Implantable Nerve Cuff Electrodes for Peripheral Nerve Stimulation and Signal Recording
- 주제(키워드) Nerve Cuff Electrode , Drug Loading Control , Controlled Drug Release , Nanofiber , Hydrogel , Conductive Polymer , Glucose Sensor
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 윤광석
- 발행년도 2015
- 학위수여년월 2015. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000055271
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
In this thesis, I propose and demonstrate a polyimide nerve cuff electrode with a controllable drug loading/release function for stable recording and stimulation of peripheral nerve signal with minimal inflammation. The dexamethasone (DEX)-loaded poly L-lactic acid (PLLA) and/or poly lactic-co-glycol acid (PLGA) nanofibers are deposited on the cuff electrode by the electro-spinning method to control the releasing of anti-inflammatory drug. Then, a UV-patternable polyethylene glycol (PEG) is deposited on the functional nerve cuff coated with DEX-loaded nanofibers to accelerate the release rate of the drug. It is confirmed by using high performance liquid chromatography (HPLC) that the DEX releasing rates are increased up to 28% and 87% with PLLA and PLGA nanofibers, respectively, in 28 days. In addition, the functional nerve cuff electrode is electro-polymerized with poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) as a conductive polymer in order to recover the electric properties decreased by PEG layer. The impedance is measured to be 342 Ω at 1 kHz , which is extremely low compared to 1046 Ω of PEG-patterned cuff electrode. Through the acute ex-vivo test of SD rat’s sciatic nerve, the functional nerve cuff electrode with PEDOT:PSS shows stable and effective recording of the nerve signals. Additionally, I propose a cuff-shaped enzymeless glucose sensor integrated with the functional nerve cuff electrode to measure the real time fluctuation of nerve signal. The sensor is fabricated with black Pt as a working electrode (WE) to obtain extremely lowered impedance of 40 Ω at 1 kHz. The proposed sensor operates without any enzyme and mediators and shows glucose sensitivity of 38.26 μA/mMcm2 and detection limit of 25 μM in the glucose range up to 16 mM.
more초록/요약
본 논문에서는 안정적인 말초 신경의 자극과 기록을 위해서 항염증 약물 탑재/방출 조절 기능을 가진 폴리이미드 (polyimide) 기반 커프형 신경 전극 개발에 대하여 논한다. 항염증제의 탑재/방출 조절을 위하여 대표적 항염증제인 덱사메타손 (dexamethasone)이 탑재된 poly L-lactic acid (PLLA) 와 poly lactic-co-glycol acid (PLGA) 기반의 나노파이버를 약물 탑재량 조절이 가능한 전기 방사법을 통해 각각 기능성 커프형 신경 전극에 증착하였다. 그 후, 약물 탑재 나노파이버가 증착된 기능성 커프형 신경 전극 위에 약물 방출 속도의 증가를 위한 UV 패터닝이 가능한 polyethylene glycol (PEG)를 코팅한다. PEG의 코팅으로 인해 덱사메타손의 방출량이 28일 간, 각각 16 % 에서 28 % (PLLA nanofibers), 68 % 에서 87 % (PLGA nanofibers)로 증가한 것을 고성능액체크로마토그래피 (High Performance Liquid Chromatography, HPLC)로 확인하였다. 여기에 PEG의 코팅으로 인해 발생되는 기능성 커프형 신경 전극의 전기적 특성 저하를 방지하기 위해 전도성 고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) 를 기능성 커프형 신경 전극에 전기 중합 (electropolymerization) 하였다. PEDOT:PSS의 전기 중합 후, 1 kHz 주파수 대역의 임피던스 (impedance) 는 342 Ω 이였으며, 이는 PEG만 코팅 되어있는 커프형 신경 전극의 1 kHz 주파수 대역의 임피던스인 1046 Ω 보다 낮은 임피던스 수치를 보여준다. 이를 SD rat의 좌골 신경을 사용한 acute ex-vivo 실험을 통해 PEDOT:PSS가 전기 중합된 커프형 신경 전극의 신경 신호 측정 성능이 PEG만 코팅된 커프형 신경 전극에 비하여 향상된 것을 확인하였다. 추가적으로 본 논문에서는 신경 신호 측정에 영향을 줄 수 있는 염증의 실시간 확인이 가능한 커프형 무효소 포도당 센서가 통합된 기능성 커프형 신경 전극을 제안한다. 커프형 무효소 포도당 센서의 작업 전극 (working electrode, WE) 에 전기도금 된 black Pt를 적용하여 백금 전극과 비교하였을 때, 임피던스는 1 kHz 주파수 대역에서 600 Ω 에서 40 Ω 으로 감소하였고, 표면거칠기를 나타내는 roughness factor는 약 16배 증가하였다. 작업 전극의 black Pt 처리로 인해 효소 혹은 전자전달 매개체 없이 작동 가능한 커프형 무표소 포도당 센서를 개발하였고 38.26 μA/mMcm2의 인상적인 포도당 감지 감도 증가와 최소 25 μM 부터 최대 16 mM 농도 까지의 포도당 감지가 가능함을 보였다.
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