中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
美國加州大學(xué)歐文分校的研究人員開(kāi)發(fā)出一種柔軟、適形的植入物，可以測量受試者發(fā)育過(guò)程中大腦的神經(jīng)信號。這項發(fā)明采用一種有機聚合物材料，與剛性的硅基醫療器件相比，更適合敏感的活體組織。
美國加州大學(xué)歐文分校（UC Irvine）和紐約哥倫比亞大學(xué)（Columbia University）的研究人員將晶體管嵌入一種柔軟、舒適的保形材料，制造出一種生物相容性傳感器植入物，可在受試者發(fā)育的各個(gè)階段監測其神經(jīng)功能。
這項研究成果已經(jīng)以“Spatial control of doping in conducting polymers enables complementary, conformable, implantable internal ion-gated organic electrochemical transistors”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。加州大學(xué)歐文分校的科學(xué)家們在論文中介紹了他們構建的互補、適形、可植入的內部離子門(mén)控有機電化學(xué)晶體管，這種晶體管在化學(xué)、生物學(xué)和電子學(xué)方面都比剛性硅基技術(shù)更適合活體組織?；谶@種晶體管的生物醫療器件可以在人體敏感部位發(fā)揮作用，甚至在器官生長(cháng)時(shí)還能與器官結構相適應。
研究人員展示了通過(guò)調制混合導電聚合物溝道的空間去摻雜，可以實(shí)現溝道電流的定向控制，從而利用單一有機材料生成互補的內部離子門(mén)控有機電化學(xué)晶體管（cIGT）。通過(guò)引入非對稱(chēng)接觸區域實(shí)現了這種調制，進(jìn)而在最低電位接觸區域產(chǎn)生接觸介導的去摻雜。增強的局部去摻雜可以有針對性地增加第一和第三象限的飽和區域，而無(wú)需對材料進(jìn)行任何改動(dòng)。只要接觸面積大于溝道，水平和垂直溝道的晶體管都可以應用這種方法。
基于cIGT的適形放大器陣列，用于穩定、長(cháng)期的體內電生理記錄
研究人員通過(guò)幾種導電聚合物（包括載流子類(lèi)型和極性）復制這一過(guò)程，證明了其設計原理的通用性。利用從器件幾何變化中得到的設計規則，研究人員創(chuàng )建了高度匹配的垂直晶體管，作為保形放大器的構件。這些放大器可以在超過(guò)2 MHz的頻率下以均勻的大于200倍的增益工作。
將它們長(cháng)期植入自由活動(dòng)的大鼠體內一個(gè)多月后，它們仍表現出穩定的性能。目前可用的放大器無(wú)法完全植入，無(wú)法在提供高局部電壓放大的同時(shí)，實(shí)現符合人體工學(xué)的微型化尺寸。雖然在大型動(dòng)物模型中可以通過(guò)采用剛性擠出組件來(lái)克服這一限制，但由于植入會(huì )妨礙正?；顒?dòng)或需要進(jìn)行大型外科手術(shù)，因此阻礙了臨床轉化。在嘗試對未成熟的小動(dòng)物進(jìn)行電生理學(xué)研究時(shí)，也會(huì )遇到這些轉化困難。這些脆弱的生物需要持續的母體護理，無(wú)法耐受影響行動(dòng)的剛性、系留植入物，也無(wú)法承受大型手術(shù)。因此，研究人員通過(guò)將cIGT植入發(fā)育中的小鼠體內來(lái)測試cIGT的轉化潛力?；赾IGT的電壓放大器被完全植入小鼠體內，實(shí)現了在自然環(huán)境中進(jìn)行縱向電生理記錄，這在過(guò)去是不可能實(shí)現的。
基于cIGT的完全植入式放大器，用于采集大腦發(fā)育過(guò)程中的神經(jīng)活動(dòng)
“先進(jìn)電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了數十年，因此有大量可用的電路設計。問(wèn)題是，這些晶體管和放大器技術(shù)大多與我們的生理機制不兼容?！闭撐墓餐髡?、加州大學(xué)歐文分校電子工程與計算機科學(xué)系教授Dion Khodagholy說(shuō)，“在我們的這項創(chuàng )新中，使用了在生物學(xué)本質(zhì)上更接近生物體的有機聚合物材料，并將其設計為離子相互作用機制，因為大腦和身體的語(yǔ)言是‘離子語(yǔ)言’，而不是‘電子語(yǔ)言’?！?/p>
在標準的生物電子器件中，互補晶體管由不同的材料組成，以對應不同的信號極性，除了不牢固和笨重之外，還存在植入敏感區域時(shí)帶來(lái)的毒性風(fēng)險。該研究團隊成功解決了這一難題，他們以一種不對稱(chēng)的方式構建晶體管，使其能夠使用單一的生物相容材料進(jìn)行工作。
“晶體管就像一個(gè)控制電流流動(dòng)的簡(jiǎn)單閥門(mén)。在我們開(kāi)發(fā)的晶體管中，控制這種調制的物理過(guò)程是由溝道的電化學(xué)摻雜和去摻雜決定的?！痹撜撐牡谝蛔髡?、哥倫比亞大學(xué)博士研究生、加州大學(xué)歐文分校電子工程與計算機科學(xué)系的訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者Duncan Wisniewski說(shuō)，“通過(guò)設計具有不對稱(chēng)接觸的器件，我們可以控制溝道中的摻雜位置，并將焦點(diǎn)從負電位切換到正電位。這種設計方法使我們能夠使用單一材料制造互補器件?！?/p>
他補充說(shuō)，將晶體管排列成更小的單一聚合物材料大大簡(jiǎn)化了制造過(guò)程，從而使大規模制造成為可能，并有機會(huì )將該技術(shù)從最初的神經(jīng)學(xué)應用擴展到幾乎所有的生物電勢過(guò)程。
Khodagholy是加州大學(xué)歐文分校轉化神經(jīng)電子學(xué)實(shí)驗室的負責人，該實(shí)驗室最近從哥倫比亞大學(xué)搬到了歐文分校?！霸撗芯砍晒牧硪粋€(gè)優(yōu)勢是可擴展性?！彼f(shuō)，“由此，我們可以制造不同尺寸的器件，且仍能保持這種互補性，甚至可以改變材料，這使得這項創(chuàng )新適用于更多情景?！?/p>
該論文強調的另一個(gè)優(yōu)勢是，這種器件可以植入發(fā)育中的動(dòng)物體內，并能承受生物體生長(cháng)過(guò)程中組織結構的變化，而這是剛性硅基植入物無(wú)法做到的。
該論文共同作者、加州大學(xué)歐文分校解剖學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和兒科學(xué)副教授Jennifer Gelinas說(shuō)：“這一特性使該器件在兒科研究領(lǐng)域特別有用?！?/p>
Khodagholy說(shuō)：“這項研究證明了我們有能力構建這種能夠高質(zhì)量采集并處理生物信號的強大互補集成電路。這種互補、內部離子門(mén)控有機電化學(xué)晶體管，將大大拓寬生物電子學(xué)器件的應用，而在過(guò)去這些器件通常需要依賴(lài)笨重的非生物相容性組件?！?/p>
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55284-w
