（文章來源：教育新聞網）

電氣工程學助理教授Dion Khodagholy致力于開發生物電子設備，這些設備不僅快速，靈敏，具有生物相容性，柔軟和靈活，而且在人體等生理環境中具有長期穩定性。從監測家庭健康到診斷和治療神經精神疾病，包括癲癇病和帕金森氏病，此類設備將極大地改善人類健康。當前設備的設計受到安全，有效使用所需的剛性，非生物相容性電子組件的嚴重限制，解決這一挑戰將為各種令人興奮的新療法打開大門。

Khodagholy與哥倫比亞大學Iriving醫學中心神經學系的Jennifer N. Gelinas和基因組醫學研究所合作，最近發表了兩篇論文，第一篇是《自然材料》(3月16日)，涉及離子驅動的軟和有機晶體管，他和Gelinas旨在記錄單個神經元并執行實時計算，以促進神經系統疾病的診斷和監測。

今天發表在《科學進展》上的第二篇論文展示了一種柔軟的，生物相容性的智能復合材料-一種有機混合導電顆粒材料(MCP)-能夠創建傳統上需要多個層和材料的復雜電子組件。它還可以在軟材料，生物組織和剛性電子產品之間輕松有效地實現電子鍵合。由于MCP具有完全的生物相容性并且具有可控的電子特性，因此它可以無創地記錄手臂表面的肌肉動作電位，并且與貝勒醫學院神經外科的Sameer Sheth和Ashwin Viswanathan合作，可以在進行期間進行大規模的腦活動植入深部腦刺激電極的神經外科程序。

“與其將大型植入物封裝在厚金屬盒中以保護身體和電子設備(例如心臟起搏器，人工耳蝸和腦部植入物)相互保護，不如我們的設備更小，更靈活且固有，我們可以做更多的事情與我們的身體環境相容”，主管哥倫比亞工程公司平移神經電子實驗室的Khodagholy說。“在過去的幾年中，我的團隊一直在努力利用材料的獨特特性來開發新穎的電子設備，這些設備可以與生物基質(特別是神經網絡和大腦)進行有效的相互作用。”

常規晶體管是由硅制成的，因此它們在離子和水的存在下不能起作用，并且實際上由于離子擴散到器件中而損壞。因此，這些設備通常需要完全用金屬或塑料封裝在體內。而且，盡管它們能很好地與電子相互作用，但它們在與離子信號相互作用方面不是很有效，而離子信號正是人體細胞之間的通信方式。結果，這些性質將非生物/生物耦合限制為僅在材料表面上的電容性相互作用，從而導致較低的性能。由于有機材料具有固有的靈活性，因此已被用來克服這些限制，但是這些設備的電性能不足以進行實時的大腦信號記錄和處理。

霍達格霍利(Khodagholy)的團隊利用有機材料的電子和離子傳導優勢，創建了稱為e-IGT的離子驅動晶體管，或增強型內部離子門控有機電化學晶體管，這些晶體管將可移動離子嵌入其通道內。因為離子不需要長距離傳播就可以參與通道切換過程，因此可以快速有效地打開和關閉離子。瞬態響應取決于電子空穴而不是離子遷移率，并與高跨導相結合，導致增益帶寬比其他基于離子的晶體管高幾個數量級。

研究人員使用他們的e-IGT來獲取廣泛的電生理信號，例如體內記錄神經動作沖動，并創建軟的，生物相容的，長期可植入的神經處理單元，以實時檢測癲癇放電。“我們對這些發現感到興奮，”蓋利納斯說。“我們已經證明，E-IGT為長期植入的生物電子學提供了安全，可靠和高性能的構建塊，我樂觀地認為這些設備將使我們能夠安全地擴展我們使用生物電子設備治療神經系統疾病的方式。”

研究人員在《科學進展》論文中證明了另一項重大進展：使生物電子設備(尤其是植入人體中用于診斷或治療的生物電子設備)與人體組織有效且安全地對接，同時還使其能夠執行復雜的處理。受類似于大腦中與電脈沖通信的大腦中的電活動細胞的啟發，該團隊創造了一種僅通過改變其復合混合導電顆粒的大小和密度即可執行多種非線性動態電子功能的單一材料。 。

Khodagholy說：“這項創新為電子設備設計的根本不同方法打開了大門，該方法模仿了生物網絡，并由可完全生物降解和生物相容的組件創建了多功能電路。”

研究人員設計并創建了基于混合導電顆粒(MCP)的高性能各向異性膜，可獨立尋址的晶體管，電阻器和二極管，這些膜無圖案，可擴展且具有生物兼容性。這些設備執行各種功能，包括記錄單個神經元的神經生理活動，執行電路操作以及綁定高分辨率的軟性和剛性電子設備。Gelinas說：“ MCP大大減少了神經接口設備的占用空間，即使暴露的組織數量很少，也可以記錄高質量的神經生理數據，從而降低了手術并發癥的風險。”“而且，由于MCP僅由可生物相容且可商購的材料組成，因此將其轉換為生物醫學設備和藥物將更加容易。”

E-IGT和MCP都有望成為生物電子學的重要組成部分，從可穿戴的微型傳感器到響應型神經刺激器。E-IGT可以大量生產，并且可用于各種制造工藝。同樣，MCP組件價格便宜，而且材料科學家和工程師容易獲得。結合起來，它們構成了完全可植入的生物相容性設備的基礎，這些設備可被利用來有益于健康和治療疾病。

Khodagholy和Gelinas現在正在努力將這些成分轉化為功能性的長期可植入設備，這些設備可以記錄和調節大腦活動，以幫助患有神經系統疾病(例如癲癇病)的患者。霍達格霍利說：“我們的最終目標是創造可改善人們生活質量的無障礙生物電子設備，而有了這些新材料和新組件，我們似乎就已經邁出了一步。”
（責任編輯：fqj）