[논문]세포 배양 가능한 커버슬립형 초음파 변환자

이근형; 박진형

doi:10.7776/ask.2023.42.5.412

세포 배양 가능한 커버슬립형 초음파 변환자
Cell-cultivable ultrasonic transducer integrated on glass-coverslip 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.42 no.5, 2023년, pp.412 - 421

이근형 (성균관대학교 지능형정밀헬스케어융합전공) , 박진형 (성균관대학교 지능형정밀헬스케어융합전공)

초록
AI-Helper

초음파 뇌 자극술을 통하여 뇌 심부의 국소 지역에 있는 뇌 세포의 활성화를 유도할 수 있으며, 이를 통하여 저하된 뇌 기능을 치료하는데 효과가 있음이 보고되어 왔다. 반면, 초음파 자극의 종류에 따라 신경 변조의 효율과 방향이 달라질 수 있음이 알려져 있어, 적절한 초음파 자극의 종류를 확립하는 연구가 중요하다. 따라서, 본 논문에서는 이를 효과적으로 최적화 하기 위해 세포 배양시 사용되는 커버슬립 기반의 초음파 변환자를 제안하고자 한다. 균일한 초음파 자극을 전도하기 위해서 폴리머 압전소자(Poly-vinylidene fluoride-trifluorethylene, PVDF-TrFE)를 스핀 코팅하고 패를린 절연층을 상단에 적층시켜 음압 출력을 극대화 시켰다. 개발된 초음파 변환자 융합 커버슬립은 초음파자극기 표면에 배양된 수십개의 신경세포에 균일하고 정확한 초음파 자극을 전달 할 수 있고, 자극에 따른 세포의 반응을 형광 현미경으로 실시간 관찰 가능하다. 따라서, 동일한 초음파 자극에 대한 세포의 반응 신호를 최대 수십개 세포로부터 동시에 획득 가능하므로, 반응 신호를 평균 한다면 낮은 강도의 초음파 자극에 따른 뇌 세포의 미세한 반응을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 변환자와 물의 표면 등에서 발생하는 정현파에 의한 자극의 왜곡 현상을 줄일 수 있어서 사용자가 원하는 초음파 자극을 정확하게 세포로 전달 가능하다. 이렇게 개발된 초음파 변환자를 통해 변환자 표면에 배양된 별세포에서 6 MHz, 0.2 MPa의 저강도 초음파 자극에 의해 유도된 칼슘 반응을 성공적으로 관찰할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ultrasound brain stimulation is spot-lighted by its capability of inducing brain cell activation in a localized deep brain region and ultimately treating impaired brain function while the efficiency and directivity of neural modulation are highly dependent on types of stimulus waveforms. Therefore, to optimize the types of stimulation parameters, we propose a cell-cultivable ultrasonic transducer having a series stack of a spin-coated polymer piezoelectric element (Poly-vinylidene fluoride-trifluorethylene, PVDF-TrFE) and a parylene insulating layer enhancing output acoustic pressure on a glass-coverslip which is commonly used in culturing cells. Due to the uniformity and high accuracy of stimulus waveform, tens of neuronal cell responses located on the transducer surface can be recorded simultaneously with fluorescence microscopy. By averaging the cell response traces from tens of cells, small changes to the low intensity ultrasound stimulations can be identified. In addition, the reduction of stimulus distortions made by standing wave generated from reflections between the transducers and other strong reflectors can be achieved by placing acoustic absorbers. Through the proposed ultrasound transducer, we could successfully observe the calcium responses induced by low-intensity ultrasound stimulation of 6 MHz, 0.2 MPa in astrocytes cultured on the transducer surface.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. (Color available online) Structure of cellcultivable glass-coverslip integrated ultrasonic transducer.
그림 Fig. 2. (a) Calculated center frequency, -6 dB frequency and (b) sensitivity and electric impedance of the transducer as a function of PVDF-TrFE thickness. (c) Estimated sensitivity and electric impedance as a function of aperture size of the transducer.
표 Table 1. Acoustic parameters of materials used in ultrasonic transducer.
그림 Fig. 3. (Color available online) Calculated magnitude of acoustic force in shear and longitudincal direction at the depth of 10 μm.
그림 Fig. 4. (Color available online) (a) Preparation of DMA, MEK, PVDF-TrFE powder. (b) Stirring the PVDFTrFE solution combined with DMA, MEK and PVDFTrFE. (c) Remove the air bubbles in the solution with vacuum chamber linked with vacuum pump. (d) Fabricated PVDF-TrFE solution.
그림 Fig. 5. Measured PVDF-TrFE thickness as a function of rotation speed.
그림 Fig. 6. (Color available online) Ultrasonic transducer fabrication protocol. (a) Prepare glass coverslip. (b) Masking glass coverslip with Kapton tape. (c) Deposit gold/chromium electrode above the Kapton tape. (d) Detach the Kapton tape. (e) Spin-coat the PVDF-TrFE. (f) Applying Kapton tape to patterning the top electrode on the surface of PVDF-TrFE. (g) Deposit gold/chromium electrode. (h) Detach the Kapton tape. (i) Remove the portion of PVDF-TrFE layer to wiring the electrode with coaxial cable. (j) Soldering between electrode and coaxial cable. (k) Applying direct-current high-voltage to poling the ultrasonic transducer. (l) Coating parylene layer around the transducer.
그림 Fig. 7. Pulse-echo impulse response of the transducer.
그림 Fig. 8. (Color available online) (a) Overall schematic image of acoustic pressure measurement setup. Measured acoustic pressure as a function of (b) fundamental frequency and (c) input voltage.
그림 Fig. 9. (Color available online) Overall schematic illustration of astrocyte stimulation experiment.
그림 Fig. 10. (Color available online) Fluorescence images of GFAP, DAPI labeled astrocytes.
그림 Fig. 11. Measure peak value of dF/F as a function of ultrasound frequency.
그림 Fig. 12. (Color available online) (a) Illustration of the ultrasonic transducer and cultured primary astrocytes labeled with Fluo4-AM dye. Representative astrocytic calcium traces induced by ultrasound stimulation in (b) region A and (c) region B.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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