導讀
據美國哥倫比亞大學官網近日報導，該校研究團隊設計出一款生物相容的離子驅動柔性電晶體以及一款混合導電顆粒複合材料。前者可以實時執行神經相關計算，後者可實現由單一材料創造電子元件。
背景
近年來，生物電子系統正在發揮著越來越重要的作用，使我們可以更好地理解複雜且充滿活力的生物體。這些器件能獲取和處理生物基質，以及與之產生相互作用。
美國華盛頓州立大學研究人員開發的一款由生物燃料供電的可植入傳感器。它依靠糖來運行，並監測人體生物信號，檢測、預防和診斷疾病。（圖片來源：華盛頓州立大學）
生物電子器件方面的科研進展，對於推動醫學特別是神經科學的發展有著非常重要的意義。生物電子器件可以識別並處理人體生物信號，釋放電刺激或者化學刺激來治療疾病，特別是癲癇與帕金森病等神經精神性疾病。此外，醫生通過這些生物電子器件，還可以遠程監測患者在家時的健康狀況。
美國加州大學伯克利分校開發的一款神經刺激器，可同步聽取並刺激大腦中的電流，有望為癲癇與帕金森病等神經系統疾病患者提供精細調節的治療。（圖片來源：Rikky Muller, 加州大學伯克利分校 ）
為了發揮最佳作用，這些生物電子器件不僅要快速、靈敏，也要具有良好的生物相容性以及柔韌性，還要在人體等生理環境中保持長期穩定。然而，目前這些生物電子器件的安全和效率，嚴重受制於剛性、生物不兼容的元件，解決這些問題將為我們開闢一系列新的診療方案。
一款神經刺激器中的剛性電子元件（圖片來源：Rikky Muller, 加州大學伯克利分校）
目前，美國哥倫比亞大學工學院電氣工程系助理教授 Dion Khodagholy 以及哥倫比亞大學醫學中心神經科和基因組醫學研究所的 Jennifer N. Gelinas 領導的團隊正在開發生物相容的新型柔性電子器件，並保證它們在人體上長期、高效、穩定地運行，以克服傳統電子器件的局限性。去年2月，他們開發出了首個生物相容的離子驅動電晶體，其速度快到足以實時感知並刺激腦部信號。
貼在蘭花瓣表面的基於「內部離子門控有機電化學電晶體（IGT）」的 NAND 和 NOR 邏輯門。比例尺1釐米。（圖片來源：Jennifer Gelinas/哥倫比亞大學歐文醫學中心）
這款內部離子門控有機電化學電晶體（IGT）是通過包含在導電聚合物溝道內的移動離子來運行的。它實現了較高的體積比電容（離子的相互作用涉及整塊溝道）並縮短了離子的輸運時間。這款 IGT 具有大跨導（放大率）和高速度，能被獨立地門控以及微加工，以創造出可伸縮、可整合的集成電路。論文中，研究人員們演示了他們的 IGT 能為人類皮膚提供一種小型化、柔軟、可整合的接口，採用局部放大的方法記錄適用於高級數據處理的高質量神經信號。
IGT的結構與穩定狀態特性（圖片來源：參考資料【1】）
創新
近日，Khodagholy 與 Gelinas 又合作發表了兩篇重要的論文。
論文一，於3月16日發表在《自然材料（Nature Materials）》期刊上，有關離子驅動的柔性有機電晶體。這款電晶體可以記錄單個神經元並進行實時運算，以促進神經系統疾病的診斷與監測。
可貼身的「增強型內部離子門控有機電化學電晶體（e-IGT）」：A）顯微圖片顯示了 e-IGT（頂部）的俯視圖。比例尺，5毫米。超柔性、超薄的 e-IGT 陣列貼合人體手掌（底部）表面。B）具有四個電晶體用於LFP和尖峰記錄的 e-IGT 基器件的光學顯微圖像。錨孔促進了貼身器件插入到皮層深處。比例尺，80毫米。（圖片來源：哥倫比亞大學）
根據 Khodagholy 的說法，一般來說，大型的植入物例如心臟起搏器、耳蝸和大腦植入物中使用的那些，會被壓縮在厚厚的金屬盒子中，以防止身體與電子器件之間相互接觸。作為替代方案，如果將器件做得更小、柔軟、與身體天生相容，那麼我們就能做得更多。過去幾年，他的課題組一直在採用這些材料獨特的性能，開發與生物基質特別是神經網絡以及大腦有效相互作用的新型電子器件。傳統電晶體由矽製成，無法在離子和水的存在下工作，確切地說，當離子擴散到設備中時，就會失效。因此，這些器件在身體中需要完全密封，通常是密封在金屬或者塑料中。此外，儘管這些器很擅長與電子打交道，但卻不太擅長與離子信號交流，然而離子信號卻正是身體細胞之間通信的方式。結果，這些性質將非生物/生物耦合限制為僅在材料表面上的電容性相互作用，從而導致較低的性能。由於有機材料天生具有柔性，所以過去一直被用於克服這些限制，但是有機材料的電氣性能往往不足以進行實時腦信號記錄與處理。
新一代柔性、有機、可降解的電子器件（圖片來源：史丹福大學/鮑哲楠實驗室）
Khodagholy 的團隊利用了有機材料的電子導電性和離子導電性，創造出一款離子驅動的電晶體，稱為「e-IGTs」，或者稱為「增強型內部離子門控有機電化學電晶體」，這些電晶體將移動離子內嵌在溝道中。由於離子無需長途跋涉來參與溝道開關過程，所以它們可以迅速、高效地打開和關閉。瞬態響應取決於電子空穴而不是離子遷移率，並結合高跨導，以產生比其他離子基電晶體高几個數量級的增益帶寬。
研究人員使用 e-IGTs 獲取範圍廣泛的電生理信號，例如在活體中記錄神經動作脈衝，以及創造柔軟、生物相容、可長期植入的神經處理單元，實時監測癲癇放電。Gelinas 表示：「我們對這些發現感到振奮。我們已經證明，E-IGTs 能為慢性植入式生物電子器件提供安全、可靠、高性能的構成要素，並且我很樂觀，這些器件將使我們安全地拓展我們用生物電子器件應對神經疾病的方式。」
論文二，於4月24日發表在《科學進展（Science Advances）》期刊上，關於柔軟的、生物相容的智能複合材料：有機的混合導電顆粒材料（MCP）。這種材料能創造出傳統意義上需要幾層、幾種材料才能實現的複雜電子元件，也實現了柔軟材料、生物組織、剛性電子器件之間簡單有效的電子粘接。由於 MCP 是完全生物相容的，並具有可控的電子特性，所以能非侵入性地從手臂表面記錄肌肉動作電位，並通過與貝勒醫學院神經外科的 Sameer Sheth 和 Ashwin Viswanathan 合作，將神經外科手術期間大規模的腦活動記錄至植入深腦的刺激電極。
貼身的電子器件與由混合導電顆粒複合材料（MCP）完成的高質量非侵入式電生理學記錄。A）由 MCP 連接在一起的兩個貼身陣列；箭頭指示了接合區域。比例尺 500 微米。B）高濃度、貼身的 EMG 陣列採用 MCP 粘貼在受試者的手腕上。（左，比例尺 10毫米）。橫截面示意圖對比了皮膚與電子器件之間的凝膠與 MCP 接口（右）。（圖片來源：哥倫比亞大學）
這篇論文提及的重要進展就是：使生物電子器件（尤其是植入身體用於診斷和治療的那些）與人體組織安全有效地接合，同時也使其能夠進行複雜的處理。受到電活性細胞（類似於大腦中與電脈衝通信的那些）的啟發，團隊創造出一種單一材料，僅通過改變複合材料的混合導電顆粒的尺寸和密度，就可以執行多種非線性動態電子功能。Khodagholy 表示：「這項創新為設計電子器件開闢了一種完全不同的方法，模仿生物網絡並利用生物可降解且生物相容的成分創造出多功能電路。」研究人員基於混合導電顆粒，設計並創造出無圖案、可擴展、生物相容的高性能各向異性薄膜、獨立尋址電晶體、電阻和二極體。這些器件可執行一系列的功能，包括記錄單個神經元的神經生理學活動，執行電路操作，以及接合高解析度的柔性和剛性電子器件。Gelinas 表示：「MCP 大大降低了神經接口裝置的碳排放量，即使暴露的組織數量很少，也可以記錄高質量的神經生理學數據，從而降低手術併發症的風險。而且因為 MCP 僅由生物相容並且市場上買得到的材料組成，所以轉化為生物器件和藥物將會容易得多。」價值從可穿戴的微型傳感器到響應型神經刺激物，E-IGTs 和 MCP 都非常有望成為生物電子器件的關鍵部件。E-IGTs 可以大批量製造，並適合各種製造工藝。類似地，MCP 成分也很便宜，並且很容易被材料科學家和工程師們獲得。二者結合起來，為完全可植入的生物相容性器件奠定了基礎，這些器件不僅有益健康，還能治療疾病。Khodagholy 和 Gelinas 目前正在將這些成分轉化為實用的長期可植入器件，來記錄並調節大腦活動，以幫助癲癇等神經系統疾病患者。Khodagholy 表示：「我們的最終目標是創造可改善人們生活質量的無障礙生物電子器件。有了這些新材料和元件，我們似乎離這個目標更近了。」
關鍵字
生物相容、柔性電子、生物電子
參考資料
【1】George D. Spyropoulos, Jennifer N. Gelinas and Dion Khodagholy. Internal-ion gated organic electrochemical transistor: a building block for integrated bioelectronics. Science Advances, 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aau7378
【2】Claudia Cea, George D. Spyropoulos, Patricia Jastrzebska-Perfect, José J. Ferrero, Jennifer N. Gelinas, Dion Khodagholy. Enhancement-mode ion-based transistor as a comprehensive interface and real-time processing unit for in vivo electrophysiology. Nature Materials, 2020; DOI: 10.1038/s41563-020-0638-3【3】Patricia Jastrzebska-Perfect, George D. Spyropoulos, Claudia Cea, Zifang Zhao, Onni J. Rauhala, Ashwin Viswanathan, Sameer A. Sheth, Jennifer N. Gelinas, and Dion Khodagholy. Mixed-conducting particulate composites for soft electronics. Science Advances, 2020 DOI: 10.1126/sciadv.aaz6767