마찰전기 나노발전기를 이용한 신경세포 여기의 컴퓨터 모델링 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13411(2022) 이 기사 인용

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척수 손상, 뇌졸중, 다발성 경화증과 같은 신경 장애 및 신경 손상으로 인해 근육 기능이 상실될 수 있습니다. 이와 관련하여 신경 세포의 전기 자극은 현재 이용 가능한 임상 치료법입니다. 효과적인 에너지 수확기로서 마찰전기 나노발전기(TENG)는 TENG의 출력이 신경에 자극 펄스를 제공하기 때문에 자체 구동 신경/근육 자극에 사용될 수 있습니다. 본 연구에서는 전산 모델링 접근법을 사용하여 TENG 구조의 전기장 분포, 유도 전압 및 정전 용량에 대한 표면 미세 패턴의 영향을 조사했습니다. 뉴런의 전기적 행동에 대한 수학적 모델(Hodgkin-Huxley 모델을 사용한 케이블 방정식) 내부에 TENG의 효과를 통합함으로써 뉴런의 전기적 행동에 미치는 영향이 연구되었습니다. 결과는 TENG가 다양한 표면 수정에 따라 다르게 작동한다는 것을 보여줍니다. 뉴런 여기에서 TENG의 성능은 전극의 접촉 및 방출 속도에 따라 달라집니다.

인간은 태양, 열, 기계, 화학, 생물학적 에너지를 포함한 다양한 유형의 환경 에너지원에 둘러싸여 있습니다1. 또한, 인체 자체는 반영구적이며 쉽게 이용할 수 있다는 점에서 유리한 에너지원입니다2. 또한, 휴대용 전자기기 및 센서 네트워크의 등장으로 인해 지속 가능한 에너지원의 개발은 불가피한 요구가 되고 있습니다3. 다양한 유형의 에너지원 중에서 기계적 에너지는 자연환경, 인체 및 생활 활동에서 보편적으로 이용 가능하다는 점에서 상당한 주목을 받고 있습니다4. 따라서 환경에서 쉽게 에너지를 수확하고 지속적으로, 독립적으로, 효과적으로 작동할 수 있는 마이크로 및 나노구조를 활용하는 나노에너지(Nanoenergy)라는 통합 시스템을 개발하기 위한 연구가 진행되었습니다5,6,7. 에너지 수확 기술은 현재 배터리로 전원을 공급하는 휴대용 전자 장치, 의료 장치 및 무선 센서8의 전원 공급 문제에 대한 가능한 솔루션을 형성합니다. 일반적인 배터리의 적용은 주로 제한된 수명, 유지 관리 어려움 및 화학 물질 누출을 고려한 환경 위험으로 인해 실용적이지 않고 불리해지고 있습니다9,10. 전자 장치에 에너지를 제공하기 위한 기계적 에너지 수확을 위한 전통적인 기술 외에도 마찰전기 나노발전기(TENG)는 자체 구동 시스템에 사용할 수 있는 강력한 잠재력으로 인해 최근 몇 년 동안 주목을 받아 왔습니다. TENG는 다양한 응용 분야에서 기계적 에너지를 수확하고 전기 에너지로 변환하는 데 널리 사용됩니다. TENG의 작동 원리는 정전기 유도 효과와 함께 접촉 마찰 대전을 기반으로 합니다. 오래되고 친숙한 현상으로서 마찰전기 효과는 서로 다른 마찰전기 친화도를 가진 두 재료 사이에서 발생하며 전하 이동과 마찰 전위 증가로 이어집니다. 두 물질이 접촉한 후 분리되면 교류 전위가 전자를 외부 전기 회로로 유도하여 앞뒤로 움직이게 합니다16.

TENG는 상당한 출력, 낮은 무게, 쉬운 제조로 인해 암 치료, 심박 조율기, 포도당 모니터링, 센서, 이온 검출과 같은 다양한 생물 의학 응용 분야와 근육 자극 장치에서 널리 사용되었습니다. 저렴한 비용, 환경 친화성, 풍부한 재료 선택, 보편적 가용성 및 간단한 구조를 갖춘 프로세스입니다.

근육이나 신경 조직의 전기 생리학적 신호 측정은 많은 신경 기능 장애의 진단에 매우 중요하며, 척수와 신경 세포의 전기 자극은 특정 질병의 치료에 활용될 수 있습니다. 뇌졸중이나 척수 부상으로 인한 인간의 신경계 손상은 근육 약화나 위축을 초래하고 마비로 악화될 수 있습니다28,29. 신경학적 손상으로 인한 신경 신경 분포의 부족은 관절의 움직임을 생성하는 데 필요한 자발적인 힘을 생성하는 근육의 무능력을 촉진합니다30. 따라서 수많은 과학적 조사는 신체가 근육 위축을 회복하고 부상이나 수술 후 근육 움직임과 기능을 회복하도록 돕는 장치와 전략에 중점을 두었습니다30,31.