바이오일렉트로닉스 및 유기 전기화학 트랜지스터

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-26

바이오일렉트로닉스(bioelectronics)라는 단어는 나쁜 사이보그를 포함한 공상영화의 이미지를 떠올리게 한다. 실제, 바이오일렉트로닉스는 빠르게 성장하고 있는 분야로, 생물학과 전자공학의 경계를 포괄하면서 많은 흥미로운 진보를 이루어왔다. 생화학적 감지, 조직 진단(tissue characterization) 및 장기의 모니터링에 적용되는 새로운 생의학 기기에 대한 연구보고가 급증하고 있다. 국소변환기로서 사용될 수 있는 유기 전기화학 트랜지스터(Organic electrochemical transistors, OECTs)는 이런 개발의 핵심을 담당하고 있다. Journal of Applied Polymer Science를 통해, 프랑스 마이크로일렉트로닉스 연구소의 Roisin M. Owens 등은 바이오전자기기에서의 OECTs에 대한 내용을 소개하였다. OECT의 핵심 특징 중 하나는 sub-volt 범위에서 증폭특성으로, 세포 및 동물실험에 필요한 장기간의 가능 시간을 확보하고 전기분해를 방지하는 역할을 한다. 위에서 언급한 증폭이란, 생물학적 현상에 대한 신뢰성 높은 변환기로 사용될 수 있기 때문에 다양한 분야에서 높은 민감도를 갖는 감지를 가능하게 해 준다는 것을 의미한다. 이것은 부분적으로는 OECT 기반의 기기들이 생의학적 목적으로 사용되는 기존의 전기화학적 센서들의 단점을 피해갈 수 있는 잠재력이 있기 때문이다. 본 리뷰 논문은 OECT의 다양한 분야에 대해 소개하고 있으며, 이온, 효소 및 면역센서뿐만 아니라, OECT가 저렴한 진단용으로 어떻게 활용될 수 있는지에 대해서도 소개하고 있다. 그리고 세포 및 동물실험에서 포유류 세포와 OECTs의 결합에 대해 언급하고 있다. 예를 들어, OECTs는 뇌의 활동을 모니터링하기 위해 표준적으로 사용되고 있는 유연성이 없는 전극 대신에 뇌에 식립되었다. 감지된 신호는 훨씬 뛰어난 것으로 나타났다. OECT에서 고분자는 중요한 역할을 담당한다. 지금까지 보고된 사실상 모든 OECTs는 전도성 고분자를 활성물질로 활용하여 제조되었다. OECT는 트랜지스터 구성에서, 소스(source)와 드레인(drain)은 유기 전도성 물질과 연결되어 있으며 이 유기물질은 전압의 차이에 의해 전류를 생성하는 역할을 한다. 주요한 이유는 고분자의 본질적인 성질, 즉 살아있는 세포와의 생체적합성, 광학적 투명성 및 조직과 유사한 기계적 유연성 때문이다. 게다가 전도성 고분자는 특정한 목적에 필요한 수준으로 특성을 조절할 수 있다. 마지막으로, 전도성 고분자의 특성상 OECT 자체를 쉽게 제조하는 것이 가능하다. 유기 바이오전자공학 분야는 지난 10년간 본 궤도에 올랐으며, 사용되는 모든 형태 중에 OECT가 가장 중요한 높은 민감도(sensitivity)를 만족시킬 수 있기 때문에 생물학자들의 예리한 안목에서 볼 때 높은 잠재력을 가지고 있는 것으로 사료된다. 때문에 지금까지 어떤 분야에 이용되어 왔고, 어떤 기기가 성공했으며 미래에 나아갈 방향에 대해서 포괄적으로 다시금 검토해 보는 적절한 시점이라고 Owens은 밝혔다. 재료과학 및 세포생물학의 연구를 통해, 저자는 3D 조직 구성체를 모니터링하고 종국에는 `칩 위의 다중 장기(body on a chip)` 타입의 다양한 시스템을 개발할 수 있기를 기대하고 있다. 그림 1> 면역센서 및 뉴클레이티드 센서로서의 OECTs. (a) OECT를 기반으로 하는 E. coli O157:H7 센서의 개략적인 그림. (b) 채널/전해질 및 전해질/게이트 계면을 포함한 전기이중층에서의 전압의 강하를 나타내는 그림. PEDOT:PSS 표면에 E. coli O157:H7 고정화하기 전후의 OECT에서의 값을 측정한 것이다. (c) 플렉서블 마이크로유체 시스템에 통합시킨 OECT를 나타낸 그림. Au 게이트 전극 표면의 DNA를 측정한 것이다. (d) (c)에서 얻은 특성 값을 나타낸 도표로, 삽입그림에서 동작특성(transfer curve)이 수평적으로 이동되는 것을 확인할 수 있다. 그림 2> 발전세포(electrogenic cells)를 측정하기 위한 OECTs. (a) 피부와 직접적으로 접촉하고 있는 상태에서의 OECT를 이용한 ECG의 기록. (b) 피부에 부착 용이성과 투명성을 보여주는 OECT. (c) 체성감각 피질(somatosensory cortex) 상에 위치한 ECoG 탐침의 광학현미경 사진으로 점선으로 표시되어 있다. 스케일 바의 크기는 1mm. 원문정보: “The organic electrochemical transistor for biological applications”, appears in the Journal of Applied Polymer Science Volume 132, Issue 15. 1-immunosensor.jpg 2-OECT.jpg http://www.materialsviews.com/bioelectronics-organic-electrochemical-transistor/