Muchos avances importantes en la medicina, especialmente en neurología, han sido provocados por los avances recientes en los sistemas electrónicos que pueden adquirir, proceso, e interactuar con sustratos biológicos. Estos sistemas bioelectrónicos, que se utilizan cada vez más para comprender los organismos vivos dinámicos y para tratar las enfermedades humanas, requieren dispositivos que puedan registrar señales corporales, procesarlos, detectar patrones, y administrar estimulación eléctrica o química para abordar los problemas.

Transistores los dispositivos que amplifican o conmutan señales electrónicas en circuitos, forman la columna vertebral de estos sistemas. Sin embargo, deben cumplir numerosos criterios para operar de manera eficiente y segura en entornos biológicos como el cuerpo humano. Hasta la fecha, Los investigadores no han podido construir transistores que tengan todas las características necesarias para de confianza, y funcionamiento rápido en estos entornos durante períodos de tiempo prolongados.

Un equipo dirigido por Dion Khodagholy, profesor asistente de ingeniería eléctrica en Columbia Engineering, y Jennifer N. Gelinas, Centro médico de la Universidad de Columbia, Departamento de Neurología, y el Instituto de Medicina Genómica, ha desarrollado el primer transistor impulsado por iones biocompatible que es lo suficientemente rápido como para permitir la detección de señales en tiempo real y la estimulación de las señales cerebrales.

El transistor electroquímico orgánico activado por iones internos (IGT) opera a través de iones móviles contenidos dentro de un canal de polímero conductor para permitir tanto la capacitancia volumétrica (interacciones iónicas que involucran la mayor parte del canal) como el tiempo de tránsito iónico acortado. El IGT tiene una gran transconductancia (tasa de amplificación), alta velocidad, y se puede bloquear de forma independiente, así como microfabricar para crear circuitos integrados adaptables escalables. En su estudio publicado hoy en Avances de la ciencia , los investigadores demuestran la capacidad de su IGT para proporcionar un miniaturizado, suave, interfaz conforme con la piel humana, utilizando amplificación local para registrar señales neuronales de alta calidad, Adecuado para procesamiento de datos avanzado.

"Hemos creado un transistor que puede comunicarse mediante iones, los portadores de carga del cuerpo, a velocidades lo suficientemente rápidas para realizar los cálculos complejos necesarios para la neurofisiología, el estudio de la función del sistema nervioso, "Dice Khodagholy." El canal de nuestro transistor está hecho de materiales totalmente biocompatibles y puede interactuar tanto con iones como con electrones, haciendo que la comunicación con las señales neuronales del cuerpo sea más eficiente. Ahora podremos construir de forma más segura menor, y dispositivos bioelectrónicos más inteligentes, como interfaces cerebro-máquina, electrónica portátil, y dispositivos de estimulación terapéutica receptivos, que se puede implantar en humanos durante largos períodos de tiempo ".

En el pasado, Los transistores tradicionales basados ​​en silicio se han utilizado en dispositivos bioelectrónicos, pero deben encapsularse cuidadosamente para evitar el contacto con los fluidos corporales, tanto para la seguridad del paciente como para el correcto funcionamiento del dispositivo. Este requisito hace que los implantes basados ​​en estos transistores sean voluminosos y rígidos. En paralelo, Se ha trabajado mucho en el campo de la electrónica orgánica para crear transistores inherentemente flexibles de plástico. incluyendo diseños tales como transistores electroquímicos o de activación de electrolitos que pueden modular su salida en base a corrientes iónicas. Sin embargo, estos dispositivos no pueden funcionar lo suficientemente rápido para realizar los cálculos necesarios para los dispositivos bioelectrónicos utilizados en aplicaciones de neurofisiología.

Khodagholy y su investigador postdoctoral George Spyropoulos, el primer autor de este trabajo, construyó un canal de transistores basado en polímeros conductores para permitir la modulación iónica, y, para hacer que el dispositivo sea rápido, modificaron el material para que tuviera sus propios iones móviles. Al acortar la distancia que los iones necesitaban viajar dentro de la estructura del polímero, mejoraron la velocidad del transistor en un orden de magnitud en comparación con otros dispositivos iónicos del mismo tamaño.

"En tono rimbombante, Solo utilizamos material completamente biocompatible para crear este dispositivo. Nuestro ingrediente secreto es el D-sorbitol, o azucar, "dice Khodagholy." Las moléculas de azúcar atraen moléculas de agua y no solo ayudan al canal del transistor a mantenerse hidratado, pero también ayudan a que los iones viajen más fácil y rápidamente dentro del canal ".

Debido a que la IGT podría mejorar significativamente la facilidad y la tolerabilidad de los procedimientos de electroencefalografía (EEG) para los pacientes, los investigadores seleccionaron esta plataforma para demostrar la capacidad de traslación de su dispositivo. Usando su transistor para registrar ondas cerebrales humanas desde la superficie del cuero cabelludo, demostraron que la amplificación local de IGT directamente en la interfaz entre el dispositivo y el cuero cabelludo permitió que el tamaño del contacto se redujera en cinco órdenes de magnitud:todo el dispositivo encajaba fácilmente entre los folículos pilosos, simplificando sustancialmente la colocación. El dispositivo también se puede manipular fácilmente a mano, mejorando la estabilidad mecánica y eléctrica. Es más, porque el dispositivo micro-EEG IGT se adapta al cuero cabelludo, no se necesitaban adhesivos químicos, por lo que el paciente no tenía irritación de la piel por los adhesivos y estaba más cómodo en general.

Estos dispositivos también podrían usarse para fabricar dispositivos implantables de circuito cerrado, como los que se utilizan actualmente para tratar algunas formas de epilepsia médicamente refractaria. Los dispositivos podrían ser más pequeños y fáciles de implantar. y también proporcionar más información.

"Nuestra inspiración original fue hacer un transistor adaptable para implantes neurales, "Señala Gelinas." Si bien lo probamos específicamente para el cerebro, Los IGT también se pueden utilizar para registrar el corazón, músculo, y el momento de los ojos ".

Khodagholy y Gelinas ahora están explorando si existen límites físicos para qué tipo de iones móviles pueden incrustar en el polímero. También están estudiando nuevos materiales en los que pueden incrustar iones móviles, así como refinando su trabajo sobre el uso de transistores para hacer circuitos integrados para dispositivos de estimulación sensibles.

"Estamos muy emocionados de poder mejorar sustancialmente los transistores iónicos agregando ingredientes simples, "Notas de Khodagholy." Con tal velocidad y amplificación, combinado con su facilidad de microfabricación, estos transistores podrían aplicarse a muchos tipos diferentes de dispositivos. Existe un gran potencial para que el uso de estos dispositivos beneficie la atención del paciente en el futuro ".