מתקדמים בטיפולים מדויקים עם מכשיר ביו-אלקטרוני חדשני לגמרי: טרנזיסטור זעיר מאפשר למכשיר לרכוש ולשדר אותות מוחיים נוירו-פיזיולוגיים ובו זמנית לספק כוח למכשיר המושתל

צורך במכשירים ביו-אלקטרוניים בטוחים וגמישים

מכשירים ביו-אלקטרוניים מושתלים ממלאים תפקיד קריטי בטיפולים אלה, אך ישנם מספר אתגרים שעצרו את האימוץ הנרחב שלהם. התקנים אלה דורשים רכיבים מיוחדים עבור רכישת אותות, עיבוד, העברת נתונים והנעה. עד כה, השגת יכולות אלו במכשיר מושתל כללה שימוש במספר רב של רכיבים קשיחים ובלתי תואמים ביולוגיים שעלולים להוביל להפרעה ברקמות ולאי נוחות של המטופל. באופן אידיאלי, מכשירים אלה צריכים להיות ביו-תואמים, גמישים ויציבים לטווח הארוך בגוף. הם גם חייבים להיות מהירים ורגישים מספיק כדי להקליט אותות ביולוגיים מהירים בעלי משרעת נמוכה, תוך שהם עדיין מסוגלים להעביר נתונים לניתוח חיצוני.

חוקרי קולומביה ממציאים את המכשיר הביו-אלקטרוני הראשון, העומד בפני עצמו, גמיש, אורגני לחלוטין

חוקרי קולומביה הנדסה הודיעו היום שהם פיתחו את המכשיר הביו-אלקטרוניקי הראשון, העומד להתאמה, אורגני לחלוטין, שיכול לא רק לרכוש ולהעביר אותות מוחיים נוירו-פיזיולוגיים, אלא גם לספק כוח לפעולת המכשיר. מכשיר זה, קטן פי 100 משערת אדם, מבוסס על ארכיטקטורת טרנזיסטור אורגנית המשלבת תעלה אנכית וצינור מים ממוזער המדגים יציבות ארוכת טווח, ביצועים חשמליים גבוהים ופעולה במתח נמוך למניעת נזק לרקמות ביולוגיות. הממצאים מתוארים במחקר חדש שפורסם היום ב חומרי טבע.

הן החוקרים והן הקלינאים ידעו שיש צורך בטרנזיסטורים המציגים במקביל את כל התכונות הללו: מתח פעולה נמוך, תאימות ביולוגית, יציבות ביצועים, התאמה עבור in vivo מבצע; וביצועים חשמליים גבוהים, כולל תגובה זמנית מהירה, הולכה גבוהה ופעולה ללא דיבורים. טרנזיסטורים מבוססי סיליקון הם הטכנולוגיות המבוססות ביותר, אך הם אינם פתרון מושלם מכיוון שהם קשים, קשיחים ואינם מסוגלים ליצור ממשק יונים יעיל מאוד עם הגוף. ]

הצוות התייחס לנושאים אלה על ידי הצגת ארכיטקטורת IGT (טרנזיסטור אלקטרוכימי אורגני עם יציאות פנימית-יונים) ניתנת להרחבה, עצמאית, ה-vIGT. הם שילבו סידור תעלות אנכי המגביר את המהירות הפנימית של ארכיטקטורת ה-IGT על ידי אופטימיזציה של גיאומטריית הערוצים ומתרת סידור צפיפות גבוהה של טרנזיסטורים זה ליד זה – 155,000 מהם לכל סנטימטר מרובע.

vGITs הניתנים להרחבה הם הטרנזיסטורים האלקטרוכימיים המהירים ביותר

ה-vIGTs מורכבים מחומרים ביו-תואמים, זמינים מסחרית, שאינם דורשים עטיפה בסביבות ביולוגיות ואינם נפגעים מחשיפה למים או ליונים. החומר המרוכב של התעלה יכול להיות מיוצר בשחזור בכמויות גדולות וניתן לעיבוד פתרון, מה שהופך אותו לנגיש יותר למגוון רחב של תהליכי ייצור. הם גמישים ותואמים לשילוב במגוון רחב של מצעי פלסטיק הניתנים להתאמה ויש להם יציבות ארוכת טווח, הצלבה בין טרנזיסטור נמוכה ויכולת אינטגרציה בצפיפות גבוהה, המאפשרים ייצור של מעגלים משולבים יעילים.

"אלקטרוניקה אורגנית אינה ידועה בביצועים הגבוהים והאמינות שלה", אמר מנהיג המחקר דיון חודגולי, פרופסור חבר להנדסת חשמל. "אבל עם ארכיטקטורת ה-vGIT החדשה שלנו, הצלחנו לשלב תעלה אנכית שיש לה אספקה ​​משלה של יונים. הספיקות העצמית הזו של יונים גרמה לטרנזיסטור להיות מהיר במיוחד – למעשה, הם כרגע הטרנזיסטורים האלקטרוכימיים המהירים ביותר. "

כדי לדחוף את מהירות הפעולה עוד יותר, הצוות השתמש בטכניקות ננו-ייצור מתקדמות כדי למזער וצפיפות טרנזיסטורים אלה בקנה מידה תת-מיקרומטר. הייצור התקיים בחדר הנקי של יוזמת Columbia Nano.

שיתוף פעולה עם קלינאי CUIMC

כדי לפתח את הארכיטקטורה, החוקרים נדרשו תחילה להבין את האתגרים הכרוכים באבחון ובטיפול בחולים עם הפרעות נוירולוגיות כמו אפילפסיה, כמו גם את המתודולוגיות המשמשות כיום. הם עבדו עם עמיתים במחלקה לנוירולוגיה במרכז הרפואי ארווינג של אוניברסיטת קולומביה, בפרט, עם ג'ניפר ג'לינאס, עוזרת פרופסור לנוירולוגיה, הנדסת חשמל וביו-רפואה ומנהלת מעבדת האפילפסיה והקוגניציה.

השילוב של מהירות גבוהה וגמישות. ופעולת מתח נמוך מאפשרת לטרנזיסטורים לשמש לא רק להקלטת אותות עצביים אלא גם להעברת נתונים כמו גם להנעת המכשיר, מה שמוביל לשתל בעל התאמה מלאה. החוקרים השתמשו בתכונה זו כדי להדגים שתלים רכים לחלוטין וניתנים לאימות המסוגלים להקליט ולשדר פעילות עצבית ברזולוציה גבוהה הן מבחוץ, על פני המוח, כמו גם מבפנים, עמוק בתוך המוח.

"עבודה זו תפתח בפוטנציה מגוון רחב של הזדמנויות תרגומיות ותהפוך שתלים רפואיים לנגישים למטופלים דמוגרפיים גדולים שבאופן מסורתי אינם מתאימים להתקנים מושתלים בשל המורכבות והסיכונים הגבוהים של הליכים כאלה", אמר ג'לינאס.

"מדהים לחשוב שהמחקר והמכשירים שלנו יכולים לעזור לרופאים עם אבחון טוב יותר ויכולים להשפיע לטובה על איכות החיים של המטופלים", הוסיפה המחברת הראשית של המחקר קלאודיה סיה, שסיימה לאחרונה את הדוקטורט שלה ותהיה פוסט דוקטורט ב- MIT בסתיו הקרוב.

הצעדים הבאים

החוקרים מתכננים לשלב כוחות עם נוירוכירורגים ב-CUIMC כדי לאמת את היכולות של שתלים מבוססי vIGT בחדרי ניתוח. הצוות מצפה לפתח שתלים רכים ובטוחים שיכולים לזהות ולזהות גלי מוח פתולוגיים שונים הנגרמים על ידי הפרעות נוירולוגיות.