Bioadaptive liquid-infused multifunctional fibers for long-term neural recording via BDNF stabilization and enhanced neural interaction

연구 배경

뇌에 삽입하는 신경 탐침은 삽입 손상, 만성 이물 반응(foreign body reaction, FBR), 신경교 피막 형성, 미세 움직임에 의해 시간이 지날수록 기록 품질이 떨어집니다. 방오 코팅은 단백질과 면역세포의 부착을 줄이지만, 강한 반발성 때문에 기록 대상인 신경세포와의 접촉도 막습니다. 반대로 신경영양 생체분자를 결합한 표면은 신경세포와의 상호작용을 돕지만, 생체분자가 단백질 분해효소와 활성화된 면역세포에 노출되어 분해되고 삽입 시 마찰 손상도 해결하지 못합니다.

설계와 접근

섬유는 폴리카보네이트/폴리메틸메타크릴레이트(PC/PMMA) 프리폼을 텅스텐 미세선과 함께 열인발하여 제작했으며, 지름 276 ± 1.52 μm 안에 광도파로, 미세유체 채널, 기록 전극을 포함합니다. TAB 코팅은 부분 실란화로 형성합니다. 표면을 과불화실란(PFS)으로 먼저 처리한 뒤 짧은 2차 산소 플라즈마(30 W, 5초)로 불소화층 일부를 제거하고, 노출된 부위에 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES)을 도입합니다. 이후 EDC/NHS 반응으로 아민기에 BDNF를 공유 결합하고 PFPE 윤활제를 주입합니다. 윤활제는 PFS 영역에 머무르고, APTES 영역의 BDNF는 신경세포와 성상세포의 TrkB 수용체와 결합할 수 있도록 노출됩니다.

평가 방법

코팅은 X선 광전자분광(XPS), 접촉각, 말 혈액과 형광 표지 혈장 단백질(피브리노겐, 알부민)을 이용한 방오 시험, 0.6% 아가로스 뇌 모사 젤에서의 삽입·회수 하중, 교차 절단 테이프 시험(ASTM D3359)으로 평가했습니다. 분자동역학과 밀도범함수 계산으로 PFS/APTES 표면의 윤활제 분포를 분석했습니다. 생쥐 일차 해마 세포를 무처리, 윤활제 단독, BDNF 단독, TAB 표면에 배양해 세포 선택성, 사이토카인과 MMP-9 분비, 항산화·해당과정 유전자 발현을 비교했습니다. 생쥐 실험에서는 피하 이식(군당 n = 3, 7일)으로 이물 반응을, 해마 이식 후 1일~12주 면역조직화학으로 조직 반응을 평가했고, CA1 영역의 단일 뉴런 활동을 최대 12개월 기록했습니다.

연구 내용과 주요 결과

뇌 모사 젤에서 TAB 섬유는 무처리 섬유 대비 최대 삽입 하중을 25.2 mN에서 2.94 mN으로, 삽입 후 응력 이완 하중을 3.94 mN에서 1.45 mN으로 낮췄고 회수 하중도 줄였습니다. 테이프 박리 10회 후에도 코팅이 유지된 반면, 폴리에틸렌글리콜 기반 방오 코팅은 5회 만에 완전히 박리되었습니다. 코팅 섬유에는 혈액 얼룩이 남지 않았고 형광 영상에서 혈장 단백질 부착이 관찰되지 않았습니다. 분자동역학 계산에서는 윤활제가 APTES 영역보다 불소화 영역에 7.6배 많이 분포해, 윤활 영역 사이로 BDNF가 노출되는 구조와 부합했습니다.

일차 해마 세포 배양에서 성상세포와 신경세포는 BDNF 단독 표면과 TAB 표면 모두에 부착·확산했습니다. TAB 표면의 미세아교세포는 둥근 형태를 유지하고 신호 강도가 낮았던 반면, BDNF 단독 표면에서는 가지 뻗은 활성 형태로 바뀌었습니다. MMP-9, TNF-α, IL-6, IL-8은 윤활층이 없는 BDNF 단독군에서만 높았습니다. 정량 PCR과 웨스턴 블롯에서는 TAB 표면에서 TrkB/Nrf2 항산화 경로와 해당과정 관련 유전자·단백질 발현이 증가했습니다.

생쥐 해마 이식 후 1일째 BDNF 단독 섬유 주변에서 MMP-9 발현이 높았고, 1주째 TAB 섬유 주변에서는 Iba1 양성 활성 미세아교세포가 줄었습니다. 신경 보호형 A2 성상세포 표지인 S100A10은 1일과 1주 모두 TAB 계면에서 높았고, A1 표지인 C3는 증가하지 않았습니다. TAB 섬유 주변의 NeuN 양성 신경세포 면적은 1주, 4주, 12주에 무처리 섬유보다 넓었으며 1일째에는 차이가 없었습니다. 피하 이식 모델에서도 TAB 섬유 주변의 면역세포 침윤과 콜라겐 침착이 1주 후 적었습니다.

TAB 섬유는 해마 CA1에서 최대 12개월까지 단일 뉴런 활동을 기록했으며, 파형·주성분·스파이크 간격 분석에서 무처리 섬유는 6개월 이후 스파이크를 기록하지 못했습니다. 통계 분석이 가능한 8개월 동안 전극당 스파이크 유닛 수는 무처리 섬유에서 감소했고(P = 0.016, 전극 n = 6) TAB 섬유에서는 유지되었으며(P = 0.796, 전극 n = 5), TAB 섬유의 신호 대 잡음비(SNR)도 유의한 변화가 없었습니다(P = 0.447, n = 3).

다른 연구와의 연결

기존 열인발 다기능 섬유 연구가 섬유 구조를 통해 광·전기·화학적 신경회로 탐지를 동시에 구현했다면, 이 연구는 윤활 기반 방오와 BDNF 고정화를 결합한 표면 화학을 더해 소자-조직 계면의 숙주 반응을 조절한다는 점이 다릅니다.