适形的增强模式，内部离子门控有机电化学晶体管（E-IGT）A）显微照片显示E-IGT（顶部）的顶视图。秤栏，5米μ。超柔性，超薄E-IGT阵列，符合人手（底部）的表面。b）基于E-IGT的光学显微照片，具有用于LFP和尖峰记录的四个晶体管。锚孔有助于将适形器件插入皮质深层。秤栏，80μ米。
哥伦比亚研究人员设计了生物相容的离子驱动的软晶体管，可以执行实时神经学相关的计算和混合导电颗粒复合材料，其允许在单个材料中产生电子元件。
电气工程助理教授迪翁·哈达哥佳地区专注于开发不仅快速，灵敏，生物相容性，柔软和柔软，而且在人体等生理环境中具有长期稳定性的生物电子设备。这些装置将极大地改善人类健康，从家庭健康监测和治疗神经精神疾病，包括癫痫和帕金森病。当前设备的设计受到安全有效使用所需的刚性，非生物相容性的电子元件的严重限制，解决这一挑战将在广泛的令人兴奋的新疗法中打开门。
与Jennifer N.Gelinas，神经内科和哥伦比亚大学洛杉矶基因组医学研究所合作，Khodagholy最近发表了两篇论文，是离子驱动的柔软和有机晶体管的第一卷（3月16日）他和Gelinas旨在记录磷的神经元并进行实时计算，以促进对神经疾病的诊断和监测。
今天发布的第二篇论文推出，演示了一种柔软的生物相容性智能复合材料 - 一种有机混合导电颗粒材料（MCP） - 使得能够创建传统上需要几层和材料的复杂电子元件。它还可以在软材料，生物组织和刚性电子器件之间轻松有效的电子键合。因为它是完全生物相容性的并且具有可控的电子特性，MCP可以非侵入地记录从臂表的肌肉作用潜力，并与在贝勒医学院神经外科部门的贝勒学院，大型大脑活动期间的同龄什叶和ashwin Viswanathan合作植入深脑刺激电极的神经外科手术。
通过MCP粘合在一起的两个适形阵列的微颗粒复合材料（MCP）的可确认的电子和高质量的非侵入式电生理学记录。箭头表示粘接区域。秤条500米μ。 b）使用MCP（左，鳞片10mm）粘附到人类受试者的手腕上的高密度的显微照片。截面示意图比较皮肤和电子之间的凝胶和MCP界面（右）。
“而不是在厚金属盒中封装的大型植入物，以保护身体和电子器件，例如在起搏器中使用的那些，以及耳蜗和脑植入物，如果我们的设备较小，灵活，并且固有兼容我们的身体环境，“Khodagholy说，他们在哥伦比亚工程中指导翻译神经电力资源实验室。“在过去几年中，我的团队一直在努力使用材料的独特属性来开发新颖的电子设备，允许与生物基板有效的互动 - 特别是神经网络和大脑。”
传统的晶体管由硅制成，因此它们不能在离子和水的存在下起作用，并且由于离子扩散到装置中，实际上分解。因此，需要完全封装在体内，通常是金属或塑料。此外，虽然它们与电子顺利进行良好，但它们在与离子信号相互作用时不是非常有效的，这也是身体细胞的通信方式。结果，这些性质仅将非生物/生物耦合限制在材料表面上仅对电容相互作用，导致性能下降。有机材料已被用来克服这些限制，因为它们是固有的柔性，但这些器件的电性能不足以执行实时脑信号记录和处理。
Khodagholy的团队利用了有机材料的电子和离子传导，以产生离子从动晶体管，它们呼叫E-IgTS，或增强模式，内部离子门控有机电化学晶体管，其具有其通道内的嵌入移动离子。因为离子不需要长距离参与通道切换过程，所以它们可以快速有效地开启和关闭。瞬态响应取决于电子孔而不是离子迁移率，并与高跨导结合，以导致增益带宽，这是高于其他离子基晶体管的增益带宽。
研究人员使用了它们的E-IGTS来获得广泛的电生理信号，例如在神经动作脉冲的体内记录，并且为癫痫发出的实时检测产生柔软，生物相容性，长期可植入的神经处理单元。
“我们对这些调查结果感到兴奋，”Gelinas说。“我们已经表明，E-IGTS为长期植入的生物电体化提供了安全，可靠和高性能的构建块，并且我乐观地说，这些设备使我们能够安全地扩展我们如何使用生物电子器件来解决神经系统疾病。”
研究人员在他们的科技教堂方面的另一个主要提前证明了生物电子器件，特别是那些植入体内用于诊断或治疗的人，以有效和安全地与人体组织进行界面，同时也使得它们能够进行复杂的处理。通过电活性细胞的启发，类似于与电脉冲通信的大脑中的电池，该团队创造了一种能够通过改变其复合混合导电粒子的尺寸和密度来执行多个，非线性动态电子功能的单个材料。
“这项创新开启了对电子设备设计的根本不同的方法，模拟生物网络和从纯粹生物代相和生物相容性部件创建多功能电路的大门，从而打开了大门。”
研究人员设计和创建了混合的导电颗粒（MCP），基于高性能各向异性薄膜，可独立寻址的晶体管，电阻器和二极管，这些晶体管，电阻器和二极管是无形的，可扩展的和生物相容性的。这些装置进行了各种功能，包括从辛核神经元，执行电路操作和粘合高分辨率和刚性电子器件的记录神经生理活性。
“MCP基本上减少了神经界面装置的占地面积，即使暴露的组织量非常小，也允许记录高质量的神经生理数据，从而降低手术并发症的风险，”Gelina说。“因为MCP仅由生物相容性和市售的材料组成，因此转化为生物医学设备和药物将更容易。”
E-IGTS和MCP均以可穿戴式小型传感器作为生物电体化的关键组分，对响应性神经刺激剂的关键组件保持良好。E-IgTS可以大量制造，并且可以在广泛的制造过程中获得。同样，MCP组件廉价且易于使用材料科学家和工程师。组合，它们形成完全可植入的生物相容性器件的基础，这些装置可以利用既能受益健康和治疗疾病。
Khodagholy和Gelinas现在正在努力将这些组件转化为功能的长期植入设备，可以记录和调节脑活动，帮助患者如癫痫患者如癫痫患者。
“我们的最终目标是创造可以提高人民生活质量的无障碍生物电子设备，”Khodagholy说，“以及这些新材料和组件，感觉我们越来越近了。”
参考：
Patricia Jastrzebska-Perfect，George D. Spyropoulos，Claudia Cea，Zifang Zhao，Onni J. Rauhala，Ashwin Viswanathan，同龄秀丽，Jennifer N.Gelinas和Dion Khodagholy，4月24日2020年，科学推进.DOI：
10.1126 / sciadv.aaz6767
“增强模型基于离子的晶体管作为综合界面和体内电生理学的实时处理单元”由Claudia Cea，George D. Spyropoulos，Patricia Jastrzebska-Perfect，JoséJ.Ferrero，Jennifer N.Gelinas和Dion Khodagholy， 2020年3月16日，自然材料.DOI：
10.1038 / s41563-020-0638-3
关于研究
“增强模式基于离子的晶体管作为体内电生理学的综合界面和实时处理单元”
作者是：克劳迪娅CEA 1,4;乔治D. Spyropoulos 1,4; Patricia Jastrzebska-Perfect 1;何塞？J. Ferrero 2; Jennifer N. Gelinas 2,3;和迪翁khodagholy 1。? 1哥伦比亚工程电气工程，哥伦比亚大学医学中心哥伦比亚大学医学中心3D，哥伦比亚大学医学中心
NSF职业1944415支持自然材料研究。
作者宣布没有财务或其他利益冲突。
“软电子的混合颗粒复合材料”
作者是：Patricia Jastrzebska-Perfect 1，George D. Spyropoulos 1，Claudia Cea 1，Zifang Zhao 1，Onni J. Rauhala 1，Ashwin Viswanathan 4，Sameer A. Sheth 4，Jennifer N.Gelinas 2,3，Dion Khodagholy 1。1.哥伦比亚工程电气工程系2。哥伦比亚大学医学中心神经病学系3。哥伦比亚大学医学中心基因组医学研究所4。德克萨斯州哈勒医学院神经外科院系
NSF Career 1944415支持强烈的Advancesstudy。
作者宣布没有财务或其他利益冲突。
