광유전학을 위한 자극과 뇌파 기록이 동시에 가능한 완전 생분해성 생체 삽입형 유연 전자소자 시스템 Fully-Bioresorbable, Implantable and Flexible Electronic Device with simultaneous Opto-stimulation and Neural Recording for Optogenetics원문보기
본 논문은 광유전학을 위한 광자극과 뇌파 기록이 동시에 가능한 완전 생분해성 생체 삽입형 유연 전자소자 장치를 소개한다. 본 장치는 SiO2캡슐화 층으로 부분 절연되는 매우 얇고 인 도핑된 실리콘 나노박막 4채널 전극 어레이와 부드럽고 ...
본 논문은 광유전학을 위한 광자극과 뇌파 기록이 동시에 가능한 완전 생분해성 생체 삽입형 유연 전자소자 장치를 소개한다. 본 장치는 SiO2캡슐화 층으로 부분 절연되는 매우 얇고 인 도핑된 실리콘 나노박막 4채널 전극 어레이와 부드럽고 생분해 되는 Poly(lactic-co-glycolic acid)(PLGA) 광도파관 기판을 통합하여 제작한다. PLGA 광도파관을 따라 빛(470nm)을 전달받아 광도파관 팁에서 전반사한 빛이 통합된 전극을 투과하여 목표 신경 세포를 광자극하고 동시에 전극을 통하여 생체 신호를 기록하는 구조이다. 본장치는 (i)부드럽고 유연하여 대뇌 피질에 등각적 접촉을 하여 물리적 손상을 최소화하며, (ii)실리콘 나노박막 전극의 투명 패턴화를 통하여 빛 투과율을 비패턴 전극에 비해 약 2배 향상시켰다. (iii)PLGA의 높은 굴절율(nPLGA≒1.46)과 60° 기울어진 PLGA 광도파관 팁을 통하여 전반사에 의한 적은 손실의 직접적, 선택적 광자극이 가능하다. (iV)다양한 폼펙터의 PLGA와 소프트 리소그래피(soft lithography)기반의 간단한 제조 방법은 여러 형태의 광전자 소자에 쉽게 적용할 수 있으며 다양한 분야와의 융합 기대성 또한 높다. (V)마지막으로 모든 구성 재료가 생체적합도가 높고 생분해되는 재료이기 때문에 생체삽입용으로 적절하고 제거를 위한 2차 시술이 불필요하다. 본 장치의 언급된 특성들은 그 성능이 실험을 통하여 증명되었으며, 기존의 광유전학 융합 장치와 차별됨을 입증한다. 본 연구는 이전까지는 없었던 광자극과 뇌파 측정을 동시에 진행하는 완전-생분해성 광유전학 시스템에 대한 구조∙재료 선택 및 공정 방법에 대한 접근을 제시하며, 다양한 뇌 과학 기술 및 뇌 질환 임상치료 방면으로의 발전 및 확장 가능성을 시사한다.
본 논문은 광유전학을 위한 광자극과 뇌파 기록이 동시에 가능한 완전 생분해성 생체 삽입형 유연 전자소자 장치를 소개한다. 본 장치는 SiO2 캡슐화 층으로 부분 절연되는 매우 얇고 인 도핑된 실리콘 나노박막 4채널 전극 어레이와 부드럽고 생분해 되는 Poly(lactic-co-glycolic acid)(PLGA) 광도파관 기판을 통합하여 제작한다. PLGA 광도파관을 따라 빛(470nm)을 전달받아 광도파관 팁에서 전반사한 빛이 통합된 전극을 투과하여 목표 신경 세포를 광자극하고 동시에 전극을 통하여 생체 신호를 기록하는 구조이다. 본장치는 (i)부드럽고 유연하여 대뇌 피질에 등각적 접촉을 하여 물리적 손상을 최소화하며, (ii)실리콘 나노박막 전극의 투명 패턴화를 통하여 빛 투과율을 비패턴 전극에 비해 약 2배 향상시켰다. (iii)PLGA의 높은 굴절율(nPLGA≒1.46)과 60° 기울어진 PLGA 광도파관 팁을 통하여 전반사에 의한 적은 손실의 직접적, 선택적 광자극이 가능하다. (iV)다양한 폼펙터의 PLGA와 소프트 리소그래피(soft lithography)기반의 간단한 제조 방법은 여러 형태의 광전자 소자에 쉽게 적용할 수 있으며 다양한 분야와의 융합 기대성 또한 높다. (V)마지막으로 모든 구성 재료가 생체적합도가 높고 생분해되는 재료이기 때문에 생체삽입용으로 적절하고 제거를 위한 2차 시술이 불필요하다. 본 장치의 언급된 특성들은 그 성능이 실험을 통하여 증명되었으며, 기존의 광유전학 융합 장치와 차별됨을 입증한다. 본 연구는 이전까지는 없었던 광자극과 뇌파 측정을 동시에 진행하는 완전-생분해성 광유전학 시스템에 대한 구조∙재료 선택 및 공정 방법에 대한 접근을 제시하며, 다양한 뇌 과학 기술 및 뇌 질환 임상치료 방면으로의 발전 및 확장 가능성을 시사한다.
Here, a Fully-Bioresorbable, Implantable and Flexible Electronic Device with simultaneous Opto-stimulation and Neural Recording for Optogenetics is introduced. The device is manufactured through an integration of highly phosphorus doped, thin silicon nano membrane (Si NM) 4-channel el...
Here, a Fully-Bioresorbable, Implantable and Flexible Electronic Device with simultaneous Opto-stimulation and Neural Recording for Optogenetics is introduced. The device is manufactured through an integration of highly phosphorus doped, thin silicon nano membrane (Si NM) 4-channel electrode array, which is partially encapsulated by SiO2 layer, and soft and biocompatible waveguide based on poly(lactic-co-glycolic acid)(PLGA). The device structure is designed for the neural signal recording and photo-stimulation simultaneously. 470nm blue light is delivered through the optical waveguide and pass through the transparent Si NM electrodes and photo-stimulate the target neuron during the conformal contact between electrodes and brain tissue. Flexible and delicate device minimize the mechanical damage to target tissues through the conformal contact with cerebral cortex. The light transmittance of square array patterned Si NM electrodes is improved by about 2 times compared to non-patterned electrodes. The high refractive index (nPLGA≒1.46) of PLGA and the 60° tilted PLGA waveguide tips enable direct, selective photo-stimulation with minimum light loss through total reflection. A simple manufacturing process based on soft-lithography can be easily applied to various types of optoelectronics due to various form factors, that has high potential for application to various optoelectronic fields. The device is bio-implantable and do not require the secondary surgery for removal because the device consist of high biocompatible and biodegradable materials; Si NM, SiO2, and PLGA. Last, in-vitro and invivo tests are conducted, and results verify that above functions which deserve attentions owing of absence from existing optoelectronic devices. This study offers an approach to the structure of waveguide, materials and manufacturing method for a biodegradable optogenetic system that was not previously available, and suggests possibility of application to future brain analysis technology and clinical treatment of brain diseases.
Here, a Fully-Bioresorbable, Implantable and Flexible Electronic Device with simultaneous Opto-stimulation and Neural Recording for Optogenetics is introduced. The device is manufactured through an integration of highly phosphorus doped, thin silicon nano membrane (Si NM) 4-channel electrode array, which is partially encapsulated by SiO2 layer, and soft and biocompatible waveguide based on poly(lactic-co-glycolic acid)(PLGA). The device structure is designed for the neural signal recording and photo-stimulation simultaneously. 470nm blue light is delivered through the optical waveguide and pass through the transparent Si NM electrodes and photo-stimulate the target neuron during the conformal contact between electrodes and brain tissue. Flexible and delicate device minimize the mechanical damage to target tissues through the conformal contact with cerebral cortex. The light transmittance of square array patterned Si NM electrodes is improved by about 2 times compared to non-patterned electrodes. The high refractive index (nPLGA≒1.46) of PLGA and the 60° tilted PLGA waveguide tips enable direct, selective photo-stimulation with minimum light loss through total reflection. A simple manufacturing process based on soft-lithography can be easily applied to various types of optoelectronics due to various form factors, that has high potential for application to various optoelectronic fields. The device is bio-implantable and do not require the secondary surgery for removal because the device consist of high biocompatible and biodegradable materials; Si NM, SiO2, and PLGA. Last, in-vitro and invivo tests are conducted, and results verify that above functions which deserve attentions owing of absence from existing optoelectronic devices. This study offers an approach to the structure of waveguide, materials and manufacturing method for a biodegradable optogenetic system that was not previously available, and suggests possibility of application to future brain analysis technology and clinical treatment of brain diseases.
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