Dion Khodagholy, profesor asistente de ingeniería eléctrica, se centra en el desarrollo de dispositivos bioelectrónicos que no solo sean rápidos, sensible, biocompatible, suave, y flexible, pero también tienen estabilidad a largo plazo en entornos fisiológicos como el cuerpo humano. Tales dispositivos mejorarían enormemente la salud humana, desde monitorear el bienestar en el hogar hasta diagnosticar y tratar enfermedades neuropsiquiátricas, incluidas la epilepsia y la enfermedad de Parkinson. El diseño de los dispositivos actuales se ha visto severamente limitado por la rigidez, componentes electrónicos no biocompatibles necesarios para un uso seguro y eficaz, y resolver este desafío abriría la puerta a una amplia gama de nuevas y emocionantes terapias.

En colaboración con Jennifer N. Gelinas, Departamento de Neurología, y el Instituto de Medicina Genómica del Centro Médico Iriving de la Universidad de Columbia, Khodagholy ha publicado recientemente dos artículos, el primero en Materiales de la naturaleza (16 de marzo) en transistores orgánicos y blandos impulsados ​​por iones que él y Gelinas han diseñado para registrar neuronas individuales y realizar cálculos en tiempo real que podrían facilitar el diagnóstico y seguimiento de enfermedades neurológicas.

El segundo papel, publicado hoy en Avances de la ciencia , demuestra un suave, Compuesto inteligente biocompatible, un material particulado orgánico de conducción mixta (MCP), que permite la creación de componentes electrónicos complejos que tradicionalmente requieren varias capas y materiales. También permite una unión electrónica fácil y eficaz entre materiales blandos, tejido biológico, y electrónica rígida. Debido a que es completamente biocompatible y tiene propiedades electrónicas controlables, MCP puede registrar de forma no invasiva los potenciales de acción muscular de la superficie del brazo y, en colaboración con Sameer Sheth y Ashwin Viswanathan en el departamento de neurocirugía del Baylor College of Medicine, Actividad cerebral a gran escala durante procedimientos neuroquirúrgicos para implantar electrodos de estimulación cerebral profunda.

"En lugar de tener implantes grandes encapsulados en cajas de metal gruesas para proteger el cuerpo y la electrónica entre sí, como los que se utilizan en los marcapasos, e implantes cocleares y cerebrales, podríamos hacer mucho más si nuestros dispositivos fueran más pequeños, flexible, e inherentemente compatible con nuestro entorno corporal, "dice Khodagholy, quien dirige el Laboratorio de NeuroElectrónica Traslacional en Columbia Engineering. "Durante los últimos años, mi grupo ha estado trabajando para utilizar propiedades únicas de los materiales para desarrollar nuevos dispositivos electrónicos que permitan una interacción eficiente con sustratos biológicos, específicamente las redes neuronales y el cerebro ".

Los transistores convencionales están hechos de silicio, por lo que no pueden funcionar en presencia de iones y agua, y de hecho se descomponen debido a la difusión de iones en el dispositivo. Por lo tanto, los dispositivos deben estar completamente encapsulados en el cuerpo, generalmente en metal o plástico. Es más, aunque funcionan bien con electrones, no son muy efectivos para interactuar con señales iónicas, que es como se comunican las células del cuerpo. Como resultado, estas propiedades restringen el acoplamiento abiótico / biótico a interacciones capacitivas solo en la superficie del material, resultando en un rendimiento más bajo. Se han utilizado materiales orgánicos para superar estas limitaciones, ya que son inherentemente flexibles, pero el rendimiento eléctrico de estos dispositivos no fue suficiente para realizar la grabación y el procesamiento de señales cerebrales en tiempo real.

El equipo de Khodagholy aprovechó la conducción tanto electrónica como iónica de los materiales orgánicos para crear transistores impulsados ​​por iones a los que llaman e-IGT. o modo de mejora, transistores electroquímicos orgánicos internos de apertura de iones, que tienen iones móviles incrustados dentro de sus canales. Debido a que los iones no necesitan viajar largas distancias para participar en el proceso de cambio de canal, se pueden encender y apagar de forma rápida y eficaz. Las respuestas transitorias dependen del agujero de electrones en lugar de la movilidad de los iones, y se combinan con una alta transconductancia para dar como resultado un ancho de banda de ganancia que es varios órdenes de magnitud por encima de otros transistores basados ​​en iones.

Los investigadores utilizaron sus e-IGT para adquirir una amplia gama de señales electrofisiológicas, como la grabación in vivo de impulsos de acción neuronal, y crear suave, biocompatible, Unidades de procesamiento neural implantables a largo plazo para la detección en tiempo real de descargas epilépticas.

"Estamos entusiasmados con estos hallazgos, "dice Gelinas." Hemos demostrado que los E-IGT ofrecen una de confianza, y bloque de construcción de alto rendimiento para bioelectrónica implantada crónicamente, y soy optimista de que estos dispositivos nos permitirán expandir de manera segura la forma en que usamos los dispositivos bioelectrónicos para abordar las enfermedades neurológicas ".

Otro gran avance lo demuestran los investigadores en su Avances de la ciencia papel:habilitación de dispositivos bioelectrónicos, específicamente los implantados en el cuerpo para diagnóstico o terapia, para interactuar de manera efectiva y segura con el tejido humano, al mismo tiempo que los hace capaces de realizar un procesamiento complejo. Inspirado en celdas eléctricamente activas, similares a los del cerebro que se comunican con pulsos eléctricos, el equipo creó un solo material capaz de realizar múltiples, no lineal, funciones electrónicas dinámicas simplemente variando el tamaño y la densidad de sus partículas compuestas de conducción mixta.

"Esta innovación abre la puerta a un enfoque fundamentalmente diferente para el diseño de dispositivos electrónicos, imitando redes biológicas y creando circuitos multifuncionales a partir de componentes puramente biodegradables y biocompatibles, "dice Khodagholy.

Los investigadores diseñaron y crearon películas anisotrópicas de alto rendimiento basadas en partículas conductoras mixtas (MCP), transistores direccionables independientemente, resistencias y diodos sin patrón, escalable y biocompatible. Estos dispositivos llevaron a cabo una variedad de funciones, incluido el registro de la actividad neurofisiológica de neuronas individuales, realizar operaciones de circuito, y unión de componentes electrónicos rígidos y blandos de alta resolución.

"MCP reduce sustancialmente la huella de los dispositivos de interfaz neuronal, permitir el registro de datos neurofisiológicos de alta calidad incluso cuando la cantidad de tejido expuesto es muy pequeña, y así disminuye el riesgo de complicaciones quirúrgicas, "dice Gelinas." Y debido a que el MCP se compone únicamente de materiales biocompatibles y disponibles comercialmente, será mucho más fácil traducirlo en dispositivos biomédicos y medicina ".

Tanto los E-IGT como los MCP son muy prometedores como componentes críticos de la bioelectrónica, desde sensores miniaturizados portátiles hasta neuroestimuladores sensibles. Los E-IGT se pueden fabricar en grandes cantidades y son accesibles para una amplia gama de procesos de fabricación. Similar, Los componentes de MCP son económicos y de fácil acceso para los científicos e ingenieros de materiales. En combinación, forman la base de dispositivos biocompatibles totalmente implantables que pueden aprovecharse tanto para beneficiar la salud como para tratar enfermedades.

Khodagholy y Gelinas ahora están trabajando para traducir estos componentes en dispositivos implantables funcionales a largo plazo que pueden registrar y modular la actividad cerebral para ayudar a los pacientes con enfermedades neurológicas como la epilepsia.

"Nuestro objetivo final es crear dispositivos bioelectrónicos accesibles que puedan mejorar la calidad de vida de las personas, "dice Khodagholy, "y con estos nuevos materiales y componentes, parece que nos hemos acercado a eso ".