Dion Khodagholy, professor assistente de engenharia elétrica, está focada no desenvolvimento de dispositivos bioeletrônicos que não são apenas rápidos, confidencial, Bio-compatível, suave, e flexível, mas também têm estabilidade de longo prazo em ambientes fisiológicos, como o corpo humano. Esses dispositivos melhorariam muito a saúde humana, desde o monitoramento do bem-estar doméstico até o diagnóstico e tratamento de doenças neuropsiquiátricas, incluindo epilepsia e doença de Parkinson. O design dos dispositivos atuais foi severamente restringido pelo rígido, componentes eletrônicos não biocompatíveis necessários para uso seguro e eficaz, e resolver esse desafio abriria a porta para uma ampla gama de novas terapias empolgantes.

Em colaboração com Jennifer N. Gelinas, Departamento de Neurologia, e o Institute for Genomic Medicine da Columbia University Iriving Medical Center, Khodagholy publicou recentemente dois artigos, o primeiro em Materiais da Natureza (16 de março) em transistores macios e orgânicos movidos a íons que ele e Gelinas projetaram para registrar neurônios individuais e realizar cálculos em tempo real que poderiam facilitar o diagnóstico e monitoramento de doenças neurológicas.

O segundo artigo, publicado hoje em Avanços da Ciência , demonstra um suave, compósito inteligente biocompatível - um material particulado condutor misto orgânico (MCP) - que permite a criação de componentes eletrônicos complexos que tradicionalmente requerem várias camadas e materiais. Também permite a ligação eletrônica fácil e eficaz entre materiais macios, tecido biológico, e eletrônica rígida. Por ser totalmente biocompatível e ter propriedades eletrônicas controláveis, O MCP pode registrar de forma não invasiva os potenciais de ação muscular da superfície do braço e, em colaboração com Sameer Sheth e Ashwin Viswanathan no departamento de neurocirurgia do Baylor College of Medicine, atividade cerebral em larga escala durante procedimentos neurocirúrgicos para implantar eletrodos de estimulação cerebral profunda.

"Em vez de implantes grandes encapsulados em caixas de metal grossas para proteger o corpo e os componentes eletrônicos um do outro, como aqueles usados ​​em marcapassos, e implantes cocleares e cerebrais, poderíamos fazer muito mais se nossos dispositivos fossem menores, flexível, e inerentemente compatível com nosso ambiente corporal, "diz Khodagholy, que dirige o Laboratório de NeuroEletrônica Translacional na Columbia Engineering. "Nos últimos anos, meu grupo tem trabalhado para usar propriedades únicas de materiais para desenvolver novos dispositivos eletrônicos que permitem uma interação eficiente com substratos biológicos - especificamente redes neurais e o cérebro. "

Os transistores convencionais são feitos de silício, então eles não podem funcionar na presença de íons e água, e de fato se quebram por causa da difusão de íons no dispositivo. Portanto, os dispositivos precisam ser totalmente encapsulados no corpo, geralmente em metal ou plástico. Além disso, embora funcionem bem com elétrons, eles não são muito eficazes na interação com sinais iônicos, que é como as células do corpo se comunicam. Como resultado, essas propriedades restringem o acoplamento abiótico / biótico a interações capacitivas apenas na superfície do material, resultando em desempenho inferior. Materiais orgânicos têm sido usados ​​para superar essas limitações, pois são inerentemente flexíveis, mas o desempenho elétrico desses dispositivos não era suficiente para realizar o registro e o processamento de sinais cerebrais em tempo real.

A equipe de Khodagholy aproveitou a condução eletrônica e iônica de materiais orgânicos para criar transistores acionados por íons que eles chamam de e-IGTs, ou modo de aprimoramento, transistores eletroquímicos orgânicos internos acionados por íons, que incorporaram íons móveis em seus canais. Como os íons não precisam viajar longas distâncias para participar do processo de troca de canal, eles podem ser ligados e desligados de forma rápida e eficiente. As respostas transitórias dependem do buraco do elétron em vez da mobilidade do íon, e se combinam com alta transcondutância para resultar em uma largura de banda de ganho que é várias ordens de magnitude acima de outros transistores baseados em íons.

Os pesquisadores usaram seus e-IGTs para adquirir uma ampla gama de sinais eletrofisiológicos, como a gravação in vivo de impulsos de ação neural, e para criar soft, Bio-compatível, unidades de processamento neural implantáveis ​​de longo prazo para a detecção em tempo real de descargas epilépticas.

"Estamos entusiasmados com essas descobertas, "diz Gelinas." Nós mostramos que os E-IGTs oferecem um seguro, de confiança, e bloco de construção de alto desempenho para bioeletrônica implantada cronicamente, e estou otimista de que esses dispositivos nos permitirão expandir com segurança a forma como usamos dispositivos bioeletrônicos para tratar doenças neurológicas. "

Outro grande avanço é demonstrado pelos pesquisadores em seus Avanços da Ciência papel:habilitando dispositivos bioeletrônicos, especificamente aqueles implantados no corpo para diagnóstico ou terapia, para interagir de forma eficaz e segura com o tecido humano, ao mesmo tempo que os torna capazes de realizar processamento complexo. Inspirado por células eletricamente ativas, semelhantes aos do cérebro que se comunicam com pulsos elétricos, a equipe criou um único material capaz de realizar vários, não linear, funções eletrônicas dinâmicas apenas variando o tamanho e a densidade de suas partículas condutoras mistas compostas.

"Esta inovação abre a porta para uma abordagem fundamentalmente diferente para o design de dispositivos eletrônicos, imitando redes biológicas e criando circuitos multifuncionais a partir de componentes puramente biodegradáveis ​​e biocompatíveis, "diz Khodagholy.

Os pesquisadores projetaram e criaram filmes anisotrópicos de alto desempenho baseados em particulados condutores mistos (MCP), transistores endereçáveis ​​independentemente, resistores, e diodos que não têm padrões, escalável, e biocompatível. Esses dispositivos realizavam uma variedade de funções, incluindo o registro da atividade neurofisiológica de neurônios individuais, realizando operações de circuito, e unindo eletrônicos rígidos e macios de alta resolução.

"O MCP reduz substancialmente a pegada de dispositivos de interface neural, permitindo o registro de dados neurofisiológicos de alta qualidade, mesmo quando a quantidade de tecido exposto é muito pequena, e, portanto, diminui o risco de complicações cirúrgicas, "diz Gelinas." E como o MCP é composto apenas de materiais biocompatíveis e disponíveis comercialmente, será muito mais fácil traduzir em dispositivos biomédicos e medicina. "

Ambos os E-IGTs e MCP são uma grande promessa como componentes críticos da bioeletrônica, de sensores miniaturizados vestíveis a neuroestimuladores responsivos. Os E-IGTs podem ser fabricados em grandes quantidades e são acessíveis a uma ampla variedade de processos de fabricação. De forma similar, Os componentes do MCP são baratos e facilmente acessíveis para cientistas e engenheiros de materiais. Em combinação, eles formam a base para dispositivos biocompatíveis totalmente implantáveis ​​que podem ser aproveitados tanto para beneficiar a saúde quanto para tratar doenças.

Khodagholy e Gelinas agora estão trabalhando na tradução desses componentes em dispositivos implantáveis ​​funcionais de longo prazo que podem registrar e modular a atividade cerebral para ajudar pacientes com doenças neurológicas, como a epilepsia.

"Nosso objetivo final é criar dispositivos bioeletrônicos acessíveis que possam melhorar a qualidade de vida das pessoas, "diz Khodagholy, "e com esses novos materiais e componentes, parece que chegamos mais perto disso. "