Veel belangrijke ontwikkelingen in de geneeskunde, vooral in de neurologie, zijn aangewakkerd door recente ontwikkelingen in elektronische systemen die kunnen verwerven, Verwerken, en interageren met biologische substraten. Deze bio-elektronische systemen, die in toenemende mate worden gebruikt om dynamische levende organismen te begrijpen en om ziekten bij de mens te behandelen, apparaten nodig hebben die lichaamssignalen kunnen opnemen, verwerk ze, patronen ontdekken, en elektrische of chemische stimulatie te geven om problemen aan te pakken.

transistoren, de apparaten die elektronische signalen op circuits versterken of schakelen, vormen de ruggengraat van deze systemen. Echter, ze moeten aan tal van criteria voldoen om efficiënt en veilig te kunnen werken in biologische omgevingen zoals het menselijk lichaam. Daten, onderzoekers zijn er niet in geslaagd transistors te bouwen die alle functies hebben die nodig zijn voor veilige, betrouwbaar, en snelle werking in deze omgevingen gedurende langere tijdsperioden.

Een team onder leiding van Dion Khodagholy, universitair docent elektrotechniek bij Columbia Engineering, en Jennifer N. Gelinas, Columbia Universitair Medisch Centrum, Afdeling Neurologie, en het Instituut voor Genomische Geneeskunde, heeft de eerste biocompatibele ion-aangedreven transistor ontwikkeld die snel genoeg is om real-time signaaldetectie en stimulatie van hersensignalen mogelijk te maken.

De interne-ion-gated organische elektrochemische transistor (IGT) werkt via mobiele ionen in een geleidend polymeerkanaal om zowel volumetrische capaciteit (ionische interacties waarbij het gehele grootste deel van het kanaal betrokken is) als verkorte ionische transittijd mogelijk te maken. De IGT heeft een grote transconductantie (versterkingssnelheid), hoge snelheid, en kan zowel onafhankelijk worden gepoort als gemicrofabriceerd om schaalbare, aanpasbare geïntegreerde schakelingen te creëren. In hun onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers demonstreren het vermogen van hun IGT om een ​​geminiaturiseerde, zacht, conforme interface met de menselijke huid, lokale versterking gebruiken om neurale signalen van hoge kwaliteit op te nemen, geschikt voor geavanceerde gegevensverwerking.

"We hebben een transistor gemaakt die kan communiceren met behulp van ionen, de ladingsdragers van het lichaam, met snelheden die snel genoeg zijn om complexe berekeningen uit te voeren die nodig zijn voor neurofysiologie, de studie van de functie van het zenuwstelsel, " zegt Khodagholy. "Het kanaal van onze transistor is gemaakt van volledig biocompatibele materialen en kan interageren met zowel ionen als elektronen, waardoor communicatie met neurale signalen van het lichaam efficiënter wordt. We kunnen nu veiliger bouwen, kleiner, en slimmere bio-elektronische apparaten, zoals brein-machine-interfaces, draagbare elektronica, en responsieve therapeutische stimulatie-apparaten, die gedurende lange tijd in mensen kunnen worden geïmplanteerd."

Vroeger, traditionele op silicium gebaseerde transistors zijn gebruikt in bio-elektronische apparaten, maar ze moeten zorgvuldig worden ingekapseld om contact met lichaamsvloeistoffen te vermijden - zowel voor de veiligheid van de patiënt als voor de goede werking van het apparaat. Deze eis maakt implantaten op basis van deze transistoren omvangrijk en stijf. parallel, er is veel werk verzet op het gebied van organische elektronica om inherent flexibele transistors van plastic te maken, inclusief ontwerpen zoals elektrolyt-gated of elektrochemische transistors die hun output kunnen moduleren op basis van ionische stromen. Echter, deze apparaten kunnen niet snel genoeg werken om de berekeningen uit te voeren die nodig zijn voor bio-elektronische apparaten die worden gebruikt in neurofysiologische toepassingen.

Khodagholy en zijn postdoctoraal onderzoeker George Spyropoulos, de eerste auteur van dit werk, bouwde een transistorkanaal op basis van geleidende polymeren om ionenmodulatie mogelijk te maken, en, om het apparaat snel te maken, ze hebben het materiaal aangepast om zijn eigen mobiele ionen te hebben. Door de afstand te verkorten die ionen nodig hebben om binnen de polymeerstructuur te reizen, ze verbeterden de snelheid van de transistor met een orde van grootte in vergelijking met andere ionische apparaten van dezelfde grootte.

"Belangrijk, we hebben alleen volledig biocompatibel materiaal gebruikt om dit apparaat te maken. Ons geheime ingrediënt is D-sorbitol, of suiker, " zegt Khodagholy. "Suikermoleculen trekken watermoleculen aan en helpen niet alleen het transistorkanaal om gehydrateerd te blijven, maar ook helpen de ionen gemakkelijker en sneller binnen het kanaal te reizen."

Omdat de IGT het gemak en de verdraagbaarheid van elektro-encefalografie (EEG) procedures voor patiënten aanzienlijk zou kunnen verbeteren, de onderzoekers kozen dit platform om de translationele capaciteit van hun apparaat aan te tonen. Met behulp van hun transistor om menselijke hersengolven op te nemen vanaf het oppervlak van de hoofdhuid, ze toonden aan dat de lokale IGT-versterking direct bij de apparaat-hoofdhuidinterface het mogelijk maakte om de contactgrootte met vijf ordes van grootte te verkleinen - het hele apparaat paste gemakkelijk tussen de haarzakjes, plaatsing aanzienlijk vereenvoudigen. Het apparaat kan ook gemakkelijk met de hand worden gemanipuleerd, verbetering van de mechanische en elektrische stabiliteit. Bovendien, omdat het micro-EEG IGT-apparaat zich aanpast aan de hoofdhuid, er waren geen chemische lijmen nodig, dus de patiënt had geen huidirritatie door kleefstoffen en was over het algemeen comfortabeler.

Deze apparaten kunnen ook worden gebruikt om implanteerbare closed-loop-apparaten te maken, zoals die momenteel worden gebruikt voor de behandeling van sommige vormen van medisch ongevoelige epilepsie. De apparaten kunnen kleiner en gemakkelijker te implanteren zijn, en geef ook meer informatie.

"Onze oorspronkelijke inspiratie was om een ​​aanpasbare transistor te maken voor neurale implantaten, " merkt Gelinas op. "Hoewel we het specifiek voor de hersenen hebben getest, IGT's kunnen ook worden gebruikt om hart-, spier, en oogmoment."

Khodagholy en Gelinas onderzoeken nu of er fysieke grenzen zijn aan wat voor soort mobiele ionen ze in het polymeer kunnen insluiten. Ze bestuderen ook nieuwe materialen waarin ze mobiele ionen kunnen inbedden en verfijnen hun werk aan het gebruik van de transistors om geïntegreerde schakelingen te maken voor responsieve stimulatie-apparaten.

"We zijn erg enthousiast dat we ionische transistors aanzienlijk kunnen verbeteren door eenvoudige ingrediënten toe te voegen, Khodagholy merkt op. "Met zo'n snelheid en versterking, gecombineerd met hun gemak van microfabricage, deze transistors kunnen worden toegepast op veel verschillende soorten apparaten. Er is een groot potentieel voor het gebruik van deze apparaten om de patiëntenzorg in de toekomst ten goede te komen."