Forscher der University of California, Irvine und der Columbia University in New York haben Transistoren in ein weiches, anpassungsfähiges Material eingebettet, um ein biokompatibles Sensorimplantat zu schaffen, das neurologische Funktionen in aufeinanderfolgenden Phasen der Entwicklung eines Patienten überwacht.
In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in NaturkommunikationDie Wissenschaftler der UC Irvine beschreiben ihre Konstruktion komplementärer, interner, ionengesteuerter, organischer elektrochemischer Transistoren, die chemisch, biologisch und elektronisch für lebendes Gewebe zugänglicher sind als starre, siliziumbasierte Technologien. Das auf diesen Transistoren basierende medizinische Gerät kann in empfindlichen Körperteilen funktionieren und sich auch während des Wachstums an Organstrukturen anpassen.
„Fortschrittliche Elektronik befindet sich nun schon seit mehreren Jahrzehnten in der Entwicklung, daher gibt es eine große Sammlung verfügbarer Schaltungsdesigns. Das Problem besteht darin, dass die meisten dieser Transistor- und Verstärkertechnologien nicht mit unserer Physiologie kompatibel sind“, sagte Co-Autor Dion Khodagholy, Henry Samueli-Fakultäts-Exzellenzprofessor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der UC Irvine. „Für unsere Innovation haben wir organische Polymermaterialien verwendet, die uns biologisch näher kommen, und wir haben sie so konzipiert, dass sie mit Ionen interagieren, weil die Sprache des Gehirns und des Körpers ionisch und nicht elektronisch ist.“
In der Standard-Bioelektronik bestehen Komplementärtransistoren aus unterschiedlichen Materialien, um unterschiedliche Signalpolaritäten zu berücksichtigen. Diese sind nicht nur unnachgiebig und unhandlich, sondern bergen auch das Risiko einer Toxizität, wenn sie in empfindlichen Bereichen implantiert werden. Das Forscherteam der UC Irvine und der Columbia University hat dieses Problem umgangen, indem es seine Transistoren auf asymmetrische Weise entwickelt hat, die es ermöglicht, sie mit einem einzigen, biokompatiblen Material zu betreiben.
„Ein Transistor ist wie ein einfaches Ventil, das den Stromfluss steuert. In unseren Transistoren wird der physikalische Prozess, der diese Modulation steuert, durch die elektrochemische Dotierung und Entdotierung des Kanals gesteuert“, sagte Erstautor Duncan Wisniewski, Ph.D. von der Columbia University .D. Kandidat während des Projekts, der jetzt Gastwissenschaftler an der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der UC Irvine ist. „Durch die Entwicklung von Geräten mit asymmetrischen Kontakten können wir die Dotierungsstelle im Kanal steuern und den Fokus von negativem Potenzial auf positives Potenzial umstellen. Dieser Designansatz ermöglicht es uns, ein komplementäres Gerät aus einem einzigen Material herzustellen.“
Er fügte hinzu, dass die Anordnung von Transistoren in einem kleineren Einzelpolymermaterial den Herstellungsprozess erheblich vereinfacht, was eine Herstellung in großem Maßstab ermöglicht und Möglichkeiten bietet, die Technologie über die ursprüngliche neurologische Anwendung hinaus auf nahezu alle biopotentiellen Prozesse auszudehnen.
Khodagholy, der das UC Irvine Translational Neuroelectronics Laboratory leitet, das kürzlich von der Columbia University nach Irvine umgezogen ist, sagte, dass die Arbeit seines Teams den zusätzlichen Vorteil der Skalierbarkeit habe: „Man kann verschiedene Gerätegrößen herstellen und dennoch diese Komplementarität beibehalten, und man kann sogar Änderungen vornehmen.“ das Material, das diese Innovation in vielen Situationen anwendbar macht.“
Ein weiterer Vorteil, der im hervorgehoben wird Naturkommunikation Papier besagt, dass das Gerät in ein sich entwickelndes Tier implantiert werden kann und Übergänge in Gewebestrukturen während des Wachstums des Organismus übersteht, was mit harten Implantaten auf Silikonbasis nicht möglich ist.
„Diese Eigenschaft wird das Gerät besonders nützlich für pädiatrische Anwendungen machen“, sagte Co-Autorin Jennifer Gelinas, außerordentliche Professorin für Anatomie und Neurobiologie sowie Pädiatrie an der UC Irvine, die auch Ärztin am Kinderkrankenhaus von Orange County ist.
„Wir haben unsere Fähigkeit unter Beweis gestellt, robuste komplementäre integrierte Schaltkreise zu entwickeln, die in der Lage sind, biologische Signale in hoher Qualität zu erfassen und zu verarbeiten“, sagte Khodagholy. Komplementäre, interne, ionengesteuerte, organische elektrochemische Transistoren „werden die Anwendung der Bioelektronik erheblich auf Geräte erweitern, die traditionell auf sperrigen, nicht biokompatiblen Komponenten basieren.“
Neben Khodagholy, Gelinas und Wisniewski waren bei diesem Projekt Claudia Cea, Liang Ma, Alexander Ranschaert, Onni Rauhala und Zifang Zhao von der Columbia University dabei. Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health und der National Science Foundation unterstützt.
