该可植入器件可以适形匹配生物体组织，并在机体发育过程中对大脑进行监控。
美国加州大学欧文分校的研究人员开发出一种柔软、适形的植入物，可以测量受试者发育过程中大脑的神经信号。这项发明采用一种有机聚合物材料，与刚性的硅基医疗器件相比，更适合敏感的活体组织。
据麦姆斯咨询介绍，美国加州大学欧文分校（UC Irvine）和纽约哥伦比亚大学（Columbia University）的研究人员将晶体管嵌入一种柔软、舒适的保形材料，制造出一种生物相容性传感器植入物，可在受试者发育的各个阶段监测其神经功能。
这项研究成果已经以“Spatial control of doping in conducting polymers enables complementary, conformable, implantable internal ion-gated organic electrochemical transistors”为题发表于Nature Communications期刊。加州大学欧文分校的科学家们在论文中介绍了他们构建的互补、适形、可植入的内部离子门控有机电化学晶体管，这种晶体管在化学、生物学和电子学方面都比刚性硅基技术更适合活体组织。基于这种晶体管的生物医疗器件可以在人体敏感部位发挥作用，甚至在器官生长时还能与器官结构相适应。
研究人员展示了通过调制混合导电聚合物沟道的空间去掺杂，可以实现沟道电流的定向控制，从而利用单一有机材料生成互补的内部离子门控有机电化学晶体管（cIGT）。通过引入非对称接触区域实现了这种调制，进而在最低电位接触区域产生接触介导的去掺杂。增强的局部去掺杂可以有针对性地增加第一和第三象限的饱和区域，而无需对材料进行任何改动。只要接触面积大于沟道，水平和垂直沟道的晶体管都可以应用这种方法。
基于cIGT的适形放大器阵列，用于稳定、长期的体内电生理记录
研究人员通过几种导电聚合物（包括载流子类型和极性）复制这一过程，证明了其设计原理的通用性。利用从器件几何变化中得到的设计规则，研究人员创建了高度匹配的垂直晶体管，作为保形放大器的构件。这些放大器可以在超过2 MHz的频率下以均匀的大于200倍的增益工作。
将它们长期植入自由活动的大鼠体内一个多月后，它们仍表现出稳定的性能。目前可用的放大器无法完全植入，无法在提供高局部电压放大的同时，实现符合人体工学的微型化尺寸。虽然在大型动物模型中可以通过采用刚性挤出组件来克服这一限制，但由于植入会妨碍正常活动或需要进行大型外科手术，因此阻碍了临床转化。在尝试对未成熟的小动物进行电生理学研究时，也会遇到这些转化困难。这些脆弱的生物需要持续的母体护理，无法耐受影响行动的刚性、系留植入物，也无法承受大型手术。因此，研究人员通过将cIGT植入发育中的小鼠体内来测试cIGT的转化潜力。基于cIGT的电压放大器被完全植入小鼠体内，实现了在自然环境中进行纵向电生理记录，这在过去是不可能实现的。
基于cIGT的完全植入式放大器，用于采集大脑发育过程中的神经活动
“先进电子技术已经发展了数十年，因此有大量可用的电路设计。问题是，这些晶体管和放大器技术大多与我们的生理机制不兼容。”论文共同作者、加州大学欧文分校电子工程与计算机科学系教授Dion Khodagholy说，“在我们的这项创新中，使用了在生物学本质上更接近生物体的有机聚合物材料，并将其设计为离子相互作用机制，因为大脑和身体的语言是‘离子语言’，而不是‘电子语言’。”
在标准的生物电子器件中，互补晶体管由不同的材料组成，以对应不同的信号极性，除了不牢固和笨重之外，还存在植入敏感区域时带来的毒性风险。该研究团队成功解决了这一难题，他们以一种不对称的方式构建晶体管，使其能够使用单一的生物相容材料进行工作。
“晶体管就像一个控制电流流动的简单阀门。在我们开发的晶体管中，控制这种调制的物理过程是由沟道的电化学掺杂和去掺杂决定的。”该论文第一作者、哥伦比亚大学博士研究生、加州大学欧文分校电子工程与计算机科学系的访问学者Duncan Wisniewski说，“通过设计具有不对称接触的器件，我们可以控制沟道中的掺杂位置，并将焦点从负电位切换到正电位。这种设计方法使我们能够使用单一材料制造互补器件。”
他补充说，将晶体管排列成更小的单一聚合物材料大大简化了制造过程，从而使大规模制造成为可能，并有机会将该技术从最初的神经学应用扩展到几乎所有的生物电势过程。
Khodagholy是加州大学欧文分校转化神经电子学实验室的负责人，该实验室最近从哥伦比亚大学搬到了欧文分校。“该研究成果的另一个优势是可扩展性。”他说，“由此，我们可以制造不同尺寸的器件，且仍能保持这种互补性，甚至可以改变材料，这使得这项创新适用于更多情景。”
该论文强调的另一个优势是，这种器件可以植入发育中的动物体内，并能承受生物体生长过程中组织结构的变化，而这是刚性硅基植入物无法做到的。
该论文共同作者、加州大学欧文分校解剖学、神经生物学和儿科学副教授Jennifer Gelinas说：“这一特性使该器件在儿科研究领域特别有用。”
Khodagholy说：“这项研究证明了我们有能力构建这种能够高质量采集并处理生物信号的强大互补集成电路。这种互补、内部离子门控有机电化学晶体管，将大大拓宽生物电子学器件的应用，而在过去这些器件通常需要依赖笨重的非生物相容性组件。”
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55284-w
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