Flexible, Transparent, High-performance Multifunctional Electro-optical Bio-interfaces using Ultrathin Gold Films

Abstract

미세 스케일의 신경 회로 수준에서 신경 기능을 심층적으로 이해하고 정밀하게 제어하기 위해서는, 전기적·광학적 기록 및 자극을 정확하게 수행할 수 있는 전기-광학 신경 인터페이스가 필수적이다. 전기적 방법과 광학적 방법이 각각 가지는 공간적·시간적 장점을 결합함으로써, 이러한 하이브리드 인터페이스는 단일 모달리티 접근법으로는 포착하기 어려운 신경 활동의 타이밍, 연결성, 그리고 층별 특성을 규명할 수 있다. 또한 인터페이스의 투명성은 광유전학적 변조, 광열 자극, 칼슘 이미징 과정에서 발생할 수 있는 광유도 아티팩트를 효과적으로 억제하는 동시에, 고품질의 신경 이미징과 향상된 전기- 광학적 변조를 가능하게 한다. 그러나 기존의 투명 전기-광학 신경 인터페이스는 낮은 기계적 유연성, 제한된 전기화학적 성능, 약한 전기 자극 능력, 그리고 제조 공정상의 한계로 인해, 다기능적이고 양방향적인 신경 기록 및 자극 응용에 제약을 받고 있다. 본 학위논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 기능성 고분자 및 이차원 물질과 결합된 초박막(≤10 나노미터) 금 기반 투명 신경 전극 어레이를 제안한다. 본 플랫폼은 전기적 기록 및 자극을 위한 우수한 전기화학적 성능과 함께, 기계적 유연성과 광학적 투명성을 동시에 제공한다. 또한 포토리소그래피와 잉크젯 프린팅을 결합한 하이브리드 공정을 기반으로 한 확장 가능하고 신뢰성 높은 제조 방법을 통해, 256 채널 고밀도 전극 어레이의 제작이 가능함을 입증하였다. 제작된 신경 인터페이스를 이용한 in vivo 피질 전기 기록 실험에서 낮은 제곱평균제곱근 노이즈를 갖는 안정적인 신호 측정이 가능하였으며, 전극 이식 후 2 주가 경과한 이후에도 신호 안정성이 유지됨을 확인하였다. 또한 발작 유도 약물 주입에 따른 시간 영역 및 주파수 영역에서의 민감한 신경 신호 변화를 관찰하였다. 더 나아가, 광유전학적 변조 실험에서도 광유도 아티팩트 없이 안정적인 동작이 가능함을 입증하였다. 투명 전극과 투명 온도 센서를 통합한 다기능 바이오칩을 통해, 광열 자극에 의해 유도된 열 변화를 시간 지연 없이 직접 검출할 수 있었으며, 이 과정에서도 전극 어레이는 낮은 임피던스와 낮은 제곱평균제곱근 노이즈 특성을 유지하였다. 이와 같이 투명하고 유연하며 고성능의 전기-광학 신경 인터페이스는 칼슘 이미징과의 통합을 통해 전기적·광학적 기록 간의 시공간적 한계를 극복할 수 있다. 이러한 통합 플랫폼은 간질과 같은 신경 질환 모델에서의 신경 회로 메커니즘에 대한 정밀한 분석은 물론, 해마와 피질 간 신경 신호 전달 메커니즘을 규명하는 연구에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.|To deeply understand and control neuronal function at the micro-scale circuit level, electro-optical neural interfaces capable of precise electrical and optical recording and stimulation are essential. By combining the spatial and temporal strengths of both methods, these hybrid interfaces can reveal timing, connectivity, and layer-specific activity that single-modality approaches fail to capture. Adding transparency helps avoid light- induced artifacts during optogenetic modulation, photothermal stimulation, and calcium imaging, while enabling high-quality neural imaging and improved electro-optical modulation. However, current transparent electro-optical neural interfaces still face low mechanical flexibility, limited electrochemical performance, weak electrical stimulation, and manufacturing challenges, restricting their use in multifunctional, bidirectional neural recording and stimulation. This dissertation addresses these limitations by introducing an ultrathin (≤10 nm) gold-based transparent neural electrode array interfaced with functional polymers and two-dimensional (2D) materials. This platform simultaneously provides mechanical flexibility, optical transparency, and excellent electrochemical performance for electrical recording and stimulation. It is fabricated using scalable and reliable methods, specifically a hybrid approach combining photolithography and inkjet printing, enabling the realization of a 256-channel electrode array. Using the fabricated neural interface, in vivo cortical electrical recordings were achieved with low root mean square (RMS) noise, and stable signal measurement was maintained even two weeks after the implantation of the electrodes. Additionally, sensitive temporal and frequency-domain changes were observed in response to seizure-inducing drug injections. Furthermore, optogenetic modulation could be performed stably without any light-induced artifacts. By integrating transparent electrodes with a transparent temperature sensor into a multifunctional biochip, photothermally induced heat was directly detected without temporal delay, while the electrode array exhibited low impedance and low RMS noise without any light- induced artifacts. This transparent, flexible, and high-performance electro-optical neural interface can be integrated with calcium imaging to overcome the spatiotemporal limitations between electrical and optical recordings. Such integration enables detailed investigations of neural circuit mechanisms in disease models such as epilepsy, as well as studies on neuronal signal propagation between the hippocampus and the cortex.