Dion Khodagholy, biträdande professor i elektroteknik, fokuserar på att utveckla bioelektroniska enheter som inte bara är snabba, känslig, biokompatibel, mjuk, och flexibel, men har också långsiktig stabilitet i fysiologiska miljöer som människokroppen. Sådana enheter skulle avsevärt förbättra människors hälsa, från att övervaka välbefinnande i hemmet till att diagnostisera och behandla neuropsykiatriska sjukdomar, inklusive epilepsi och Parkinsons sjukdom. Utformningen av nuvarande enheter har starkt begränsats av den styva, icke-biokompatibla elektroniska komponenter som behövs för säker och effektiv användning, och att lösa denna utmaning skulle öppna dörren till ett brett utbud av spännande nya terapier.

I samarbete med Jennifer N. Gelinas, Institutionen för neurologi, och Institutet för genomisk medicin vid Columbia University Iriving Medical Center, Khodagholy har nyligen publicerat två artiklar, den första i Naturmaterial (16 mars) om jondrivna mjuka och organiska transistorer som han och Gelinas har utformat för att registrera enskilda neuroner och utföra beräkningar i realtid som kan underlätta diagnos och övervakning av neurologisk sjukdom.

Det andra papperet, publiceras idag i Vetenskapliga framsteg , visar en mjuk, biokompatibel smart komposit-ett organiskt blandat ledande partikelformigt material (MCP)-som gör det möjligt att skapa komplexa elektroniska komponenter som traditionellt kräver flera lager och material. Det möjliggör också enkel och effektiv elektronisk bindning mellan mjuka material, biologisk vävnad, och stel elektronik. Eftersom den är helt biokompatibel och har kontrollerbara elektroniska egenskaper, MCP kan icke-invasivt spela in muskelaktionspotentialer från armens yta och, i samarbete med Sameer Sheth och Ashwin Viswanathan vid Baylor College of Medicine:s avdelning för neurokirurgi, storskalig hjärnaktivitet under neurokirurgiska ingrepp för att implantera elektroder för djup hjärnstimulering.

"Istället för att ha stora implantat inkapslade i tjocka metalllådor för att skydda kroppen och elektroniken från varandra, som de som används i pacemaker, och cochlea- och hjärnimplantat, vi skulle kunna göra så mycket mer om våra enheter var mindre, flexibel, och i sig kompatibel med vår kroppsmiljö, " säger Khodagholy, som leder Translational NeuroElectronics Lab vid Columbia Engineering. "Under de senaste åren, min grupp har arbetat med att använda unika egenskaper hos material för att utveckla nya elektroniska enheter som möjliggör effektiv interaktion med biologiska substrat - särskilt neurala nätverk och hjärnan. "

Konventionella transistorer är gjorda av kisel, så de kan inte fungera i närvaro av joner och vatten, och i själva verket bryts ner på grund av jondiiffusion in i anordningen. Därför, enheterna måste vara helt inkapslade i kroppen, vanligtvis i metall eller plast. Dessutom, även om de fungerar bra med elektroner, de är inte särskilt effektiva för att interagera med joniska signaler, vilket är hur kroppens celler kommunicerar. Som ett resultat, dessa egenskaper begränsar den abiotiska/biotiska kopplingen till kapacitiva interaktioner endast på ytan av material, vilket resulterar i lägre prestanda. Organiska material har använts för att övervinna dessa begränsningar eftersom de är i sig flexibla, men den elektriska prestandan hos dessa enheter var inte tillräcklig för att utföra inspelning och bearbetning av hjärnsignaler i realtid.

Khodagholys team utnyttjade både den elektroniska och den joniska ledningen av organiska material för att skapa jondrivna transistorer som de kallar e-IGT, eller förbättringsläge, interna jonstyrda organiska elektrokemiska transistorer, som har inbäddade mobiljoner i sina kanaler. Eftersom jonerna inte behöver resa långa sträckor för att delta i kanalväxlingsprocessen, de kan slås på och av snabbt och effektivt. De transienta svaren beror på elektronhål snarare än jonmobilitet, och kombinera med hög transkonduktans för att resultera i en förstärkningsbandbredd som är flera storleksordningar över andra jonbaserade transistors.

Forskarna använde sina e-IGTs för att få ett brett utbud av elektrofysiologiska signaler, såsom in vivo inspelning av neurala handlingsimpulser, och för att skapa mjuka, biokompatibel, långsiktiga implanterbara neurala behandlingsenheter för realtidsdetektering av epileptiska urladdningar.

"Vi är glada över dessa fynd, " säger Gelinas. "Vi har visat att E-IGT erbjuder ett kassaskåp, pålitlig, och högpresterande byggsten för kroniskt implanterad bioelektronik, och jag är optimistisk att dessa enheter kommer att göra det möjligt för oss att säkert utvidga hur vi använder bioelektroniska enheter för att hantera neurologisk sjukdom. "

Ett annat stort framsteg visar forskarna i deras Vetenskapliga framsteg papper:möjliggör bioelektroniska enheter, särskilt de som är implanterade i kroppen för diagnostik eller terapi, för att effektivt och säkert samverka med mänsklig vävnad, samtidigt som de gör dem kapabla att utföra komplex bearbetning. Inspirerad av elektriskt aktiva celler, liknande dem i hjärnan som kommunicerar med elektriska pulser, teamet skapade ett enda material som kan utföra flera, icke-linjär, dynamiska elektroniska funktioner bara genom att variera storleken och densiteten på dess sammansatta blandningsledande partiklar.

"Denna innovation öppnar dörren till ett fundamentalt annorlunda tillvägagångssätt för design av elektroniska enheter, efterlikna biologiska nätverk och skapa multifunktionella kretsar av rent biologiskt nedbrytbara och biokompatibla komponenter, säger Khodagholy.

Forskarna designar och skapar blandade ledande partikelformiga (MCP) -baserade högpresterande anisotropa filmer, oberoende adresserbara transistorer, motstånd, och dioder som är mönsterfria, skalbar, och biokompatibel. Dessa enheter utförde en mängd olika funktioner, inklusive registrering av neurofysiologisk aktivitet från individuella neuroner, utför kretsoperationer, och bindning av högupplöst mjuk och stel elektronik.

"MCP minskar avsevärt fotavtrycket för neurala gränssnittsenheter, möjliggör registrering av neurofysiologiska data av hög kvalitet även när mängden exponerad vävnad är mycket liten, och minskar därmed risken för kirurgiska komplikationer, " säger Gelinas. "Och eftersom MCP är sammansatt av endast biokompatibla och kommersiellt tillgängliga material, det kommer att bli mycket lättare att översätta till biomedicinsk utrustning och medicin."

Både E-IGT och MCP har stora löften som kritiska komponenter i bioelektronik, från bärbara miniatyriserade sensorer till mottagliga neurostimulatorer. E-IGT:erna kan tillverkas i stora mängder och är tillgängliga för en mängd olika tillverkningsprocesser. Liknande, MCP-komponenter är billiga och lättillgängliga för materielvetare och ingenjörer. I kombination, de utgör grunden för helt implanterbara biokompatibla enheter som kan utnyttjas både för hälsan och för att behandla sjukdomar.

Khodagholy och Gelinas arbetar nu med att översätta dessa komponenter till funktionella långsiktiga implanterbara enheter som kan registrera och modulera hjärnaktivitet för att hjälpa patienter med neurologiska sjukdomar som epilepsi.

"Vårt slutmål är att skapa tillgängliga bioelektroniska enheter som kan förbättra människors livskvalitet, "säger Khodagholy, "och med dessa nya material och komponenter, det känns som att vi har kommit närmare det. "