A medida que los investigadores realizan importantes avances en la atención médica, también descubren que la eficacia de estos tratamientos puede mejorarse mediante enfoques individualizados. Por lo tanto, los médicos necesitan cada vez más métodos que puedan monitorear continuamente las señales fisiológicas y luego personalizar la administración receptiva de la terapia.
Necesidad de dispositivos bioelectrónicos seguros y flexibles
Los dispositivos bioelectrónicos implantados están desempeñando un papel fundamental en estos tratamientos, pero hay una serie de desafíos que han estancado su adopción generalizada. Estos dispositivos requieren componentes especializados para la adquisición, el procesamiento, la transmisión de datos y la alimentación de señales. Hasta ahora, lograr estas capacidades en un dispositivo implantado ha implicado el uso de numerosos componentes rígidos y no biocompatibles que pueden provocar la ruptura del tejido y la incomodidad del paciente. Idealmente, estos dispositivos deben ser biocompatibles, flexibles y estables a largo plazo en el cuerpo. También deben ser lo suficientemente rápidos y sensibles para registrar bioseñales rápidas y de baja amplitud, al mismo tiempo que pueden transmitir datos para análisis externos.
Investigadores de Columbia inventan el primer dispositivo bioelectrónico independiente, flexible y completamente orgánico
Los investigadores de Columbia Engineering anunciaron hoy que han desarrollado el primer dispositivo bioelectrónico totalmente orgánico, adaptable e independiente que no solo puede adquirir y transmitir señales cerebrales neurofisiológicas, sino que también puede proporcionar energía para el funcionamiento del dispositivo. Este dispositivo, unas 100 veces más pequeño que un cabello humano, se basa en una arquitectura de transistores orgánicos que incorpora un canal vertical y un conducto de agua miniaturizado que demuestra estabilidad a largo plazo, alto rendimiento eléctrico y operación de bajo voltaje para evitar daños en los tejidos biológicos. Los hallazgos se describen en un nuevo estudio, publicado hoy en Materiales de la naturaleza.
Tanto los investigadores como los médicos sabían que existía la necesidad de transistores que al mismo tiempo presentaran todas estas características: bajo voltaje de operación, biocompatibilidad, rendimiento estable, conformabilidad para en vivo operación; y alto rendimiento eléctrico, incluida una respuesta temporal rápida, alta transconductancia y funcionamiento sin diafonía. Los transistores basados en silicio son las tecnologías más establecidas, pero no son una solución perfecta porque son duros, rígidos e incapaces de establecer una interfaz iónica muy eficiente con el cuerpo. ]
El equipo abordó estos problemas mediante la introducción de una arquitectura IGT (transistor electroquímico orgánico activado por iones internos) escalable, autónoma y submicrónica, la vIGT. Incorporaron una disposición de canal vertical que aumenta la velocidad intrínseca de la arquitectura IGT al optimizar la geometría del canal y permitir una disposición de alta densidad de transistores uno al lado del otro, 155.000 de ellos por centímetro cuadrado.
Los vGIT escalables son los transistores electroquímicos más rápidos
Los vIGT están compuestos de materiales biocompatibles disponibles comercialmente que no requieren encapsulación en entornos biológicos y no se ven afectados por la exposición al agua o los iones. El material compuesto del canal se puede fabricar de forma reproducible en grandes cantidades y es procesable en solución, lo que lo hace más accesible a una amplia gama de procesos de fabricación. Son flexibles y compatibles con la integración en una amplia variedad de sustratos plásticos conformables y tienen estabilidad a largo plazo, baja diafonía entre transistores y capacidad de integración de alta densidad, lo que permite la fabricación de circuitos integrados eficientes.
«La electrónica orgánica no es conocida por su alto rendimiento 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 propio suministro de iones. Esta autosuficiencia de iones hizo que el transistor fuera particularmente rápido; de hecho, actualmente son los transistores electroquímicos más rápidos. «
Para impulsar aún más la velocidad de operación, el equipo utilizó técnicas avanzadas de nanofabricación para miniaturizar y densificar estos transistores a escalas submicrométricas. La fabricación tuvo lugar en la sala limpia de Columbia Nano Initiative.
Colaboración con los médicos de CUIMC
Para desarrollar la arquitectura, los investigadores primero necesitaban comprender los desafíos que implica el diagnóstico y el tratamiento de pacientes con trastornos neurológicos como la epilepsia, así como las metodologías que se utilizan actualmente. Trabajaron 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.
La combinación de alta velocidad, flexibilidad. y la operación de bajo voltaje permite que los transistores no solo se usen para el registro de señales neuronales, sino también para la transmisión de datos y para alimentar el dispositivo, lo que lleva a un implante totalmente adaptable. Los investigadores usaron esta característica para demostrar implantes totalmente suaves y confirmables 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 oportunidades de traslación y hará que los implantes médicos sean accesibles para una gran cantidad de pacientes que tradicionalmente no están calificados para dispositivos implantables debido a la complejidad y los altos riesgos de dichos procedimientos», dijo Gelinas.
«Es sorprendente pensar que nuestra investigación y nuestros dispositivos podrían ayudar a los médicos con mejores diagnósticos y podrían tener un impacto positivo en la calidad de vida de los pacientes», agregó la autora principal del estudio, Claudia Cea, quien recientemente completó su doctorado y será becaria posdoctoral en MIT este otoño.
Próximos pasos
A continuación, los investigadores planean unir fuerzas con los neurocirujanos de CUIMC para validar las capacidades de los implantes basados en vIGT en los quirófanos. El equipo espera desarrollar implantes suaves y seguros que puedan detectar e identificar varias ondas cerebrales patológicas causadas por trastornos neurológicos.
