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快,生物电子器件用柔性离子晶体管

戴特:
2月27日,二千零一十九
来源:
哥伦比亚大学工程与应用科学学院
总结:
研究人员研制出了第一个具有生物相容性的内部离子门控有机电化学晶体管(IGT),其速度足以实现对脑信号的实时感知和刺激。IGT提供小型化,软的,与人体皮肤的舒适界面,利用局部放大来记录高质量的神经信号,适用于高级数据处理。这可能会导致更安全,更小的,以及更智能的生物电子设备,可以长期植入人体。
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基于IGT的与非门和非门与兰花花瓣的表面一致(左)。刻度尺1cm。NOR(右上)和NAND(右下)逻辑门的光学显微照片。输入(I1,指示I2)和输出(O)配置。刻度尺100?M
学分:Jennifer Gelinas/哥伦比亚大学欧文医学中心

医学的许多重大进展,尤其是在神经学方面,由于电子系统的最新发展,可以获得过程,与生物底物相互作用。这些生物电子系统,越来越多地被用来了解动态生物和治疗人类疾病,需要能够记录身体信号的装置,处理它们,检测模式,提供电刺激或化学刺激来解决问题。

晶体管,在电路上放大或转换电子信号的装置,构成这些系统的主干。然而,它们必须满足多种标准,才能在人体等生物环境中高效、安全地运行。必威体育app 下载到目前为止,研究人员还没有能够制造出具有安全所需所有特性的晶体管,可靠的,以及在这些环境中长时间快速运行。必威体育app 下载

迪翁·霍达戈里领导的一个团队,哥伦比亚工程学院电气工程助理教授,Jennifer N.Gelinas哥伦比亚大学医学中心,神经学系,以及基因组医学研究所,已经研制出第一种生物相容性离子驱动晶体管,其速度足以实现实时信号感知和脑信号刺激。

内部离子门控有机电化学晶体管(IGT)通过包含在导电聚合物通道内的移动离子工作,以实现体积电容(涉及整个通道的离子相互作用)和缩短离子传输时间。IGT具有较大的跨导(放大率)。高速,并且可以独立选通,也可以微加工,以创建可扩展的兼容集成电路。在他们今天发表的研究中科学进展,研究人员展示了他们的IGT提供小型化的能力,软的,与人体皮肤的舒适界面,利用局部放大来记录高质量的神经信号,适用于高级数据处理。

“我们制造了一种能用离子进行通信的晶体管,身体的电荷载体,以足够快的速度进行神经生理学所需的复杂计算,研究神经系统功能,”霍达戈里说。“我们的晶体管通道是由完全生物相容的材料制成的,可以与离子和电子相互作用,使与身体神经信号的交流更加有效。我们现在可以建造更安全的,更小的,更智能的生物电子设备,比如脑机接口,可穿戴电子设备,以及响应性治疗刺激装置,可以长时间植入人体。”

过去,传统的硅基晶体管已经应用于生物电子器件中,但是,为了保护患者的安全和设备的正确操作,必须小心地将其封装起来,以避免接触体液。这一要求使得基于这些晶体管的植入物体积大且坚固。In parallel,有机电子学领域已经做了大量的工作,用塑料制造出固有的柔性晶体管,包括电解质门控晶体管或电化学晶体管等可以根据离子电流调节其输出的设计。然而,这些装置不能以足够快的速度进行神经生理应用中使用的生物电子装置所需的计算。

霍达戈里和他的博士后研究员乔治·斯皮洛普洛斯,这部作品的第一作者,建立了一个基于导电聚合物的晶体管通道来实现离子调制,而且,为了使设备快速运行,他们把这种材料改性成有自己的移动离子。通过缩短离子在聚合物结构中的移动距离,与其他尺寸相同的离子器件相比,他们将晶体管的速度提高了一个数量级。

“重要的是,我们只使用完全生物相容的材料来制造这种装置。我们的秘密原料是D-山梨醇,或者糖,”霍达戈里说。“糖分子吸引水分子,不仅有助于晶体管通道保持水分,但也有助于离子在通道内更容易、更快地移动。”

因为IGT能显著提高患者脑电图(EEG)操作的易受性和耐受性,研究人员选择这个平台来展示他们的设备的翻译能力。用他们的晶体管从头皮表面记录人脑电波,他们发现,直接在装置头皮界面上的IGT局部放大使接触面积减少了5个数量级——整个装置很容易在毛囊之间匹配。大大简化了布局。这个装置也可以很容易地用手操作,提高机械和电气稳定性。Moreover,因为微脑电图仪符合头皮,不需要化学粘合剂,因此,患者没有因粘接剂引起的皮肤刺激,总体上更为舒适。

这些装置也可用于制造植入式闭环装置,例如,目前用于治疗某些医学上难治性癫痫的药物。这些装置可能更小,更容易植入,并提供更多信息。

格利纳斯指出:“我们最初的灵感是为神经植入物制造一种舒适的晶体管。”“当我们专门测试大脑时,IGT也可以用来记录心脏,肌肉,还有眼睛的瞬间。”

霍达戈里和格利纳斯现在正在探索是否存在物理上的限制,即它们可以嵌入到聚合物中的移动离子的种类。他们也在研究新材料,将移动离子嵌入其中,并改进他们使用晶体管制作响应式刺激装置集成电路的工作。

霍达戈里指出:“我们非常兴奋,我们可以通过添加简单的成分来大幅改善离子晶体管。”“有了这样的速度和放大,再加上它们易于微加工,这些晶体管可以应用于许多不同类型的器件。这些设备的使用有很大的潜力,将来有利于患者的护理。”

故事来源:

材料提供的哥伦比亚大学工程与应用科学学院.原稿由霍莉·埃瓦茨撰写。注意:内容可以根据样式和长度进行编辑。


期刊引用

  1. 乔治DSpyropoulos珍妮佛Gelinas和Dion Khodagholy。内离子门控有机电化学晶体管:集成生物电子学的基础.科学进展,2019 DOI:10.1126/sciadv.aau7378

引用这一页

哥伦比亚大学工程与应用科学学院。“快,生物电子装置用柔性离子晶体管〉,《科学日报》。betway必威安卓betway必威安卓科学日报,2019年2月27日。 .
哥伦比亚大学工程与应用科学学院。(2019)2月27日)。快,生物电子器件用柔性离子晶体管。 betway必威安卓.4月10日检索,2019来自www.sciebetway必威安卓ncedaily.com/releases/2019/02/190227142721.htm
哥伦比亚大学工程与应用科学学院。“快,生物电子装置用柔性离子晶体管〉,《科学日报》。betway必威安卓www.betway必威安卓sciencedaily.com/releases/2019/02/190227142721.htm(4月10日访问)2019)。

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