哥伦比亚大学工程和应用科学学院的霍莉·埃瓦茨 整合增强模式，内部离子门控有机电化学晶体管(电子IGT)显微照片显示电子IGT的俯视图(上)
比例尺，5微米
符合人手表面(底部)的超灵活超薄电子IGT阵列
B)基于IGT的设备的光学显微照片，该设备具有用于LFP和尖峰记录的四个晶体管
锚孔有助于将适形装置插入皮层的深层
比例尺，80微米
学分:哥伦比亚工程 电气工程助理教授Dion Khodagholy致力于开发不仅快速、灵敏、生物相容、柔软和灵活，而且在人体等生理环境中具有长期稳定性的生物电子设备
这种设备将极大地改善人类健康，从监测家庭健康到诊断和治疗神经精神疾病，包括癫痫和帕金森氏病
当前设备的设计受到安全有效使用所需的刚性、非生物相容性电子元件的严重限制，解决这一挑战将为一系列激动人心的新疗法打开大门
与詹妮弗·N
戈利亚纳，神经内科，和哥伦比亚大学伊里维医学中心基因组医学研究所，最近发表了两篇论文，第一篇发表在《自然材料》(3月16日)上，是关于离子驱动的软和有机晶体管，他和戈利亚纳设计用来记录单个神经元并进行实时计算，这有助于神经疾病的诊断和监测
今天发表在《科学进展》上的第二篇论文展示了一种柔软的、生物相容的智能复合材料——一种有机混合导电颗粒材料——它能够制造传统上需要多层和多种材料的复杂电子元件
它还能够在软材料、生物组织和刚性电子器件之间实现简单有效的电子结合
因为它是完全生物相容的，并且具有可控的电子特性，微通道板可以非侵入性地记录来自手臂表面的肌肉动作电位，并且与贝勒医学院神经外科系的萨梅尔·谢特和阿什温·维斯瓦纳坦合作，在植入深部脑刺激电极的神经外科手术过程中进行大规模的脑活动
“如果我们的设备更小、更灵活，并且与我们的身体环境内在兼容，我们可以做得更多，而不是像起搏器、耳蜗和大脑植入物那样，将大型植入物封装在厚厚的金属盒中，以保护身体和电子设备免受彼此的伤害，”哥伦比亚工程大学转化神经电子实验室主任霍达戈尔说
“在过去的几年里，我的团队一直致力于利用材料的独特性质来开发新型电子设备，使其能够与生物物质——特别是神经网络和大脑——进行高效的相互作用
" 传统的晶体管是由硅制成的，所以它们不能在有离子和水的情况下工作，事实上，由于离子扩散到器件中，它们会发生故障
因此，这些装置需要完全封装在体内，通常是金属或塑料
此外，尽管它们与电子配合良好，但它们在与离子信号相互作用方面并不十分有效，而离子信号是人体细胞交流的方式
因此，这些特性将非生物/生物耦合限制为仅在材料表面上的电容性相互作用，从而导致性能降低
有机材料已经被用于克服这些限制，因为它们固有的柔性，但是这些设备的电性能不足以执行实时脑信号记录和处理
Khodagholy的团队利用有机材料的电子和离子传导，创建了离子驱动晶体管，他们称之为e-IGTs，或增强模式，内部离子门控有机电化学晶体管，其通道内嵌入了移动离子
因为离子不需要行进很长的距离来参与通道切换过程，所以它们可以被快速有效地打开和关闭
瞬态响应取决于电子空穴而不是离子迁移率，并与高跨导相结合，产生比其他基于离子的晶体管高几个数量级的增益带宽
研究人员使用他们的电子免疫组化技术获得了广泛的电生理信号，如体内神经动作脉冲的记录，并创建了柔软的、生物相容的、长期植入的神经处理单元，用于实时检测癫痫放电
通过混合导电颗粒复合物进行的可证实的电子学和高质量的无创电生理记录。通过混合导电颗粒复合物结合在一起的两个整合阵列的显微照片；箭头表示焊接区域
比例尺500微米
使用微通道板(左，比例尺10毫米)将高密度、适形的肌电信号阵列附着在人体手腕上的显微照片
比较皮肤和电子设备之间凝胶和微通道板界面的横截面示意图(右)
学分:哥伦比亚工程 “我们对这些发现感到兴奋，”杰利纳斯说
“我们已经表明，电子免疫球蛋白为长期植入的生物电子器件提供了一个安全、可靠和高性能的构建模块，我乐观地认为，这些设备将使我们能够安全地扩大我们使用生物电子设备来治疗神经疾病的方式
" 研究人员在他们的《科学进展》论文中展示了另一项重大进展:使生物电子设备，特别是那些植入体内用于诊断或治疗的生物电子设备，能够有效、安全地与人体组织连接，同时使它们能够进行复杂的处理
受电活性细胞(类似于大脑中通过电脉冲进行交流的细胞)的启发，研究小组创造了一种单一材料，只需改变其复合混合导电粒子的大小和密度，就能执行多种非线性动态电子功能
“这项创新为电子设备设计打开了一扇完全不同的大门，模仿生物网络，用完全可生物降解和生物相容的组件创造多功能电路，”Khodagholy说
研究人员设计并制造了基于混合导电颗粒(MCP)的高性能各向异性薄膜、可独立寻址的晶体管、电阻器和二极管，它们无图案、可扩展且生物相容
这些设备执行多种功能，包括记录单个神经元的神经生理活动，执行电路操作，以及连接高分辨率的软电子和硬电子
“微通道板大大减少了神经接口设备的占地面积，即使在暴露的组织量非常少的情况下，也能记录高质量的神经生理学数据，从而降低了手术并发症的风险，”吉利纳斯说
“由于单核细胞趋化蛋白仅由生物相容性材料和商业上可获得的材料组成，因此将它转化为生物医学设备和药物将会容易得多
" 从可穿戴的微型传感器到反应灵敏的神经刺激器，电子免疫球蛋白样肽和单核细胞趋化蛋白作为生物电子学的关键部件都有很大的前景
电子免疫球蛋白重链可以大量制造，并可用于广泛的制造工艺
同样，微通道板组件价格低廉，材料科学家和工程师很容易获得
结合在一起，它们形成了完全可植入的生物相容性装置的基础，该装置既可用于有益健康，也可用于治疗疾病
Khodagholy和Gelinas现在正致力于将这些组件转化为功能性长期植入设备，这些设备可以记录和调节大脑活动，以帮助患有癫痫等神经疾病的患者
“我们的最终目标是创造可以提高人们生活质量的可接近的生物电子设备，”霍达戈尔说，“有了这些新材料和新部件，我们感觉已经更接近那个目标了。”
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