По мере того как исследователи добиваются значительных успехов в области медицинского обслуживания, они также обнаруживают, что эффективность этих методов лечения может быть повышена за счет индивидуальных подходов. Поэтому клиницисты все больше нуждаются в методах, которые могут как непрерывно отслеживать физиологические сигналы, так и затем персонализировать оперативное назначение терапевтических средств.
Имплантируемые биоэлектронные устройства играют решающую роль в этих методах лечения, но существует ряд проблем, которые препятствуют их широкому внедрению. Этим устройствам требуются специализированные компоненты для сбора сигнала, обработки, передачи данных и питания.
До сих пор достижение этих возможностей в имплантируемом устройстве требовало использования многочисленных жестких и биосовместимых компонентов, которые могут привести к разрушению тканей и дискомфорту пациента. В идеале эти устройства должны быть биосовместимыми, гибкими и стабильными в организме в долгосрочной перспективе. Они также должны быть достаточно быстрыми и чувствительными, чтобы регистрировать быстрые биосигналы с низкой амплитудой, сохраняя при этом возможность передавать данные для внешнего анализа.
Исследователи из Колумбийского университета изобрели первое автономное, гибкое, полностью органическое биоэлектронное устройство
Исследователи Columbia Engineering объявили сегодня, что они разработали первое автономное, совместимое, полностью органическое биоэлектронное устройство, которое может не только получать и передавать нейрофизиологические сигналы мозга, но и обеспечивать питание для работы устройства.
Это устройство, примерно в 100 раз меньше человеческого волоса, основано на органической транзисторной архитектуре, которая включает вертикальный канал и миниатюрный водовод, демонстрирующий долговременную стабильность, высокие электрические характеристики и работу при низком напряжении для предотвращения повреждения биологических тканей. Результаты изложены в новом исследовании, опубликованном сегодня в Nature Materials.
Как исследователи, так и клиницисты знали, что существует потребность в транзисторах, которые одновременно обладают всеми этими характеристиками: низким рабочим напряжением, биосовместимостью, стабильностью характеристик, пригодностью для работы in vivo; и высокими электрическими характеристиками, включая быструю временную реакцию, высокую транспроводимость и работу без перекрестных помех. Транзисторы на основе кремния являются наиболее распространенными технологиями, но они не являются идеальным решением, поскольку они жесткие и не способны обеспечить очень эффективное взаимодействие ионов с телом. ]
Команда решила эти проблемы, представив масштабируемую, автономную субмикронную архитектуру IGT (органический электрохимический транзистор с внутренним ионным затвором) — vIGT. Они внедрили вертикальное расположение каналов, которое увеличивает скорость, присущую архитектуре IGT, за счет оптимизации геометрии каналов и обеспечения высокой плотности расположения транзисторов рядом друг с другом — 155 000 на квадратный сантиметр.
Масштабируемые VGIT — это самые быстрые электрохимические транзисторы
Вигты состоят из биосовместимых, коммерчески доступных материалов, которые не требуют инкапсуляции в биологическую среду и не разрушаются под воздействием воды или ионов. Композитный материал канала может воспроизводимо изготавливаться в больших количествах и легко поддается обработке, что делает его более доступным для широкого спектра производственных процессов.
Они гибки и совместимы с интеграцией в широкий спектр подходящих пластиковых подложек и обладают долговременной стабильностью, низкими межтранзисторными перекрестными помехами и высокой плотностью интеграции, что позволяет изготавливать эффективные интегральные схемы.
«Органическая электроника не известна своей высокой производительностью и надежностью», — сказал руководитель исследования Дион Ходаголи, доцент кафедры электротехники. «Но с нашей новой архитектурой vGIT мы смогли встроить вертикальный канал, который имеет собственный источник ионов. Эта самодостаточность ионов сделала транзистор особенно быстрым — фактически, в настоящее время это самые быстрые электрохимические транзисторы».
Чтобы еще больше повысить скорость работы, команда использовала передовые технологии нанопроизводства для миниатюризации и уплотнения этих транзисторов в субмикрометровых масштабах. Изготовление происходило в чистой комнате Columbia Nano Initiative.
Сотрудничество с клиницистами CUIMC
Чтобы разработать архитектуру, исследователям сначала необходимо было понять проблемы, связанные с диагностикой и лечением пациентов с неврологическими расстройствами, такими как эпилепсия, а также используемые в настоящее время методологии. Они работали с коллегами из отделения неврологии Медицинского центра Ирвинга Колумбийского университета, в частности, с Дженнифер Гелинас, доцентом кафедры неврологии, электротехники и биомедицинской инженерии и директором лаборатории эпилепсии и когнитивных способностей.
Сочетание высокой скорости и гибкости. а работа при низком напряжении позволяет использовать транзисторы не только для записи нейронных сигналов, но и для передачи данных, а также для питания устройства, что приводит к созданию полностью совместимого имплантата. Исследователи использовали эту функцию, чтобы продемонстрировать полностью мягкие и поддающиеся подтверждению имплантаты, способные записывать и передавать нейронную активность с высоким разрешением как снаружи, на поверхности мозга, так и внутри, глубоко внутри мозга.
«Эта работа потенциально откроет широкий спектр трансляционных возможностей и сделает медицинские имплантаты доступными для большого числа пациентов, которые традиционно не имеют квалификации для имплантируемых устройств из-за сложности и высоких рисков, связанных с такими процедурами», — сказал Гелинас.
«Удивительно думать, что наши исследования и устройства могли бы помочь врачам в улучшении диагностики и оказать положительное влияние на качество жизни пациентов», — добавила ведущий автор исследования Клаудия Сеа, которая недавно защитила докторскую диссертацию и этой осенью станет научным сотрудником Массачусетского технологического института.
В дальнейшем исследователи планируют объединить усилия с нейрохирургами CUIMC для проверки возможностей имплантатов на основе vIGT в операционных. Команда рассчитывает разработать мягкие и безопасные имплантаты, которые смогут обнаруживать и идентифицировать различные патологические мозговые волны, вызванные неврологическими расстройствами.