Dion Khodagholy, professore assistente di ingegneria elettrica, si concentra sullo sviluppo di dispositivi bioelettronici che non siano solo veloci, sensibile, biocompatibile, morbido, e flessibile, ma hanno anche stabilità a lungo termine in ambienti fisiologici come il corpo umano. Tali dispositivi migliorerebbero notevolmente la salute umana, dal monitoraggio del benessere domiciliare alla diagnosi e cura delle malattie neuropsichiatriche, tra cui l'epilessia e il morbo di Parkinson. La progettazione degli attuali dispositivi è stata fortemente vincolata dal rigido, componenti elettronici non biocompatibili necessari per un uso sicuro ed efficace, e risolvere questa sfida aprirebbe la porta a un'ampia gamma di nuove ed entusiasmanti terapie.

In collaborazione con Jennifer N. Gelinas, Dipartimento di Neurologia, e l'Istituto di Medicina Genomica presso l'Iriving Medical Center della Columbia University, Khodagholy ha recentemente pubblicato due articoli, il primo in Materiali della natura (16 marzo) su transistor morbidi e organici azionati da ioni che lui e Gelinas hanno progettato per registrare singoli neuroni ed eseguire calcoli in tempo reale che potrebbero facilitare la diagnosi e il monitoraggio delle malattie neurologiche.

La seconda carta, pubblicato oggi in Progressi scientifici , dimostra un morbido, composito intelligente biocompatibile, un materiale particolato a conduzione mista (MCP) organico, che consente la creazione di componenti elettronici complessi che tradizionalmente richiedono diversi strati e materiali. Consente inoltre un incollaggio elettronico facile ed efficace tra materiali morbidi, tessuto biologico, ed elettronica rigida. Poiché è completamente biocompatibile e ha proprietà elettroniche controllabili, MCP può registrare in modo non invasivo i potenziali d'azione muscolare dalla superficie del braccio e, in collaborazione con Sameer Sheth e Ashwin Viswanathan presso il dipartimento di neurochirurgia del Baylor College of Medicine, attività cerebrale su larga scala durante le procedure neurochirurgiche per l'impianto di elettrodi di stimolazione cerebrale profonda.

"Invece di avere grandi impianti incapsulati in spesse scatole di metallo per proteggere il corpo e l'elettronica l'uno dall'altro, come quelli utilizzati nei pacemaker, e impianti cocleari e cerebrali, potremmo fare molto di più se i nostri dispositivi fossero più piccoli, flessibile, e intrinsecamente compatibile con il nostro ambiente corporeo, "dice Khodagholy, che dirige il Translational NeuroElectronics Lab presso la Columbia Engineering. "Negli ultimi anni, il mio gruppo ha lavorato per utilizzare proprietà uniche dei materiali per sviluppare nuovi dispositivi elettronici che consentono un'interazione efficiente con substrati biologici, in particolare le reti neurali e il cervello".

I transistor convenzionali sono fatti di silicio, quindi non possono funzionare in presenza di ioni e acqua, e infatti si decompongono a causa della diffusione di ioni nel dispositivo. Perciò, i dispositivi devono essere completamente incapsulati nel corpo, solitamente in metallo o plastica. Inoltre, sebbene funzionino bene con gli elettroni, non sono molto efficaci nell'interazione con i segnali ionici, che è il modo in cui comunicano le cellule del corpo. Di conseguenza, queste proprietà limitano l'accoppiamento abiotico/biotico alle interazioni capacitive solo sulla superficie del materiale, con conseguente riduzione delle prestazioni. I materiali organici sono stati utilizzati per superare queste limitazioni in quanto sono intrinsecamente flessibili, ma le prestazioni elettriche di questi dispositivi non erano sufficienti per eseguire la registrazione e l'elaborazione del segnale cerebrale in tempo reale.

Il team di Khodagholy ha sfruttato sia la conduzione elettronica che quella ionica dei materiali organici per creare transistor guidati da ioni che chiamano e-IGT, o modalità di miglioramento, transistori elettrochimici organici ionizzati interni, che hanno ioni mobili incorporati all'interno dei loro canali. Poiché gli ioni non hanno bisogno di percorrere lunghe distanze per partecipare al processo di commutazione del canale, possono essere accesi e spenti in modo rapido ed efficiente. Le risposte transitorie dipendono dalla lacuna elettronica piuttosto che dalla mobilità ionica, e si combinano con un'elevata transconduttanza per ottenere una larghezza di banda del guadagno che è di diversi ordini di grandezza superiore a quella di altri transistor a base di ioni.

I ricercatori hanno utilizzato i loro e-IGT per acquisire un'ampia gamma di segnali elettrofisiologici, come la registrazione in vivo di impulsi di azione neurale, e per creare morbido, biocompatibile, unità di elaborazione neurale impiantabili a lungo termine per il rilevamento in tempo reale di scariche epilettiche.

"Siamo entusiasti di questi risultati, " dice Gelinas. "Abbiamo dimostrato che gli E-IGT offrono una cassaforte, affidabile, e blocco costitutivo ad alte prestazioni per la bioelettronica impiantata cronicamente, e sono ottimista sul fatto che questi dispositivi ci consentiranno di espandere in sicurezza il modo in cui utilizziamo i dispositivi bioelettronici per affrontare le malattie neurologiche".

Un altro importante progresso è dimostrato dai ricercatori nel loro Progressi scientifici carta:abilitazione di dispositivi bioelettronici, in particolare quelli impiantati nel corpo per diagnosi o terapia, interfacciarsi in modo efficace e sicuro con i tessuti umani, rendendoli anche in grado di eseguire elaborazioni complesse. Ispirato da cellule elettricamente attive, simili a quelli del cervello che comunicano con impulsi elettrici, il team ha creato un unico materiale in grado di eseguire molteplici, non lineare, funzioni elettroniche dinamiche semplicemente variando la dimensione e la densità delle sue particelle composite a conduzione mista.

"Questa innovazione apre le porte a un approccio fondamentalmente diverso alla progettazione dei dispositivi elettronici, imitando le reti biologiche e creando circuiti multifunzionali da componenti puramente biodegradabili e biocompatibili, "dice Khodagholy.

I ricercatori hanno progettato e creato film anisotropi ad alte prestazioni a base di particolato conduttore misto (MCP), transistor indirizzabili in modo indipendente, resistori, e diodi privi di pattern, scalabile, e biocompatibile. Questi dispositivi svolgevano una serie di funzioni, compresa la registrazione dell'attività neurofisiologica dei singoli neuroni, eseguire operazioni sul circuito, e l'incollaggio di componenti elettronici morbidi e rigidi ad alta risoluzione.

"MCP riduce sostanzialmente l'ingombro dei dispositivi di interfaccia neurale, consentire la registrazione di dati neurofisiologici di alta qualità anche quando la quantità di tessuto esposto è molto piccola, e quindi riduce il rischio di complicanze chirurgiche, " dice Gelinas. "E poiché MCP è composto solo da materiali biocompatibili e disponibili in commercio, sarà molto più facile da tradurre in dispositivi biomedici e medicinali".

Sia gli E-IGT che gli MCP sono molto promettenti come componenti critici della bioelettronica, dai sensori miniaturizzati indossabili ai neurostimolatori reattivi. Gli E-IGT possono essere prodotti in grandi quantità e sono accessibili a un'ampia gamma di processi di fabbricazione. Allo stesso modo, I componenti MCP sono economici e facilmente accessibili agli scienziati e agli ingegneri dei materiali. In combinazione, costituiscono la base per dispositivi biocompatibili completamente impiantabili che possono essere sfruttati sia a beneficio della salute che per curare le malattie.

Khodagholy e Gelinas stanno ora lavorando per tradurre questi componenti in dispositivi impiantabili funzionali a lungo termine in grado di registrare e modulare l'attività cerebrale per aiutare i pazienti con malattie neurologiche come l'epilessia.

"Il nostro obiettivo finale è creare dispositivi bioelettronici accessibili che possano migliorare la qualità della vita delle persone, "dice Khodagholy, "e con questi nuovi materiali e componenti, sembra che ci siamo avvicinati a questo."