of a single living cell was measured in an intracellular mode by using a vertical nanoelectrode. For intracellular interfacing, Si nanowires were vertically grown in a controlled manner, and optimum conditions, such as diameter, length, and nanowire density, were determined by culturing cells on the nanowires. Vertical nanowire probes were then fabricated with a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process including sequential deposition of the passivation and electrode layers on the nanowires, and a subsequent partial etching process. The fabricated nanowire probes had an approximately 60-nm diameter, small enough to penetrate the cell memabrane and to be used as intracellular signal recording electrode. Si nanowire probes were interfaced with GH3 cells, and spontaneous action potential has successfully measured. The signal rapidly reached a steady state with average peak amplitude of approximately 10 mV, duration of approximately 140 ms, and period of 0.9 Hz. The outcomes of this study can be easily extended to the signaling of neural networks such as cultured primary neurons or brain slices.
In this thesis, nanoscale electrodes were fabricated to measure delicate electrical signals spontaneously fired by live cells. Electrophysiology is a promising solution to trace neurological disorder (such as Alzheimer’s disease, back pain, aphasia, Aicardi syndrome), heart disease and also is used to mapping brain function. Depending on the types of electrodes, electrophysiology electrodes could be classified into two groups; intracellular recording and extracellular recording electrodes. Intracellular recording electrodes have many advantages such as large signal and high spatial resolution, but they are intrinsically invasive; long-term measurement is not possible due to the cell damage. On the other hand, the electrodes for extracellular recording could be made as massive arrays with relatively good spatial resolution, and long term measurement is possible due to its non-invasive nature. Being non-invasive, signals measured with extracellular recording are rather poor than those of intracellular recording. Here, nanomaterials-based intracellular and extracellular signal recording electrodes were fabricated, and performances of them were assessed with electrochemical method and directly measure cell signals. As for extracellular signal recording, hybrid electrodes fabricated with graphene and vertically aligned carbon nanotubes were used, and an individual vertical Si nanowire-based electrodes were used to measure intracellular cell signals, respectively. First, in chapter 3, Cath.a-differentiated (CAD) cells were used in place of primary neuronal cells to assess the performance of vertically aligned carbon nanotube (VACNTs) multi-electrode arrays (MEAs). High-performance MEAs were fabricated by directly growing VACNTs onto graphene/Pt electrodes using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Graphene served as an intermediate layer to lower the contact resistance between the VACNTs and the Pt electrode. The electrode impedance was lowered and the cell adhesion was enhanced by treating VACNT-MEAs with UV-ozone for 20 min. The impedance of the VACNT electrode at a frequency of 1 kHz was reasonable (110 kΩ) for extracellular signal recording, and the signal-to-noise ratio (15.7) was sufficiently high to measure low-amplitude signals. Spontaneous firing events from the CAD cells were successfully measured using the VACNT MEAs, which were also found to be surprisingly robust under biological interactions. In chapter 4, transparent MEA devices fabricated with transparent graphene/VACNTs hybrid electrode were employed to extracellularly record spontaneous action potential of cortical neuron dissociated from Sprague-Dawley (SD) rat. The transparent graphene electrode enables the dual function of cell electrical signal measuring and optical monitoring of cells. Cells cultured in transparent graphene/VACNTs electrodes were viable for a month, confirms the biocompatibility of VACNTs MEA. Deformed VACNTs upon functionalization effectively enhance the interface between electrodes and cell. Modified transparent electrode exhibits capacitive characteristics verified by charge injection measurements, impedance of which is 390 kΩ at 1 kHz. The capacitive characteristics and low impedance of transparent hybrid electrode enable signal recording with remarkably high signal to noise ratio (408). The measurement of burst firing activity and distribution of amplitude spikes may become valuable tool for researching a neuronal network activity. Finally, action potential of a single living cell was measured in an intracellular mode by using a vertical nanoelectrode. For intracellular interfacing, Si nanowires were vertically grown in a controlled manner, and optimum conditions, such as diameter, length, and nanowire density, were determined by culturing cells on the nanowires. Vertical nanowire probes were then fabricated with a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process including sequential deposition of the passivation and electrode layers on the nanowires, and a subsequent partial etching process. The fabricated nanowire probes had an approximately 60-nm diameter, small enough to penetrate the cell memabrane and to be used as intracellular signal recording electrode. Si nanowire probes were interfaced with GH3 cells, and spontaneous action potential has successfully measured. The signal rapidly reached a steady state with average peak amplitude of approximately 10 mV, duration of approximately 140 ms, and period of 0.9 Hz. The outcomes of this study can be easily extended to the signaling of neural networks such as cultured primary neurons or brain slices.
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