[논문 리뷰] Liquid Metal as Connecting or Functional Recovery Channel for the Transected Sciatic Nerve

Jie Zhang, Lei Sheng외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 07.

Neuroscience and Neural Engineering인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 고체가 아닌 액체 금속(GaInSn 합금)을 전단된 경부신경을 복구하기 위한 새로운 功能적 도관으로 제안한다. 높은 유동성, 초유연성 및 뛰어난 전기 전도성 덕분에 전기생리 신호를 복원한다. 개구리 모델에서 액체 금속로 복구된 신경을 통해 전기신경도측정 신호는 그대로 건재한 신경과 거의 동일했으며, 수술 시 신호 전도성과 가시성 면에서 라이너의 용액보다 뛰어났다.

ABSTRACT

In this article, the liquid metal GaInSn alloy (67% Ga, 20.5% In, and 12.5% Sn by volume) is proposed for the first time to repair the peripheral neurotmesis as connecting or functional recovery channel. Such material owns a group of unique merits in many aspects, such as favorable fluidity, super compliance, high electrical conductivity, which are rather beneficial for conducting the excited signal of nerve during the regeneration process in vivo. It was found that the measured electroneurographic signal from the transected bullfrog sciatic nerve reconnected by the liquid metal after the electrical stimulation was close to that from the intact sciatic nerve. The control experiments through replacement of GaInSn with the conventionally used Riger Solution revealed that Riger Solution could not be competitive with the liquid metal in the performance as functional recovery channel. In addition, through evaluation of the basic electrical property, the material GaInSn works more suitable for the conduction of the weak electroneurographic signal as its impedance was several orders lower than that of the well-known Riger Solution. Further, the visibility under the plain radiograph of such material revealed the high convenience in performing secondary surgery. This new generation nerve connecting material is expected to be important for the functional recovery during regeneration of the injured peripheral nerve and the optimization of neurosurgery in the near future.

연구 동기 및 목표

• 손상 후 기능적 회복을 지원하는 새로운 생체재료를 개발하는 것.
• 기존의 라이너의 용액과 같은 전통적 솔루션을 대체할 수 있는 도전적인 도관으로 액체 금속 GaInSn을 평가하는 것.
• 재생 과정 중 약한 신경 신호를 전송하는 데서 GaInSn의 전기적 성능을 평가하는 것.
• 재수술 시 사용을 고려할 때 평면 레이저 영상에서 GaInSn의 가시성을 평가하는 것.
• 기존의 신경 복구 재료와 비교하여 액체 금속의 기능적 회복 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 연구는 전단된 개구리 경부신경에서 도전성 다리를 구성하는 데 GaInSn 합금(부피 기준 67% Ga, 20.5% In, 12.5% Sn)을 사용하였다.
• 전기자극 후 전기신경도측정(ENG) 신호를 기록하여 수리된 신경을 통과하는 신호 전도성을 평가하였다.
• 신호 정밀도와 전기 저항을 비교하기 위해 제어 실험에서 GaInSn를 라이너의 용액으로 대체하였다.
• GaInSn의 전기 저항을 측정하고 라이너의 용액과 비교하여 신호 전송 효율성을 평가하였다.
• 수술 가이드라인을 위해 평면 X-선 영상에서 GaInSn의 가시성을 평가하기 위해 방사선 영상 촬영을 사용하였다.
• 실험 설정은 액체 금속가 기능적 회복 도관으로서의 역할을 하도록 외부 신경 수리와 유사하게 모의하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 금속 GaInSn는 전단된 말초신경에 효과적인 기능적 복구 도관으로서 기능할 수 있는가?
• RQ2 약한 신경 신호를 전송하는 데서 GaInSn의 전기 전도성은 라이너의 용액보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 기존의 솔루션보다 GaInSn는 전기신경도측정에서 더 높은 신호 정밀도를 제공하는가?
• RQ4 재수술 시 개입을 돕기 위해 평면 레이저 영상에서 GaInSn를 시각화할 수 있는가?
• RQ5 생물학적 신경 수리 환경에서 GaInSn의 전기 저항 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 액체 금속으로 복구된 경부신경의 전기신경도측정 신호는 건재한 신경과 거의 동일했으며, 이는 높은 기능적 회복을 시사한다.
• GaInSn는 라이너의 용액보다 수십 배 이상 낮은 전기 저항을 보였으며, 이는 신호 전도성을 향상시켰다.
• 라이너의 용액은 기능적 신호 전도를 지원하지 못했으며, 이는 기능적 복구 도관으로서의 부적합성을 입증한다.
• 평면 레이저 영상에서 액체 금속가 뚜렷하게 가시화되어 후속 영상 진단 및 재수술 시 활용 가능성을 보였다.
• 높은 유동성, 초유연성 및 뛰어난 전기 전도성의 조합은 GaInSn가 신경 수리 응용 분야에 매우 적합함을 시사한다.
• 이 연구는 액체 금속가 말초신경 재생에서 기계적 구조와 기능적 도관의 이중 기능을 수행할 수 있음을 입증한다.