Muchos avances importantes en medicina, especialmente en neurología, han sido provocados por avances recientes en sistemas electrónicos que pueden adquirir, procesar e interactuar con sustratos biológicos. Estos sistemas bioelectrónicos, que se utilizan cada vez más para comprender organismos vivos dinámicos y para tratar humanosenfermedad, requiere dispositivos que puedan registrar las señales corporales, procesarlas, detectar patrones y administrar estimulación eléctrica o química para abordar los problemas.
Los transistores, los dispositivos que amplifican o conmutan señales electrónicas en los 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 sidocapaz de construir transistores que tengan todas las características necesarias para una operación segura, confiable y rápida en estos entornos durante largos períodos de tiempo.
Un equipo dirigido por Dion Khodagholy, profesor asistente de ingeniería eléctrica en Columbia Engineering, y Jennifer N. Gelinas, el Centro Médico de la Universidad de Columbia, el Departamento de Neurología y el Instituto de Medicina Genómica, ha desarrollado el primer transistor de iones biocompatible que eslo suficientemente rápido como para permitir la detección de señales en tiempo real y la estimulación de las señales cerebrales.
El transistor electroquímico orgánico con entrada de iones internos IGT funciona 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.transconductancia tasa de amplificación, alta velocidad, y se puede activar independientemente y microfabricar para crear circuitos integrados conformables escalables. En su estudio publicado hoy en Avances científicos , los investigadores demuestran la capacidad de su IGT para proporcionar una interfaz miniaturizada, suave y conformable con la piel humana, utilizando la amplificación local para registrar señales neuronales de alta calidad, adecuadas para el procesamiento avanzado de datos.
"Hemos creado un transistor que puede comunicarse utilizando iones, los portadores de carga del cuerpo, a velocidades lo suficientemente rápidas para realizar cálculos complejos necesarios para la neurofisiología, el estudio de la función del sistema nervioso", dice Khodagholy. "El canal de nuestro transistor está hechocon materiales totalmente biocompatibles y puede interactuar con iones y electrones, lo que hace que la comunicación con las señales neuronales del cuerpo sea más eficiente. Ahora podremos construir dispositivos bioelectrónicos más seguros, pequeños e inteligentes, como las interfaces cerebro-máquina, ponibleselectrónica y dispositivos de estimulación terapéutica receptiva, que pueden implantarse en humanos durante largos períodos de tiempo ".
En el pasado, los transistores tradicionales a base de 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 funcionamiento adecuado del dispositivo. Este requisito hace queimplantes basados en estos transistores voluminosos y rígidos. Paralelamente, se ha realizado una gran cantidad de trabajo en el campo de la electrónica orgánica para crear transistores inherentemente flexibles de plástico, incluidos diseños como transistores electrolíticos o electroquímicos que pueden modular su salidaen corrientes iónicas. Sin embargo, estos dispositivos no pueden funcionar lo suficientemente rápido como para realizar los cálculos necesarios para los dispositivos bioelectrónicos utilizados en aplicaciones de neurofisiología.
Khodagholy y su compañero de investigación posdoctoral George Spyropoulos, el primer autor de este trabajo, construyeron un canal de transistor basado en polímeros conductores para permitir la modulación iónica y, para hacer que el dispositivo sea rápido, modificaron el material para tener su propio móviliones: al acortar la distancia que los iones necesitaban para 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.
"Es importante destacar que solo utilizamos material completamente biocompatible para crear este dispositivo. Nuestro ingrediente secreto es D-sorbitol, o azúcar", dice Khodagholy. "Las moléculas de azúcar atraen a las moléculas de agua y no solo ayudan al canal del transistor a mantenerse hidratado, sino que tambiénayuda a los iones a viajar más fácil y rápidamente dentro del canal "
Debido a que el 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 traducción de su dispositivo. Utilizando su transistor para registrar las ondas cerebrales humanas desde la superficie del cuero cabelludo, mostraronque la amplificación local IGT directamente en la interfaz dispositivo-cuero cabelludo permitió reducir el tamaño del contacto en cinco órdenes de magnitud: todo el dispositivo se ajusta fácilmente entre los folículos pilosos, lo que simplifica sustancialmente la colocación. El dispositivo también se puede manipular fácilmente con la mano, mejorandoestabilidad mecánica y eléctrica. Además, debido a que el dispositivo micro-EEG IGT se ajusta al cuero cabelludo, no se necesitaron 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 hacer dispositivos implantables de circuito cerrado, como los que se usan 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 conformable para implantes neurales", señala Gelinas. "Si bien lo probamos específicamente para el cerebro, los IGT también se pueden usar para registrar el momento cardíaco, muscular y ocular".
Khodagholy y Gelinas ahora están explorando si hay 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 al usar los transistores parahacer circuitos integrados para dispositivos de estimulación receptiva.
"Estamos muy entusiasmados de poder mejorar sustancialmente los transistores iónicos agregando ingredientes simples", señala Khodagholy. "Con tal velocidad y amplificación, combinados con su facilidad de microfabricación, estos transistores podrían aplicarse a muchos tipos diferentes de dispositivos. Allíes un gran potencial para el uso de estos dispositivos para beneficiar la atención del paciente en el futuro "
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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