De nombreuses avancées majeures en médecine, surtout en neurologie, ont été déclenchés par les progrès récents des systèmes électroniques qui peuvent acquérir, traiter, et interagissent avec des substrats biologiques. Ces systèmes bioélectroniques, qui sont de plus en plus utilisés pour comprendre les organismes vivants dynamiques et pour traiter les maladies humaines, nécessitent des appareils capables d'enregistrer les signaux corporels, les traiter, détecter des modèles, et délivrer une stimulation électrique ou chimique pour résoudre les problèmes.

Transistors, les appareils qui amplifient ou commutent les signaux électroniques sur les circuits, constituent l'épine dorsale de ces systèmes. Cependant, ils doivent répondre à de nombreux critères pour fonctionner efficacement et en toute sécurité dans des environnements biologiques tels que le corps humain. À ce jour, les chercheurs n'ont pas été en mesure de construire des transistors dotés de toutes les caractéristiques nécessaires à la sécurité, fiable, et un fonctionnement rapide dans ces environnements sur de longues périodes de temps.

Une équipe dirigée par Dion Khodagholy, professeur adjoint de génie électrique à Columbia Engineering, et Jennifer N. Gelinas, Centre médical de l'Université de Columbia, Département de neurologie, et l'Institut de médecine génomique, a développé le premier transistor biocompatible à commande ionique suffisamment rapide pour permettre la détection de signaux en temps réel et la stimulation des signaux cérébraux.

Le transistor électrochimique organique (IGT) à ions internes fonctionne via des ions mobiles contenus dans un canal polymère conducteur pour permettre à la fois une capacité volumétrique (interactions ioniques impliquant la totalité du canal) et un temps de transit ionique raccourci. L'IGT a une grande transconductance (taux d'amplification), grande vitesse, et peut être indépendamment contrôlé ainsi que microfabriqué pour créer des circuits intégrés conformables évolutifs. Dans leur étude publiée aujourd'hui dans Avancées scientifiques , les chercheurs démontrent la capacité de leur IGT à fournir un mou, tendre, interface conforme avec la peau humaine, utiliser l'amplification locale pour enregistrer des signaux neuronaux de haute qualité, adapté au traitement avancé des données.

"Nous avons fait un transistor qui peut communiquer en utilisant des ions, les porteurs de charge du corps, à des vitesses suffisamment rapides pour effectuer des calculs complexes requis pour la neurophysiologie, l'étude du fonctionnement du système nerveux, ", dit Khodagholy. "Le canal de notre transistor est composé de matériaux entièrement biocompatibles et peut interagir avec les ions et les électrons, rendre la communication avec les signaux neuronaux du corps plus efficace. Nous pourrons désormais construire de manière plus sûre, plus petite, et des dispositifs bioélectroniques plus intelligents, telles que les interfaces cerveau-machine, électronique portable, et des dispositifs de stimulation thérapeutique réactifs, qui peut être implanté chez l'homme sur de longues périodes de temps."

Autrefois, des transistors traditionnels à base de silicium ont été utilisés dans des dispositifs bioélectroniques, mais ils doivent être soigneusement encapsulés pour éviter tout contact avec les fluides corporels, à la fois pour la sécurité du patient et le bon fonctionnement de l'appareil. Cette exigence rend les implants basés sur ces transistors encombrants et rigides. En parallèle, beaucoup de travail a été fait dans le domaine de l'électronique organique pour créer des transistors intrinsèquement flexibles en plastique, y compris des conceptions telles que des transistors électrolytiques ou électrochimiques qui peuvent moduler leur sortie en fonction des courants ioniques. Cependant, ces dispositifs ne peuvent pas fonctionner assez rapidement pour effectuer les calculs requis pour les dispositifs bioélectroniques utilisés dans les applications de neurophysiologie.

Khodagholy et son chercheur postdoctoral George Spyropoulos, le premier auteur de cet ouvrage, construit un canal de transistor à base de polymères conducteurs pour permettre la modulation ionique, et, afin de rendre l'appareil rapide, ils ont modifié le matériau pour avoir ses propres ions mobiles. En raccourcissant la distance que les ions devaient parcourir dans la structure polymère, ils ont amélioré la vitesse du transistor d'un ordre de grandeur par rapport à d'autres dispositifs ioniques de même taille.

" Surtout, nous n'avons utilisé que des matériaux entièrement biocompatibles pour créer cet appareil. Notre ingrédient secret est le D-sorbitol, ou du sucre, " dit Khodagholy. " Les molécules de sucre attirent les molécules d'eau et non seulement aident le canal du transistor à rester hydraté, mais aussi aider les ions à voyager plus facilement et plus rapidement dans le canal."

Parce que l'IGT pourrait améliorer considérablement la facilité et la tolérance des procédures d'électroencéphalographie (EEG) pour les patients, les chercheurs ont sélectionné cette plateforme pour démontrer la capacité translationnelle de leur appareil. Utilisant leur transistor pour enregistrer les ondes cérébrales humaines à la surface du cuir chevelu, ils ont montré que l'amplification locale IGT directement à l'interface appareil-cuir chevelu a permis de réduire la taille du contact de cinq ordres de grandeur - l'ensemble du dispositif s'insère facilement entre les follicules pileux, simplifiant considérablement le placement. L'appareil peut également être facilement manipulé à la main, amélioration de la stabilité mécanique et électrique. De plus, parce que le dispositif micro-EEG IGT est conforme au cuir chevelu, aucun adhésif chimique n'était nécessaire, le patient n'avait donc pas d'irritation cutanée causée par les adhésifs et était globalement plus à l'aise.

Ces dispositifs pourraient également être utilisés pour fabriquer des dispositifs implantables en boucle fermée, tels que ceux actuellement utilisés pour traiter certaines formes d'épilepsie médicalement réfractaire. Les dispositifs pourraient être plus petits et plus faciles à implanter, et également fournir plus d'informations.

"Notre inspiration initiale était de fabriquer un transistor conformable pour les implants neuronaux, " note Gelinas. " Bien que nous l'ayons spécifiquement testé pour le cerveau, Les IGT peuvent également être utilisés pour enregistrer le cœur, muscle, et moment des yeux."

Khodagholy et Gelinas explorent maintenant s'il existe des limites physiques au type d'ions mobiles qu'ils peuvent intégrer dans le polymère. Ils étudient également de nouveaux matériaux dans lesquels ils peuvent intégrer des ions mobiles et affinent leurs travaux sur l'utilisation des transistors pour fabriquer des circuits intégrés pour des dispositifs de stimulation réactifs.

« Nous sommes très heureux de pouvoir améliorer considérablement les transistors ioniques en ajoutant des ingrédients simples, » note Khodagholy. « Avec une telle vitesse et amplification, combinées à leur facilité de microfabrication, ces transistors pourraient être appliqués à de nombreux types de dispositifs différents. Il existe un grand potentiel pour que l'utilisation de ces dispositifs profite aux soins des patients à l'avenir. »