Dion Khodagholy, universitair docent elektrotechniek, is gericht op het ontwikkelen van bio-elektronische apparaten die niet alleen snel, gevoelig, biocompatibel, zacht, en flexibel, maar hebben ook stabiliteit op lange termijn in fysiologische omgevingen zoals het menselijk lichaam. Dergelijke apparaten zouden de menselijke gezondheid aanzienlijk verbeteren, van het bewaken van het welzijn in huis tot het diagnosticeren en behandelen van neuropsychiatrische ziekten, waaronder epilepsie en de ziekte van Parkinson. Het ontwerp van de huidige apparaten is ernstig beperkt door de rigide, niet-biocompatibele elektronische componenten die nodig zijn voor veilig en effectief gebruik, en het oplossen van deze uitdaging zou de deur openen naar een breed scala aan opwindende nieuwe therapieën.

In samenwerking met Jennifer N. Gelinas, Afdeling Neurologie, en het Institute for Genomic Medicine aan het Columbia University Iriving Medical Center, Khodagholy heeft onlangs twee artikelen gepubliceerd, de eerste in Natuurmaterialen (16 maart) op ion-aangedreven zachte en organische transistors die hij en Gelinas hebben ontworpen om individuele neuronen vast te leggen en real-time berekeningen uit te voeren die de diagnose en monitoring van neurologische aandoeningen zouden kunnen vergemakkelijken.

Het tweede papier, vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , getuigt van een zachte, biocompatibel slim composiet - een organisch gemengd geleidend deeltjesmateriaal (MCP) - waarmee complexe elektronische componenten kunnen worden gemaakt waarvoor traditioneel meerdere lagen en materialen nodig zijn. Het maakt ook een gemakkelijke en effectieve elektronische verbinding tussen zachte materialen mogelijk, biologisch weefsel, en stijve elektronica. Omdat het volledig biocompatibel is en controleerbare elektronische eigenschappen heeft, MCP kan op niet-invasieve wijze spieractiepotentialen registreren vanaf het oppervlak van de arm en, in samenwerking met Sameer Sheth en Ashwin Viswanathan van de afdeling neurochirurgie van het Baylor College of Medicine, grootschalige hersenactiviteit tijdens neurochirurgische procedures om diepe hersenstimulatie-elektroden te implanteren.

"In plaats van grote implantaten te hebben ingekapseld in dikke metalen dozen om het lichaam en de elektronica tegen elkaar te beschermen, zoals die gebruikt worden in pacemakers, en cochleaire en hersenimplantaten, we zouden zoveel meer kunnen doen als onze apparaten kleiner waren, flexibel, en inherent compatibel met onze lichaamsomgeving, " zegt Khodagholy, die het Translational NeuroElectronics Lab bij Columbia Engineering leidt. "De afgelopen jaren hebben mijn groep heeft gewerkt aan het gebruik van unieke eigenschappen van materialen om nieuwe elektronische apparaten te ontwikkelen die een efficiënte interactie met biologische substraten mogelijk maken, met name neurale netwerken en de hersenen."

Conventionele transistors zijn gemaakt van silicium, zodat ze niet kunnen functioneren in de aanwezigheid van ionen en water, en in feite kapot gaan door ionendiffusie in het apparaat. Daarom, de apparaten moeten volledig in het lichaam worden ingekapseld, meestal in metaal of plastic. Bovendien, hoewel ze goed werken met elektronen, ze zijn niet erg effectief in interactie met ionische signalen, dat is hoe de lichaamscellen communiceren. Als resultaat, deze eigenschappen beperken de abiotische/biotische koppeling tot capacitieve interacties alleen op het oppervlak van materiaal, wat resulteert in lagere prestaties. Er zijn organische materialen gebruikt om deze beperkingen te overwinnen, omdat ze inherent flexibel zijn, maar de elektrische prestaties van deze apparaten waren niet voldoende om realtime hersensignaalregistratie en -verwerking uit te voeren.

Het team van Khodagholy profiteerde van zowel de elektronische als de ionische geleiding van organische materialen om door ionen aangedreven transistors te creëren die ze e-IGT's noemen. of verbeteringsmodus, interne ion-gated organische elektrochemische transistors, die mobiele ionen in hun kanalen hebben ingebed. Omdat de ionen geen lange afstanden hoeven af ​​te leggen om deel te nemen aan het kanaalwisselproces, ze kunnen snel en efficiënt worden in- en uitgeschakeld. De voorbijgaande reacties zijn afhankelijk van elektronengat in plaats van ionenmobiliteit, en combineren met een hoge transconductantie om te resulteren in een versterkingsbandbreedte die enkele ordes van grootte hoger ligt dan die van andere op ionen gebaseerde transistors.

De onderzoekers gebruikten hun e-IGT's om een ​​breed scala aan elektrofysiologische signalen te verkrijgen, zoals in vivo opname van neurale actie-impulsen, en zacht te maken, biocompatibel, langdurige implanteerbare neurale verwerkingseenheden voor de realtime detectie van epileptische ontladingen.

"We zijn enthousiast over deze bevindingen, ", zegt Gelinas. "We hebben aangetoond dat E-IGT's een veilige, betrouwbaar, en krachtige bouwsteen voor chronisch geïmplanteerde bio-elektronica, en ik ben optimistisch dat deze apparaten ons in staat zullen stellen om veilig uit te breiden hoe we bio-elektronische apparaten gebruiken om neurologische ziekten aan te pakken."

Een andere belangrijke vooruitgang wordt aangetoond door de onderzoekers in hun wetenschappelijke vooruitgang papier:bio-elektronische apparaten mogelijk maken, specifiek degenen die in het lichaam zijn geïmplanteerd voor diagnostiek of therapie, om effectief en veilig te communiceren met menselijk weefsel, terwijl ze ook in staat zijn om complexe verwerkingen uit te voeren. Geïnspireerd door elektrisch actieve cellen, vergelijkbaar met die in de hersenen die communiceren met elektrische pulsen, het team creëerde een enkel materiaal dat in staat is om meerdere, niet-lineair, dynamische elektronische functies gewoon door de grootte en dichtheid van de samengestelde gemengd geleidende deeltjes te variëren.

"Deze innovatie opent de deur naar een fundamenteel andere benadering van het ontwerp van elektronische apparaten, het nabootsen van biologische netwerken en het creëren van multifunctionele circuits van puur biologisch afbreekbare en biocompatibele componenten, ' zegt Chodagholy.

De onderzoekers ontwierpen en creëerden op gemengde geleidende deeltjes (MCP) gebaseerde hoogwaardige anisotrope films, onafhankelijk adresseerbare transistoren, weerstanden, en diodes die patroonvrij zijn, schaalbaar, en biocompatibel. Deze apparaten hadden verschillende functies, inclusief het opnemen van neurofysiologische activiteit van individuele neuronen, het uitvoeren van circuitbewerkingen, en het verlijmen van zachte en stijve elektronica met hoge resolutie.

"MCP vermindert de voetafdruk van neurale interface-apparaten aanzienlijk, opname van hoogwaardige neurofysiologische gegevens mogelijk maken, zelfs wanneer de hoeveelheid blootgesteld weefsel zeer klein is, en vermindert zo het risico op chirurgische complicaties, ", zegt Gelinas. "En omdat MCP is samengesteld uit alleen biocompatibele en in de handel verkrijgbare materialen, het zal veel gemakkelijker te vertalen zijn naar biomedische apparaten en medicijnen."

Zowel de E-IGT's als de MCP zijn veelbelovend als kritische componenten van bio-elektronica, van draagbare miniatuursensoren tot responsieve neurostimulatoren. De E-IGT's kunnen in grote hoeveelheden worden vervaardigd en zijn toegankelijk voor een breed scala aan fabricageprocessen. evenzo, MCP-componenten zijn goedkoop en gemakkelijk toegankelijk voor materiaalwetenschappers en ingenieurs. In combinatie, ze vormen de basis voor volledig implanteerbare biocompatibele apparaten die kunnen worden gebruikt voor zowel de gezondheid als de behandeling van ziekten.

Khodagholy en Gelinas werken nu aan het vertalen van deze componenten naar functionele implanteerbare apparaten voor de lange termijn die hersenactiviteit kunnen registreren en moduleren om patiënten met neurologische aandoeningen zoals epilepsie te helpen.

"Ons uiteindelijke doel is om toegankelijke bio-elektronische apparaten te maken die de levenskwaliteit van mensen kunnen verbeteren, " zegt Khodagholy, "en met deze nieuwe materialen en componenten, het voelt alsof we daar dichter bij zijn gekomen."