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Single crystalline noble metal nanowire electrode : electrochemical properties and biological applications = 단결정 금속 나노선 전극의 전기화학적 특성 및 생물학적 응용
서명 / 저자 Single crystalline noble metal nanowire electrode : electrochemical properties and biological applications = 단결정 금속 나노선 전극의 전기화학적 특성 및 생물학적 응용 / Mijeong Kang.
저자명 Kang, Mijeong ; 강미정
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

Nanoelectrodes, of which critical dimension governing their electrochemical/electrical characteristics are in submicron-scale, have attracted great interests since they can provide unique and important applications which are hardly realizable by using macroscopic electrodes. Particularly, they are highly useful in biological and medical applications since their dimension is comparable or even smaller than that of biological materials such as cells, which renders excellent spatial precision and biological compatibility to nanoelectrode-based cell stimulation or analyses. The bottleneck lying in the researches using nanoelectrodes is the fabrication of high-quality nanoelec-trodes. Au nanowires, grown by vapor transport method, have defect-free single-crystalline surface without metallic catalysts or organic ligands and their width and length are easily controlled, which are excellently competent as high-quality nanoelectrodes with reproducible electrode characteristics. In this study, the fabri-cation method and various biological applications of single-crystalline Au nanowire electrode are reported. The first biological application of Au nanowire electrodes is electrical recording of biological signal generated in a living organism. In this case, it is inevitable to insert or contact an electrode to biological ele-ments (cells, tissues), so that the dimension and mechanical and chemical properties of the electrodes critical-ly affect the physiological long-term stabilities. Especially, dimension of an electrode is highly important since it is directly related to the spatial resolution of the recording. Extremely thin, mechanically flexible and strong, chemically inert and biocompatible Au nanowire electrodes allow excellent recording of biological signals. To verity this, Au nanowire electrodes were implanted in brain tissue of a living mouse and recorded electrical signals with high sensitivity and spatial resolution. It is expected that Au nanowire electrodes can monitor the signal in muscle tissues as well as neural ones with excellent quality and consequently play an important role in understanding of biological phenomena and further developing the therapeutic technologies. The second biological application of Au nanowire electrodes is electrochemical delivery of exogenous materials into a living biological element. Au nanoinjector was developed by attaching exogenous materials to the surface of a Au nanowire electrode, inserting the electrode into a specific site of a biological element and then electrochemically releasing the exogenous materials quantitatively. Au nanoinjector is an excellent device since it enables precise delivery at subcellular level, maximizing the efficacy of delivered materials. In addition, it is desirable to load various materials to the Au nanoinjector via facile surface modification and to deliver the materials in fast and timed manner by using electrochemical trigger. In order to demonstrate the superior competence of a Au nanowire as a nanoinjector, gene delivery by a Au nanowire electrode was per-formed into a nucleus of a living cell with high spatial precision and subsequent gene expression was success-fully observed. Nanoinjectors based on Au nanowires are expected to delivery diverse useful materials (pro-teins, drugs, etc) as well as gene into various cells or tissues in an electrochemical manner which guarantees fast and timed delivery. This would lead the investigations of biological responses to the delivered materials and the development of new drugs. The third biological application of Au nanowire electrodes is electrically stimulating the biological components and electrochemically monitoring the subsequent responses. Externally applied electrical stimulation can control the biological phenomena which could be the onset of the development of electrical therapies. It is necessary to observe the effects of electrical stimulation at cellular level in order to understand the mechanism of electrical therapy and consequently maximize the therapeutic efficacy. In this sense, a research platform was designed for electrical cell stimulation and monitoring of the resultant cellular responses with high spatial resolution using a set of Au nanowire electrodes. To examine this system, a neuro-secretory cell was electrically stimulated by a stimulating Au nanowire electrode and the consequent exocytosis was electrochemically monitored by a recording Au nanowire electrode. A Au nanowire electrode allowed the precise observation of exocytosis which occurs at highly localized site of cell surface, accurately revealing the effects of a certain parameter of electrical stimulation on exocytosis. It is expected that this research platform would enable accurate understanding of physiological responses in electrical therapies and therefore bring out important information for maximizing therapeutic efficacy and minimizing side effects.

나노전극은 전극의 전기화학적/전기적 특성을 지배하는 전극 구조물의 치수가 마이크로미터 이하인 전극으로, 거대 전극으로는 실현하기 어려운 독특하고 중요한 응용을 가능하게 하여 지대한 관심을 받고 있다. 특히, 나노전극의 크기는 세포와 같은 생체 요소의 크기와 유사하거나 더 작기 때문에 우수한 공간 정밀도와 생물학적 안정성을 가지고 그들을 분석하거나 자극할 수 있으므로 생물학, 의학적 응용에 있어 매우 유용하다. 나노전극을 이용한 연구의 병목은 고품질 나노전극의 제작에 있다. 기체수송법으로 고온에서 성장시킨 금 나노선은 금속 촉매, 유기 분자와 같은 불순물과 결정학적 결함을 포함하지 않으면서 원자 단위로 편평한 단결정 표면을 가지며, 그것의 굵기와 길이의 제어가 용이하므로 재현성있게 양질의 나노전극으로 제작하기에 매우 적합하다. 이러한 단결정 금 나노선 전극은 수백 마이크로미터까지 길게 성장될 수 있고 빛을 잘 산란시키기 때문에 광학 현미경으로 관찰할 수 있는데, 이는 쉽고 빠른 전극 제작을 가능하게 하여 금 나노선 전극의 실용성, 확장성을 향상시켜준다. 본 연구에서는 이러한 단결정 금 나노선을 전극으로 제작하는 방법과 다양한 생물학적 응용을 보고한다. 금 나노선 전극을 이용한 첫 번째 생물학적 응용은 생체 신호의 전기적 측정이다. 이 때 전극을 생체 요소(조직 또는 세포)에 삽입 또는 접촉시키는 것이 불가피하므로 전극의 크기, 기계적, 화학적 특성이 생물학적 안정성에 결정적인 영향을 끼친다. 전극의 크기는 또한 신호 측정의 공간 정밀도에도 직접 연관되므로 대단히 중요한 전극 특성이다. 기존 전극 물질은 그 크기를 축소함에 따라 전기적, 기계적 특성이 저하된다는 문제점이 있다. 그러나 직경 100~150 nm의 매우 가는 금 나노선은 그것의 전기전도성이 벌크 금 전극과 유사하고, 부러지지 않으면서도 유연한 기계적 우수성을 가지므로 금 나노선 전극을 이용하여 생체 신호를 탁월하게 측정할 수 있었다. 금 나노선 전극을 살아있는 쥐의 뇌 조직에 삽입하여 신경 신호를 측정하였는데, 마이크로미터 크기의 텅스텐 전극으로 측정한 뇌 신호와 비교했을 때 매우 높은 감도와 공간 분해능을 보였다. 이와 같이 우수한 특성을 가지는 금 나노선 전극은 행동 실험과 약물반응 실험에서 텅스텐 전극으로는 획득할 수 없는 새로운 의학적 정보를 제공하였다. 금 나노선 전극은 자발적인 전기 활성을 보이는 다양한 조직의 신호를 우수한 감도와 높은 공간 분해능으로 측정하여 생물학적 현상에 대한 이해 및 전기적 질병 치료 기술의 발달에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 두 번째 생물학적 응용은 외부 물질을 생체 내에 전기화학적으로 전달하는 것이다. 금 나노선 전극 표면에 외부 물질을 부착하고 이를 생체 요소의 특정 영역에 삽입한 뒤 전기화학적으로 원하는 시점에 외부 물질을 정량적으로 방출하는 금 나노인젝터를 개발하였다. 외부 물질은 적절한 위치에 전달되었을 때 그 기능을 효율적으로 발휘하는데, 금 나노인젝터는 세포내 소기관 단위로 물질을 전달할 수 있다는 점에서 탁월하다. 또한 표면 개질이 용이하므로 다양한 물질을 부착시키기가 쉽고, 그러한 물질을 전기화학적으로 원하는 시점에 정량적으로 전달할 수 있다는 우수성도 가진다. 이러한 물질 전달 후, 생체 요소의 활성이 저하되지 않고 전달된 물질의 기능이 온전히 발휘되어야 나노인젝터의 효용성이 입증된다. 나노인젝터로서의 금 나노선 전극의 우수성을 보여주기 위해 살아있는 세포의 핵에 직접 선형 또는 원형 유전자를 전기화학적으로 정량 전달하였고, 세포의 생물학적 활성 및 기능이 잘 유지되어서 전달된 유전자가 성공적으로 단백질로 발현되는 것을 관찰하였다. 금 나노선 기반의 나노인젝터는 단백질, 약물 등과 같은 유용한 물질들을 다양한 세포 또는 조직에 전달하여 외부 물질에 대한 생물학적 반응 연구, 이를 바탕으로 한 약물 개발 등에 응용될 수 있을 것으로 기대한다. 세 번째 생물학적 응용은 생체 물질을 전기적으로 자극하고 그에 따른 반응을 전기화학적으로 실시간 분석하는 것이다. 생체 내에서 발생한 전기적 자극은 다양한 생물학적 현상에 관여하는데, 역으로 외부에서 전기적 자극을 인가하여 생물학적 현상을 제어할 수 있고 이는 전기 치료의 출발점이 될 수 있다. 전기 치료의 작동 메커니즘을 명확히 이해하여 치료 효능을 극대화하기 위해서는 세포 단위에서부터 전기 자극의 효과를 정밀하게 관찰할 필요가 있다. 이를 위해 전기적 세포 자극과 그에 따른 세포 반응의 전기화학적 분석을 높은 공간 정밀도로 동시에 수행할 수 있는 금 나노선 전극 기반의 연구 플랫폼을 디자인하였다. 이를 시연하기 위해 신경전달물질을 분비하는 세포를 전압으로 자극하고 그에 따른 세포외 분비를 전기화학적으로 모니터링하였다. 세포외 분비는 세포 표면의 특정 영역에서 주로 일어나는데 금 나노선 전극은 그러한 국소적인 영역에서의 세포외 분비를 관찰하게 해주었고, 전기 자극의 특정 파라미터가 분비에 끼치는 영향을 매우 정교하게 관찰하였다. 이는 전기 자극을 이용한 치료에서의 생체 반응을 정확하게 이해하여 치료 효율을 최대화하고 부작용을 최소화하는 데 있어 중요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCH 14029
형태사항 ix, 103 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 강미정
지도교수의 영문표기 : Bongsoo Kim
지도교수의 한글표기 : 김봉수
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학과,
서지주기 Including References
주제 single-crystalline Au nanowire
nanowire electrode
brain signal recording
nanoinjector
single-cell analysis
단결정 금 나노선
나노선 전극
뇌 신호 측정
나노인젝터
단일 세포 연구
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