Neuron-on-a-Chip technology is based on advanced neuronal culture technique, surface micropatterning, microelectrode array technology, and multi-dimensional data analysis techniques. The combination of these techniques allowed us to design and analyze live biological neural networks in vitro using real neurons. In this review article, two underlying technologies are reviewed: Microelectrode array technology and Neuronal patterning technology. There are new opportunities in the fusion of these technologies to apply them in neurobiology, neuroscience, neural prostheses, and cell-based biosensor areas.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제5권1호
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pp.11-16
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2005
This paper presents fabrication process and experimental results of two different types of flexible MEMS biosensors based on polymer/metal multilayer processing techniques. One type of a biosensor is a microelectrode array (MEA) for nerve signal monitoring through implanting the MEA into a living body, and another is a tactile sensor capable of being mounted on an arbitrary-shaped surface. The microelectrode array was fabricated and its electrical characteristics have been examined through in vivo and in vitro experiment. For sensitive skin, flexible tactile sensor array was fabricated and its sensitivity has been analyzed. Mechanical flexibility of these biosensors has been achieved by using a polymer, and it is verified by implanting a MEA to an animal and mounting the tactile sensor on an arbitrary-shaped surface.
Neurons-on-a-Chip technology has been developed to provide diverse in vitro neuro-tools to study neuritogenesis, synaptogensis, axon guidance, and network dynamics. The two core enabling technologies are soft-lithography and microelectrode array technology. Soft lithography technology made it possible to fabricate microstamps and microfluidic channel devices with a simple replica molding method in a biological laboratory and innovatively reduced the turn-around time from assay design to chip fabrication, facilitating various experimental designs. To control nerve cell behaviors at the single cell level via chemical cues, surface biofunctionalization methods and micropatterning techniques were developed. Microelectrode chip technology, which provides a functional readout by measuring the electrophysiological signals from individual neurons, has become a popular platform to investigate neural information processing in networks. Due to these key advances, it is possible to study the relationship between the network structure and functions, and they have opened a new era of neurobiology and will become standard tools in the near future.
말초 신경계에서 손상된 신경은 그 손상된 정도에 따라 재생의 정도가 달라진다. 이러한 신경 재생의 정도를 확인할 수 있는 방법으로 초미세 전극 어레이 기술이 연구되고 있는데 이것은 전기신호경로(via hole)를 초미세 전극어레이를 제작하여, 손상된 신경의 근위부(proximal stump)와 원위부(distal stump) 사이에 직접 삽입하여 선경으로부터 재생되어온 신경 섬유의 전기적 전도 선호를 측정 및 기록하는 것이다. 이는 신경 재생을 관찰하는 방법으로서 신경보철(neural prostheses) 기술에 이용된다. 따라서, 본 논문에서는 손상된 신경의 재생을 관찰하기 위한 implantable microelectrode array system을 설계하고, 원 신호인 선경 전도 신호의 특성과 제작된 이식형 초미세전극(implantable microelectrode)의 특성을 고찰하며, 동물 실험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
This research aims to develop DNA chip array without an indicator. We fabricated microelectrode array by photolithography technology. Several DNA probes were immobilized on an electrode. Then, indicator-free target DNA was hybridized by an electrical force and measured electrochemically. Cyclic-voltammograms (CVs) showed a difference between DNA probe and mismatched DNA in an anodic peak. Immobilization of probe DNA and hybridization of target DNA could be confirmed by fluorescent. This indicator-free DNA chip microarray resulted in the sequence-specific detection of the target DNA quantitatively ranging from $10^{-18}\;M\;to\;10^{-5}$ M in the buffer solution. This indicator-free DNA chip resulted in a sequence-specific detection of the target DNA.
High throughput analysis using a DNA chip microarray is powerful tool in the post genome era. Less labor-intensive and lower cost-performance is required. Thus, this paper aims to develop the multi-channel type label-free DNA chip and detect SNP (Single nucleotide polymorphisms). At first, we fabricated a high integrated type DNA chip array by lithography technology. Various probe DNAs were immobilized on the microelectrode array. We succeeded to discriminate of DNA hybridization between target DNA and mismatched DNA on microarray after immobilization of a various probe DNA and hybridization of label-free target DNA on the electrodes simultaneously. This method is based on redox of an electrochemical ligand.
대뇌 피질에 삽입하여 깊이에 따라 신경 신호를 기록하기 위한 탐침형 반도체 미세전극 어레이(depth-type silicon microelectrode array, 일명 SNU probe)를 제작하였다. 붕소를 확산시켜 생성된 고농도 p-type doping된 p+ 영역을 습식식각 정지점으로 사용하는 기존의 방법과 달리 실리콘 웨이퍼의 앞면을 건식식각하여 원하는 탐침 두께만큼의 깊이로 트렌치(trench)를 형성한 후 뒷면을 습식식각하는 방법으로 탐침 형태의 미세 구조를 만들었다. 제작된 반도체 미세전극 어레이의 탐침 두께는 30 $\mu\textrm{m}$이며 실리콘 건식식각을 위한 마스크로 6 $\mu\textrm{m}$ 두께의 LTO(low temperature oxide)를 사용하였다. 탐침의 두께는 개발된 본 공정을 이용해서 5~90 $\mu\textrm{m}$ 범위까지 쉽게 조절할 수 있었다. 탐침의 두께를 보다 쉽게 조절할 수 있게 됨에 따라 여러 신경조직에 필요한 다양한 구조의 반도체 미세전극 어레이를 개발할 수 있게 되었다. 본 공정을 이용해서 개발된 4채널 SUN probe를 사용하여 흰쥐의 제1차 체감각 피질에서 4채널 신경 신호를 동시에 기록하였으며, 전기적 특성검사에서 기존의 탐침형 반도체 미세전극, 텅스텐 전극과 대등하거나 우수한 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)특성을 가짐을 확인하였다.
KIEE International Transactions on Electrophysics and Applications
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제4C권4호
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pp.145-148
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2004
In this study, a DNA chip with a microelectrode array was fabricated using microfabrication technology. Several probe DNAs consisting of mercaptohexyl moiety at their 5' end were immobilized on the gold electrodes by a DNA arrayer. Then target DNAs were hybridized and reacted with Hoechst 33258, which is a DNA minor groove binder and electrochemically active dye. Linear sweep voltammetry or cyclic voltammetry showed a difference between target DNA and control DNA in the anodic peak current values. It was derived from Hoechst 33258 and concentrated at the electrode surface through association with the formed hybrid. This suggested that this DNA chip could recognize the sequence specific genes.
A planar-type silicon microelectrode array has been fabricated and used successfully in obtaining simultaneous multichannel recordings from peripheral nerve of invertebrates. This paper demonstrates that planar-type semiconductor electrode arrays are useful for studying traveling wave properties of action potential.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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