Мягкий биоэлектронный сенсорный имплантат приспосабливается к тканям тела, позволяя осуществлять мониторинг мозга в процессе развития
Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне и Колумбийского университета в Нью-Йорке встроили транзисторы в мягкий, податливый материал, чтобы создать биосовместимый сенсорный имплантат, который контролирует неврологические функции на протяжении последовательных фаз развития пациента.
В статье, недавно опубликованной в Nature Communications , ученые описывают свою конструкцию дополнительных внутренних органических электрохимических транзисторов с ионным управлением, которые более податливы химически, биологически и электронно к живым тканям, чем жесткие кремниевые технологии. Медицинское устройство на основе этих транзисторов может функционировать в чувствительных частях тела и соответствовать структурам органов даже по мере их роста.
«Разработка современной электроники ведется уже несколько десятилетий, поэтому существует большой репозиторий доступных схемных решений. Проблема в том, что большинство этих транзисторных и усилительных технологий несовместимы с нашей физиологией», — сказал соавтор Дион Ходаголи, профессор кафедры электротехники и компьютерных наук имени Генри Самуэли Калифорнийского университета в Ирвайне.
«Для нашей инновации мы использовали органические полимерные материалы, которые по своей природе ближе к нам биологически, и мы разработали их для взаимодействия с ионами, поскольку язык мозга и тела — ионный, а не электронный».
В стандартной биоэлектронике комплементарные транзисторы состоят из разных материалов, чтобы учитывать разные полярности сигналов, которые, помимо того, что они негибкие и громоздкие, представляют риск токсичности при имплантации в чувствительные области. Группа исследователей из Калифорнийского университета в Ирвайне и Колумбийского университета обошла эту проблему, создав свои транзисторы асимметричным способом, что позволяет им работать с использованием одного биосовместимого материала.
«Транзистор подобен простому клапану, который управляет потоком тока. В наших транзисторах физический процесс, который управляет этой модуляцией, регулируется электрохимическим легированием и делегированием канала», — сказал первый автор Дункан Вишневски, аспирант Колумбийского университета во время проекта, который в настоящее время является приглашенным научным сотрудником на кафедре электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Ирвайне.
«Проектируя устройства с асимметричными контактами, мы можем контролировать место легирования в канале и переключать фокус с отрицательного потенциала на положительный потенциал. Такой подход к проектированию позволяет нам создавать дополнительное устройство, используя один материал».
Он добавил, что размещение транзисторов в более компактном однополимерном материале значительно упрощает процесс изготовления, позволяя осуществлять крупномасштабное производство и расширять возможности технологии за пределы первоначального неврологического применения практически до любого биопотенциального процесса.
Ходаголи, возглавляющий Лабораторию трансляционной нейроэлектроники Калифорнийского университета в Ирвайне, которая недавно переехала в Ирвайн из Колумбийского университета, сказал, что работа его команды имеет дополнительное преимущество в виде масштабируемости: «Вы можете создавать устройства разных размеров и при этом сохранять эту взаимодополняемость, и вы даже можете менять материал, что делает эту инновацию применимой в различных ситуациях».
Еще одним преимуществом, отмеченным в статье, является то, что устройство может быть имплантировано развивающемуся животному и выдерживать изменения в тканевых структурах по мере роста организма, что невозможно при использовании твердых имплантатов на основе кремния.
«Эта характеристика сделает устройство особенно полезным в педиатрии», — сказала соавтор Дженнифер Гелинас, доцент кафедры анатомии и нейробиологии, а также педиатрии Калифорнийского университета в Ирвайне, которая также является врачом в Детской больнице округа Ориндж.
«Мы продемонстрировали нашу способность создавать надежные, взаимодополняющие, интегральные схемы, которые способны к высококачественному получению и обработке биологических сигналов», — сказал Ходаголы. Взаимодополняющие, внутренние, ионно-запираемые, органические электрохимические транзисторы «существенно расширят применение биоэлектроники в устройствах, которые традиционно полагались на громоздкие, небиосовместимые компоненты».
К Ходаголи, Гелинасу и Вишневски в этом проекте присоединились Клаудия Сеа, Лян Ма, Александр Раншарт, Онни Раухала и Цзыфан Чжао из Колумбийского университета.