教育新闻网电气工程学助理教授Dion Khodagholy致力于开发生物电子设备，这些设备不仅快速，灵敏，具有生物相容性，柔软和灵活，而且在人体等生理环境中具有长期稳定性。从监测家庭健康到诊断和治疗神经精神疾病，包括癫痫病和帕金森氏病，此类设备将极大地改善人类健康。当前设备的设计受到安全，有效使用所需的刚性，非生物相容性电子组件的严重限制，解决这一挑战将为各种令人兴奋的新疗法打开大门。
Khodagholy与哥伦比亚大学Iriving医学中心神经学系的Jennifer N. Gelinas和基因组医学研究所合作，最近发表了两篇论文，第一篇是《自然材料》(3月16日)，涉及离子驱动的软和有机晶体管，他和Gelinas旨在记录单个神经元并执行实时计算，以促进神经系统疾病的诊断和监测。
今天发表在《科学进展》上的第二篇论文展示了一种柔软的，生物相容性的智能复合材料-一种有机混合导电颗粒材料(MCP)-能够创建传统上需要多个层和材料的复杂电子组件。它还可以在软材料，生物组织和刚性电子产品之间轻松有效地实现电子键合。由于MCP具有完全的生物相容性并且具有可控的电子特性，因此它可以无创地记录手臂表面的肌肉动作电位，并且与贝勒医学院神经外科的Sameer Sheth和Ashwin Viswanathan合作，可以在进行期间进行大规模的脑活动植入深部脑刺激电极的神经外科程序。
“与其将大型植入物封装在厚金属盒中以保护身体和电子设备(例如心脏起搏器，人工耳蜗和脑部植入物)相互保护，不如我们的设备更小，更灵活且固有，我们可以做更多的事情与我们的身体环境相容”，主管哥伦比亚工程公司平移神经电子实验室的Khodagholy说。“在过去的几年中，我的团队一直在努力利用材料的独特特性来开发新颖的电子设备，这些设备可以与生物基质(特别是神经网络和大脑)进行有效的相互作用。”
常规晶体管是由硅制成的，因此它们在离子和水的存在下不能起作用，并且实际上由于离子扩散到器件中而损坏。因此，这些设备通常需要完全用金属或塑料封装在体内。而且，尽管它们能很好地与电子相互作用，但它们在与离子信号相互作用方面不是很有效，而离子信号正是人体细胞之间的通信方式。结果，这些性质将非生物/生物耦合限制为仅在材料表面上的电容性相互作用，从而导致较低的性能。由于有机材料具有固有的灵活性，因此已被用来克服这些限制，但是这些设备的电性能不足以进行实时的大脑信号记录和处理。
霍达格霍利(Khodagholy)的团队利用有机材料的电子和离子传导优势，创建了称为e-IGT的离子驱动晶体管，或增强型内部离子门控有机电化学晶体管，这些晶体管将可移动离子嵌入其通道内。因为离子不需要长距离传播就可以参与通道切换过程，因此可以快速有效地打开和关闭离子。瞬态响应取决于电子空穴而不是离子迁移率，并与高跨导相结合，导致增益带宽比其他基于离子的晶体管高几个数量级。
研究人员使用他们的e-IGT来获取广泛的电生理信号，例如体内记录神经动作冲动，并创建软的，生物相容的，长期可植入的神经处理单元，以实时检测癫痫放电。
“我们对这些发现感到兴奋，”盖利纳斯说。“我们已经证明，E-IGT为长期植入的生物电子学提供了安全，可靠和高性能的构建块，我乐观地认为这些设备将使我们能够安全地扩展我们使用生物电子设备治疗神经系统疾病的方式。”
研究人员在《科学进展》论文中证明了另一项重大进展：使生物电子设备(尤其是植入人体中用于诊断或治疗的生物电子设备)与人体组织有效且安全地对接，同时还使其能够执行复杂的处理。受类似于大脑中与电脉冲通信的大脑中的电活动细胞的启发，该团队创造了一种仅通过改变其复合混合导电颗粒的大小和密度即可执行多种非线性动态电子功能的单一材料。 。
Khodagholy说：“这项创新为电子设备设计的根本不同方法打开了大门，该方法模仿了生物网络，并由可完全生物降解和生物相容的组件创建了多功能电路。”
研究人员设计并创建了基于混合导电颗粒(MCP)的高性能各向异性膜，可独立寻址的晶体管，电阻器和二极管，这些膜无图案，可扩展且具有生物兼容性。这些设备执行各种功能，包括记录单个神经元的神经生理活动，执行电路操作以及绑定高分辨率的软性和刚性电子设备。
Gelinas说：“ MCP大大减少了神经接口设备的占用空间，即使暴露的组织数量很少，也可以记录高质量的神经生理数据，从而降低了手术并发症的风险。”“而且，由于MCP仅由可生物相容且可商购的材料组成，因此将其转换为生物医学设备和药物将更加容易。”
E-IGT和MCP都有望成为生物电子学的重要组成部分，从可穿戴的微型传感器到响应型神经刺激器。E-IGT可以大量生产，并且可用于各种制造工艺。同样，MCP组件价格便宜，而且材料科学家和工程师容易获得。结合起来，它们构成了完全可植入的生物相容性设备的基础，这些设备可被利用来有益于健康和治疗疾病。
Khodagholy和Gelinas现在正在努力将这些成分转化为功能性的长期可植入设备，这些设备可以记录和调节大脑活动，以帮助患有神经系统疾病(例如癫痫病)的患者。
霍达格霍利说：“我们的最终目标是创造可改善人们生活质量的无障碍生物电子设备，而有了这些新材料和新组件，我们似乎就已经迈出了一步。”
