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發(fā)出一種柔軟、適形的植入物，可以測量受試者發(fā)育過程中大腦的神經(jīng)信號。這項(xiàng)發(fā)明采用一種有機(jī)聚合物材料，與剛性的硅基醫(yī)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(jiān)測其神經(jīng)功能。
這項(xiàng)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(gòu)建的互補(bǔ)、適形、可植入的內(nèi)部離子門控有機(jī)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。基于這種晶體管的生物醫(yī)療器件可以在人體敏感部位發(fā)揮作用，甚至在器官生長時(shí)還能與器官結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。
研究人員展示了通過調(diào)制混合導(dǎo)電聚合物溝道的空間去摻雜，可以實(shí)現(xiàn)溝道電流的定向控制，從而利用單一有機(jī)材料生成互補(bǔ)的內(nèi)部離子門控有機(jī)電化學(xué)晶體管（cIGT）。通過引入非對稱接觸區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了這種調(diào)制，進(jìn)而在最低電位接觸區(qū)域產(chǎn)生接觸介導(dǎo)的去摻雜。增強(qiáng)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(qū)域，而無需對材料進(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(yīng)用這種方法。
基于cIGT的適形放大器陣列，用于穩(wěn)定、長期的體內(nèi)電生理記錄
研究人員通過幾種導(dǎo)電聚合物（包括載流子類型和極性）復(fù)制這一過程，證明了其設(shè)計(jì)原理的通用性。利用從器件幾何變化中得到的設(shè)計(jì)規(guī)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(gòu)件。這些放大器可以在超過2 MHz的頻率下以均勻的大于200倍的增益工作。
將它們長期植入自由活動(dòng)的大鼠體內(nèi)一個(gè)多月后，它們?nèi)员憩F(xiàn)出穩(wěn)定的性能。目前可用的放大器無法完全植入，無法在提供高局部電壓放大的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)符合人體工學(xué)的微型化尺寸。雖然在大型動(dòng)物模型中可以通過采用剛性擠出組件來克服這一限制，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(zhuǎn)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(zhuǎn)化困難。這些脆弱的生物需要持續(xù)的母體護(hù)理，無法耐受影響行動(dòng)的剛性、系留植入物，也無法承受大型手術(shù)。因此，研究人員通過將cIGT植入發(fā)育中的小鼠體內(nèi)來測試cIGT的轉(zhuǎn)化潛力?；赾IGT的電壓放大器被完全植入小鼠體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在自然環(huán)境中進(jìn)行縱向電生理記錄，這在過去是不可能實(shí)現(xiàn)的。
基于cIGT的完全植入式放大器，用于采集大腦發(fā)育過程中的神經(jīng)活動(dòng)
“先進(jìn)電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，因此有大量可用的電路設(shè)計(jì)。問題是，這些晶體管和放大器技術(shù)大多與我們的生理機(jī)制不兼容?！闭撐墓餐髡?、加州大學(xué)歐文分校電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授Dion Khodagholy說，“在我們的這項(xiàng)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(jī)聚合物材料，并將其設(shè)計(jì)為離子相互作用機(jī)制，因?yàn)榇竽X和身體的語言是‘離子語言’，而不是‘電子語言’。”
在標(biāo)準(zhǔn)的生物電子器件中，互補(bǔ)晶體管由不同的材料組成，以對應(yīng)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(qū)域時(shí)帶來的毒性風(fēng)險(xiǎn)。該研究團(tuán)隊(duì)成功解決了這一難題，他們以一種不對稱的方式構(gòu)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)的簡單閥門。在我們開發(fā)的晶體管中，控制這種調(diào)制的物理過程是由溝道的電化學(xué)摻雜和去摻雜決定的。”該論文第一作者、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(jì)算機(jī)科學(xué)系的訪問學(xué)者Duncan Wisniewski說，“通過設(shè)計(jì)具有不對稱接觸的器件，我們可以控制溝道中的摻雜位置，并將焦點(diǎn)從負(fù)電位切換到正電位。這種設(shè)計(jì)方法使我們能夠使用單一材料制造互補(bǔ)器件?！?/p>
他補(bǔ)充說，將晶體管排列成更小的單一聚合物材料大大簡化了制造過程，從而使大規(guī)模制造成為可能，并有機(jī)會(huì)將該技術(shù)從最初的神經(jīng)學(xué)應(yīng)用擴(kuò)展到幾乎所有的生物電勢過程。
Khodagholy是加州大學(xué)歐文分校轉(zhuǎn)化神經(jīng)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人，該實(shí)驗(yàn)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(kuò)展性?！彼f，“由此，我們可以制造不同尺寸的器件，且仍能保持這種互補(bǔ)性，甚至可以改變材料，這使得這項(xiàng)創(chuàng)新適用于更多情景?！?/p>
該論文強(qiáng)調(diào)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(nèi)，并能承受生物體生長過程中組織結(jié)構(gòu)的變化，而這是剛性硅基植入物無法做到的。
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：“這一特性使該器件在兒科研究領(lǐng)域特別有用?！?/p>
Khodagholy說：“這項(xiàng)研究證明了我們有能力構(gòu)建這種能夠高質(zhì)量采集并處理生物信號的強(qiáng)大互補(bǔ)集成電路。這種互補(bǔ)、內(nèi)部離子門控有機(jī)電化學(xué)晶體管，將大大拓寬生物電子學(xué)器件的應(yīng)用，而在過去這些器件通常需要依賴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
