柔性离子晶体管:为未来生物电子器件奠定基础!

IntelligentThin 2019-02-28 19:43

导读


近日,美国哥伦比亚大学领导的科研团队开发出首个具有生物相容性的离子驱动晶体管。它的速度快到足以实时感知与刺激脑部信号,并将带来更安全、更小型、更智能的生物电子器件。


背景


近年来,科学家们在获取、处理生物基质并与之交互的电子系统方面取得的进展,引发了医学特别是神经病学领域中许多的重要进展。这些生物电子系统,越来越多地用于理解充满活力的生物体以及治疗人类疾病,这些疾病往往需要一些可以记录并处理身体信号,识别模式,释放电或者化学刺激来应对这些问题的设备。



可安全有效诊断并治疗脑部病变的低成本柔性传感器(图片来源:阿卜杜拉国王科技大学)


可同步听取并刺激大脑中电流的新型神经刺激器(图片来源:Rikky Muller, 加州大学伯克利分校 )


晶体管,是一种非常重要的半导体元件。简单说,晶体管可用于“开关”或者“放大”电路上的电流。包括生物电子系统在内的许多电子系统,都离不开这一基础元件。随着技术创新的不断深入和发展,如今科学家们研制出了各式各样的创新型晶体管,例如采用印刷电子工艺和二维材料制造出的晶体管基于电子自旋的晶体管基于激子的晶体管热电有机晶体管超薄透明的柔性的晶体管


用二维纳米材料喷墨打印而成的晶体管(图片来源:都柏林大学圣三一学院)



基于磁振子的自旋晶体管(图片来源:L. Cornelissen


热电有机晶体管(图片来源:Thor Balkhed)



柔性、超薄、透明的氧化物薄膜晶体管(图片来源:韩国先进科技学院)


可是,如果晶体管要在人体等各种生物环境中安全有效地运行,就必须满足许多苛刻的标准。迄今为止,科学家们尚未构造出符合在这些环境中长时间安全、可靠、快速运行的所有特征的晶体管。


创新


近日,美国哥伦比亚大学工学院电气工程系助理教授 Dion Khodagholy 以及哥伦比亚大学医学中心神经科和基因组医学研究所的 Jennifer N. Gelinas 领导的团队,开发出首个具有生物相容性的离子驱动晶体管,它的速度快到足以实时感知与刺激脑部信号。相关论文于2月27日发表在《科学进展(Science Advances》期刊上。


下图所示:贴合在兰花瓣表面的基于IGT的NAND和NOR逻辑门。比例尺1厘米。

(图片来源:Jennifer Gelinas/哥伦比亚大学欧文医学中心)


技术


这种内部离子门控有机电化学晶体管(IGT)的运行,是通过包含在导电聚合物沟道内的可动离子来运行的。它实现了较高的体积比电容(离子的相互作用涉及整块沟道)并且缩短了离子的输运时间。这种IGT具有大跨导(放大率)和高速度,并能被独立地门控和微加工,从而创造出可伸缩、可整合的集成电路。在论文中,研究人员们演示了他们的IGT能为人类皮肤提供一种小型化、柔软、可整合的接口,采用局部放大的方法记录适合高级数据处理的高质量神经信号。


IGT的结构与稳定状态特性(图片来源:参考资料【2】)


Khodagholy 表示:“我们制造出一种晶体管,它采用离子(身体的电荷载体)进行通信,通信速度快到足以执行神经生理学(研究神经系统的功能)所要求的复杂计算任务。我们的晶体管沟道是由完全生物相容的材料制作出来的,它与离子和电子都可以进行相互作用,使得与身体神经信号的通信更加高效。现在,我们已经能够构造出更安全、更小型、更智能的生物电子器件,例如脑机接口可穿戴电子器件反应性疗法的刺激装置,这些装置可长期植入人体。”


过去,生物电子器件一直采用的是传统硅基晶体管。可是,这些晶体管必须经过小心翼翼地封装,从而避免接触体液,这样做不仅是为了病人的安全,也是为了器件的正常工作。这一要求使得基于这些晶体管的植入物变得庞大且僵硬。与此同时,科学家们在有机电子领域完成了大量工作,通过塑料创造具有先天柔性的晶体管,这些设计包括电解液门控晶体管或者电化学晶体管,它们的输出可以基于离子电流来调制。可是,这些装置运行得不够快,无法执行神经生理学应用中的生物电子器件所需要的计算。


Khodagholy 和他的博士后研究员 George Spyropoulos(这项研究的第一作者),构造出一个基于导电聚合物的晶体管来实现离子调制。而且为了让这个器件运行得更快,他们修改了材料,使之具有自己的可动离子。通过缩短离子在聚合物结构中所需要传输的距离,他们将晶体管的速度较其他同等尺寸的离子器件提升了一个量级。


Khodagholy 表示:“重要的是,我们仅采用了完全生物相容的材料来创造这个器件。我们的秘方是山梨糖醇,或者说糖。糖分子吸引水分子,不仅帮助晶体管沟道保持水分,而且也帮助离子在沟道内更容易、更快速地传输。”


价值


因为IGT有望显著提升脑电图(EEG)检查的简便性和耐受性,研究人员选择了该平台来演示他们设备的转化能力。通过采用他们的晶体管从头皮表面记录人脑电波,他们展示了直接位于“器件-头皮接口”上的IGT局部放大,使得接触尺寸减小了五个数量级。整个设备能在头发毛囊之间轻易地安装,从本质上简化了安装过程。这个设备也容易用手操控,改善了机械和电气稳定性。此外,由于微型的EEG IGT器件可以与头皮很好地结合,无需化学粘合剂,所以患者的皮肤不会受到化学粘合剂的刺激,总体来说更加舒适。


微米级的IGT获取高质量人脑电波信号(图片来源:参考资料【2】)


这些器件也可以用于制作可植入的闭环设备,例如目前用于治疗某些医学上难治的癫痫病的那些设备。这种设备会更小,更容易植入,也可以提供更多信息。


Gelinas 表示:“我们起初的灵感就是为神经植入物制造可整合的晶体管。当专门为大脑测试这一设备时,我们发现IGT也可以用于记录心脏、肌肉和眼部的运动。”


未来


Khodagholy 和 Gelinas 现在正在探索,对于他们可以将哪种可动离子嵌入到聚合物中,是否存在物理限制。他们也正在研究可嵌入可动离子的新型材料,以及进一步改进他们的工作,来为反应性刺激设备的制作集成电路。


Khodagholy 表示:“我们感到非常振奋,因为我们能够通过添加简单的成分,充分地改善离子晶体管。这样的速度和放大率,以及微加工的简便性,使得这些晶体管有望应用于许多不同的设备。未来,采用这些设备,在造福病人健康方面有着巨大的潜力。”


关键字


晶体管电子医疗神经


参考资料


【1】https://engineering.columbia.edu/press-releases/ionic-transistors-bioelectronic-devices

【2】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




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