To trin tættere på fleksibel, magtfulde, hurtige bioelektroniske enheder

Dion Khodagholy, adjunkt i elektroteknik, er fokuseret på at udvikle bioelektroniske enheder, der ikke kun er hurtige, følsom, biokompatibel, blød, og fleksibel, men har også langsigtet stabilitet i fysiologiske miljøer såsom menneskekroppen. Sådanne anordninger vil i høj grad forbedre menneskers sundhed, fra overvågning af hjemmets velvære til diagnosticering og behandling af neuropsykiatriske sygdomme, herunder epilepsi og Parkinsons sygdom. Udformningen af ​​nuværende enheder er blevet stærkt begrænset af den stive, ikke-biokompatible elektroniske komponenter, der er nødvendige for sikker og effektiv brug, og at løse denne udfordring ville åbne døren for en bred vifte af spændende nye terapier.

I samarbejde med Jennifer N. Gelinas, Institut for Neurologi, og Institute for Genomic Medicine ved Columbia University Iriving Medical Center, Khodagholy har for nylig udgivet to artikler, den første i Naturmaterialer (16. marts) på iondrevne bløde og organiske transistorer, som han og Gelinas har designet til at registrere individuelle neuroner og udføre beregning i realtid, der kunne lette diagnose og overvågning af neurologisk sygdom.

Det andet papir, udgivet i dag i Videnskab fremskridt , viser en blød, biokompatibelt smart komposit-et organisk blandet ledende partikelformigt materiale (MCP)-der muliggør oprettelse af komplekse elektroniske komponenter, der traditionelt kræver flere lag og materialer. Det muliggør også let og effektiv elektronisk binding mellem bløde materialer, biologisk væv, og stiv elektronik. Fordi det er fuldstændigt biokompatibelt og har kontrollerbare elektroniske egenskaber, MCP kan ikke-invasivt registrere muskelaktionspotentialer fra armens overflade og, i samarbejde med Sameer Sheth og Ashwin Viswanathan ved Baylor College of Medicine's afdeling for neurokirurgi, storstilet hjerneaktivitet under neurokirurgiske procedurer til implantation af dybe hjernestimuleringselektroder.

"I stedet for at have store implantater indkapslet i tykke metalkasser for at beskytte kroppen og elektronikken mod hinanden, som dem, der bruges i pacemakere, og cochlea- og hjerneimplantater, vi kunne gøre meget mere, hvis vores enheder var mindre, fleksibel, og iboende kompatibel med vores kropsmiljø, "siger Khodagholy, der leder Translational NeuroElectronics Lab hos Columbia Engineering. "I løbet af de sidste år har min gruppe har arbejdet på at bruge unikke egenskaber af materialer til at udvikle nye elektroniske enheder, der muliggør effektiv interaktion med biologiske substrater - specifikt neurale netværk og hjernen. "

Konventionelle transistorer er lavet af silicium, så de kan ikke fungere i nærvær af ioner og vand, og faktisk nedbrydes på grund af iondiffusion i enheden. Derfor, enhederne skal være fuldt indkapslet i kroppen, normalt i metal eller plast. I øvrigt, selvom de fungerer godt med elektroner, de er ikke særlig effektive til at interagere med ioniske signaler, som er hvordan kroppens celler kommunikerer. Som resultat, disse egenskaber begrænser den abiotiske/biotiske kobling til kapacitive interaktioner kun på overfladen af ​​materiale, resulterer i lavere ydelse. Organiske materialer er blevet brugt til at overvinde disse begrænsninger, da de iboende er fleksible, men disse apparaters elektriske ydeevne var ikke tilstrækkelig til at udføre hjernesignaloptagelse og -behandling i realtid.

Khodagholys team udnyttede både elektronisk og ionisk ledning af organiske materialer til at skabe iondrevne transistorer, de kalder e-IGT'er, eller enhancement-mode, interne ion-gated organiske elektrokemiske transistorer, der har integreret mobilioner inde i deres kanaler. Fordi ionerne ikke behøver at rejse lange afstande for at deltage i kanalskifteprocessen, de kan tændes og slukkes hurtigt og effektivt. De forbigående reaktioner afhænger af elektronhul frem for ionmobilitet, og kombineres med høj transkonduktans for at resultere i en forstærkningsbåndbredde, der er flere størrelsesordener over andre ionbaserede transistors.

Forskerne brugte deres e-IGT'er til at erhverve en lang række elektrofysiologiske signaler, såsom in vivo -optagelse af neurale aktionsimpulser, og for at skabe blødt, biokompatibel, langsigtede implanterbare neurale behandlingsenheder til påvisning i realtid af epileptiske udladninger.

"Vi er begejstrede for disse fund, "siger Gelinas." Vi har vist, at E-IGT'er tilbyder en sikker, pålidelig, og højtydende byggesten til kronisk implanteret bioelektronik, og jeg er optimistisk over, at disse enheder vil sætte os i stand til sikkert at udvide, hvordan vi bruger bioelektroniske enheder til at håndtere neurologisk sygdom. "

Et andet stort fremskridt demonstreres af forskerne i deres Videnskab fremskridt papir:aktivering af bioelektroniske enheder, specifikt dem, der er implanteret i kroppen til diagnostik eller terapi, at interagere effektivt og sikkert med humant væv, samtidig med at de gør dem i stand til at udføre kompleks behandling. Inspireret af elektrisk aktive celler, ligner dem i hjernen, der kommunikerer med elektriske pulser, teamet skabte et enkelt materiale i stand til at udføre flere, ikke-lineær, dynamiske elektroniske funktioner ved blot at variere størrelsen og densiteten af ​​dets sammensatte blandede ledende partikler.

"Denne innovation åbner døren for en fundamentalt anderledes tilgang til design af elektroniske enheder, efterligne biologiske netværk og skabe multifunktionelle kredsløb fra rent biologisk nedbrydelige og biokompatible komponenter, "siger Khodagholy.

Forskerne designer og skabte blandede ledende partikler (MCP) -baserede anisotrope film med høj ydeevne, uafhængigt adresserbare transistorer, modstande, og dioder, der er mønsterfrie, skalerbar, og biokompatibel. Disse enheder udførte en række funktioner, herunder registrering af neurofysiologisk aktivitet fra individuelle neuroner, udførelse af kredsløb, og limning af højopløselig blød og stiv elektronik.

"MCP reducerer markant fodaftrykket af neurale grænsefladeenheder, muliggør registrering af neurofysiologiske data af høj kvalitet, selv når mængden af ​​eksponeret væv er meget lille, og reducerer dermed risikoen for kirurgiske komplikationer, "siger Gelinas." Og fordi MCP kun består af biokompatible og kommercielt tilgængelige materialer, det bliver meget lettere at oversætte til biomedicinsk udstyr og medicin. "

Både E-IGT'erne og MCP har et stort løfte som kritiske komponenter i bioelektronik, fra bærbare miniaturiserede sensorer til lydhøre neurostimulatorer. E-IGT'erne kan fremstilles i store mængder og er tilgængelige for en lang række fremstillingsprocesser. Tilsvarende MCP -komponenter er billige og let tilgængelige for materialeforskere og ingeniører. I kombination, de danner grundlaget for fuldt implanterbare biokompatible enheder, der kan udnyttes både til gavn for sundheden og til behandling af sygdomme.

Khodagholy og Gelinas arbejder nu på at oversætte disse komponenter til funktionelle langsigtede implanterbare enheder, der kan registrere og modulere hjerneaktivitet for at hjælpe patienter med neurologiske sygdomme som epilepsi.

"Vores ultimative mål er at skabe tilgængelige bioelektroniske enheder, der kan forbedre folks livskvalitet, "siger Khodagholy, "og med disse nye materialer og komponenter, det føles som om, at vi er kommet tættere på det. "