Dinamik canlı organizmaları anlamak ve insan hastalıklarını tedavi etmek için giderek daha fazla kullanılan bu biyoelektronik sistemler, vücut sinyallerini kaydedebilen, bunları işleyen, kalıpları tespit edebilen ve problemleri çözmek için elektriksel veya kimyasal stimülasyon sağlayan cihazlar gerektirir.
Devrelerdeki elektronik sinyalleri büyüten veya değiştiren cihazlar olan transistörler, bu sistemlerin omurgasını oluşturur. Bununla birlikte, insan vücudu gibi biyolojik ortamlarda verimli ve güvenli bir şekilde çalışmak için sayısız kritere uymaları gerekir. Araştırmacılar, bugüne kadar, bu ortamlarda uzun süre güvenli, güvenilir ve hızlı çalışması için gereken tüm özelliklere sahip transistörler inşa edemediler.
Columbia Engineering’de elektrik mühendisliği yardımcı doçenti Dion Khodagholy ve Columbia Üniversitesi Tıp Merkezi, Nöroloji Anabilim Dalı ve Genomik Tıp Enstitüsü’nden Jennifer N. Gelinas başkanlığındaki bir ekip, yeterince hızlı olan ilk biyouyumlu iyon tahrikli transistörü geliştirdi.
Dahili iyon kapılı organik elektrokimyasal transistör (IGT), hem hacimsel kapasitansın (kanalın tüm kütlesini içeren iyonik etkileşimler) hem de kısaltılmış iyonik geçiş süresinin sağlanması için iletken bir polimer kanalı içinde bulunan mobil iyonlar vasıtasıyla çalışır. IGT, büyük iletkenliğe (amplifikasyon hızı), yüksek hıza sahiptir ve ölçeklenebilir uyumlu entegre devreler oluşturmak için bağımsız olarak kapılı ve mikrofabrike olabilir. Science Advances’te yayınlanan çalışmalarında, araştırmacılar, IGT’lerinin, gelişmiş veri işleme için uygun yüksek kaliteli sinir sinyallerini kaydetmek için yerel amplifikasyon kullanarak, insan derisiyle minyatür, yumuşak ve uyumlu bir arayüz sunma kabiliyetini göstermişlerdir.
Khodagholy: “İyonları, vücudun yük taşıyıcıları, sinir sistemi fonksiyonunun incelenmesi için nörofizyoloji için gerekli karmaşık hesaplamaları yapacak kadar hızlı bir şekilde işlem yapmak için yeterli hızda iletişim kurabilen bir transistör yaptık.
Transistörümüzün kanalı tamamen biyo uyumlu malzemelerden yapılmıştır ve hem iyonlarla hem de elektronlarla etkileşime girerek vücudun sinir sinyalleriyle iletişimi daha verimli hale getirir. Artık daha güvenli, daha küçük ve daha akıllı biyoelektronik cihazlar üretebileceğiz. Beyin makinesi, giyilebilir elektronikleri ve insanlara uzun süre boyunca implante edilebilen duyarlı terapötik stimülasyon cihazlarını birleştirir. “
Geçmişte, geleneksel silikon bazlı transistörler biyoelektronik cihazlarda kullanılmıştır, ancak hem hastanın güvenliği hem de cihazın düzgün çalışması için vücut sıvılarıyla teması önlemek için dikkatlice kapsüllenmeleri gerekir. Bu gereksinim, bu transistörlere dayanan implantları hacimli ve sert hale getirir.
Beyin Dalgalarını Kaydetmek İçin Transistörler Kullanmak
Buna paralel olarak, organik elektronik alanında plastikten yapılmayan esnek transistörler oluşturmak için, elektrolit kapılı veya elektrokimyasal transistörler gibi tasarımlarını iyonik akımlara dayanarak, düzenleyebilecek çok sayıda çalışma yapılmıştır. Bununla birlikte, bu cihazlar nörofizyoloji uygulamalarında kullanılan biyoelektronik cihazlar için gerekli hesaplamaları yapacak kadar hızlı çalışamazlar.
Khodagholy ve doktora sonrası araştırma arkadaşı, bu çalışmanın ilk yazarı olan George Spyropoulos, iyonik modülasyonu sağlamak için polimerlerin iletilmesine dayanan bir transistör kanalı inşa etti ve cihazı hızlı hale getirmek için malzemeyi kendi mobil iyonlarına sahip olacak şekilde modifiye ettiler. İyonların polimer yapı içinde hareket etmesi için gereken mesafeyi kısaltarak, transistörün hızını aynı büyüklükteki diğer iyonik cihazlarla karşılaştırıldığında büyüklük sırasına göre arttırdılar.
Khodagholy: “Önemli olarak, bu cihazı oluşturmak için sadece tamamen biyouyumlu malzeme kullandık. Gizli içeriğimiz D-sorbitol veya şeker.. Şeker molekülleri su moleküllerini çeker ve sadece transistör kanalının hidratlı kalmasına yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda iyonların kanal içinde daha kolay ve hızlı bir şekilde dolaşmasına yardımcı olur.”
IGT, hastalar için elektroensefalografi (EEG) prosedürlerinin kolaylığı ve tolere edilebilirliğini önemli ölçüde arttırabildiğinden, araştırmacılar cihazlarının çeviri kapasitesini göstermek için bu platformu seçtiler. Saç derisinin yüzeyinden insan beyni dalgalarını kaydetmek için transistörlerini kullanarak, doğrudan cihaz-kafa derisi arayüzünde IGT lokal amplifikasyonunun, temas büyüklüğünün, tüm cihazın saç kökleri arasına kolayca sığabileceği beş büyüklük sırasına kadar düşürülmesini sağladığını gösterdiler.
Nöral İmplantlar
Cihaz mekanik ve elektriksel kararlılığı artırarak elle de kolayca değiştirilebilir. Üstelik, mikro-EEG IGT cihazı kafa derisine uyduğundan, herhangi bir kimyasal yapıştırıcıya ihtiyaç duyulmadığından hastanın yapıştırıcılardan ciltte tahrişi olmadığından genel olarak daha rahattı.
Bu cihazlar ayrıca şu anda bazı tıbbi olarak dirençli epilepsi biçimlerini tedavi etmek için kullanılanıldığı gibi, implante edilebilir kapalı döngü cihazları yapmak için de kullanılabilir. Cihazlar implante edilmesi daha küçük ve daha kolay olabilir ve ayrıca daha fazla bilgi sağlayabilir.
Gelinas: “Asıl ilham kaynağımız, nöral implantlar için uygun bir transistör yapmaktı. Onu beyin için özel olarak test ederken, IGT’ler aynı zamanda kalp, kas ve göz momentini kaydetmek için de kullanılabilir.”
Şimdi Hodagholy ve Gelinas, polimerin içine ne tür mobil iyonları ekleyebileceklerinin fiziksel sınırları olup olmadığını araştırıyor. Ayrıca mobil iyonları yerleştirebilecekleri yeni malzemeler üzerinde çalışmakta ve aynı zamanda duyarlı stimülasyon cihazlarına entegre devreler yapmak için transistörleri kullanma konusundaki çalışmalarını geliştirmektedirler.
Khodagholy: “Basit bileşenler ekleyerek, iyonik transistörleri büyük ölçüde geliştirebileceğimiz için çok heyecanlıyız. Bu hız ve güçlendirme ile, mikrofabrikasyon kolaylığı ile birlikte, bu transistörler, birçok farklı cihaza uygulanabilir. Bu cihazların gelecekte hasta bakımına fayda sağlaması için büyük bir potansiyel vardır.”
