Många stora framsteg inom medicin, särskilt inom neurologi, har utlösts av de senaste framstegen inom elektroniska system som kan förvärva, bearbeta, och interagera med biologiska substrat. Dessa bioelektroniska system, som allt oftare används för att förstå dynamiska levande organismer och för att behandla mänskliga sjukdomar, kräver enheter som kan spela in kroppssignaler, bearbeta dem, upptäcka mönster, och leverera elektrisk eller kemisk stimulering för att lösa problem.

Transistorer, enheterna som förstärker eller kopplar elektroniska signaler till kretsar, utgör ryggraden i dessa system. Dock, de måste uppfylla många kriterier för att fungera effektivt och säkert i biologiska miljöer som människokroppen. Hittills, forskare har inte kunnat bygga transistorer som har alla funktioner som behövs för säkra, pålitlig, och snabb drift i dessa miljöer under längre perioder.

Ett team under ledning av Dion Khodagholy, biträdande professor i elektroteknik vid Columbia Engineering, och Jennifer N. Gelinas, Columbia University Medical Center, Institutionen för neurologi, och Institute for Genomic Medicine, har utvecklat den första biokompatibla jondrivna transistorn som är tillräckligt snabb för att möjliggöra realtidssignalavkänning och stimulering av hjärnsignaler.

Den inre jon-gated organiska elektrokemiska transistorn (IGT) fungerar via mobiljoner som finns i en ledande polymerkanal för att möjliggöra både volymetrisk kapacitans (joniska interaktioner som involverar hela huvuddelen av kanalen) och förkortad jonisk transittid. IGT har stor transkonduktans (förstärkningshastighet), hög hastighet, och kan oberoende grindas såväl som mikrofabriceras för att skapa skalbara anpassningsbara integrerade kretsar. I sin studie publicerad idag i Vetenskapliga framsteg , forskarna visar förmågan hos deras IGT att tillhandahålla en miniatyriserad, mjuk, anpassningsbart gränssnitt med människans hud, med hjälp av lokal förstärkning för att spela in neurala signaler av hög kvalitet, lämplig för avancerad databehandling.

"Vi har gjort en transistor som kan kommunicera med joner, kroppens laddningsbärare, i tillräckligt snabba hastigheter för att utföra komplexa beräkningar som krävs för neurofysiologi, studier av nervsystemets funktion, "Säger Khodagholy." Vår transistors kanal är gjord av helt biokompatibla material och kan interagera med både joner och elektroner, effektivisera kommunikation med neuralsignaler från kroppen. Vi kommer nu att kunna bygga säkrare, mindre, och smartare bioelektroniska enheter, såsom hjärn-maskin-gränssnitt, bärbar elektronik, och mottagliga terapeutiska stimuleringsanordningar, som kan implanteras på människor under lång tid. "

Förr, traditionella kiselbaserade transistorer har använts i bioelektroniska enheter, men de måste vara noggrant inkapslade för att undvika kontakt med kroppsvätskor - både för patientens säkerhet och för att enheten ska fungera korrekt. Detta krav gör implantat baserade på dessa transistorer skrymmande och styva. Parallellt, ett stort arbete har gjorts inom det organiska elektronikområdet för att skapa inneboende flexibla transistorer av plast, inklusive konstruktioner som elektrolytgrindade eller elektrokemiska transistorer som kan modulera deras utgång baserat på jonströmmar. Dock, dessa enheter kan inte fungera tillräckligt snabbt för att utföra de beräkningar som krävs för bioelektroniska enheter som används i neurofysiologiska applikationer.

Khodagholy och hans postdoktor George Spyropoulos, den första författaren till detta verk, byggde en transistorkanal baserad på ledande polymerer för att möjliggöra jonisk modulering, och, för att göra enheten snabb, de modifierade materialet för att ha sina egna mobiljoner. Genom att förkorta avståndet som joner behövde för att resa inom polymerstrukturen, de förbättrade transistorns hastighet med en storleksordning jämfört med andra joniska enheter av samma storlek.

"Viktigt, vi använde bara helt biokompatibelt material för att skapa denna enhet. Vår hemliga ingrediens är D-sorbitol, eller socker, "säger Khodagholy." Sockermolekyler lockar till sig vattenmolekyler och hjälper inte bara transistorkanalen att hålla sig hydrerad, men också hjälpa jonerna att resa lättare och snabbare inom kanalen. "

Eftersom IGT avsevärt kan förbättra lättheten och toleransen för elektroencefalografi (EEG) förfaranden för patienter, forskarna valde denna plattform för att visa sin enhets översättningskapacitet. Med sin transistor för att spela in mänskliga hjärnvågor från ytan av hårbotten, de visade att IGT lokal förstärkning direkt vid gränssnittet mellan enhet och hårbotten möjliggjorde att kontaktstorleken minskades med fem storleksordningar-hela enheten passar enkelt mellan hårsäckarna, förenklad placering. Enheten kan också enkelt manipuleras för hand, förbättra mekanisk och elektrisk stabilitet. Dessutom, eftersom mikro-EEG IGT-enheten överensstämmer med hårbotten, inga kemiska lim behövdes, så patienten hade ingen hudirritation av lim och var mer bekväm överlag.

Dessa enheter kan också användas för att göra implanterbara enheter med sluten slinga, såsom de som för närvarande används för att behandla vissa former av medicinskt eldfast epilepsi. Enheterna kan vara mindre och lättare att implantera, och ge också mer information.

"Vår ursprungliga inspiration var att göra en konformabel transistor för neurala implantat, "Gelinas noterar." Medan vi testade det specifikt för hjärnan, IGT kan också användas för att spela in hjärta, muskel, och ögonblick. "

Khodagholy och Gelinas undersöker nu om det finns fysiska gränser för vilken typ av mobiljoner de kan bädda in i polymeren. De studerar också nya material i vilka de kan bädda in joner och förfina sitt arbete med att använda transistorerna för att skapa integrerade kretsar för mottagliga stimuleringsenheter.

"Vi är mycket glada över att vi avsevärt kunde förbättra joniska transistorer genom att lägga till enkla ingredienser, "Khodagholy -anteckningar." Med sådan hastighet och förstärkning, i kombination med deras enkla mikrofabricering, dessa transistorer kan appliceras på många olika typer av enheter. Det finns en stor potential för användning av dessa enheter för att gynna patientvården i framtiden. "