Saat para peneliti membuat kemajuan besar dalam perawatan medis, mereka juga menemukan bahwa kemanjuran perawatan ini dapat ditingkatkan dengan pendekatan individual. Oleh karena itu, dokter semakin membutuhkan metode yang dapat memantau sinyal fisiologis secara terus-menerus dan kemudian mempersonalisasi pengiriman terapeutik yang responsif.

Kebutuhan akan perangkat bioelektronik yang aman dan fleksibel

Perangkat bioelektronik implan memainkan peran penting dalam perawatan ini, tetapi ada sejumlah tantangan yang menghambat adopsi secara luas. Perangkat ini memerlukan komponen khusus untuk akuisisi sinyal, pemrosesan, transmisi data, dan powering. Hingga saat ini, mencapai kemampuan ini dalam perangkat implan memerlukan penggunaan berbagai komponen kaku dan non-biokompatibel yang dapat menyebabkan gangguan jaringan dan ketidaknyamanan pasien. Idealnya, perangkat ini harus biokompatibel, fleksibel, dan stabil dalam jangka panjang di dalam tubuh. Mereka juga harus cukup cepat dan sensitif untuk merekam biosignal dengan amplitudo rendah dan cepat, sambil tetap dapat mengirimkan data untuk analisis eksternal.

Para peneliti Columbia menemukan perangkat bioelektronik pertama yang berdiri sendiri, fleksibel, dan sepenuhnya organik

Peneliti Columbia Engineering hari ini mengumumkan bahwa mereka telah mengembangkan perangkat bioelektronik sepenuhnya organik pertama yang berdiri sendiri, sesuai, yang tidak hanya dapat memperoleh dan mengirimkan sinyal otak neurofisiologis, tetapi juga dapat menyediakan daya untuk pengoperasian perangkat. Perangkat ini, sekitar 100 kali lebih kecil dari rambut manusia, didasarkan pada arsitektur transistor organik yang menggabungkan saluran vertikal dan saluran air mini yang menunjukkan stabilitas jangka panjang, kinerja listrik yang tinggi, dan operasi tegangan rendah untuk mencegah kerusakan jaringan biologis. Temuan ini diuraikan dalam sebuah studi baru, yang diterbitkan hari ini di Nature Materials.

Baik peneliti maupun klinisi mengetahui adanya kebutuhan akan transistor yang secara bersamaan menghadirkan semua fitur ini: tegangan operasi rendah, biokompatibilitas, stabilitas kinerja, kesesuaian untuk operasi in vivo; dan kinerja listrik yang tinggi, termasuk respons temporal yang cepat, transkonduktansi tinggi, dan operasi bebas crosstalk. Transistor berbasis silikon adalah teknologi yang paling mapan, tetapi ini bukan solusi sempurna karena keras, kaku, dan tidak mampu membentuk antarmuka ion yang sangat efisien dengan tubuh. ]

Tim mengatasi masalah ini dengan memperkenalkan arsitektur IGT sub-mikron (transistor elektrokimia organik internal-ion-gated) yang dapat diskalakan, mandiri, vIGT. Mereka menggabungkan pengaturan saluran vertikal yang menambah kecepatan intrinsik arsitektur IGT dengan mengoptimalkan geometri saluran dan memungkinkan pengaturan transistor dengan kepadatan tinggi di samping satu sama lain–, 155.000 di antaranya per sentimeter persegi.

VGIT yang dapat diskalakan adalah transistor elektrokimia tercepat

VIGT terdiri dari bahan biokompatibel yang tersedia secara komersial yang tidak memerlukan enkapsulasi dalam lingkungan biologis dan tidak terganggu oleh paparan air atau ion. Bahan komposit saluran dapat diproduksi ulang dalam jumlah besar dan dapat diproses dengan solusi, membuatnya lebih mudah diakses untuk berbagai proses fabrikasi. Mereka fleksibel dan kompatibel dengan integrasi ke dalam berbagai macam substrat plastik yang dapat disesuaikan dan memiliki stabilitas jangka panjang, crosstalk inter-transistor rendah, dan kapasitas integrasi kepadatan tinggi, memungkinkan pembuatan sirkuit terpadu yang efisien.

Elektronik organik tidak dikenal karena kinerja dan keandalannya yang tinggi. Namun dengan arsitektur vGIT baru kami, kami dapat menggabungkan saluran vertikal yang memiliki pasokan ionnya sendiri. Swasembada ion ini membuat transistor menjadi sangat cepat-bahkan, mereka saat ini adalah transistor elektrokimia tercepat.”


Dion Khodagholy, profesor teknik elektro, pemimpin studi

Untuk mendorong kecepatan operasi lebih jauh, tim menggunakan teknik nanofabrikasi canggih untuk mengecilkan dan memadatkan transistor ini pada skala submikro-meter. Fabrikasi berlangsung di cleanroom Columbia Nano Initiative.

Berkolaborasi dengan dokter CUIMC

Untuk mengembangkan arsitektur, pertama-tama para peneliti perlu memahami tantangan yang terkait dengan diagnosis dan pengobatan pasien dengan gangguan neurologis seperti epilepsi, serta metodologi yang digunakan saat ini. Mereka bekerja dengan kolega di Departemen Neurologi di Columbia University Irving Medical Center, khususnya, dengan Jennifer Gelinas, asisten profesor neurologi, teknik elektro dan biomedis dan direktur Lab Epilepsi dan Kognisi.

Kombinasi kecepatan tinggi, fleksibilitas. dan operasi bertegangan rendah memungkinkan transistor tidak hanya digunakan untuk merekam sinyal saraf tetapi juga untuk transmisi data serta memberi daya pada perangkat, yang mengarah ke implan yang sepenuhnya dapat disesuaikan. Para peneliti menggunakan fitur ini untuk mendemonstrasikan implan yang sepenuhnya lunak dan dapat dikonfirmasi yang mampu merekam dan mentransmisikan aktivitas saraf beresolusi tinggi baik dari luar, di permukaan otak, maupun di dalam, jauh di dalam otak.

“Pekerjaan ini berpotensi membuka berbagai peluang translasi dan membuat implan medis dapat diakses oleh demografi pasien besar yang secara tradisional tidak memenuhi syarat untuk perangkat implan karena kerumitan dan risiko tinggi dari prosedur semacam itu,” kata Gelinas.

“Sungguh menakjubkan untuk berpikir bahwa penelitian dan perangkat kami dapat membantu dokter dengan diagnosa yang lebih baik dan dapat berdampak positif pada kualitas hidup pasien,” tambah penulis utama studi tersebut Claudia Cea, yang baru saja menyelesaikan PhD-nya dan akan menjadi postdoctoral fellow di MIT musim gugur ini.

Langkah selanjutnya

Para peneliti selanjutnya berencana untuk bergabung dengan ahli bedah saraf di CUIMC untuk memvalidasi kemampuan implan berbasis vIGT di ruang operasi. Tim berharap dapat mengembangkan implan yang lembut dan aman yang dapat mendeteksi dan mengidentifikasi berbagai gelombang otak patologis yang disebabkan oleh gangguan neurologis.

Sumber:

Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Columbia

Referensi jurnal:

Cea, C., dkk. (2023) Transistor elektrokimia organik berpagar ion internal terintegrasi untuk bioelektronik yang dapat disesuaikan dan berdiri sendiri. Bahan Alam. doi.org/10.1038/s41563-023-01599-w.