利用新型全有机生物电子设备在精准治疗方面取得进展

随着研究人员在医疗保健领域取得重大进展，他们还发现可以通过个体化方法来增强这些治疗的疗效。因此，临床医生越来越需要既能连续监测生理信号又能个性化响应性治疗的方法。

需要安全、灵活的生物电子设备

植入生物电子设备在这些治疗中发挥着关键作用，但存在许多挑战阻碍了其广泛采用。这些设备需要专门的组件来进行信号采集、处理、数据传输和供电。到目前为止，在植入设备中实现这些功能需要使用大量刚性和非生物相容性组件，这些组件可能会导致组织破坏和患者不适。理想情况下，这些设备需要在体内具有生物相容性、灵活性和长期稳定性。它们还必须足够快速和灵敏，以记录快速、低幅度的生物信号，同时仍然能够传输数据以供外部分析。

哥伦比亚研究人员发明了第一个独立、灵活、全有机的生物电子设备

哥伦比亚工程学院的研究人员今天宣布，他们已经开发出第一个独立的、舒适的、完全有机的生物电子设备，不仅可以获取和传输神经生理学大脑信号，还可以为设备运行提供电力。该设备比人的头发小约 100 倍，基于有机晶体管架构，包含垂直通道和微型水管，具有长期稳定性、高电气性能和低电压操作，可防止生物组织损伤。今天发表在《自然材料》上的一项新研究概述了这些发现。

研究人员和临床医生都知道需要同时具有所有这些特性的晶体管：低工作电压、生物相容性、性能稳定性、体内操作的一致性;高电气性能，包括快速时间响应、高跨导和无串扰操作。硅基晶体管是最成熟的技术，但它们并不是完美的解决方案，因为它们坚硬、刚性，并且无法与身体建立非常有效的离子界面。]

该团队通过引入可扩展、独立的亚微米 IGT(内部离子门控有机电化学晶体管)架构 vIGT 解决了这些问题。他们采用了垂直通道排列，通过优化通道几何形状并允许晶体管彼此相邻的高密度排列(每平方厘米 155,000 个)来增强 IGT 架构的固有速度。

可扩展的 vGIT 是最快的电化学晶体管

vIGT 由生物相容性市售材料组成，不需要封装在生物环境中，并且不会因暴露于水或离子而受损。通道的复合材料可以重复地大批量制造，并且可以进行溶液加工，使其更容易应用于各种制造工艺。它们非常灵活，可集成到各种顺应性塑料基板中，并具有长期稳定性、低晶体管间串扰和高密度集成能力，可制造高效的集成电路。

“有机电子产品并不以其高性能和可靠性而闻名，”该研究的领导者、电气工程副教授Dion Khodagholy说。“但是通过我们新的 vGIT 架构，我们能够整合一个拥有自己的离子供应的垂直通道。这种离子的自给自足使得晶体管特别快——事实上，它们是目前最快的电化学晶体管。”

为了进一步提高运行速度，该团队使用先进的纳米加工技术将这些晶体管小型化并致密化至亚微米级。制造是在哥伦比亚纳米计划的洁净室中进行的。

与 CUIMC 临床医生合作

为了开发该架构，研究人员首先需要了解诊断和治疗癫痫等神经系统疾病患者所面临的挑战，以及目前使用的方法。他们与哥伦比亚大学欧文医学中心神经病学系的同事合作，特别是神经病学、电气和生物医学工程助理教授兼癫痫和认知实验室主任Jennifer Gelinas 。

组合高速、灵活。低电压操作使晶体管不仅可用于神经信号记录，还可用于数据传输以及为设备供电，从而实现完全贴合的植入物。研究人员利用这一功能展示了完全柔软且可确认的植入物，能够记录和传输来自大脑外部(大脑表面)以及大脑内部(大脑深处)的高分辨率神经活动。

Gelinas 说：“这项工作可能会带来广泛的转化机会，并使医疗植入物能够为大量患者群体所接受，由于此类手术的复杂性和高风险，这些患者传统上不具备植入设备的资格。”

该研究的主要作者克劳迪娅·塞亚 (Claudia Cea) 补充道：“令人惊奇的是，我们的研究和设备可以帮助医生更好地进行诊断，并对患者的生活质量产生积极影响。”她最近完成了博士学位，并将成为该机构的博士后研究员。今年秋天麻省理工学院。

下一步

研究人员接下来计划与 CUIMC 的神经外科医生联手，在手术室中验证基于 vIGT 的植入物的功能。该团队期望开发出柔软且安全的植入物，能够检测和识别由神经系统疾病引起的各种病理性脑电波。