Последние исследования Колумбийского университета в области биоэлектроники

Последние исследования Колумбийского университета в области биоэлектроники

Выпуск 10 (6709) от 28 мая 2020 г.
РУБРИКА: БИОТЕХНОЛОГИИ И БИОИНЖЕНЕРИЯ

Одно из важных направлений развития биоинженерии и медицинской электроники – ​разработка биосовместимых, мягких и гибких биоэлектронных приборов и материалов, обладающих долгосрочной стабильностью в физиологических средах, таких как организм человека. К приборам также предъявляются требования высоких быстродействия и чувствительности. Такие приборы и материалы могут значительно улучшить здравоохранение – ​от мониторинга состояния пациента в повседневной жизни до диагностики и лечения психоневрологических заболеваний, включая эпилепсию и болезнь Паркинсона. С этой точки зрения интерес представляют последние работы ученых Колумбийского университета (Нью-Йорк, шт. Нью-Йорк, США).

Конструкции современных медицинских приборов и устройств серьезно ограничены жесткостью и биологической несовместимостью входящих в их состав электронных компонентов. Для безопасного и эффективного использования медицинской техники требуется устранить эти барьеры – ​и открыть широкую область новых, перспективных методов лечения.

Исследователи кафедры неврологии и специалисты Института геномной медицины при Медицинском центре Ирвинга Колумбийского университета недавно представили две работы. Первая, опубликованная в журнале Nature Materials 16 марта 2020 г., посвящена ионно-управляемым мягким органическим транзисторам (встраиваемые органические электрохимические транзисторы с ионно-управляемым (ионным) затвором и расширенными функциональными возможностями – ​enhancement-mode, internal ion-gated organic electrochemical transistor, e-IGT). Эти транзисторы разработаны для записи отдельных нейронов и выполнения вычислений в реальном масштабе времени. Приборы на основе таких транзисторов могут облегчить диагностику и мониторинг неврологических заболеваний. Вторая статья, опубликованная в журнале Science Advances 24 апреля 2020 г., описывает мягкий биосовместимый умный композит – ​органический материал на основе смешанных частиц с различной проводимостью (organic mixed-conducting particulate composite material, MCP). Данный композит позволяет создавать сложные электронные компоненты, традиционно требующие использования многослойных структур из нескольких материалов, и обеспечивает легкое и эффективное электронное соединение между мягкими материалами, биологической тканью и жесткой электроникой. Поскольку MCP полностью биосовместим и обладает контролируемыми электронными свойствами, приборы на его основе могут неинвазивно регистрировать потенциалы мышечного действия с поверхности руки, а также активность мозга во время нейрохирургических процедур имплантации электродов для глубокой стимуляции мозга [1].

Недостаток современных имплантатов – ​кохлеарных, мозговых и используемых в кардиостимуляторах – ​их большие размеры, обусловленные необходимостью защитить тело и электронику друг от друга. Перед разработчиками стоит задача сделать подобные приборы и устройства меньше, гибче, а также обеспечить их совместимость со средой человеческого тела. Обычные транзисторы изготавливаются на основе кремния, поэтому они не могут функционировать в присутствии ионов и воды – ​происходит их разрушение из-за диффузии ионов в прибор или устройство. Поэтому приборы и устройства должны обладать полностью герметичным корпусом, обычно металлическим или пластиковым. Более того, хотя подобные приборы и устройства хорошо работают с электронами, они не очень эффективны при взаимодействии с ионными сигналами, а ведь именно на их основе осуществляется взаимодействие клеток тела. В результате эти свойства ограничивают абиотическое и биотическое взаимодействие емкостными взаимодействиями только на поверхности материала, что приводит к снижению производительности. Для преодоления этих ограничений использовались органические материалы, поскольку они по своей природе являются гибкими, однако их электрические характеристики были недостаточными для записи и обработки сигналов мозга в реальном масштабе времени.

В течение последних нескольких лет одна из групп ученых Колумбийского университета работала над исследованием уникальных свойств различных материалов с целью разработки новых электронных приборов и устройств, обеспечивающих эффективное взаимодействие с биологическими подложками и структурами, в частности с нейронными сетями и мозгом.

Для создания органического электрохимического транзистора (e-IGT) разработчики использовали свойство электронной и ионной проводимости органических материалов. Расширенные возможности e-IGT обеспечиваются внутренними каналами, в которых циркулируют подвижные ионы. Ионам не нужно преодолевать большие расстояния, чтобы участвовать в процессе переключения каналов, поэтому операции включения–выключения осуществляются быстро и эффективно. Переходные характеристики зависят скорее от электронно-дырочной проводимости, чем от подвижности ионов, и в сочетании с активной междуэлектродной проводимостью это приводит к тому, что произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания оказывается на несколько порядков выше, чем у других ионных транзисторов (рис. 1).

Исследователи использовали свои e-IGT для записи широкого спектра электрофизиологических сигналов, таких как импульсы активных нейронов, а также для создания мягких биосовместимых имплантируемых приборов и устройств обработки нейронных данных. Эти приборы, отличающиеся длительным сроком службы, позволяют обнаруживать сигналы приближающегося эпилептического приступа в реальном масштабе времени [2].

Другая исследовательская группа Колумбийского университета создала сложный составной MCP-материал, позволяющий биоэлектронным приборам и устройствам, в частности, имплантированным в организм для диагностики или терапии, эффективно и безопасно взаимодействовать с тканями человека. Кроме того, MCP-материал дает возможность имплантируемым приборам и устройствам выполнять сложные операции обработки данных. Новый MCP-материал способен поддерживать выполнение множества нелинейных динамических электронных функций – ​за образец были взяты биологические электрически активные элементы, подобные тем, что взаимодействуют в мозге с электрическими импульсами. Выполнение различных функций нового материала осуществляется простым изменением размера и плотности его составных частиц с различной проводимостью.

Данное новшество открывает двери для принципиально иного подхода к проектированию электронных приборов и устройств, имитирующих биологические сети. Появляется возможность создания многофункциональных схем только из биоразлагаемых и биосовместимых компонентов.



Источник: Columbia Engineering

Рисунок 1. Встраиваемый органический электрохимический транзистор с ионно-управляемым (ионным) затвором и расширенными функциональными возможностями (e-IGT): а) вид e-IGT сверху (вверху) в масштабе 5 мкм и сверхгибкая ультратонкая матрица e-IGT, принимающая форму поверхности человеческой руки (внизу); б) структура прибора (вводящегося в глубокие слои коры головного мозга) на основе четырех e-IGT для записи in vivo потенциалов локальных полей (нейронов) и пичков в масштабе 80 мкм


Исследователи спроектировали и создали высокоэффективные MCP анизотропные пленки, независимо адресуемые транзисторы, резисторы и диоды, не имеющие жесткой структуры, отличающиеся масштабируемостью и биосовместимостью. Эти приборы и устройства выполняли различные функции, включая запись нейрофизиологической активности отдельных нейронов, осуществление работы электрической цепи и объединение мягкой и жесткой электроники с высокой разрешающей способностью (рис. 2).

MCP-материалы позволяют существенно уменьшить габариты приборов и устройств с нейронным интерфейсом и дают возможность осуществлять высококачественную запись нейрофизиологических данных даже при малой площади измерений. Благодаря этому снижается риск хирургических осложнений. Поскольку MCP состоят только из биосовместимых и коммерчески доступных материалов, их будет гораздо проще внедрить в биомедицинские приборы, устройства и лекарства [3].

* * *

И e-IGT, и MCP имеют большие перспективы в качестве важнейших компонентов биоэлектроники – ​от носимых миниатюрных датчиков до чувствительных нейростимуляторов. Главное премущество e-IGT состоит в том, что их можно изготавливать в больших количествах с использованием широкого спектра производственных процессов. Точно так же компоненты на основе MCP отличаются малой стоимостью, а потому легко доступны для разработчиков. Совместное применение e-IGT и MCP – ​основа для формирования полностью биосовместимых имплантируемых приборов и устройств, которые можно использовать как для улучшения состояния здоровья, так и для лечения заболеваний.

В настоящее время ученые Колумбийского университета работают над преобразованием результатов своих исследований в полнофункциональные имплантируемые приборы и устройства длительного срока службы. 



Источник: Columbia Engineering

Рисунок 2. Прибор неинвазивной электрофизиологической записи на основе MCP: а) две приборные матрицы, объединенные MCP (стрелка указывает область соединения), в масштабе 500 мкм; б) матрица электромиографа с высокой плотностью расположения элементов, прикрепленная к запястью человека при помощи MCP (слева). Схематическое изображение поперечных сечений границы соприкосновения электроники и кожи при помощи геля и MCP (справа)


Подобные изделия будут способны, в частности, регистрировать и моделировать активность мозга для помощи пациентам с неврологическими заболеваниями, такими как эпилепсия.


1. Davis Shannon. Two Steps Closer to Flexible, Powerful, Fast Bioelectronic Devices. Semiconductor Daily Digest, April 27, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/04/27/two-steps-closer-to-flexible-powerful-fast-bioelectr... 

2. Cea Claudia, Spyropoulos George D., Jastrzebska-Perfect Patricia, Ferrero José J., Gelinas Jennifer N., Khodagholy Dion. Enhancement-Mode Ion-Based Transistor as a Comprehensive Interface and Real-Time Processing Unit for In Vivo Electrophysiology. Nature Materials, March 16, 2020. DOI: 10.1038/s41563–020–0638–3: https://www.nature.com/articles/s4156302006383 

3. Jastrzebska-Perfect Patricia, Spyropoulos George D., Cea Claudia, Zhao Zifang, Rauhala Onni J., Viswanathan Ashwin, Sheth Sameer A., Gelinas Jennifer N., Khodagholy Dion. Mixed-Conducting Particulate Composites for Soft Electronics. Science Advances, April 24, 2020: Vol. 6, no. 17. DOI: 10.1126/sciadv.aaz6767: https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz6767


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ