ترانزیستورهای یونی سریع و انعطاف پذیر برای دستگاه‌های بیو الکترونیک

 
تاریخ: 27 فوریه 2019
منبع: دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه کلمبیا
 

توضیح تصویر: دروازه‌های NAND و NOR بر اساس IGT مطابق با سطح گلبرگ‌های ارکیده (سمت چپ) هستند. نوار مقیاس، یک سانتیمتر. میکروفون‌های نوری NOR (راست بالا) و دروازه های منطقی NAND (پایین سمت راست). ورودی (I1، I2) و پیکربندی خروجی (O) نشان داده شده است. نوار مقیاس، 100 متر 
  

بسیاری از پیشرفت‌های عمده در پزشکی، به خصوص در مغز و اعصاب، به وسیله پیشرفت‌های اخیر در سیستم‌های الکترونیکی ایجاد شده است که می‌تواند با زیر لایه‌های بیولوژیکی به دست آید، پردازش شود و ارتباط برقرار کند. این سیستم‌های بیوالکترونیک که به طور فزاینده‌ای برای شناخت موجودات زنده و برای درمان بیماری‌های انسانی مورد استفاده قرار می‌گیرند، نیازمند دستگاه‌هایی هستند که بتوانند سیگنال‌های بدن را ثبت کنند، آنها را پردازش کنند، و با تشخیص الگوها و تحریک الکتریکی یا شیمیایی برای حل مشکلات اقدام کنند. محققان نخستین ترانزیستور الکتروشیمیایی آلی (IGT) دارای گیت یونی داخلیِ سازگار با محیط زیست را ایجاد کرده‌اند که به اندازه کافی سریع هست که احساس سیگنال‌های بلادرنگ و برانگیزش سیگنال‌های مغزی را مقدور سازد.
 
ترانزیستورها، دستگاه‌هایی که سیگنال‌های الکترونیکی را تقویت می‌کنند یا سیگنال‌های الکترونیکی مدارها را روشن می‌کنند، ستون فقرات این سیستم‌ها را تشکیل می‌دهند. با این حال، آنها باید معیارهای زیادی را برای کارآیی و ایمنی در محیط زیستی مانند بدن انسان داشته باشند. تا به امروز، محققان قادر به ساخت ترانزیستورهایی نیستند که تمام ویژگی‌های مورد نیاز برای کارکرد ایمن، قابل اعتماد و سریع در این محیط‌ها را در طول دوره‌های طولانی داشته باشند.
 
یک تیم تحت رهبری دیون خداقُلی، استادیار مهندسی برق در کالج مهندسی کلمبیا و جنیفر ن. گلیناس، مرکز پزشکی دانشگاه کلمبیا، گروه مغز و اعصاب، و موسسه پزشکی ژنومیک، اولین ترانزیستور بیو سازگار هدایت شده با یون را به وجود آورد که به اندازه کافی برای فعال کردن احساس سیگنال بلادرنگ و تحریک سیگنال‌های مغزی سریع هست.
 
ترانزیستور الکتروشیمیایی آلی دارای گیت یونی داخلی (IGT) از طریق یون‌های متحرک موجود در یک کانال هدایت کننده‌ی پلیمری هدایت می شود تا هر دو ظرفیت حجمی (تعامل یونی با کل قسمت کانال) و زمان ترانزیت یونی کاهش یافته را فعال کند. IGT دارای رسانش بالا (سرعت تقویت) و سرعت بالا می‌باشد و می‌تواند به طور مستقل و به صورت مکانیزه‌ای ساخته شود تا مدارهای مجتمع پیوسته قابل مقایسه‌ای را ایجاد کند. در تحقیق خود که در Science Advances منتشر شده است، محققان توانایی IGT خود را برای ارائه یک رابط کوچک، نرم و قابل انطباق با پوست انسان با استفاده از تقویت محلی برای ثبت سیگنال‌های با کیفیت بالای عصبی، مناسب برای پردازش پیشرفته داده‌ها، نشان دادند. IGT رابط کاربری کوچک و ساده‌ای را با پوست انسان، با استفاده از تقویت محلی برای ثبت سیگنال‌های عصبی با کیفیت بالا، مناسب برای پردازش پیشرفته داده‌ها، فراهم می‌کند.
 
خداقلی می‌گوید: "ما یک ترانزیستور ساخته‌ایم که می‌تواند با استفاده از یون‌ها، حامل‌های شارژ بدن، با سرعتی به اندازه کافی زیاد برای انجام محاسبات پیچیده مورد نیاز برای نوروفیزیولوژی، که مطالعه عملکرد سیستم عصبی است، ارتباط برقرار کند. کانال ترانزیستور ما از مواد کاملا سازگار با زیست ساخته شده است و می‌تواند با هر دو یون و الکترون ارتباط برقرار کند و برقراری ارتباط با سیگنال‌های عصبی بدن به وسیله کارآمدتر صورت می‌گیرد. اکنون می‌توانیم دستگاه‌های بیو الکترونیک ایمن‌تر، کوچک‌تر و دقیق‌تر مانند اینترفیس مغز و دستگاه الکترونیک پوشیدنی و دستگاه‌های تحریک پذیری پاسخ دهنده، که می‌تواند در طول مدت زمانی طولانی در انسان به کار برده شود، را بسازیم."
 
در گذشته، ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون سنتی در دستگاه‌های بیوالکترونی استفاده شده‌اند، اما برای جلوگیری از تماس با مایعات بدن، هم برای ایمنی بیمار و هم برای عملکرد مناسب دستگاه، باید با دقت کپسوله می‌شدند. این الزام باعث می‌شود که ایمپلنت بر اساس این ترانزیستورها، بزرگ و سفت و سخت باشد. به موازات آن، در زمینه الکترونیک ارگانیک، کارهای خوبی انجام شده است تا ترانزیستورهای ذاتی انعطاف پذیر از پلاستیک، از جمله طرح‌هایی مانند ترانزیستورهای الکترولیتی یا الکتروشیمیایی که می‌توانند خروجی خود را بر اساس جریان یونی مدوله کنند، ساخته شود. با این حال، این دستگاه‌ها نمی‌توانند به اندازه کافی سریع عمل کنند تا محاسبات مورد نیاز برای دستگاه‌های بیو الکترونیک مورد استفاده در برنامه‌های نوروفیزیولوژی انجام شود.
 
خداقلی و همکار پژوهشگرش در مرحله پسا دکترا، جورج اسپیروپولوس، نخستین نویسنده این اثر، یک کانال ترانزیستور بر پایه پلیمرهای رسانایی برای مدولاسیون یونیک ساخته و برای تولید سریع دستگاه، مواد را تغییر دادند تا یون‌های متحرک خود را تغییر دهند. با کوتاه شدن فاصله‌ای که یونها در ساختار پلیمری مورد نیاز می‌پیمایند، سرعت ترانزیستور را به ترتیب مقادیر، نسبت به سایر دستگاه‌های یونی با اندازه مشابه افزایش دادند. این امر می‌تواند به دستگاه‌های بیوالکترونیک ایمن‌تر، کوچک‌تر و دقیق‌تر منجر شود که می تواند به صورت طولانی مدت در انسان کشت شود.
 
خداقلی می‌گوید: "مهم این است که ما برای ساخت این دستگاه تنها از مواد سازگار با زیست استفاده کردیم. ماده سری ما D-sorbitol یا قند است." "مولکول‌های شکر مولکول‌های آب را جذب می‌کنند و نه تنها به کانال ترانزیستور کمک می‌کنند تا هیدراته شوند، بلکه به یون‌ها کمک می‌کنند که به راحتی و سریع در کانال حرکت کنند."
 
از آنجا که IGT می‌تواند به طور قابل توجهی سهولت و تحمل پذیری روش‌های الکتروانسفالوگرافی (EEG) را برای بیماران بهبود بخشد، محققان این پلت فرم را برای نشان دادن ظرفیت انتقالی دستگاه خود انتخاب کردند. با استفاده از ترانزیستور خود برای ثبت امواج مغزی انسان از سطح پوست سر، آنها نشان دادند که تقویت موضعی IGT به طور مستقیم در رابط بین سر و صورت، اندازه تماس را کاهش می‌دهد که این به 5 مرتبه کاهش می‌رسد. دستگاه همچنین می‌تواند به راحتی توسط دست دستکاری شود. علاوه بر این، چون دستگاه میکرو EEG IGT هماهنگ با پوست سر است، هیچ گونه چسبندگی شیمیایی لازم نیست، بنا بر این بیمار به خاطر چسبندگی سوزشی ندارد و راحت است.
 
این دستگاه‌ها همچنین می‌توانند برای ساخت دستگاه‌های حلقه بسته‌ی ایمپلنتی استفاده شوند، مانند آنهایی که در حال حاضر برای درمان برخی از انواع صرع مقاوم پزشکی استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها می توانند کوچکتر و ساده‌تر شوند و همچنین اطلاعات بیشتری ارائه دهند.

بر گرفته از سایت ساینس دِیلی