Быстрые, гибкие, мощные биоэлектронные устройства в двух шагах от мягких транзисторов

Дион Ходаголы, доцент кафедры электротехники, занимается разработкой биоэлектронных устройств, которые не только бывают быстрыми, чувствительными, биосовместимыми, мягкими и гибкими, но также имеют долгосрочную стабильность в физиологических средах, таких как организм человека. Такие устройства могли бы значительно улучшить здоровье человека, от мониторинга домашнего здоровья до диагностики и лечения психоневрологических заболеваний, включая эпилепсию и болезнь Паркинсона. Конструкция современных устройств была серьезно ограничена жесткими, не биосовместимыми электронными компонентами, необходимыми для безопасного и эффективного использования, и решение этой проблемы открыло бы двери для широкого спектра новых захватывающих методов лечения.

В сотрудничестве с Дженнифер Н. Гелинас, кафедрой неврологии, и Институтом геномной медицины при Медицинском центре Иривинг Колумбийского университета, Ходагола недавно опубликовал две работы, первую в Материалах природы за 16 марта, посвященных ионно-управляемым мягким и органическим транзисторам, которые он и Гелинас разработали для записи отдельных нейронов и выполнения вычислений в режиме реального времени, что может облегчить диагностику и мониторинг неврологических заболеваний.

Вторая статья, опубликованная 24 апреля в журнале Science Advances, демонстрирует мягкий, биосовместимый интеллектуальный композит – органический материал со смешанной проводимостью частиц (MCP), который позволяет создавать сложные электронные компоненты, для которых традиционно требуется несколько слоев и материалов. Это также обеспечивает легкое и эффективное электронное соединение между мягкими материалами, биологической тканью и жесткой электроникой. Поскольку он полностью биосовместим и обладает контролируемыми электронными свойствами, MCP может неинвазивно регистрировать потенциалы мышечного действия с поверхности руки и осуществлять крупномасштабную деятельность мозга во время нейрохирургических процедур для имплантации электродов глубокой стимуляции мозга.

“Вместо того, чтобы иметь большие имплантаты, заключенные в толстые металлические коробки, чтобы защитить тело и электронику друг от друга, такие как используемые в кардиостимуляторах, и кохлеарные и мозговые имплантаты, мы могли бы сделать гораздо больше, если бы наши устройства были меньше, гибче и по своей природе совместим с окружающей средой нашего тела”, – говорит Ходагол, который руководит Лабораторией трансляционной нейроэлектроники в Columbia Engineering. – “В течение последних нескольких лет моя группа работала над использованием уникальных свойств материалов для разработки новых электронных устройств, обеспечивающих эффективное взаимодействие с биологическими субстратами, в частности с нейронными сетями и мозгом”.

Обычные транзисторы изготовлены из кремния, поэтому они не могут функционировать в присутствии ионов и воды и фактически разрушаются из-за диффузии ионов в устройстве. Поэтому устройства должны быть полностью герметизированы в корпусе, обычно в металле или пластике. Более того, хотя они хорошо работают с электронами, они не очень эффективны при взаимодействии с ионными сигналами, как клетки. В результате эти свойства ограничивают абиотическое или биотическое взаимодействие емкостными взаимодействиями только на поверхности материала, что приводит к снижению производительности. Для преодоления этих ограничений использовались органические материалы, поскольку они по своей природе являются гибкими, но электрических характеристик этих устройств было недостаточно для записи и обработки сигналов мозга в реальном времени.

Команда Ходагола воспользовалась электронной и ионной проводимостью органических материалов для создания управляемых ионами транзисторов, которые они называют e-IGT, или внутренних ионно-управляемых органических электрохимических транзисторов в режиме усиления, в которые встроены подвижные ионы внутри своих каналов. Поскольку ионам не нужно преодолевать большие расстояния, чтобы участвовать в процессе переключения каналов, их можно быстро и эффективно включать и выключать. Переходные характеристики зависят от электронной дыры, а не от подвижности ионов, и в сочетании с высокой проводимостью приводят к ширине полосы усиления, которая на несколько порядков выше, чем у других ионных транзисторов.

Исследователи использовали свои электронные IGT для получения широкого спектра электрофизиологических сигналов, таких как запись импульсов нейронного действия, и для создания мягких, биосовместимых, долговременных имплантируемых устройств нейронной обработки для обнаружения эпилептических разрядов в реальном времени.

“Мы в восторге от этих результатов”, – говорит Гелинас. – “Мы показали, что E-IGT предлагают безопасный, надежный и высокопроизводительный строительный блок для хронически имплантированной биоэлектроники, и я уверен, что эти устройства позволят нам безопасно расширять использование биоэлектронных устройств для лечения неврологических заболеваний”.

Еще одно важное достижение было продемонстрировано исследователями в их статье Научные достижения: это позволяет биоэлектронным устройствам, в частности, имплантированным в организм для диагностики или терапии, эффективно и безопасно взаимодействовать с тканями человека, а также делает их способными выполнять сложные обработки. Вдохновленные электрически активными элементами, подобными тем, которые в мозге взаимодействуют с электрическими импульсами, команда создала единый материал, способный выполнять множество нелинейных динамических электронных функций, просто изменяя размер и плотность своих составных частиц со смешанной проводимостью.

“Это новшество открывает двери для принципиально другого подхода к проектированию электронных устройств, имитирующего биологические сети и создающего многофункциональные схемы из чисто биоразлагаемых и биосовместимых компонентов”, – говорит Ходаголи.

Исследователи спроектировали и создали высокоэффективные анизотропные пленки на основе смешанных проводящих частиц (MCP), независимо адресуемые транзисторы, резисторы и диоды, которые не имеют паттернов, масштабируемы и биосовместимы. Эти устройства выполняли различные функции, включая запись нейрофизиологической активности отдельных нейронов, выполнение схемных операций и соединение мягкой и жесткой электроники высокого разрешения.

“MCP существенно уменьшает отпечаток устройств с нейронным интерфейсом, позволяя записывать высококачественные нейрофизиологические данные, даже если количество экспонированной ткани очень мало, и, таким образом, снижает риск хирургических осложнений”, – говорит Гелинас. – “А поскольку MCP состоит только из биосовместимых и коммерчески доступных материалов, его будет гораздо проще перевести на биомедицинские устройства и лекарства”.

И E-IGT, и MCP имеют большие перспективы в качестве важнейших компонентов биоэлектроники, от носимых миниатюрных датчиков до чувствительных нейростимуляторов. E-IGT могут быть изготовлены в больших количествах и доступны для широкого спектра производственных процессов. Точно так же компоненты MCP являются недорогими и легко доступными для материаловедов и инженеров. В сочетании они образуют основу для полностью имплантируемых биосовместимых устройств, которые можно использовать как для улучшения здоровья, так и для лечения заболеваний.

В настоящее время Ходагола и Гелинас работают над преобразованием этих компонентов в функциональные долговременные имплантируемые устройства, которые могут регистрировать и модулировать активность мозга, чтобы помочь пациентам с неврологическими заболеваниями, такими как эпилепсия.

“Нашей конечной целью является создание доступных биоэлектронных устройств, которые могут улучшить качество жизни людей, – говорит Ходагхоли, – и с этими новыми материалами и компонентами создается впечатление, что мы приблизились к этому”.

По материалам Scitechdaily