Perangkat bioelektronik

Membuat perangkat bioelektronik fleksibel, kuat, dan cepat

Conformable enhancement-mode, internal ion-gated organic electrochemical transistor (e-IGT): A) Micrograph displaying the top view of an e-IGT (top). Scale bar, 5 mm. Ultra-flexible, ultra-thin e-IGT array conforming to the surface of a human hand (bottom). B) Optical micrograph of an e-IGT-based device with four transistors for LFP and spike recording. The anchor hole facilitates insertion of the conformable device into deep layers of cortex. Scale bar, 80 mm.

Dion Khodagholy, asisten profesor electrical engineering, mengembangkan perangkat bioelektronik yang tak hanya cepat, sensitive, biokompatibel, lembut dan fleksibel tapi juga punya kestabilan jangka panjang di lingkungan tubuh manusia. Perangkat semacam ini akan meningkatkan kesehatan manusia, mulai dari memonitor dari rumah hingga diagnosa dan mengobati penyakit neuropsikiatri, seperti epilepsi dan parkinson. Namun, desain perangkat saat ini begitu kaku, dan elektronikanya tidak biokompatible yang diperlukan agar aman dan efektif. Mampu mengatasi ini akan membuka jalan bagi terapi baru.

Berkolaborasi dengan Jennifer N. Gelinas, dari Department of Neurology, dan Institute for Genomic Medicine di Columbia University Irving Medical Center, Khodagholy menerbitkan 2 makalah, pertama di Nature Materials (March 16) membahasa ion-driven soft and organic transistors yang mampu merekam neuron dan melakukan komputasi secara real-time yang dapat membantu diagnosis dan memonitor penyakit saraf.

Yang gedua diterbitkan di Science Advances, mendemonstrasikan soft, biocompatible smart composite—material organik mixed-conducting particulate (MCP) – yang memungkinkan pembuatan komponen elektronik kompleks yang umumnya membutuhkan beberapa lapisan dan material. Ia juga memungkinkan ikatan elektronik yang mudah dan efektif antara material lunak, jaringan biologis, dan elektronik yang kaku. Karena ini biokompatibel dan bisa diatur, MCP mampu secara non-invasif merekam potensi aksi otot pada permukaan kulit.

Alih-alih memiliki implan besar yang dikemas dalam kotak logam tebal untuk melindungi tubuh dan elektronik, seperti pada alat pacu jantung, implan koklea dan otak, kita dapat membuatnya lebih kecil, agar fleksibel, dan secara inheren kompatibel. dengan lingkungan tubuh kita” jelas Khodagholy, ketua Translational NeuroElectronics Lab di Columbia Engineering ” Beberapa tahun terakhir, kelompok saya bekerja mengembangkan material untuk perangkat elektronik baru yang memungkinkan interaksi yang efisien dengan substrat biologis – khususnya jaringan saraf dan otak.”

Transistor konvensional terbuat dari silikon, sehingga tidak dapat berfungsi di hadapan ion dan air, dan bisa pecah karena difusi ion ke dalam perangkat. Oleh karena itu, perangkat harus sepenuhnya dienkapsulasi dalam tubuh, dalam logam atau plastik. Selain itu, meskipun bekerja dengan baik dengan elektron, ia tidak terlalu efektif dalam berinteraksi dengan sinyal ionik, yang merupakan cara sel-sel tubuh berkomunikasi. Akibatnya, sifat-sifat ini membatasi coupling abiotik / biotik menjadi interaksi kapasitif pada permukaan material, sehingga kinerjanya menurun. Material organik digunakan untuk mengatasi hambatan ini karena sifatnya fleksibel, tetapi kinerja listrik dari perangkat ini tidak cukup untuk melakukan perekaman dan pemrosesan sinyal otak secara real-time.

Tim Khodagholy mengambil kemampuan dari konduksi elektronik dan ionik material organik untuk membuat transistor ion yang mereka sebut e-IGTs, atau enhancement-mode, internal ion-gated organic electrochemical transistors, dimana ion seluler telah tertanam di dalam salurannya. Karena ion tidak perlu melakukan perjalanan jarak jauh untuk berpartisipasi dalam proses perpindahan saluran, ia dapat dinyalakan dan dimatikan dengan cepat dan efisien. Respons sementara bergantung pada lubang elektron daripada mobilitas ion, dan bergabung dengan transkonduktansi tinggi untuk menghasilkan gain-bandwidth di atas transistor berbasis ion lainnya.

Para peneliti menggunakan e-IGT untuk memperoleh berbagai sinyal elektrofisiologi, seperti rekaman in vivo impuls aksi saraf, dan untuk membuat unit pemrosesan saraf lunak, biokompatibel, implan jangka panjang yang dapat diimplantasikan untuk deteksi real-time pelepasan epilepsi.

Kami senang dengan temuan ini, ” ucap Gelinas. “E-IGTs menawarkan sistem yang aman, andal, dan berkinerja tinggi untuk chronically implanted bioelectronics, dan saya optimis bahwa perangkat ini akan memungkinkan kami memperluas cara kami menggunakan perangkat bioelektronik untuk mengatasi penyakit neurologis dengan aman.

Conformable electronics dan rekaman elektrofisiologi non-invasif berkualitas tinggi dari mixed-conducting particulate composites A) Mikrograf dari dua conformable arrays diikat bersama oleh MCP; panah menunjukkan area ikatan. scale bar bar 500 μm. B) Mikrograf dari  high-density, conformable EMG array melekat pada pergelangan tangan manusia menggunakan MCP (kiri, scale bar 10 mm). Skema penampang membandingkan gel dan antarmuka MCP antara kulit dan elektronik (kanan).

Kemajuan besar lainnya ditunjukkan oleh para peneliti yaitu memungkinkan perangkat bioelektronika, khususnya yang ditanamkan dalam tubuh untuk diagnostik atau terapi, untuk berinteraksi secara efektif dan aman dengan jaringan manusia, dan membuatnya mampu melakukan pemrosesan yang kompleks.

Terinspirasi oleh sel-sel yang aktif secara elektrik, mirip sel otak yang berkomunikasi dengan denyut listrik, tim menciptakan material yang mampu melakukan berbagai fungsi elektronik dinamis, non-linear, hanya dengan memvariasikan ukuran dan kerapatan partikel-partikel campuran-konduktivitas kompositnya.

Inovasi ini mencoba pendekatan berbeda secara mendasar pada desain perangkat elektronik, meniru jaringan biologis dan menciptakan sirkuit multifungsi dari komponen yang murni dapat terurai secara hayati dan biokompatibel, ” jelas Khodagholy.

Para peneliti merancang dan membuat mixed conducting particulate (MCP)-based high performance anisotropic films, addressable transistors independen, resistor, dan dioda yang bebas pola, scalable, dan biokompatibel.

“MCP mampu mengurangi jejak perangkat antarmuka saraf, memungkinkan perekaman data neurofisiologis berkualitas tinggi bahkan ketika jumlah jaringan yang terpapar sangat kecil, sehingga mengurangi risiko komplikasi bedah, ” jelas Gelinas. “Dan karena MCP terbuat dari material biokompatibel dan tersedia secara komersial, akan lebih mudah untuk jadikan perangkat biomedis dan obat-obatan.”

Baik E-IGT dan MCP sangat menjanjikan sebagai komponen penting bioelektronika, mulai dari sensor miniatur yang dapat dipakai hingga neurostimulator responsif. E-IGT dapat diproduksi dalam jumlah besar dengan berbagai proses fabrikasi. Komponen MCP tidak mahal dan mudah diakses oleh ilmuwan materi dan insinyur. Singkatnya, ia mendasari perangkat biokompatibel yang dapat ditanam sepenuhnya yang dapat dimanfaatkan baik untuk kesehatan maupun untuk mengobati penyakit.

Khodagholy dan Gelinask kini berupaya menjadikan komponen-komponen ini ke dalam perangkat implan jangka panjang fungsional yang dapat merekam dan memodulasi aktivitas otak untuk membantu pasien dengan penyakit neurologis seperti epilepsi.

Tujuan utama kami adalah untuk menciptakan akses perangkat bioelektronik yang dapat meningkatkan kualitas hidup masyarakat, ” ucap Khodagholy, ” dan dengan material dan komponen baru ini, rasanya kami telah melangkah lebih dekat ke sana. “

Jurnal Referensi:

  1. Patricia Jastrzebska-Perfect, George D. Spyropoulos, Claudia Cea, Zifang Zhao, Onni J. Rauhala, Ashwin Viswanathan, Sameer A. Sheth, Jennifer N. Gelinas, and Dion Khodagholy. Mixed-conducting particulate composites for soft electronicsScience Advances, 2020 DOI: 10.1126/sciadv.aaz6767
  2. Claudia Cea, George D. Spyropoulos, Patricia Jastrzebska-Perfect, José J. Ferrero, Jennifer N. Gelinas, Dion Khodagholy. Enhancement-mode ion-based transistor as a comprehensive interface and real-time processing unit for in vivo electrophysiologyNature Materials, 2020; DOI: 10.1038/s41563-020-0638-3

Tautan ke artikel asli: Two Steps Closer to Flexible, Powerful, Fast Bioelectronic Devices / Columbia Engineering

Diterjemahkan oleh saintifia dengan seizin dari yang bersangkutan, segala kesalahan penerjemahan menjadi tanggungjawab kami.