Транзисторы, устройства, которые усиливают или переключают электронные сигналы в схемах, составляют основу этих систем. Однако они должны соответствовать многочисленным критериям для эффективной и безопасной работы в биологических средах, таких как человеческое тело. На сегодняшний день исследователям не удалось создать транзисторы, которые обладали бы всеми функциями, необходимыми для безопасной, надежной и быстрой работы в этих средах в течение продолжительных периодов времени.
Команда во главе с Дионом Ходаголи, доцентом кафедры электротехники Columbia Engineering, и Дженнифер Н. Гелинас, Медицинский центр Колумбийского университета, отделение неврологии и Институт геномной медицины, разработали первый биосовместимый ионно-управляемый транзистор, который достаточно быстр, чтобы обеспечивать распознавание сигналов в реальном времени и стимуляцию сигналов мозга.
Органический электрохимический транзистор с внутренним ионным управлением (IGT) работает через подвижные ионы, содержащиеся в проводящем полимерном канале, чтобы обеспечить как объемную емкость (ионные взаимодействия, охватывающие весь объем канала), так и сокращение времени прохождения ионов. IGT имеет большую крутизну (коэффициент усиления), высокую скорость и может быть независимо стробирован, а также может быть изготовлен на микроуровне для создания масштабируемых согласованных интегральных схем. В своем исследовании, опубликованном сегодня в Science Advances, исследователи демонстрируют способность своего IGT обеспечивать миниатюрный, мягкий, удобный интерфейс с кожей человека, используя локальное усиление для записи высококачественных нейронных сигналов, подходящих для расширенной обработки данных.
«Мы создали транзистор, который может обмениваться данными с помощью ионов, носителей заряда тела, на достаточно высоких скоростях, чтобы выполнять сложные вычисления, необходимые для нейрофизиологии, исследования функции нервной системы», – говорит Ходаголы. «Канал нашего транзистора сделан из полностью биосовместимых материалов и может взаимодействовать как с ионами, так и с электронами, что делает связь с нейронными сигналами тела более эффективной. Теперь мы сможем создавать более безопасные, компактные и умные биоэлектронные устройства, такие как интерфейсы мозг-машина, носимая электроника и чувствительные устройства терапевтической стимуляции, которые можно будет имплантировать людям в течение длительных периодов времени."
В прошлом в биоэлектронных устройствах использовались традиционные транзисторы на основе кремния, но они должны быть тщательно герметизированы, чтобы избежать контакта с биологическими жидкостями – как для безопасности пациента, так и для правильной работы устройства.
Это требование делает имплантаты на основе этих транзисторов громоздкими и жесткими. Параллельно с этим в области органической электроники была проделана большая работа по созданию гибких транзисторов из пластика, включая такие конструкции, как электролитные или электрохимические транзисторы, которые могут модулировать свой выходной сигнал на основе ионных токов.
Однако эти устройства не могут работать достаточно быстро, чтобы выполнять вычисления, необходимые для биоэлектронных устройств, используемых в приложениях нейрофизиологии.
Ходаголи и его научный сотрудник Джордж Спиропулос, первый автор этой работы, построили канал транзистора на основе проводящих полимеров, чтобы обеспечить ионную модуляцию, и, чтобы сделать устройство быстрым, они модифицировали материал, чтобы он имел собственные подвижные ионы. Уменьшая расстояние, которое ионы должны пройти внутри полимерной структуры, они на порядок увеличили скорость транзистора по сравнению с другими ионными устройствами того же размера.
"Важно отметить, что мы использовали только полностью биосовместимый материал для создания этого устройства. Наш секретный ингредиент – D-сорбитол, или сахар, – говорит Ходаголы. "Молекулы сахара притягивают молекулы воды и не только помогают каналу транзистора оставаться гидратированным, но и помогают ионам легче и быстрее перемещаться по каналу."
Поскольку IGT может значительно улучшить легкость и переносимость процедур электроэнцефалографии (ЭЭГ) для пациентов, исследователи выбрали эту платформу, чтобы продемонстрировать трансляционную способность своего устройства. Используя свой транзистор для записи мозговых волн человека с поверхности кожи головы, они показали, что локальное усиление IGT непосредственно на интерфейсе устройство-кожа головы позволило уменьшить размер контакта на пять порядков – все устройство легко помещается между волосами. фолликулы, существенно упрощающие размещение.
Устройство также можно легко манипулировать вручную, что улучшает механическую и электрическую стабильность. Более того, поскольку устройство микро-ЭЭГ IGT соответствует коже головы, никаких химических клеев не требовалось, поэтому у пациента не было раздражения кожи от клеев и в целом он чувствовал себя более комфортно.
Эти устройства также могут использоваться для изготовления имплантируемых устройств с замкнутым контуром, таких как те, которые в настоящее время используются для лечения некоторых форм резистентной с медицинской точки зрения эпилепсии. Устройства могут быть меньше и легче имплантировать, а также предоставлять больше информации.
«Нашим первоначальным вдохновением было создание подходящего транзистора для нейронных имплантатов», – отмечает Гелинас. «Хотя мы специально проверили его для мозга, IGT также можно использовать для записи сердечных, мышечных и глазных моментов."
Ходаголы и Гелинас сейчас изучают, есть ли физические пределы того, какие мобильные ионы они могут внедрять в полимер. Они также изучают новые материалы, в которые они могут встроить подвижные ионы, а также совершенствуют свою работу по использованию транзисторов для создания интегральных схем для устройств чувствительной стимуляции.
«Мы очень рады, что смогли существенно улучшить ионные транзисторы, добавив простые ингредиенты», – отмечает Ходаголы. «С такой скоростью и усилением, в сочетании с простотой изготовления на микроуровне, эти транзисторы могут применяться во многих различных типах устройств. У использования этих устройств есть большой потенциал для оказания помощи пациентам в будущем."