Traumatic peripheral nerve injury is a common disease in public health. 3% of patients in all multi-trauma cases were found to suffer from various peripheral nerve injuries. In spite of advances in the surgical technologies for nerve repair and advances in theoretical understanding of mechanism of nerve degeneration /nerve regeneration, successful outcomes of nerve recovery cannot be guaranteed after the reconstructive surgeries. Therefore, a real-time post-surgical monitoring of the physical states of the regenerated nerve during restoration of the patients is medically/clinically important.
In this work, as a basic study for the achievement of this technology, a battery-free wireless, biocompatible, and implantable multi-modal physical sensing system is proposed. To the best of my knowledge it is the first research on the integration of multi-modal physical sensors into implantable medical devices for the nerve monitoring. The implantable multi-modal physical (IMMP) sensor is basically a flexible and ultra-thin film cuff type in order to easily wrap the nerve with a conformal contact. The sensor was designed to have a multi-layered encapsulation structure, a [Elastomer/Polyimide (PI)/gold (Au)/polyimide/Elastomer] structure, where a gold metal thin film active layer is embedded in a polyimide passivation film and soft elastomer matrix. This sensor structure provides mechanical/electrical stability and biocompatibility, which are the most important factors for the successful development of the implantable medical device. Furthermore, the combination of stretchable design of the [PI/Au/PI] layer and the softness of the elastomer matrix minimizes restriction of the natural motion of the target nerves. The physical sensors array is composed of a temperature sensor and a strain sensor. Each sensor was designed to be capable of independent signal sensing without interference by other stimuli, by introducing different structural patterning of the polyimide and a temperature compensation electrical circuit design. Several sensor devices could be mass-produced in a single fabrication cycle due to MEMS process-based fabrication methods. The temperature sensor exhibits high linearity (R$^2$ = 0.99), low hysteresis, reversible response and sufficient resolution (0.1°C). Also, the strain sensor displays favorable strain sensing performance with high linearity (R$^2$ = 0.99), low detection limit (0.2%), fast response time (< 50 msec), negligible hysteresis and temperature-independent detection capability. In addition, by combining the IMMP sensor and a near field communication (NFC) platform, a battery-free wireless IMMP sensing system was developed. This sensing system can communicate the measured temperature and strain information wirelessly and in real-time. Also, the entire sensing system could become simplified (wires are not required), and is possible to operate continuously and in a long-term even in a completely implanted state. Finally, in order to prove the feasibility of the implantable nerve monitoring of the wireless IMMP sensing system, in-vivo animal tests are demonstrated. The temperature and strain changes due to the sciatic nerve injuries of rats are successfully detected.
In conclusion, it is expected that the proposed sensing system can monitor the physical states of the regenerated nerves in real-time after the nerve recovery surgery and it can be used for rehabilitation and diagnosis of the patients, so that it would contribute to advances in new treatment technologies in the medical field.
외상성 말초 신경 손상은 공중 보건에서 흔한 질병이다. 전체 외상 환자의 3% 가 다양한 말초 신경 손상으로 고통받고 있다. 신경재건수술 기술과 신경 장애/신경 재생의 메커니즘에 대한 지식의 발전에도 불구하고, 수술 후에 성공적인 신경 회복이 반드시 보장되지는 않는다. 따라서, 수술 후 환자가 회복되는 동안 재생되는 신경의 상태를 실시간 모니터링하는 것은 의학적/임상적으로 매우 중요하다.
이러한 기술을 구현하기 위한 기본 연구로서, 이 연구에서는 장기적이고 지속적인 신경 모니터링을 위한 배터리가 필요 없고 무선 송신 기능을 가지는, 생체 적합성의 생체 삽입형 다중 물리 센싱 시스템 (battery-free wireless, biocompatible, implantable multi-modal physical sensing system)의 개발을 목표로 한다. 이 연구는 신경 모니터링을 위한 생체 삽입 형 의료용 디바이스에 다중 물리 센서를 적용하는 첫 번째 연구이다. Implantable multi-modal physical (IMMP) 센서는 신경과 등각 접촉을 형성하며 신경에 잘 감기기 위하여 초박막의 유연한 커프 (cuff) 형태를 지닌다. 센서의 구조는 다층 캡슐화 구조인 [탄성중합체/폴리이미드/금 /폴리이미드/탄성중합체] 구조로 설계되었으며, 금 박막 활성층이 폴리이미드 필름과 탄성중합체 매트릭스에 내장되어 있는 구조이다. 이 센서 구조는 생체 삽입형 의료용 디바이스의 성공적인 개발에 있어 가장 중요한 요소인 생체 적합성과 기계적/전기적 안정성을 제공한다. 또한, [폴리이미드/금/폴리이미드] 층의 신축 가능한 구조 디자인 및 탄성중합체 매트릭스의 자체적인 우수한 신축성 덕분에, 센서는 신경의 자연적인 변형을 제한하지 않는다. 다중 물리센서 어레이는 온도 센서와 스트레인 센서로 구성되며, 두 가지 종류의 자극을 동시에 측정할 수 있다. 센서 간의 폴리이미드 층의 패턴 (patter) 구조 차이와 온도 보상 전기 회로 설계를 도입함으로써, 각 센서는 다른 자극에 의한 간섭 없이 독립적으로 신호를 감지할 수 있도록 설계되었다. 센서가 MEMS 공정 기반으로 제작되기 때문에, 단일 공정에서 여러 개의 디바이스가 대량 생산될 수 있다. 제작된 온도 센서는 높은 선형성 (R$^2$ = 0.99), 작은 이력현상 및 가역적인 반응, 작은 해상도 (0.1℃)를 보인다. 또한 스트레인 센서는 높은 선형성(R$^2$ = 0.99), 낮은 감지 한계 (0.2%), 빠른 응답 (<50 msec), 작은 이력현상, 좋은 동적반응 등의 감지 성능을 보이며, 온도에 독립적으로 스트레인 감지가 가능하다. 또한 개발된 IMMP 센서와 Near field communication (NFC) 플랫폼 기술을 결합함으로써, 무선 송신 기능을 가지는 IMMP 센싱 시스템을 구축하였으며, 이 시스템은 측정된 온도와 스트레인 정보를 무선으로 실시간 데이터 통신을 할 수 있다. 이를 통해, 전체 센서 선이 필요하지 않도록 시스템이 간편화 되었으며 완전한 생체 삽입 상태에서 연속적이고 장기적으로 작동하는 것이 가능하게 되었다. 마지막으로, 개발된 IMMP 센싱 시스템의 생체 삽입 신경 모니터링의 가능성을 확인하기 위하여 생체 내 실험을 수행하였다. 쥐의 좌골 신경 손상 시에 발생하는 온도 및 스트레인 변화를 성공적으로 측정할 수 있었다.
결론적으로, 본 연구에서 제안하는 센싱 시스템을 활용하여, 병원에서 신경재건수술 후에 신경의 상태를 실시간으로 파악하고, 환자의 재활 및 진단에 활용함으로써, 신경 의료 분야에서 새로운 치료 기술의 진보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
