电气工程助理教授Dion Khodagholy致力于开发生物电子器件，不仅快速、灵敏、生物相容、柔软、柔韧，而且在人体等生理环境中具有长期稳定性。从监测家庭健康到诊断和治疗神经精神疾病，包括癫痫和帕金森病，这种设备将极大地改善人类健康。目前，设备的设计受到安全和有效使用所需的刚性和非生物相容性电子元件的严重限制。解决这一挑战将为各种令人兴奋的新疗法打开大门。

Khodagholy与哥伦比亚大学Iriving医学中心神经科和基因组医学研究所的Jennifer N. Gelinas合作，最近发表了两篇论文。第一个是《自然材料》(3月16日)，涉及离子驱动的软、有机晶体管。他和Gelinas旨在记录单个神经元并进行实时计算，以促进神经系统疾病的诊断和监测。

今天发表在《科学进展》上的第二篇论文表明，一种柔软的、生物相容的智能复合材料——有机混合导电颗粒材料(MCP)——可以创建传统上需要多层和材料的复杂电子元件。它还可以方便有效地实现软材料、生物组织和刚性电子产品之间的电子键合。由于MCP具有完全的生物相容性和可控的电子特性，可以无创记录手臂表面的肌肉动作电位。与贝勒医学院神经外科系的Sameer Sheth和Ashwin Viswanathan合作，在植入深部脑刺激电极的神经外科手术过程中，可以进行大规模的大脑活动。

“我们的设备更小、更灵活、更固有，我们可以做更多的事情来与我们的物理环境兼容，而不是将大型植入物包装在厚厚的金属盒中，以保护身体和电子设备(如起搏器、耳蜗植入物和大脑植入物)相互隔离”，负责哥伦比亚工程公司平移神经电子学实验室的Khodagholy说。“在过去的几年里，我的团队一直在努力利用材料的独特特性开发新颖的电子设备，这些设备可以有效地与生物基底(特别是神经网络和大脑)进行交互。”

常规晶体管由硅制成，因此在有离子和水的情况下无法发挥作用，实际上是由于离子扩散到器件中而受损。因此，这些设备通常需要用金属或塑料完全封闭在体内。而且，虽然它们可以很好地与电子相互作用，但它们与离子信号的相互作用不是很有效，而离子信号是人体细胞之间的交流方式。因此，这些性质将非生物/生物耦合限制为仅在材料表面上的电容性相互作用，从而导致较低的性能。有机材料因其固有的柔韧性而被用于克服这些限制，但这些设备的电性能不足以实时记录和处理大脑信号。

Khodagholy的团队利用有机材料的电子和离子传导优势，创造了称为e-IGT的离子驱动晶体管，或增强型内部离子门控有机电化学晶体管，将可移动离子嵌入其通道中。由于离子无需长距离传播即可参与通道切换过程，因此可以快速有效地开启和关闭。瞬态响应取决于电子空穴迁移率而不是离子迁移率，并结合高跨导，导致增益带宽比其他基于离子的晶体管高几个数量级。

研究人员利用他们的e-IGT获得了广泛的电生理信号，例如在体内记录神经动作脉冲，并创建了一个柔软的、生物相容的、长期植入的神经处理单元，以实时检测癫痫放电。

“我们对这些发现感到兴奋，”Gelinas说。“我们已经证明，E-IGT为长期植入的生物电子设备提供了安全、可靠和高性能的构建模块，我很乐观地认为，这些设备将使我们能够安全地扩展我们使用生物电子设备治疗神经疾病的方式。”

研究人员在《科学进展》论文中证明了另一项重大进展：使生物电子设备(特别是植入人体用于诊断或治疗的设备)有效、安全地与人体组织接口，同时还使它们能够进行复杂的处理。受大脑中电活性细胞与大脑中电脉冲通信的启发，该团队创建了一种单一材料，只需改变其复合混合导电粒子的大小和密度，就可以执行多种非线性动态电子功能。

Khodagholy说，“这项创新为电子设备的设计打开了一个根本不同的方法，它模仿生物网络，从完全可生物降解和生物兼容的组件中创建多功能电路。”

研究人员基于混合导电颗粒(MCP)、可独立寻址的晶体管、电阻器和二极管设计并制造了高性能各向异性薄膜。这些薄膜是无图案的、可扩展的和生物相容的。这些设备执行各种功能，包括记录单个神经元的神经生理活动，执行电路操作以及绑定高分辨率的软和硬电子设备。

Gelinas说，“MCP大大减少了神经接口设备占用的空间，即使暴露的组织量很小，也可以记录高质量的神经生理数据，从而降低手术并发症的风险。”“此外，由于MCP仅由生物相容性和商业上可获得的材料组成，因此将它转化为生物医学设备和药物将更容易。”

E-IGT和MCP有望成为生物电子学的重要组成部分，从可穿戴的微型传感器到反应灵敏的神经刺激器。电子IGT可以大规模生产，并用于各种制造过程。同样，材料科学家和工程师也很容易买到廉价的MCP组件。它们共同构成了完全可植入的生物相容性装置的基础，可用于有益健康和治疗疾病。

Khodagholy和Gelinas现在正在努力将这些成分转化为功能性的长期植入设备，这些设备可以记录和调节大脑活动，以帮助神经系统疾病(如癫痫)患者。

Hodagholy说，“我们的最终目标是创造无障碍的生物电子设备，可以提高人们的生活质量，有了这些新材料和组件，我们似乎向前迈进了一步。”