Dion Khodagholy, profesor asistente de ingeniería eléctrica, se centra en desarrollar dispositivos bioelectrónicos que no solo sean rápidos, sensibles, biocompatibles, blandos y flexibles, sino que también tengan estabilidad a largo plazo en entornos fisiológicos como el cuerpo humano.mejoraría en gran medida la salud humana, desde el monitoreo del bienestar en el hogar hasta el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades neuropsiquiátricas, incluidas la epilepsia y la enfermedad de Parkinson. El diseño de los dispositivos actuales se ha visto severamente limitado por los componentes electrónicos rígidos, no biocompatibles necesarios para un uso seguro y efectivo,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 Nature Materials 16 de marzo sobre materiales orgánicos y blandos impulsados por ionestransistores que él y Gelinas han diseñado para registrar neuronas individuales y realizar cálculos en tiempo real que podrían facilitar el diagnóstico y el monitoreo de enfermedades neurológicas.
El segundo artículo, publicado hoy en Avances científicos , demuestra un compuesto inteligente blando y biocompatible, un material particulado orgánico conductivo mixto MCP que permite la creación de componentes electrónicos complejos que tradicionalmente requieren varias capas y materiales. También permite una unión electrónica fácil y efectiva entremateriales, tejido biológico y electrónica rígida. Debido a que es completamente biocompatible y tiene propiedades electrónicas controlables, MCP puede registrar de manera no invasiva potenciales de acción muscular desde la superficie del brazo y, en colaboración con Sameer Sheth y Ashwin Viswanathan en el departamento de Baylor College of Medicinede neurocirugía, actividad cerebral a gran escala durante los procedimientos neuroquirúrgicos para implantar electrodos de estimulación cerebral profunda.
"En lugar de tener grandes implantes encapsulados en gruesas cajas de metal para proteger el cuerpo y la electrónica unos de otros, como los utilizados en marcapasos e implantes cocleares y cerebrales, podríamos hacer mucho más si nuestros dispositivos fueran más pequeños, flexibles,e inherentemente compatible con nuestro entorno corporal ", dice Khodagholy, quien dirige el Laboratorio de Neuroelectrónica Traslacional en Columbia Engineering." En los últimos años, mi grupo ha estado trabajando para usar propiedades únicas de materiales para desarrollar dispositivos electrónicos novedosos que permitan una interacción eficiente consustratos biológicos, específicamente 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 enmetal o plástico. Además, aunque funcionan bien con electrones, no son muy efectivos para interactuar con las 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 elsuperficie del material, lo que resulta 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 el registro y procesamiento de señales cerebrales en tiempo real.
El equipo de Khodagholy aprovechó tanto la conducción electrónica como la conducción iónica de materiales orgánicos para crear transistores impulsados por iones que ellos llaman e-IGT, o transistores electroquímicos orgánicos de iones internos con modo de mejora, que tienen iones móviles integrados dentro de sus canales.Debido a que los iones no necesitan viajar largas distancias para participar en el proceso de conmutación de canales, pueden encenderse y apagarse de manera rápida y eficiente. Las respuestas transitorias dependen del agujero del electrón en lugar de la movilidad de los iones, y se combinan con una alta transconductancia para dar como resultado unganancia de ancho de banda que es varios órdenes de magnitud superior a la de otros transistores basados en iones.
Los investigadores utilizaron sus e-IGT para adquirir una amplia gama de señales electrofisiológicas, como el registro in vivo de impulsos de acción neural, y para crear unidades de procesamiento neural implantables a largo plazo, suaves y biocompatibles para la detección en tiempo real de epilépticosdescargas
"Estamos entusiasmados con estos hallazgos", dice Gelinas. "Hemos demostrado que los E-IGT ofrecen un componente básico seguro, confiable y de alto rendimiento para la bioelectrónica implantada de forma crónica, y estoy optimista de que estos dispositivos permitiránpara expandir de manera segura la forma en que usamos dispositivos bioelectrónicos para abordar la enfermedad neurológica "
Otro avance importante es demostrado por los investigadores en su Avances científicos papel: permite que los dispositivos bioelectrónicos, específicamente los implantados en el cuerpo para diagnóstico o terapia, interactúen de manera efectiva y segura con el tejido humano, al tiempo que los hace capaces de realizar un procesamiento complejo. Inspirado por células eléctricamente activas, similares a las del cerebroque se comunican con pulsos eléctricos, el equipo creó un único material capaz de realizar múltiples funciones electrónicas dinámicas, no lineales, 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 de conducción mixtas MCP, transistores, resistencias y diodos direccionables independientemente que no tienen patrones, son escalables y biocompatibles. Estos dispositivos llevaron a cabo una variedad de funciones, incluida la grabaciónactividad neurofisiológica de neuronas individuales, realizando operaciones de circuito y uniendo componentes electrónicos blandos y rígidos de alta resolución.
"MCP reduce sustancialmente la huella de los dispositivos de interfaz neuronal, lo que permite el registro de datos neurofisiológicos de alta calidad incluso cuando la cantidad de tejido expuesto es muy pequeña, y por lo tanto disminuye el riesgo de complicaciones quirúrgicas", dice Gelinas. "Y porque MCP escompuesto solo por materiales biocompatibles y comercialmente disponibles, será mucho más fácil traducirlo a dispositivos biomédicos y medicamentos ".
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 pueden fabricarse en grandes cantidades y son accesibles para una amplia gama de procesos de fabricación. Del mismo modo, MCPlos componentes son económicos y de fácil acceso para los científicos e ingenieros de materiales. En combinación, forman la base para 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"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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