Molti importanti progressi della medicina, soprattutto in neurologia, sono stati innescati dai recenti progressi nei sistemi elettronici in grado di acquisire, processi, e interagiscono con i substrati biologici. Questi sistemi bioelettronici, che sono sempre più utilizzati per comprendere gli organismi viventi dinamici e per curare le malattie umane, richiedono dispositivi in ​​grado di registrare i segnali del corpo, elaborarli, rilevare modelli, e fornire stimolazione elettrica o chimica per affrontare i problemi.

transistor, i dispositivi che amplificano o commutano segnali elettronici su circuiti, costituiscono la spina dorsale di questi sistemi. Però, devono soddisfare numerosi criteri per operare in modo efficiente e sicuro in ambienti biologici come il corpo umano. Ad oggi, i ricercatori non sono stati in grado di costruire transistor con tutte le caratteristiche necessarie per una sicurezza, affidabile, e un funzionamento rapido in questi ambienti per lunghi periodi di tempo.

Una squadra guidata da Dion Khodagholy, assistente professore di ingegneria elettrica presso la Columbia Engineering, e Jennifer N. Gelinas, Centro medico della Columbia University, Dipartimento di Neurologia, e l'Istituto di Medicina Genomica, ha sviluppato il primo transistor guidato da ioni biocompatibile che è abbastanza veloce da consentire il rilevamento del segnale in tempo reale e la stimolazione dei segnali cerebrali.

Il transistor elettrochimico organico (IGT) a ioni interni funziona tramite ioni mobili contenuti all'interno di un canale polimerico conduttore per consentire sia la capacità volumetrica (interazioni ioniche che coinvolgono l'intera massa del canale) sia il tempo di transito ionico ridotto. L'IGT ha una grande transconduttanza (tasso di amplificazione), alta velocità, e può essere gated indipendentemente così come microfabbricato per creare circuiti integrati conformabili scalabili. Nel loro studio pubblicato oggi in Progressi scientifici , i ricercatori dimostrano la capacità del loro IGT di fornire un formato miniaturizzato, morbido, interfaccia conformabile con la pelle umana, utilizzando l'amplificazione locale per registrare segnali neurali di alta qualità, adatto per l'elaborazione avanzata dei dati.

"Abbiamo realizzato un transistor in grado di comunicare tramite ioni, i portatori di carica del corpo, a velocità sufficientemente elevate per eseguire calcoli complessi necessari per la neurofisiologia, lo studio della funzione del sistema nervoso, " dice Khodagholy. "Il canale del nostro transistor è realizzato con materiali completamente biocompatibili e può interagire sia con ioni che con elettroni, rendere più efficiente la comunicazione con i segnali neurali del corpo. Ora saremo in grado di costruire in modo più sicuro, più piccoli, e dispositivi bioelettronici più intelligenti, come interfacce cervello-macchina, elettronica indossabile, e dispositivi di stimolazione terapeutica reattivi, che possono essere impiantati negli esseri umani per lunghi periodi di tempo."

Nel passato, i tradizionali transistor a base di silicio sono stati utilizzati nei dispositivi bioelettronici, ma devono essere accuratamente incapsulati per evitare il contatto con i fluidi corporei, sia per la sicurezza del paziente che per il corretto funzionamento del dispositivo. Questo requisito rende gli impianti basati su questi transistor ingombranti e rigidi. In parallelo, è stato fatto molto lavoro nel campo dell'elettronica organica per creare transistor intrinsecamente flessibili in plastica, compresi progetti come transistor elettrolitici o elettrochimici che possono modulare la loro uscita in base alle correnti ioniche. Però, questi dispositivi non possono funzionare abbastanza velocemente per eseguire i calcoli richiesti per i dispositivi bioelettronici utilizzati nelle applicazioni di neurofisiologia.

Khodagholy e il suo ricercatore post-dottorato George Spyropoulos, il primo autore di quest'opera, costruito un canale a transistor basato su polimeri conduttori per consentire la modulazione ionica, e, per rendere il dispositivo veloce, hanno modificato il materiale per avere i propri ioni mobili. Accorciando la distanza che gli ioni devono percorrere all'interno della struttura polimerica, hanno migliorato la velocità del transistor di un ordine di grandezza rispetto ad altri dispositivi ionici della stessa dimensione.

"È importante che abbiamo utilizzato solo materiale completamente biocompatibile per creare questo dispositivo. Il nostro ingrediente segreto è il D-sorbitolo, o zucchero, " dice Khodagholy. "Le molecole di zucchero attraggono le molecole d'acqua e non solo aiutano il canale del transistor a rimanere idratato, ma aiuta anche gli ioni a viaggiare più facilmente e rapidamente all'interno del canale."

Poiché l'IGT potrebbe migliorare significativamente la facilità e la tollerabilità delle procedure di elettroencefalografia (EEG) per i pazienti, i ricercatori hanno selezionato questa piattaforma per dimostrare la capacità di traduzione del loro dispositivo. Usando il loro transistor per registrare le onde cerebrali umane dalla superficie del cuoio capelluto, hanno dimostrato che l'amplificazione locale IGT direttamente sull'interfaccia dispositivo-cuoio capelluto ha consentito di ridurre la dimensione del contatto di cinque ordini di grandezza:l'intero dispositivo si adatta facilmente tra i follicoli piliferi, semplificando notevolmente il posizionamento. Il dispositivo potrebbe anche essere facilmente manipolato a mano, miglioramento della stabilità meccanica ed elettrica. Inoltre, perché il dispositivo micro-EEG IGT si adatta al cuoio capelluto, non erano necessari adesivi chimici, quindi il paziente non aveva irritazioni cutanee dovute agli adesivi ed era più a suo agio nel complesso.

Questi dispositivi potrebbero essere utilizzati anche per realizzare dispositivi impiantabili a circuito chiuso, come quelli attualmente utilizzati per trattare alcune forme di epilessia clinicamente refrattaria. I dispositivi potrebbero essere più piccoli e più facili da impiantare, e fornire anche ulteriori informazioni.

"La nostra ispirazione originale era creare un transistor conformabile per impianti neurali, " osserva Gelinas. "Mentre lo abbiamo testato specificamente per il cervello, Gli IGT possono essere utilizzati anche per registrare il cuore, muscolo, e momento dell'occhio."

Khodagholy e Gelinas stanno ora esplorando se ci sono limiti fisici al tipo di ioni mobili che possono incorporare nel polimero. Stanno inoltre studiando nuovi materiali in cui possono incorporare ioni mobili e perfezionando il loro lavoro sull'utilizzo dei transistor per realizzare circuiti integrati per dispositivi di stimolazione reattivi.

"Siamo molto entusiasti di poter migliorare sostanzialmente i transistor ionici aggiungendo ingredienti semplici, " osserva Khodagholy. "Con tale velocità e amplificazione, combinate con la loro facilità di microfabbricazione, questi transistor potrebbero essere applicati a molti diversi tipi di dispositivi. C'è un grande potenziale per l'uso di questi dispositivi a beneficio dell'assistenza ai pazienti in futuro".