Avances en la terapia de precisión con un novedoso dispositivo bioelectrónico completamente orgánico

A medida que los científicos realizan avances significativos en la atención médica, también descubren que la eficacia de estos tratamientos se puede aumentar con un enfoque individualizado. Por lo tanto, los médicos necesitan cada vez más métodos que puedan monitorear de forma continua las señales fisiológicas y personalizar la administración de fármacos con capacidad de respuesta.

Los dispositivos bioelectrónicos implantables juegan un papel clave en estos tratamientos, pero existen una serie de desafíos que dificultan su adopción generalizada. Estos dispositivos requieren componentes especializados para adquisición, procesamiento, transmisión de datos y energía.

Hasta ahora, lograr estas capacidades en un dispositivo implantado ha implicado el uso de muchos componentes rígidos y no biocompatibles que pueden provocar la ruptura del tejido y la incomodidad del paciente. Idealmente, estos dispositivos deberían ser biocompatibles, flexibles y estables en el cuerpo durante mucho tiempo. También deben ser lo suficientemente rápidos y sensibles para capturar firmas biológicas de alta velocidad y baja amplitud y, al mismo tiempo, poder transmitir datos para análisis externos.

Científicos de Columbia inventan el primer dispositivo bioelectrónico autónomo, flexible y completamente orgánico

Investigadores de Columbia Engineering anunciaron hoy que han desarrollado el primer dispositivo bioelectrónico autónomo, adaptable y completamente orgánico que no solo puede recibir y transmitir señales cerebrales neurofisiológicas, sino que también puede proporcionar energía para operar el dispositivo.

Aproximadamente 100 veces más pequeño que un cabello humano, este dispositivo se basa en una arquitectura de transistor orgánico que incluye un canal vertical y un canal de agua miniaturizado, exhibiendo estabilidad a largo plazo, alta eficiencia eléctrica y operación de bajo voltaje para evitar daños al tejido biológico. Los hallazgos se describen en un nuevo estudio, publicado hoy en Materiales de la naturaleza.

Tanto los investigadores como los médicos sabían que se necesitaban transistores que tuvieran todas estas características al mismo tiempo: bajo voltaje operativo, biocompatibilidad, estabilidad operativa, compatibilidad con Vivir operación; y alta eficiencia eléctrica, que incluye tiempo de respuesta rápido, alta transconductancia y funcionamiento sin diafonía. Los transistores basados ​​en silicio son las tecnologías más establecidas, pero no son ideales ya que son duros, rígidos e incapaces de establecer una interfaz iónica muy eficiente con el cuerpo. ]

El equipo resolvió estos problemas mediante la introducción de una arquitectura IGT (transistor electroquímico orgánico interno activado por iones) escalable, autónoma y submicrónica, la vIGT. Introdujeron una disposición de canal vertical que aumenta la velocidad interna de la arquitectura IGT al optimizar la geometría del canal y permitir que los transistores de alta densidad se coloquen uno al lado del otro: 155 000 de ellos por centímetro cuadrado.

Los vGIT escalables son los transistores electroquímicos más rápidos

VIGT consta de materiales biocompatibles disponibles comercialmente que no requieren encapsulación en un entorno biológico y no se dañan con el agua o los iones. El material compuesto del canal se puede producir de manera reproducible en grandes cantidades y se puede procesar en solución, lo que lo hace más accesible para una amplia gama de procesos de fabricación.

Son flexibles y compatibles con la integración en una amplia gama de sustratos de plástico conformables, y tienen estabilidad a largo plazo, baja diafonía de transistores y capacidad de integración de alta densidad para producir circuitos integrados de alto rendimiento.

“La electrónica orgánica no es conocida por su alta eficiencia y confiabilidad”, dijo el líder del estudio, Dion Khodagholy, profesor asociado de ingeniería eléctrica. “Pero con nuestra nueva arquitectura vGIT, pudimos incorporar un canal vertical que tiene su propia fuente de iones. Esta autosuficiencia de los iones hizo que el transistor fuera particularmente rápido; de hecho, actualmente son los transistores electroquímicos más rápidos”.

Para acelerar aún más las cosas, el equipo utilizó técnicas avanzadas de nanofabricación para miniaturizar y densificar estos transistores a escala submicrométrica. La producción se llevó a cabo en una sala limpia de la Iniciativa Nano de Columbia.

Colaboración con médicos CUIMC

Para desarrollar la arquitectura, los investigadores primero necesitaban comprender los desafíos de diagnosticar y tratar a pacientes con trastornos neurológicos como la epilepsia, así como la metodología actual. Colaboraron con colegas del Departamento de Neurología del Centro Médico Irving de la Universidad de Columbia, en particular con Jennifer Gelinas, profesora asistente de neurología, ingeniería eléctrica y biomédica, y directora del Laboratorio de Epilepsia y Cognición.

Una combinación de alta velocidad y flexibilidad. y la operación de bajo voltaje permite que los transistores se usen no solo para el registro de señales neuronales, sino también para la transmisión de datos y la alimentación del dispositivo, lo que lleva a un implante totalmente adaptable. Los investigadores usaron esta característica para demostrar implantes completamente suaves y verificables capaces de registrar y transmitir actividad neuronal de alta resolución tanto desde el exterior en la superficie del cerebro como desde el interior, en lo profundo del cerebro.

“Este trabajo potencialmente abrirá una amplia gama de posibilidades traslacionales y hará que los implantes médicos sean accesibles para una gran cantidad de pacientes que tradicionalmente no son elegibles para dispositivos implantables debido a la complejidad y el alto riesgo de tales procedimientos”, dijo Gelinas.

“Es sorprendente que nuestra investigación y nuestros dispositivos puedan ayudar a los médicos a realizar mejores diagnósticos y tener un impacto positivo en la calidad de vida de los pacientes”, agregó la autora principal del estudio, Claudia Cea, quien recientemente defendió su doctorado. y será un becario postdoctoral en el MIT este otoño.

Luego, los investigadores planean unir fuerzas con los neurocirujanos de CUIMC para validar la viabilidad de los implantes basados ​​en vIGT en los quirófanos. El equipo tiene la intención de desarrollar implantes suaves y seguros que podrán detectar e identificar varias ondas cerebrales patológicas causadas por trastornos neurológicos.