우리 학교 화학과 김봉수 교수 연구팀(제1저자 강미정 박사)은 단결정 금 나노선을 이용해 만든 세계에서 가장 가는 나노탐침으로 쥐의 신경신호를 측정하는데 성공했다.
굵기가 100nm(나노미터, 10억분의 1미터)에 불과한 이 나노탐침은 기존보다 1,000배 이상 뛰어난 감도를 나타냈으며 1mm 이하의 극히 정밀한 간격으로 뇌신경 신호 측정이 가능하다. 기존 신경탐침은 삽입 시 조직 손상이 커서 검출신호가 약한 반면 개발된 탐침은 손상을 최소화해 신경 신호가 상대적으로 크다.
뇌에서 발생하는 전기적 신경신호를 정확하게 수집·분석하는 신경탐침은 뇌 연구에서 가장 핵심적인 요소다. 신경탐침은 조직손상을 최소화해야하며 우수한 전기적 감도를 가져야한다.
연구팀은 탐침의 재료인 금에 열을 가해 증기상태로 만든 다음 온도가 낮은 기판으로 운반한 후 기판에서의 응결에 의해 단결정 금 나노구조가 생성되는 원리를 이용해 금 나노선을 개발했다. 만들어진 금 나노선은 결함이 없는 단결정구조이기 때문에 전기전도성이 높으면서도 강하고 유연한 특성을 보였다.
김 교수 연구팀은 개발된 나노탐침을 간질을 유발하는 약물을 투여한 쥐의 뇌에 삽입해 신경신호를 측정한 결과 간질을 일으키는 뇌의 특정 영역을 정확히 찾을 수 있었다. 또 낯선 쥐의 침입에 의한 신경신호의 변화도 탐지해냈다.
김봉수 교수는 “뇌 신경 세포를 손상시키지 않으면서 단일 신경세포로부터의 신호를 높은 감도로 포착할 수 있다”며 “정밀한 뇌신경 3차원 지도 작성에 유용할 뿐 아니라 치매, 파킨슨병 등의 전기치료에도 도움이 될 것”이라고 말했다.
연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 12일자 온라인 판에 게재됐다.
□ 금나노선 합성 방법
석영관으로 이루어진 가열로 내에서 금 slug를 가열하여 형성시킨 금 vapor가 수송 기체에 의해 사파이어 기판에 도달하여 나노선으로 성장함
□ 금나노선 성장
사파이어 기판에 도달한 금 vapor가 half-octahedral seed를 형성하고, 그 seed에 금 vapor가 결합하여 나노선으로 성장함
□ 금나노선 탐침 제작방법
텅스텐 팁으로 기판 위에 수직 성장된 나노선 중 하나를 집어낸 뒤, 텅스텐 팁은 절연층으로 코팅함
□ 신경신호 감도 비교
금 나노탐침과 텅스텐 마이크로탐침을 쥐 뇌에 삽입하여 측정한 신경신호 비교. 금 나노탐침에서 스파이크 형태의 신경 신호가 뚜렷하게 관찰됨
□ 행동실험
낯선 쥐의 침입에 의한 신경신호의 변화를 금 나노탐침과 텅스텐 마이크로탐침으로 측정. 금 나노탐침에서만 뚜렷한 신호 변화가 측정됨
□ 약물실험
세 개의 금 나노탐침 또는 텅스텐 마이크로탐침을 쥐 뇌에 삽입한 후, 쥐에 간질을 유발하는 약물을 주사하여 발작 상태를 보일 때 측정한 신경신호. 세 개의 금 나노탐침은 세 영역의 신호를 구분하여 간질 중심을 찾아낼 수 있는 반면 세 개의 텅스텐 마이크로탐침은 세 영역의 신호를 구분하지 못함
