Dion Khodagholi, professeur assistant en génie électrique, se concentre sur le développement de dispositifs bioélectroniques non seulement rapides, sensible, biocompatible, mou, tendre, et souple, mais aussi avoir une stabilité à long terme dans des environnements physiologiques tels que le corps humain. De tels dispositifs amélioreraient grandement la santé humaine, du suivi du bien-être à domicile au diagnostic et au traitement des maladies neuropsychiatriques, y compris l'épilepsie et la maladie de Parkinson. La conception des dispositifs actuels a été sévèrement limitée par la rigidité, composants électroniques non biocompatibles nécessaires à une utilisation sûre et efficace, et la résolution de ce défi ouvrirait la porte à un large éventail de nouvelles thérapies passionnantes.

En collaboration avec Jennifer N. Gelinas, Département de neurologie, et l'Institut de médecine génomique du Columbia University Iriving Medical Center, Khodagholy a récemment publié deux articles, le premier en Matériaux naturels (16 mars) sur des transistors mous et organiques à commande ionique que lui et Gelinas ont conçus pour enregistrer des neurones individuels et effectuer des calculs en temps réel qui pourraient faciliter le diagnostic et le suivi des maladies neurologiques.

Le deuxième papier, publié aujourd'hui dans Avancées scientifiques , fait preuve d'une douceur, composite intelligent biocompatible - un matériau particulaire à conduction mixte organique (MCP) - qui permet la création de composants électroniques complexes qui nécessitent traditionnellement plusieurs couches et matériaux. Il permet également une liaison électronique facile et efficace entre des matériaux souples, tissu biologique, et électronique rigide. Parce qu'il est entièrement biocompatible et possède des propriétés électroniques contrôlables, MCP peut enregistrer de manière non invasive les potentiels d'action musculaire de la surface du bras et, en collaboration avec Sameer Sheth et Ashwin Viswanathan du département de neurochirurgie du Baylor College of Medicine, activité cérébrale à grande échelle pendant les procédures neurochirurgicales pour implanter des électrodes de stimulation cérébrale profonde.

"Au lieu d'avoir de gros implants encapsulés dans des boîtes métalliques épaisses pour protéger le corps et l'électronique l'un de l'autre, tels que ceux utilisés dans les stimulateurs cardiaques, et implants cochléaires et cérébraux, nous pourrions faire tellement plus si nos appareils étaient plus petits, souple, et intrinsèquement compatible avec notre environnement corporel, " dit Khodagholy, qui dirige le Translational NeuroElectronics Lab à Columbia Engineering. « Au cours des dernières années, mon groupe a travaillé pour utiliser les propriétés uniques des matériaux pour développer de nouveaux dispositifs électroniques qui permettent une interaction efficace avec des substrats biologiques, en particulier les réseaux neuronaux et le cerveau."

Les transistors conventionnels sont en silicium, ils ne peuvent donc pas fonctionner en présence d'ions et d'eau, et en fait se décomposent à cause de la diffusion d'ions dans l'appareil. Par conséquent, les dispositifs doivent être entièrement encapsulés dans le corps, généralement en métal ou en plastique. De plus, bien qu'ils fonctionnent bien avec les électrons, ils sont peu efficaces pour interagir avec les signaux ioniques, c'est ainsi que les cellules du corps communiquent. Par conséquent, ces propriétés restreignent le couplage abiotique/biotique aux interactions capacitives uniquement à la surface du matériau, entraînant une baisse des performances. Des matériaux organiques ont été utilisés pour surmonter ces limitations car ils sont intrinsèquement flexibles, mais les performances électriques de ces appareils n'étaient pas suffisantes pour effectuer l'enregistrement et le traitement des signaux cérébraux en temps réel.

L'équipe de Khodagholy a profité à la fois de la conduction électronique et ionique des matériaux organiques pour créer des transistors à commande ionique qu'ils appellent e-IGT, ou en mode amélioration, des transistors électrochimiques organiques à déclenchement ionique interne, qui ont intégré des ions mobiles à l'intérieur de leurs canaux. Parce que les ions n'ont pas besoin de parcourir de longues distances pour participer au processus de commutation de canal, ils peuvent être allumés et éteints rapidement et efficacement. Les réponses transitoires dépendent du trou électronique plutôt que de la mobilité ionique, et se combinent avec une transconductance élevée pour aboutir à une bande passante de gain supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des autres transistors à base d'ions.

Les chercheurs ont utilisé leurs e-IGT pour acquérir une large gamme de signaux électrophysiologiques, tels que l'enregistrement in vivo des impulsions d'action neuronale, et pour créer du doux, biocompatible, unités de traitement neuronal implantables à long terme pour la détection en temps réel des décharges épileptiques.

« Nous sommes enthousiasmés par ces découvertes, " dit Gelinas. " Nous avons montré que les E-IGT offrent un fiable, et bloc de construction haute performance pour la bioélectronique implantée de façon chronique, et je suis optimiste que ces appareils nous permettront d'étendre en toute sécurité la façon dont nous utilisons les appareils bioélectroniques pour traiter les maladies neurologiques. »

Une autre avancée majeure est démontrée par les chercheurs dans leur Avancées scientifiques papier :activation des dispositifs bioélectroniques, spécifiquement ceux implantés dans le corps à des fins de diagnostic ou de thérapie, pour s'interfacer efficacement et en toute sécurité avec les tissus humains, tout en les rendant capables d'effectuer des traitements complexes. Inspiré des cellules électriquement actives, semblables à ceux du cerveau qui communiquent avec des impulsions électriques, l'équipe a créé un seul matériau capable d'effectuer plusieurs, non linéaire, l'électronique dynamique fonctionne simplement en faisant varier la taille et la densité de ses particules composites conductrices mixtes.

« Cette innovation ouvre la porte à une approche fondamentalement différente de la conception d'appareils électroniques, mimer des réseaux biologiques et créer des circuits multifonctionnels à partir de composants purement biodégradables et biocompatibles, " dit Khodagholy.

Les chercheurs ont conçu et créé des films anisotropes haute performance à base de particules conductrices mixtes (MCP), transistors adressables indépendamment, résistances, et des diodes sans motif, évolutif, et biocompatibles. Ces appareils remplissaient diverses fonctions, y compris l'enregistrement de l'activité neurophysiologique des neurones individuels, effectuer des opérations de circuit, et le collage d'électronique souple et rigide haute résolution.

« MCP réduit considérablement l'empreinte des dispositifs d'interface neuronale, permettant l'enregistrement de données neurophysiologiques de haute qualité même lorsque la quantité de tissu exposé est très faible, et diminue ainsi le risque de complications chirurgicales, " dit Gelinas. " Et parce que le MCP est composé uniquement de matériaux biocompatibles et disponibles dans le commerce, ce sera beaucoup plus facile à traduire en dispositifs biomédicaux et en médicaments. »

Les E-IGT et les MCP sont tous deux très prometteurs en tant que composants critiques de la bioélectronique, des capteurs miniaturisés portables aux neurostimulateurs réactifs. Les E-IGT peuvent être fabriqués en grandes quantités et sont accessibles à un large éventail de procédés de fabrication. De la même manière, Les composants MCP sont peu coûteux et facilement accessibles aux scientifiques et ingénieurs en matériaux. En combinaison, ils constituent la base de dispositifs biocompatibles entièrement implantables qui peuvent être exploités à la fois pour le bien de la santé et pour le traitement des maladies.

Khodagholy et Gelinas travaillent maintenant à traduire ces composants en dispositifs implantables fonctionnels à long terme qui peuvent enregistrer et moduler l'activité cérébrale pour aider les patients atteints de maladies neurologiques telles que l'épilepsie.

"Notre objectif ultime est de créer des dispositifs bioélectroniques accessibles qui peuvent améliorer la qualité de vie des gens, " dit Khodagholy, "et avec ces nouveaux matériaux et composants, on a l'impression que nous nous en sommes rapprochés."