导读
据美国哥伦比亚大学官网近日报道，该校研究团队设计出一款生物相容的离子驱动柔性晶体管以及一款混合导电颗粒复合材料。前者可以实时执行神经相关计算，后者可实现由单一材料创造电子元件。
背景
近年来，生物电子系统正在发挥着越来越重要的作用，使我们可以更好地理解复杂且充满活力的生物体。这些器件能获取和处理生物基质，以及与之产生相互作用。
下图所示：美国华盛顿州立大学研究人员开发的一款由生物燃料供电的可植入传感器。它依靠糖来运行，并监测人体生物信号，检测、预防和诊断疾病。
（图片来源：华盛顿州立大学）
生物电子器件方面的科研进展，对于推动医学特别是神经科学的发展有着非常重要的意义。生物电子器件可以识别并处理人体生物信号，释放电刺激或者化学刺激来治疗疾病，特别是癫痫与帕金森病等神经精神性疾病。此外，医生通过这些生物电子器件，还可以远程监测患者在家时的健康状况。
下图所示：美国加州大学伯克利分校开发的一款神经刺激器，可同步听取并刺激大脑中的电流，有望为癫痫与帕金森病等神经系统疾病患者提供精细调节的治疗。
（图片来源：Rikky Muller, 加州大学伯克利分校 ）
为了发挥最佳作用，这些生物电子器件不仅要快速、灵敏，也要具有良好的生物相容性以及柔韧性，还要在人体等生理环境中保持长期稳定。然而，目前这些生物电子器件的安全和效率，严重受制于刚性、生物不兼容的元件，解决这些问题将为我们开辟一系列新的诊疗方案。
一款神经刺激器中的刚性电子元件（图片来源：Rikky Muller, 加州大学伯克利分校）
目前，美国哥伦比亚大学工学院电气工程系助理教授 Dion Khodagholy 以及哥伦比亚大学医学中心神经科和基因组医学研究所的 Jennifer N. Gelinas 领导的团队正在开发生物相容的新型柔性电子器件，并保证它们在人体上长期、高效、稳定地运行，以克服传统电子器件的局限性。
去年2月，他们开发出了首个生物相容的离子驱动晶体管，其速度快到足以实时感知并刺激脑部信号。
下图所示：贴在兰花瓣表面的基于“内部离子门控有机电化学晶体管（IGT）”的 NAND 和 NOR 逻辑门。比例尺1厘米。
（图片来源：Jennifer Gelinas/哥伦比亚大学欧文医学中心）
这款内部离子门控有机电化学晶体管（IGT）是通过包含在导电聚合物沟道内的移动离子来运行的。它实现了较高的体积比电容（离子的相互作用涉及整块沟道）并缩短了离子的输运时间。这款 IGT 具有大跨导（放大率）和高速度，能被独立地门控以及微加工，以创造出可伸缩、可整合的集成电路。论文中，研究人员们演示了他们的 IGT 能为人类皮肤提供一种小型化、柔软、可整合的接口，采用局部放大的方法记录适用于高级数据处理的高质量神经信号。
IGT的结构与稳定状态特性（图片来源：参考资料【1】）
创新
近日，Khodagholy 与 Gelinas 又合作发表了两篇重要的论文。
论文一，于3月16日发表在《自然材料（Nature Materials）》期刊上，有关离子驱动的柔性有机晶体管。这款晶体管可以记录单个神经元并进行实时运算，以促进神经系统疾病的诊断与监测。
下图所示：可贴身的“增强型内部离子门控有机电化学晶体管（e-IGT）”：A）显微图片显示了 e-IGT（顶部）的俯视图。比例尺，5毫米。超柔性、超薄的 e-IGT 阵列贴合人体手掌（底部）表面。B）具有四个晶体管用于LFP和尖峰记录的 e-IGT 基器件的光学显微图像。锚孔促进了贴身器件插入到皮层深处。比例尺，80毫米。
（图片来源：哥伦比亚大学）
根据 Khodagholy 的说法，一般来说，大型的植入物例如心脏起搏器、耳蜗和大脑植入物中使用的那些，会被压缩在厚厚的金属盒子中，以防止身体与电子器件之间相互接触。作为替代方案，如果将器件做得更小、柔软、与身体天生相容，那么我们就能做得更多。过去几年，他的课题组一直在采用这些材料独特的性能，开发与生物基质特别是神经网络以及大脑有效相互作用的新型电子器件。
传统晶体管由硅制成，无法在离子和水的存在下工作，确切地说，当离子扩散到设备中时，就会失效。因此，这些器件在身体中需要完全密封，通常是密封在金属或者塑料中。此外，尽管这些器很擅长与电子打交道，但却不太擅长与离子信号交流，然而离子信号却正是身体细胞之间通信的方式。结果，这些性质将非生物/生物耦合限制为仅在材料表面上的电容性相互作用，从而导致较低的性能。由于有机材料天生具有柔性，所以过去一直被用于克服这些限制，但是有机材料的电气性能往往不足以进行实时脑信号记录与处理。
新一代柔性、有机、可降解的电子器件（图片来源：斯坦福大学/鲍哲楠实验）
Khodagholy 的团队利用了有机材料的电子导电性和离子导电性，创造出一款离子驱动的晶体管，称为“e-IGTs”，或者称为“增强型内部离子门控有机电化学晶体管”，这些晶体管将移动离子内嵌在沟道中。由于离子无需长途跋涉来参与沟道开关过程，所以它们可以迅速、高效地打开和关闭。瞬态响应取决于电子空穴而不是离子迁移率，并结合高跨导，以产生比其他离子基晶体管高几个数量级的增益带宽。
研究人员使用 e-IGTs 获取范围广泛的电生理信号，例如在活体中记录神经动作脉冲，以及创造柔软、生物相容、可长期植入的神经处理单元，实时监测癫痫放电。Gelinas 表示：“我们对这些发现感到振奋。我们已经证明，E-IGTs 能为慢性植入式生物电子器件提供安全、可靠、高性能的构成要素，并且我很乐观，这些器件将使我们安全地拓展我们用生物电子器件应对神经疾病的方式。”
论文二，于4月24日发表在《科学进展（Science Advances）》期刊上，关于柔软的、生物相容的智能复合材料：有机的混合导电颗粒材料（MCP）。这种材料能创造出传统意义上需要几层、几种材料才能实现的复杂电子元件，也实现了柔软材料、生物组织、刚性电子器件之间简单有效的电子粘接。由于 MCP 是完全生物相容的，并具有可控的电子特性，所以能非侵入性地从手臂表面记录肌肉动作电位，并通过与贝勒医学院神经外科的 Sameer Sheth 和 Ashwin Viswanathan 合作，将神经外科手术期间大规模的脑活动记录至植入深脑的刺激电极。
下图所示：贴身的电子器件与由混合导电颗粒复合材料（MCP）完成的高质量非侵入式电生理学记录。A）由 MCP 连接在一起的两个贴身阵列；箭头指示了接合区域。比例尺 500 微米。B）高浓度、贴身的 EMG 阵列采用 MCP 粘贴在受试者的手腕上。（左，比例尺 10毫米）。横截面示意图对比了皮肤与电子器件之间的凝胶与 MCP 接口（右）。
（图片来源：哥伦比亚大学）
这篇论文提及的重要进展就是：使生物电子器件（尤其是植入身体用于诊断和治疗的那些）与人体组织安全有效地接合，同时也使其能够进行复杂的处理。受到电活性细胞（类似于大脑中与电脉冲通信的那些）的启发，团队创造出一种单一材料，仅通过改变复合材料的混合导电颗粒的尺寸和密度，就可以执行多种非线性动态电子功能。
Khodagholy 表示：“这项创新为设计电子器件开辟了一种完全不同的方法，模仿生物网络并利用生物可降解且生物相容的成分创造出多功能电路。”
研究人员基于混合导电颗粒，设计并创造出无图案、可扩展、生物相容的高性能各向异性薄膜、独立寻址晶体管、电阻和二极管。这些器件可执行一系列的功能，包括记录单个神经元的神经生理学活动，执行电路操作，以及接合高分辨率的柔性和刚性电子器件。
Gelinas 表示：“MCP 大大降低了神经接口装置的碳排放量，即使暴露的组织数量很少，也可以记录高质量的神经生理学数据，从而降低手术并发症的风险。而且因为 MCP 仅由生物相容并且市场上买得到的材料组成，所以转化为生物器件和药物将会容易得多。”
价值
从可穿戴的微型传感器到响应型神经刺激物，E-IGTs 和 MCP 都非常有望成为生物电子器件的关键部件。E-IGTs 可以大批量制造，并适合各种制造工艺。类似地，MCP 成分也很便宜，并且很容易被材料科学家和工程师们获得。二者结合起来，为完全可植入的生物相容性器件奠定了基础，这些器件不仅有益健康，还能治疗疾病。
Khodagholy 和 Gelinas 目前正在将这些成分转化为实用的长期可植入器件，来记录并调节大脑活动，以帮助癫痫等神经系统疾病患者。
Khodagholy 表示：“我们的最终目标是创造可改善人们生活质量的无障碍生物电子器件。有了这些新材料和元件，我们似乎离这个目标更近了。”
关键字
生物相容、柔性电子、生物电子
参考资料
【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
【4】https://engineering.columbia.edu/press-releases/khodagholy-bioelectronic-transistors
