Esnek iyon transistörleri: gelecekteki biyoelektronik cihazların temelini atıyor!
Kılavuz
Yakın zamanda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Columbia Üniversitesi tarafından yönetilen bilimsel bir araştırma ekibi, ilk biyouyumlu iyon tahrikli transistörü geliştirdi. Hızı, beyin sinyallerini gerçek zamanlı olarak algılamak ve uyarmak için yeterince hızlıdır ve daha güvenli, daha küçük ve daha akıllı biyoelektronik cihazlar getirecektir.
arka fon
Son yıllarda, bilim adamlarının biyolojik substratları edinme, işleme ve onlarla etkileşime girme konusunda kaydettikleri ilerleme, tıp alanında, özellikle de nöroloji alanında birçok önemli ilerlemeye yol açmıştır. Bu biyoelektronik sistemler, canlı organizmaları anlamak ve insan hastalıklarını tedavi etmek için giderek daha fazla kullanılmaktadır.Bu hastalıklar genellikle vücut sinyallerini kaydedebilen ve işleyebilen, kalıpları tanıyan ve bu problemlerle başa çıkmak için elektriksel veya kimyasal uyaranları serbest bırakabilen ekipman gerektirir.
Beyin hastalıklarını güvenli ve etkili bir şekilde teşhis edip tedavi edebilen düşük maliyetli esnek sensör (Resim kaynağı: King Abdullah University of Science and Technology)
Beyindeki akımları eşzamanlı olarak dinleyen ve uyaran yeni bir nörostimülatör türü (Resim kaynağı: Rikky Muller, University of California, Berkeley)
Transistör, çok önemli bir yarı iletken bileşendir. Basitçe ifade etmek gerekirse, transistörler bir devredeki akımı "değiştirmek" veya "yükseltmek" için kullanılabilir. Biyoelektronik sistemler dahil birçok elektronik sistem bu temel bileşenden ayrılamaz. Teknolojik yeniliklerin sürekli derinleşmesi ve gelişmesiyle birlikte, bilim adamları artık basılı elektronik teknolojisi ve iki boyutlu malzemeler kullanılarak yapılan transistörler, elektron spinine dayalı transistörler ve eksiton tabanlı transistörler gibi çeşitli yenilikçi transistörler geliştirdiler. Transistörler, termoelektrik organik transistörler, ultra ince ve şeffaf esnek transistörler.
İki boyutlu nanomalzemeler inkjet ile basılmış transistör (fotoğraf kaynağı: Trinity College, University of Dublin)
Magnon bazlı transistörleri çevirin (Resim kaynağı: L.Cornelissen)
Termoelektrik organik transistör (Resim kaynağı: Thor Balkhed)
Esnek, ultra ince ve şeffaf oksit ince film transistörü (fotoğraf kaynağı: Korea Advanced Institute of Technology)
Bununla birlikte, transistörler insan vücudu gibi çeşitli biyolojik ortamlarda güvenli ve etkili bir şekilde çalışacaksa, birçok katı standardı karşılamaları gerekir. Şimdiye kadar bilim adamları, bu ortamlarda uzun vadeli güvenli, güvenilir ve hızlı çalışmanın tüm özelliklerini karşılayan bir transistör inşa etmediler.
Yenilikçilik
Yakın zamanda Columbia Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Mühendisliği Bölümü Yardımcı Doçenti Dion Khodagholy ve Columbia Üniversitesi Tıp Merkezi Nöroloji ve Genomik Tıp Enstitüsü'nden Jennifer N. Gelinas liderliğindeki bir ekip, ilk biyouyumlu iyon güdümlü transistörü geliştirdi. Hız, beyin sinyallerini gerçek zamanlı olarak algılamak ve uyarmak için yeterince hızlıdır. İlgili makaleler 27 Şubat'ta "Science Advances" dergisinde yayınlandı.
Aşağıdaki şekil şunu göstermektedir: Orkide yapraklarının yüzeyine tutturulmuş IGT tabanlı NAND ve NOR mantık kapıları. Ölçek 1 cm'dir.
(Fotoğraf kredisi: Jennifer Gelinas / Columbia Üniversitesi Irvine Tıp Merkezi)
teknoloji
Bu dahili iyon kapılı organik elektrokimyasal transistör (IGT), iletken polimer kanalında bulunan hareketli iyonlar aracılığıyla çalışır. Daha yüksek hacimsel özgül kapasitans elde eder (iyonların etkileşimi tüm kanalı içerir) ve iyonların nakil süresini kısaltır. Bu IGT, büyük bir geçiş iletkenliğine (büyütme) ve yüksek hıza sahiptir ve ölçeklenebilir ve entegre edilebilir bir entegre devre oluşturmak için bağımsız olarak geçitlenebilir ve mikro işlenebilir. Makalede, araştırmacılar, IGT'lerinin gelişmiş veri işleme için uygun yüksek kaliteli sinir sinyallerini kaydetmek için yerel bir amplifikasyon yöntemi kullanarak insan cildi için minyatür, yumuşak ve entegre edilebilir bir arayüz sağlayabileceğini gösterdiler.
IGT'nin yapısı ve kararlı durum özellikleri (resim kaynağı: referans [2])
Khodagholy şunları söyledi: "İletişim için iyonları (vücudun yük taşıyıcıları) kullanan bir transistör yaptık ve iletişim hızı, nörofizyolojinin gerektirdiği karmaşık hesaplama görevlerini (sinir sisteminin işlevlerini incelemek) yerine getirmek için yeterince hızlı. Transistör kanalımız Tamamen biyouyumlu malzemelerden yapılmıştır.İyonlar ve elektronlarla etkileşime girerek vücudun sinir sinyalleriyle iletişimi daha verimli hale getirebilir.Şimdi daha güvenli, daha küçük ve daha akıllı organizmalar inşa edebildik. Beyin-bilgisayar arayüzleri, giyilebilir elektronik cihazlar ve reaktif terapi için stimülasyon cihazları gibi elektronik cihazlar, bu cihazlar insan vücuduna uzun süre implante edilebilir. "
Geçmişte, biyoelektronik cihazlarda geleneksel silikon bazlı transistörler kullanılmıştır. Ancak bu transistörler vücut sıvıları ile temastan kaçınmak için dikkatli bir şekilde paketlenmelidir, bu sadece hastanın güvenliği için değil aynı zamanda cihazın normal çalışması için de geçerlidir. Bu gereksinim, bu transistörlere dayalı implantları hacimli ve sert hale getirir. Aynı zamanda, bilim adamları organik elektronik alanında plastikler aracılığıyla doğal olarak esnek transistörler yaratarak pek çok çalışma yaptılar.Bu tasarımlar elektrolit kapılı transistörler veya elektrokimyasal transistörler içerir ve bunların çıkışı iyon akımına göre modüle edilebilir. Ancak bu cihazlar, nörofizyolojik uygulamalarda biyoelektroniğin gerektirdiği hesaplamaları yapacak kadar hızlı çalışmamaktadır.
Khodagholy ve doktora sonrası araştırmacısı George Spyropoulos (bu çalışmanın ilk yazarı) iyon modülasyonu elde etmek için iletken bir polimere dayalı bir transistör inşa etti. Ve bu cihazın daha hızlı çalışmasını sağlamak için malzemeyi kendi hareketli iyonuna sahip olacak şekilde değiştirdiler. Polimer yapıda iyonların gitmesi gereken mesafeyi kısaltarak, transistörün hızını, aynı boyuttaki diğer iyon cihazlarına kıyasla bir büyüklük sırasına göre artırdılar.
Khodagholy şunları söyledi: "Önemli olan, bu cihazı oluşturmak için yalnızca tamamen biyouyumlu malzemeler kullanmamızdır. Gizli tarifimiz sorbitol veya şekerdir. Şeker molekülleri, yalnızca transistör kanalının suyu tutmasına yardımcı olan değil, aynı zamanda su moleküllerini çeker. Ayrıca iyonların kanalda daha kolay ve daha hızlı taşınmasına yardımcı oluyor. "
değer
IGT'nin elektroensefalografi (EEG) incelemelerinin kolaylığını ve toleransını önemli ölçüde iyileştirmesi beklendiğinden, araştırmacılar cihazlarının dönüştürme yeteneklerini göstermek için bu platformu seçtiler. Kafa derisinin yüzeyinden insan beyni dalgalarını kaydetmek için transistörlerini kullanarak, IGT'nin doğrudan "cihaz-kafa derisi arayüzü" üzerindeki lokal amplifikasyonunun temas boyutunu beş büyüklük sırası azalttığını gösterdiler. Cihazın tamamı saç köklerinin arasına kolayca kurulabilir, bu da kurulum sürecini temelde basitleştirir. Bu cihazın elle kontrol edilmesi de kolaydır ve mekanik ve elektriksel kararlılığı artırır. Ayrıca minyatür EEG IGT cihazı kimyasal yapıştırıcılar olmadan kafa derisi ile iyi bir şekilde kombine edilebildiği için hastanın cildi kimyasal yapıştırıcılar ile uyarılmayacak ve genel olarak daha rahattır.
Mikron düzeyinde IGT, yüksek kaliteli insan beyin dalgası sinyalleri elde eder (resim kaynağı: referans [2])
Bu cihazlar, tıbbi olarak inatçı bazı epilepsiyi tedavi etmek için şu anda kullanılanlar gibi implante edilebilir kapalı döngü cihazları yapmak için de kullanılabilir. Bu tür cihazlar daha küçük olacak, implante edilmesi daha kolay olacak ve daha fazla bilgi sağlayabilir.
Gelinas, "İlk ilham kaynağımız nöral implantlar için entegre edilebilir transistörler yapmaktı. Bu cihazı özellikle beyin için test ederken, IGT'nin kalp, kas ve göz hareketlerini kaydetmek için de kullanılabileceğini gördük."
gelecek
Khodagholy ve Gelinas şimdi polimere ne tür mobil iyonları yerleştirebilecekleri konusunda fiziksel sınırlamalar olup olmadığını araştırıyorlar. Ayrıca, hareketli iyonları ekleyebilen yeni malzemeler üzerinde çalışıyorlar ve reaktif stimülasyon cihazları için entegre devreler yapmak için çalışmalarını daha da geliştiriyorlar.
Khodagholy şunları söyledi: "İyon transistörlerini basit bileşenler ekleyerek tamamen iyileştirebildiğimiz için çok heyecanlıyız. Bu tür hız ve amplifikasyonun yanı sıra mikro işleme kolaylığı, bu transistörleri gelecekte birçok farklı cihaz için umut verici kılıyor. Bu cihazların kullanılması hastaların sağlığına fayda sağlamada büyük bir potansiyele sahiptir. "
Anahtar kelime
Transistör, elektronik, tıp, sinir
Referans
[1] https://engineering.columbia.edu/press-releases/ionic-transistors-bioelectronic-devices
2 George D. Spyropoulos, Jennifer N. Gelinas ve Dion Khodagholy. Dahili iyon kapılı organik elektrokimyasal transistör: entegre biyoelektronik için bir yapı taşı. Science Advances, 2019 DOI: 10.1126 / sciadv.aau7378
