Biotransístors já são realidade!

Biotransístors já são realidade!

Muitos avanços importantes na medicina, especialmente na neurologia, foram desencadeados pelos recentes avanços nos sistemas eletrônicos que podem adquirir, processar e interagir com substratos biológicos. Esses sistemas bioeletrônicos, que são cada vez mais usados ​​para entender 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 trocam sinais eletrônicos em circuitos, formam a espinha dorsal desses sistemas. No entanto, eles devem atender a vários critérios para operar de forma eficiente e segura em ambientes biológicos, como o corpo humano. Até o momento, os pesquisadores não conseguiram construir transistores com todos os recursos necessários para operações seguras, confiáveis ​​e rápidas 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 biométrico acionado por íons que é rápido o suficiente para permitir a detecção de sinal em tempo real e estimulação de sinais cerebrais.

O transistor eletroquímico orgânico (IGT), operado por íon interno, opera via íons móveis contidos dentro de um canal de polímero condutor para permitir a capacitância volumétrica (interações iônicas envolvendo todo o volume do canal) e encurtar o tempo de trânsito iônico. O IGT possui grande transcondutância (taxa de amplificação), alta velocidade, e pode ser fechado independentemente, assim como microfabricado para criar circuitos integrados adaptáveis ​​e escalonáveis. Em seu estudo publicado hoje na Science Advances , os pesquisadores demonstraram a capacidade de sua IGT para fornecer uma interface adaptável miniaturizada, macia com a pele humana, usando amplificação local para gravar sinais neurais de alta qualidade, adequados para processamento avançado de dados.

"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 a neurofisiologia, o estudo da função do sistema nervoso", diz Khodagholy. "O canal do nosso transistor é feito de materiais totalmente biocompatíveis e pode interagir com íons e elétrons, tornando a comunicação com sinais neurais do corpo mais eficiente. Agora seremos capazes de construir dispositivos bioeletrônicos mais seguros, menores e 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, os tradicionais transistores à base de silício foram usados ​​em dispositivos bioeletrônicos, mas eles devem ser cuidadosamente encapsulados para evitar o contato com fluidos corporais - tanto para a segurança do paciente quanto para o funcionamento adequado do dispositivo. Esta exigência faz implantes baseados nesses transistores volumosos e rígidos. Em paralelo, um bom trabalho foi feito no campo da eletrônica orgânica para criar transistores inerentemente flexíveis de plástico, incluindo projetos como transistores eletrogênicos ou eletromecânicos que podem modular sua saída com base em correntes iônicas. No entanto, esses dispositivos não podem operar rápido o suficiente para realizar os cálculos necessários para dispositivos bioeletrônicos usados ​​em aplicações de neurofisiologia.

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

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

Como o IGT poderia melhorar significativamente a facilidade e a tolerabilidade dos procedimentos de eletroencefalografia (EEG) para os pacientes, os pesquisadores selecionaram essa plataforma para demonstrar a capacidade de tradução do dispositivo. Usando seu transistor para registrar as ondas cerebrais humanas da superfície do couro cabeludo, eles mostraram que a amplificação local do IGT diretamente na interface dispositivo-couro cabeludo permitiu que o tamanho do contato diminuísse em cinco ordens de magnitude - o dispositivo inteiro cabia facilmente entre os cabelos folículos, simplificando substancialmente a colocação. O dispositivo também pode ser facilmente manipulado manualmente, melhorando a estabilidade mecânica e elétrica. Além disso, porque o dispositivo micro-EEG IGT está em conformidade com o couro cabeludo, não foram necessários adesivos químicos, de modo que o paciente não teve irritação da pele por adesivos e ficou mais confortável em geral.

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

"Nossa inspiração original foi fazer um transistor adaptável para implantes neurais", observa Gelinas. "Embora tenhamos testado especificamente para o cérebro, os IGTs também podem ser usados ​​para registrar o momento cardíaco, muscular e ocular".

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

"Estamos muito animados por podermos melhorar substancialmente os transistores iônicos, adicionando ingredientes simples", observa Khodagholy. "Com essa velocidade e amplificação, combinadas com sua facilidade de microfabricação, esses transistores poderiam 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".

Artigo:

George D. Spyropoulos, Jennifer N. Gelinas and Dion Khodagholy. Internal-ion gated organic electrochemical transistor: a building block for integrated bioelectronics. Science Advances, 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aau7378

Fonte:

www.sciencedaily.com