科學家正在研發(fā)一款靈活、強大且快速的生物電子設(shè)備

（文章來源：教育新聞網(wǎng)）

電氣工程學助理教授Dion Khodagholy致力于開發(fā)生物電子設(shè)備，這些設(shè)備不僅快速，靈敏，具有生物相容性，柔軟和靈活，而且在人體等生理環(huán)境中具有長期穩(wěn)定性。從監(jiān)測家庭健康到診斷和治療神經(jīng)精神疾病，包括癲癇病和帕金森氏病，此類設(shè)備將極大地改善人類健康。當前設(shè)備的設(shè)計受到安全，有效使用所需的剛性，非生物相容性電子組件的嚴重限制，解決這一挑戰(zhàn)將為各種令人興奮的新療法打開大門。

Khodagholy與哥倫比亞大學Iriving醫(yī)學中心神經(jīng)學系的Jennifer N. Gelinas和基因組醫(yī)學研究所合作，最近發(fā)表了兩篇論文，第一篇是《自然材料》(3月16日)，涉及離子驅(qū)動的軟和有機晶體管，他和Gelinas旨在記錄單個神經(jīng)元并執(zhí)行實時計算，以促進神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和監(jiān)測。

今天發(fā)表在《科學進展》上的第二篇論文展示了一種柔軟的，生物相容性的智能復合材料-一種有機混合導電顆粒材料(MCP)-能夠創(chuàng)建傳統(tǒng)上需要多個層和材料的復雜電子組件。它還可以在軟材料，生物組織和剛性電子產(chǎn)品之間輕松有效地實現(xiàn)電子鍵合。由于MCP具有完全的生物相容性并且具有可控的電子特性，因此它可以無創(chuàng)地記錄手臂表面的肌肉動作電位，并且與貝勒醫(yī)學院神經(jīng)外科的Sameer Sheth和Ashwin Viswanathan合作，可以在進行期間進行大規(guī)模的腦活動植入深部腦刺激電極的神經(jīng)外科程序。

“與其將大型植入物封裝在厚金屬盒中以保護身體和電子設(shè)備(例如心臟起搏器，人工耳蝸和腦部植入物)相互保護，不如我們的設(shè)備更小，更靈活且固有，我們可以做更多的事情與我們的身體環(huán)境相容”，主管哥倫比亞工程公司平移神經(jīng)電子實驗室的Khodagholy說?！霸谶^去的幾年中，我的團隊一直在努力利用材料的獨特特性來開發(fā)新穎的電子設(shè)備，這些設(shè)備可以與生物基質(zhì)(特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大腦)進行有效的相互作用?！?/p>

常規(guī)晶體管是由硅制成的，因此它們在離子和水的存在下不能起作用，并且實際上由于離子擴散到器件中而損壞。因此，這些設(shè)備通常需要完全用金屬或塑料封裝在體內(nèi)。而且，盡管它們能很好地與電子相互作用，但它們在與離子信號相互作用方面不是很有效，而離子信號正是人體細胞之間的通信方式。結(jié)果，這些性質(zhì)將非生物/生物耦合限制為僅在材料表面上的電容性相互作用，從而導致較低的性能。由于有機材料具有固有的靈活性，因此已被用來克服這些限制，但是這些設(shè)備的電性能不足以進行實時的大腦信號記錄和處理。

霍達格霍利(Khodagholy)的團隊利用有機材料的電子和離子傳導優(yōu)勢，創(chuàng)建了稱為e-IGT的離子驅(qū)動晶體管，或增強型內(nèi)部離子門控有機電化學晶體管，這些晶體管將可移動離子嵌入其通道內(nèi)。因為離子不需要長距離傳播就可以參與通道切換過程，因此可以快速有效地打開和關(guān)閉離子。瞬態(tài)響應(yīng)取決于電子空穴而不是離子遷移率，并與高跨導相結(jié)合，導致增益帶寬比其他基于離子的晶體管高幾個數(shù)量級。

研究人員使用他們的e-IGT來獲取廣泛的電生理信號，例如體內(nèi)記錄神經(jīng)動作沖動，并創(chuàng)建軟的，生物相容的，長期可植入的神經(jīng)處理單元，以實時檢測癲癇放電?！拔覀儗@些發(fā)現(xiàn)感到興奮，”蓋利納斯說?！拔覀円呀?jīng)證明，E-IGT為長期植入的生物電子學提供了安全，可靠和高性能的構(gòu)建塊，我樂觀地認為這些設(shè)備將使我們能夠安全地擴展我們使用生物電子設(shè)備治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的方式?！?/p>

研究人員在《科學進展》論文中證明了另一項重大進展：使生物電子設(shè)備(尤其是植入人體中用于診斷或治療的生物電子設(shè)備)與人體組織有效且安全地對接，同時還使其能夠執(zhí)行復雜的處理。受類似于大腦中與電脈沖通信的大腦中的電活動細胞的啟發(fā)，該團隊創(chuàng)造了一種僅通過改變其復合混合導電顆粒的大小和密度即可執(zhí)行多種非線性動態(tài)電子功能的單一材料。 。

Khodagholy說：“這項創(chuàng)新為電子設(shè)備設(shè)計的根本不同方法打開了大門，該方法模仿了生物網(wǎng)絡(luò)，并由可完全生物降解和生物相容的組件創(chuàng)建了多功能電路。”

研究人員設(shè)計并創(chuàng)建了基于混合導電顆粒(MCP)的高性能各向異性膜，可獨立尋址的晶體管，電阻器和二極管，這些膜無圖案，可擴展且具有生物兼容性。這些設(shè)備執(zhí)行各種功能，包括記錄單個神經(jīng)元的神經(jīng)生理活動，執(zhí)行電路操作以及綁定高分辨率的軟性和剛性電子設(shè)備。Gelinas說：“ MCP大大減少了神經(jīng)接口設(shè)備的占用空間，即使暴露的組織數(shù)量很少，也可以記錄高質(zhì)量的神經(jīng)生理數(shù)據(jù)，從而降低了手術(shù)并發(fā)癥的風險?！薄岸遥捎贛CP僅由可生物相容且可商購的材料組成，因此將其轉(zhuǎn)換為生物醫(yī)學設(shè)備和藥物將更加容易?！?/p>

E-IGT和MCP都有望成為生物電子學的重要組成部分，從可穿戴的微型傳感器到響應(yīng)型神經(jīng)刺激器。E-IGT可以大量生產(chǎn)，并且可用于各種制造工藝。同樣，MCP組件價格便宜，而且材料科學家和工程師容易獲得。結(jié)合起來，它們構(gòu)成了完全可植入的生物相容性設(shè)備的基礎(chǔ)，這些設(shè)備可被利用來有益于健康和治療疾病。

Khodagholy和Gelinas現(xiàn)在正在努力將這些成分轉(zhuǎn)化為功能性的長期可植入設(shè)備，這些設(shè)備可以記錄和調(diào)節(jié)大腦活動，以幫助患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病(例如癲癇病)的患者?；暨_格霍利說：“我們的最終目標是創(chuàng)造可改善人們生活質(zhì)量的無障礙生物電子設(shè)備，而有了這些新材料和新組件，我們似乎就已經(jīng)邁出了一步?！?br /> （責任編輯：fqj）