محققان مهندسی کلمبیا امروز اعلام کردند که اولین دستگاه بیوالکترونیکی مستقل، سازگار و کاملاً ارگانیک را توسعه دادهاند که نه تنها میتواند سیگنالهای عصبی فیزیولوژیک مغز را دریافت و منتقل کند، بلکه میتواند انرژی لازم برای عملکرد دستگاه را نیز فراهم کند. این دستگاه که حدود 100 برابر کوچکتر از موی انسان است، بر اساس معماری ترانزیستوری ارگانیک است که دارای یک کانال عمودی و یک مجرای آب کوچک است که پایداری طولانی مدت، عملکرد الکتریکی بالا و عملکرد ولتاژ پایین برای جلوگیری از آسیب بافت بیولوژیکی را نشان می دهد. این یافته ها در یک مطالعه جدید که امروز در منتشر شده است، مشخص شده است مواد طبیعت.
این تیم با معرفی یک معماری مقیاس پذیر، مستقل، زیر میکرون IGT (ترانزیستور الکتروشیمیایی آلی با دروازه داخلی یونی)، vIGT، به این مسائل پرداخت. آنها یک آرایش کانال عمودی را ترکیب کردند که سرعت ذاتی معماری IGT را با بهینهسازی هندسه کانال و اجازه چینش ترانزیستورها با چگالی بالا در کنار یکدیگر را افزایش میدهد – 155000 عدد در هر سانتیمتر مربع.
vGIT های مقیاس پذیر سریع ترین ترانزیستورهای الکتروشیمیایی هستند
محققان قصد دارند با جراحان مغز و اعصاب در CUIMC به نیروها بپیوندند تا قابلیتهای ایمپلنتهای مبتنی بر vIGT در اتاقهای عمل را تأیید کنند. این تیم انتظار دارد ایمپلنتهای نرم و ایمنی بسازند که میتوانند امواج مغزی پاتولوژیک مختلف ناشی از اختلالات عصبی را شناسایی و شناسایی کنند.
کلودیا سیا، نویسنده ارشد این مطالعه، که اخیراً دکترای خود را به پایان رسانده و به عنوان یک محقق فوق دکتری در این دانشگاه به پایان رسیده است، افزود: «تعجب آور است که فکر کنیم تحقیقات و دستگاه های ما می توانند به پزشکان در تشخیص بهتر کمک کنند و می توانند تأثیر مثبتی بر کیفیت زندگی بیماران داشته باشند. MIT این پاییز
مراحل بعدی
مرجع مجله:
دیون خداقلی، دانشیار مهندسی برق، سرپرست این مطالعه
برای افزایش سرعت عملکرد، این تیم از تکنیک های پیشرفته نانوساخت برای کوچک کردن و متراکم کردن این ترانزیستورها در مقیاس های زیر میکرو متر استفاده کردند. ساخت در اتاق تمیز ابتکار نانو کلمبیا انجام شد.
همکاری با پزشکان CUIMC
برای توسعه معماری، محققان ابتدا نیاز به درک چالش های مربوط به تشخیص و درمان بیماران مبتلا به اختلالات عصبی مانند صرع و همچنین روش های مورد استفاده در حال حاضر داشتند. آنها با همکاران خود در بخش نورولوژی در مرکز پزشکی دانشگاه کلمبیا ایروینگ، به ویژه با جنیفر گلیناس، استادیار نورولوژی، مهندسی برق و زیست پزشکی و مدیر آزمایشگاه صرع و شناخت کار کردند.
همانطور که محققان پیشرفت های عمده ای را در مراقبت های پزشکی انجام می دهند، آنها همچنین کشف می کنند که اثربخشی این درمان ها را می توان با رویکردهای فردی افزایش داد. بنابراین، پزشکان به طور فزایندهای به روشهایی نیاز دارند که هم بتوانند سیگنالهای فیزیولوژیکی را به طور مداوم نظارت کنند و هم تحویل پاسخگوی درمانها را شخصیسازی کنند.
نیاز به دستگاه های بیوالکترونیک ایمن و انعطاف پذیر
ترکیبی از سرعت بالا، انعطاف پذیری. و عملکرد ولتاژ پایین ترانزیستورها را قادر می سازد تا نه تنها برای ضبط سیگنال عصبی بلکه برای انتقال داده و همچنین تغذیه دستگاه مورد استفاده قرار گیرند که منجر به ایمپلنت کاملاً منطبق می شود. محققان از این ویژگی برای نشان دادن ایمپلنتهای کاملاً نرم و قابل تأیید استفاده کردند که قادر به ضبط و انتقال فعالیت عصبی با وضوح بالا از خارج، روی سطح مغز و همچنین از داخل، در اعماق مغز هستند.
دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه کلمبیا
دستگاههای بیوالکترونیک کاشتهشده نقش مهمی در این درمانها بازی میکنند، اما تعدادی از چالشها وجود دارد که پذیرش گسترده آنها را متوقف کرده است. این دستگاه ها به اجزای تخصصی برای دریافت سیگنال، پردازش، انتقال داده و برق نیاز دارند. تاکنون، دستیابی به این قابلیتها در یک دستگاه کاشتهشده مستلزم استفاده از اجزای سخت و غیر سازگار بیشماری بوده است که میتواند منجر به از هم گسیختگی بافت و ناراحتی بیمار شود. در حالت ایده آل، این دستگاه ها باید زیست سازگار، انعطاف پذیر و در دراز مدت در بدن پایدار باشند. آنها همچنین باید به اندازه کافی سریع و حساس باشند تا سیگنال های زیستی سریع و با دامنه کم را ثبت کنند، در حالی که همچنان قادر به انتقال داده ها برای تجزیه و تحلیل خارجی باشند.
محققان کلمبیا اولین دستگاه بیوالکترونیک مستقل، منعطف و کاملا ارگانیک را اختراع کردند.
منبع:
vIGT ها از مواد زیست سازگار و در دسترس تجاری تشکیل شده اند که نیازی به کپسوله شدن در محیط های بیولوژیکی ندارند و با قرار گرفتن در معرض آب یا یون ها مختل نمی شوند. مواد کامپوزیتی کانال را میتوان بهصورت تکرارپذیر در مقادیر زیاد تولید کرد و از طریق محلول قابل پردازش است، و آن را برای طیف گستردهای از فرآیندهای ساخت در دسترستر میسازد. آنها انعطاف پذیر و سازگار با ادغام در طیف گسترده ای از بسترهای پلاستیکی سازگار هستند و دارای پایداری طولانی مدت، تداخل بین ترانزیستوری کم و ظرفیت یکپارچه سازی با چگالی بالا هستند که امکان ساخت مدارهای مجتمع کارآمد را فراهم می کند.
سیا، سی.، و همکاران (2023) ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی دارای دروازه یونی داخلی برای بیوالکترونیک سازگار مستقل. مواد طبیعت. doi.org/10.1038/s41563-023-01599-w.
هم محققان و هم پزشکان میدانستند که نیاز به ترانزیستورهایی وجود دارد که به طور همزمان همه این ویژگیها را داشته باشند: ولتاژ پایین عملکرد، زیست سازگاری، پایداری عملکرد، سازگاری برای in vivo عمل؛ و عملکرد الکتریکی بالا، از جمله پاسخ سریع زمانی، رسانایی بالا، و عملکرد بدون تداخل. ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون شناخته شده ترین فناوری ها هستند، اما راه حل کاملی نیستند زیرا سخت، سفت و سخت هستند و قادر به ایجاد یک رابط یونی بسیار کارآمد با بدنه نیستند. ]
گلیناس گفت: «این کار به طور بالقوه طیف وسیعی از فرصتهای ترجمه را باز میکند و ایمپلنتهای پزشکی را برای جمعیتشناسی بیماران بزرگی که معمولاً به دلیل پیچیدگی و خطرات بالای چنین روشهایی واجد شرایط لازم برای دستگاههای کاشتنی نیستند، در دسترس قرار میدهد.»
لوازم الکترونیکی ارگانیک به دلیل عملکرد و قابلیت اطمینان بالا شناخته شده نیستند. اما با معماری جدید vGIT، ما توانستیم یک کانال عمودی را وارد کنیم که منبع یون خود را دارد. این خودکفایی یونها باعث شد که ترانزیستور سریعتر باشد – در واقع، آنها در حال حاضر سریعترین ترانزیستورهای الکتروشیمیایی هستند.