Viele der großen Fortschritte in der Medizin, insbesondere in der Neurologie, wurden ausgelöst durch die jüngsten Fortschritte in der elektronischen Anlagen zu erwerben, zu verarbeiten und zu interagieren mit biologischen Substraten. Diese bioelektronische Systeme werden zunehmend verwendet, um zu verstehen, dynamischen lebenden Organismen und zur Behandlung von menschlichen Erkrankungen, erfordern Geräte, die aufnehmen kann Körper Signale, verarbeiten diese Muster erkennen, und liefern die elektrische oder Chemische stimulation, um Probleme zu beheben.
Transistoren, die Geräte, verstärken oder schalten elektronischer Signale auf den Strecken, bilden das Rückgrat für diese Systeme. Allerdings müssen Sie zahlreiche Kriterien erfüllen, um effizient und sicher arbeiten in biologischen Umgebungen wie der menschlichen Körper. Bisher haben die Forscher nicht in der Lage gewesen, um transistoren bauen, die alle erforderlichen Funktionen für den sicheren, zuverlässigen und schnellen Betrieb in diesen Umgebungen über längere Zeiträume.
Ein team unter der Leitung von Dion Khodagholy, assistant professor of electrical engineering an der Columbia Engineering und Jennifer N. Gelinas, der Columbia University Medical Center, Abteilung für Neurologie, und Institut für Genomische Medizin, entwickelt hat, die die erste biokompatible Ionen-transistor getrieben, dass ist schnell genug, um die real-time-signal-sensing und die stimulation der Gehirn-Signale.
Die interne-ion-gated organischen elektrochemischen transistor (IGT) betreibt über mobile Ionen, die in einem leitenden polymer-Kanal ermöglicht sowohl die volumetrische Kapazität (Ionische Wechselwirkungen, bei denen die gesamte Masse der Kanal) und verkürzt ionic-transit-Zeit. Die IGT hat große steilheitsmessung (amplification rate), high-speed, und können unabhängig voneinander gated sowie microfabricated zu erstellen skalierbare, anpassbare integrierte schaltungen. In Ihrer Studie, veröffentlicht heute in der Wissenschaft Fortschritte, die Forscher demonstrieren die Fähigkeit, Ihre IGT, um eine miniaturisierte, weich, anschmiegsam-Schnittstelle, die mit der menschlichen Haut, mit lokalen Verstärkung, Aufzeichnung hohe Qualität neuronale Signale, geeignet für fortschrittliche Daten-Verarbeitung.
“Wir haben ein transistor, der kommunizieren kann, mit Ionen, die körpereigenen Ladungsträger mit einer Geschwindigkeit schnell genug, um komplexe Berechnungen erforderlich, für die Neurophysiologie, die Untersuchung der Funktion des Nervensystems,” Khodagholy sagt. “Unsere Transistors Kanal ist aus vollständig körperverträglichen Materialien und der Interaktion mit den Elektronen und Ionen, was die Kommunikation mit neuronalen Signale, die der Körper effizienter. Wir werden nun in der Lage sein zu bauen, sicherer, kleiner und smarter bioelektronische Geräte, wie z.B. brain-machine-interfaces, wearable electronics und reaktionsschnell therapeutische stimulation Geräte, die implantiert werden kann in Menschen, die über lange Zeiträume.”
In der Vergangenheit, traditionelle Silizium-basierenden transistoren verwendet wurden bioelektronische Geräte, aber Sie müssen sorgfältig gekapselt, so vermeiden Sie den Kontakt mit Körperflüssigkeiten-sowohl für die Sicherheit des Patienten und den ordnungsgemäßen Betrieb des Geräts. Diese Anforderung macht Implantate auf der Grundlage dieser transistoren sperrig und starr. Parallel, viel Arbeit wurde in die organische Elektronik zu schaffen, das inhärent flexible transistoren aus Plastik, einschließlich designs wie Elektrolyt-gated oder Elektrochemische transistoren, die beeinflussen können, Ihre Leistung basierend auf der ionenströme. Allerdings sind diese Geräte nicht schnell genug, um führen Sie die erforderlichen Berechnungen für bioelektronische Geräte für den Einsatz in der Neurophysiologie-Anwendungen.
Khodagholy und sein postdoctoral research fellow Georg Spyropoulos, der erste Autor dieser Arbeit, einen transistor gebaut, Kanal basiert auf leitfähigen Polymeren zu ermöglichen ionic-modulation, und, um das Gerät schnell, Sie verändert das material seine eigene mobile Ionen. Durch die Verkürzung der Distanz, die Ionen benötigt, um Reisen innerhalb der polymer-Struktur, Sie verbessert die Geschwindigkeit der transistor um eine Größenordnung im Vergleich zu anderen Ionischen Geräten der gleichen Größe.
“Wichtig ist, dass wir nur vollständig biokompatiblen material, das zum erstellen dieses Gerät. Unsere geheime Zutat ist D-Sorbit oder Zucker”, sagt Khodagholy. “Zucker-Moleküle ziehen Wassermoleküle an und helfen nicht nur der transistor channel zu bleiben hydratisiert, aber auch helfen, die Ionen mehr Reisen einfach und schnell in den Kanal.”
Da die IGT könnte erheblich zur Verbesserung der Leichtigkeit und Verträglichkeit von Elektroenzephalographie (EEG) Verfahren für Patienten, wählten die Forscher dieser Plattform zu zeigen, Gerät der translationalen Kapazität. Mit Ihren transistor zur Aufzeichnung der menschlichen Gehirn-Wellen von der Oberfläche der Kopfhaut, Sie zeigten, dass die IGT lokalen Verstärkung direkt am Gerät-Kopfhaut-Schnittstelle aktiviert den Kontakt Größe reduziert werden fünf Größenordnungen-das gesamte Gerät passt problemlos zwischen Haarfollikel, erheblich vereinfacht die Platzierung. Das Gerät könnte auch einfach manipuliert werden von hand, verbessert die mechanischen und elektrischen Stabilität. Außerdem, da die Mikro-EEG-IGT-Gerät entspricht der Kopfhaut, keine chemischen Klebstoffe wurden benötigt, damit der patient hatte keine Hautreizungen aus Klebstoffen und war angenehm insgesamt.
Diese Geräte können auch verwendet werden, um implantierbare closed-loop-Geräte, wie diejenigen, die derzeit zur Behandlung einiger Formen von therapieresistenten Epilepsie. Die Geräte werden kleiner und einfacher zu implantieren und bieten auch mehr Informationen.
“Unsere ursprüngliche inspiration war ein anschmiegsames transistor für neuronale Implantate” Gelinas Noten. “Während wir uns speziell getestet für das Gehirn, IGTs kann auch verwendet werden zur Aufzeichnung Herz, Muskel, Auge und Augenblick.”
Khodagholy und Gelinas jetzt untersuchen, ob es körperliche Grenzen, um welche Art von mobilen Ionen, die Sie einbetten zu können in das polymer. Sie untersuchen auch neue Materialien, in die Sie einbetten können mobile Ionen, sowie der Verfeinerung Ihrer Arbeit auf die Verwendung der transistoren zu integrierten schaltungen für die responsive stimulation Geräte.
“Wir sind sehr aufgeregt, wir könnten wesentlich verbessern ionic-transistoren durch das hinzufügen von einfachen Zutaten,” Khodagholy Noten. “Mit einer solchen Geschwindigkeit und Verstärkung, in Kombination mit Ihrer Leichtigkeit von mikrofabrikationsverfahren, diese transistoren angewendet werden könnte, um viele verschiedene Arten von Geräten. Es gibt ein großes Potenzial für die Nutzung dieser Geräte zum nutzen der Patienten in der Zukunft.”
