用于生物电子器件的快速 灵活的离子晶体管

医学领域的许多重大进展，尤其是神经学领域的进步，都是由能够获取，加工和与生物基质相互作用的电子系统的最新进展引发的。这些越来越多地用于理解动态生物和治疗人类疾病的生物电子系统需要能够记录身体信号，处理它们，检测模式以及提供电或化学刺激以解决问题的装置。

晶体管，即放大或切换电路上电子信号的器件，构成了这些系统的主干。然而，它们必须满足许多标准，以便在诸如人体的生物环境中有效且安全地操作。迄今为止，研究人员还未能在长时间内在这些环境中构建具有安全，可靠和快速操作所需功能的晶体管。

由哥伦比亚工程公司电气工程助理教授Dion Khodagholy和哥伦比亚大学医学中心神经病学系和基因组医学研究所的Jennifer N. Gelinas领导的团队开发出第一个生物相容性离子驱动晶体管，其速度足够快实现实时信号传感和脑信号的刺激。

内部离子门控有机电化学晶体管(IGT)通过导电聚合物通道中包含的移动离子进行操作，以实现体积电容(涉及整个通道主体的离子相互作用)和缩短的离子传输时间。IGT具有大的跨导(放大率)，高速，并且可以独立门控以及微制造以创建可缩放的适形集成电路。在他们今天发表在Science Advances上的研究中，研究人员展示了他们的IGT能够为人类皮肤提供小型化，柔软，舒适的界面，使用局部放大来记录高质量的神经信号，适用于高级数据处理。

Khodagholy说：“我们制造的晶体管可以使用离子进行通信，这是人体的电荷载体，速度足够快，可以进行神​​经生理学所需的复杂计算，即神经系统功能的研究。” “我们的晶体管通道由完全生物相容的材料制成，可以与离子和电子相互作用，使身体的神经信号更有效。我们现在能够构建更安全，更小，更智能的生物电子设备，如脑机接口，可穿戴电子设备和响应性治疗刺激设备，可以长时间植入人体。“

过去，传统的硅基晶体管已用于生物电子设备，但必须仔细封装以避免与体液接触 - 这既是为了患者的安全，也是为了使设备正常运行。该要求使得基于这些晶体管的植入物体积庞大且刚性。同时，在有机电子领域已经进行了大量工作以用塑料制造固有柔性的晶体管，包括诸如电解质门控或电化学晶体管的设计，其可以基于离子电流调制它们的输出。然而，这些装置不能足够快地操作以执行神经生理学应用中使用的生物电子装置所需的计算。

Khodagholy和他的博士后研究员George Spyropoulos，这项工作的第一作者，建立了一个基于导电聚合物的晶体管通道，以实现离子调制，并且，为了使器件快速，他们修改材料以拥有自己的移动离子。通过缩短离子在聚合物结构内行进所需的距离，与相同尺寸的其他离子装置相比，它们将晶体管的速度提高了一个数量级。

“重要的是，我们只使用完全生物相容的材料来制造这种装置。我们的秘密成分是D-山梨糖醇，或糖，”Khodagholy说。“糖分子吸引水分子，不仅有助于晶体管通道保持水分，还有助于离子在通道内更容易，更快速地传播。”

因为IGT可以显着提高患者的脑电图(EEG)程序的易用性和耐受性，研究人员选择该平台来展示其设备的翻译能力。利用他们的晶体管记录头皮表面的人脑波，他们发现直接在设备 - 头皮界面的IGT局部放大使接触尺寸减小了五个数量级 - 整个装置很容易适应头发之间卵泡，大大简化了放置。该装置还可以用手轻松操作，提高机械和电气稳定性。此外，由于微型EEG IGT装置符合头皮，因此不需要化学粘合剂，因此患者对粘合剂没有皮肤刺激，整体上更舒适。

这些装置也可用于制造可植入的闭环装置，例如目前用于治疗某些形式的医学难治性癫痫的装置。这些设备可以更小，更容易植入，并提供更多信息。

“我们最初的灵感是为神经植入物制作一个适形的晶体管，”Gelinas指出。“虽然我们专门针对大脑进行了测试，但IGT也可用于记录心脏，肌肉和眼球的瞬间。”

Khodagholy和Gelinas现在正在探索它们可以嵌入到聚合物中的物质限制。他们还在研究新材料，他们可以嵌入移动离子，并改进他们使用晶体管制作响应刺激设备的集成电路的工作。

“我们非常兴奋能够通过添加简单的成分来大幅改善离子晶体管，”Khodagholy指出。“通过这种速度和放大，再加上它们易于微加工，这些晶体管可以应用于许多不同类型的设备。未来使用这些设备有利于患者护理。”