Hurtig, fleksible ioniske transistorer til bioelektroniske enheder

Mange store fremskridt inden for medicin, især inden for neurologi, er blevet udløst af de seneste fremskridt inden for elektroniske systemer, der kan erhverve, behandle, og interagere med biologiske substrater. Disse bioelektroniske systemer, som i stigende grad bruges til at forstå dynamiske levende organismer og til behandling af menneskelige sygdomme, kræver enheder, der kan registrere kropssignaler, behandle dem, opdage mønstre, og levere elektrisk eller kemisk stimulering for at løse problemer.

Transistorer, de enheder, der forstærker eller skifter elektroniske signaler på kredsløb, danner rygraden i disse systemer. Imidlertid, de skal opfylde adskillige kriterier for at fungere effektivt og sikkert i biologiske miljøer såsom menneskekroppen. Til dato, forskere har ikke været i stand til at bygge transistorer, der har alle de funktioner, der er nødvendige for sikker, pålidelig, og hurtig drift i disse miljøer over længere tid.

Et team ledet af Dion Khodagholy, assisterende professor i elektroteknik ved Columbia Engineering, og Jennifer N. Gelinas, Columbia University Medical Center, Institut for Neurologi, og Institute for Genomic Medicine, har udviklet den første biokompatible ion-drevne transistor, der er hurtig nok til at muliggøre realtids signalregistrering og stimulering af hjernesignaler.

Den interne ion-gated organiske elektrokemiske transistor (IGT) fungerer via mobile ioner indeholdt i en ledende polymerkanal for at muliggøre både volumetrisk kapacitans (ioniske interaktioner, der involverer hele hovedparten af ​​kanalen) og forkortet ionisk transittid. IGT har stor transkonduktans (forstærkningshastighed), høj hastighed, og kan uafhængigt lukkes såvel som mikrofabriceres for at skabe skalerbare, kompatible integrerede kredsløb. I deres undersøgelse offentliggjort i dag i Videnskab fremskridt , forskerne demonstrerer deres IGT's evne til at levere en miniaturiseret, blød, tilpasselig grænseflade med menneskelig hud, ved hjælp af lokal forstærkning til at optage neurale signaler af høj kvalitet, egnet til avanceret databehandling.

"Vi har lavet en transistor, der kan kommunikere ved hjælp af ioner, kroppens ladningsbærere, ved hastigheder hurtigt nok til at udføre komplekse beregninger, der kræves til neurofysiologi, undersøgelse af nervesystemets funktion, "Siger Khodagholy." Vores transistors kanal er lavet af fuldstændigt biokompatible materialer og kan interagere med både ioner og elektroner, gøre kommunikation med neurale signaler fra kroppen mere effektiv. Vi kan nu bygge mere sikkert, mindre, og smartere bioelektroniske enheder, såsom hjerne-maskine-grænseflader, bærbar elektronik, og lydhøre terapeutiske stimuleringsapparater, der kan implanteres i mennesker over lange perioder. "

I fortiden, traditionelle siliciumbaserede transistorer er blevet brugt i bioelektroniske enheder, men de skal være omhyggeligt indkapslet for at undgå kontakt med kropsvæsker - både af hensyn til patientens sikkerhed og korrekt brug af enheden. Dette krav gør implantater baseret på disse transistorer omfangsrige og stive. Parallelt, der er gjort et godt stykke arbejde inden for det organiske elektronikområde for at skabe iboende fleksible transistorer af plast, herunder designs såsom elektrolyt-gated eller elektrokemiske transistorer, der kan modulere deres output baseret på ioniske strømme. Imidlertid, disse enheder kan ikke fungere hurtigt nok til at udføre de beregninger, der kræves til bioelektroniske enheder, der bruges i neurofysiologiske applikationer.

Khodagholy og hans postdoktorale stipendiat George Spyropoulos, den første forfatter til dette værk, bygget en transistorkanal baseret på ledende polymerer for at muliggøre ionisk modulering, og, for at gøre enheden hurtig, de modificerede materialet til at have sine egne mobilioner. Ved at forkorte den afstand, som ioner havde brug for for at rejse inden i polymerstrukturen, de forbedrede transistorens hastighed med en størrelsesorden sammenlignet med andre ioniske enheder af samme størrelse.

"Det er vigtigt, vi brugte kun fuldstændigt biokompatibelt materiale til at oprette denne enhed. Vores hemmelige ingrediens er D-sorbitol, eller sukker, "siger Khodagholy." Sukkermolekyler tiltrækker vandmolekyler og hjælper ikke kun transistorkanalen med at blive hydreret, men også hjælpe ionerne med at rejse lettere og hurtigere inden for kanalen. "

Fordi IGT signifikant kunne forbedre letheden og tolerabiliteten ved elektroencefalografi (EEG) procedurer for patienter, forskerne valgte denne platform for at demonstrere deres enheds oversættelseskapacitet. Ved hjælp af deres transistor til at registrere menneskelige hjernebølger fra overfladen af ​​hovedbunden, de viste, at den lokale IGT-forstærkning direkte ved grænsefladen mellem enhed og hovedbund gjorde det muligt at reducere kontaktstørrelsen med fem størrelsesordener-hele enheden passede let mellem hårsækkene, væsentligt forenkling af placeringen. Enheden kan også let manipuleres med hånden, forbedring af mekanisk og elektrisk stabilitet. I øvrigt, fordi mikro-EEG IGT-enheden tilpasser sig hovedbunden, der var ikke brug for kemiske klæbemidler, så patienten havde ingen hudirritation fra klæbemidler og var generelt mere behagelig.

Disse enheder kan også bruges til at fremstille implanterbare lukkede kredsløbsenheder, såsom dem, der i øjeblikket bruges til at behandle nogle former for medicinsk ildfast epilepsi. Enhederne kan være mindre og lettere at implantere, og også give mere information.

"Vores originale inspiration var at lave en tilpasselig transistor til neurale implantater, "Gelinas noter." Mens vi specifikt testede det for hjernen, IGT'er kan også bruges til at registrere hjerte, muskel, og øjenøjeblik. "

Khodagholy og Gelinas undersøger nu, om der er fysiske grænser for, hvilken slags mobilioner de kan integrere i polymeren. De studerer også nye materialer, som de kan integrere mobilioner i, samt forfine deres arbejde med at bruge transistorer til at lave integrerede kredsløb til responsive stimuleringsenheder.

"Vi er meget begejstrede for, at vi væsentligt kunne forbedre ioniske transistorer ved at tilføje enkle ingredienser, "Khodagholy noter." Med sådan hastighed og forstærkning, kombineret med deres lette mikrofabrikation, disse transistorer kunne anvendes på mange forskellige typer enheder. Der er et stort potentiale for brugen af ​​disse enheder til gavn for patientplejen i fremtiden. "