Muitos avanços importantes na medicina, especialmente em neurologia, foram provocados por avanços recentes em sistemas eletrônicos que podem adquirir, processo, e interagir com substratos biológicos. Esses sistemas bioeletrônicos, que são cada vez mais usados ​​para compreender organismos vivos dinâmicos e para tratar doenças humanas, requerem dispositivos que podem registrar sinais corporais, processá-los, detectar padrões, e fornecer estimulação elétrica ou química para resolver problemas.

Transistores, os dispositivos que amplificam ou alternam sinais eletrônicos em circuitos, formam a espinha dorsal desses sistemas. Contudo, eles devem atender a vários critérios para operar com eficiência e segurança em ambientes biológicos, como o corpo humano. A data, pesquisadores não foram capazes de construir transistores com todos os recursos necessários para segurança, de confiança, e operação rápida nesses ambientes por longos períodos de tempo.

Uma equipe liderada por Dion Khodagholy, professor assistente de engenharia elétrica na Columbia Engineering, e Jennifer N. Gelinas, Centro Médico da Universidade de Columbia, Departamento de Neurologia, e o Instituto de Medicina Genômica, desenvolveu o primeiro transistor impulsionado por íons biocompatível que é rápido o suficiente para permitir a detecção de sinal em tempo real e estimulação de sinais cerebrais.

O transistor eletroquímico orgânico com entrada de íon interno (IGT) opera por meio de íons móveis contidos em um canal de polímero condutor para permitir a capacitância volumétrica (interações iônicas envolvendo todo o volume do canal) e o tempo de trânsito iônico reduzido. O IGT tem grande transcondutância (taxa de amplificação), alta velocidade, e pode ser fechado de forma independente, bem como microfabricado para criar circuitos integrados adaptáveis ​​escalonáveis. Em seu estudo publicado hoje em Avanços da Ciência , os pesquisadores demonstram a capacidade de seu IGT para fornecer um miniaturizado, suave, interface adaptável com pele humana, usando amplificação local para gravar sinais neurais de alta qualidade, adequado para processamento de dados avançado.

"Fizemos um transistor que pode se comunicar usando íons, os portadores de carga do corpo, em velocidades rápidas o suficiente para realizar cálculos complexos necessários para neurofisiologia, o estudo da função do sistema nervoso, "Khodagholy diz." O canal do nosso transistor é feito de materiais totalmente biocompatíveis e pode interagir com íons e elétrons, tornando a comunicação com os sinais neurais do corpo mais eficiente. Agora seremos capazes de construir de forma mais segura, menor, e dispositivos bioeletrônicos mais inteligentes, como interfaces cérebro-máquina, eletrônicos vestíveis, e dispositivos de estimulação terapêutica responsivos, que podem ser implantados em humanos por longos períodos de tempo. "

No passado, transistores baseados em silício tradicionais têm sido usados ​​em dispositivos bioeletrônicos, mas devem ser cuidadosamente encapsulados para evitar o contato com fluidos corporais - tanto para a segurança do paciente quanto para a operação adequada do dispositivo. Esse requisito torna os implantes baseados nesses transistores volumosos e rígidos. Em paralelo, muito trabalho foi feito no campo da eletrônica orgânica para criar transistores flexíveis de plástico, incluindo projetos como transistores eletrolíticos ou eletroquímicos que podem modular sua saída com base em correntes iônicas. Contudo, esses dispositivos não podem operar com rapidez suficiente para realizar os cálculos necessários para dispositivos bioeletrônicos usados ​​em aplicações de neurofisiologia.

Khodagholy e seu pesquisador de pós-doutorado George Spyropoulos, o primeiro autor deste trabalho, construiu um canal de transistor com base em polímeros condutores para permitir a modulação iônica, e, para tornar o dispositivo rápido, eles modificaram o material para ter seus próprios íons móveis. Ao encurtar a distância que os íons precisam viajar dentro da estrutura do polímero, eles melhoraram a velocidade do transistor em uma ordem de magnitude em comparação com outros dispositivos iônicos do mesmo tamanho.

"Importante, só usamos material totalmente biocompatível para criar este dispositivo. Nosso ingrediente secreto é o D-sorbitol, ou açúcar, "diz Khodagholy." As moléculas de açúcar atraem moléculas de água e não apenas ajudam o canal do transistor a se manter hidratado, mas também ajudam os íons a viajarem com mais facilidade e rapidez dentro do canal. "

Como o IGT pode melhorar significativamente a facilidade e tolerabilidade dos procedimentos de eletroencefalografia (EEG) para os pacientes, os pesquisadores selecionaram esta plataforma para demonstrar a capacidade translacional de seu dispositivo. Usando seu transistor para registrar as ondas cerebrais humanas da superfície do couro cabeludo, eles mostraram que a amplificação local IGT diretamente na interface do dispositivo-couro cabeludo permitiu que o tamanho do contato fosse diminuído em cinco ordens de magnitude - o dispositivo inteiro cabia facilmente entre os folículos capilares, simplificando substancialmente a colocação. O dispositivo também pode ser facilmente manipulado à mão, melhorando a estabilidade mecânica e elétrica. Além disso, porque o dispositivo micro-EEG IGT está em conformidade com o couro cabeludo, nenhum adesivo químico foi necessário, portanto, o paciente não teve irritação da pele com adesivos e estava mais confortável no geral.

Esses dispositivos também podem ser usados ​​para fazer dispositivos implantáveis ​​de circuito fechado, como os usados ​​atualmente para tratar algumas formas de epilepsia refratária ao medicamento. Os dispositivos podem ser menores e mais fáceis de implantar, e também fornecer mais informações.

"Nossa inspiração original foi fazer um transistor adaptável para implantes neurais, "Gelinas observa." Embora tenhamos testado especificamente para o cérebro, IGTs também podem ser usados ​​para registrar o coração, músculo, e momento do olho. "

Khodagholy e Gelinas agora estão explorando se há limites físicos para o tipo de íons móveis que eles podem incorporar ao polímero. Eles também estão estudando novos materiais nos quais podem incorporar íons móveis, bem como refinando seu trabalho no uso de transistores para fazer circuitos integrados para dispositivos de estimulação responsivos.

"Estamos muito entusiasmados por podermos melhorar substancialmente os transistores iônicos adicionando ingredientes simples, "Khodagholy observa." Com tanta velocidade e amplificação, combinada com sua facilidade de microfabricação, esses transistores podem ser aplicados a muitos tipos diferentes de dispositivos. Há um grande potencial para o uso desses dispositivos para beneficiar o atendimento ao paciente no futuro. "