Nell’ultimo decennio gli scienziati hanno cercato di esplorare nuovi metodi per interfacciare il cervello con i computer, perciò modellare nuovi hardware in grado di conformarsi compatibilmente al nostro wetware biologico è diventato sempre più importante. Ciò ha portato al costante bisogno di innovare la tecnologia dei transistor, componenti fondamentali dei sistemi elettronici alla base delle brain-computer interface e che sono in grado di interagire con substrato biologico.

Transistor: la tecnologia attuale

I transistor sono gli elementi costitutivi di circuiti in grado di eseguire operazioni specifiche come l’amplificazione del segnale, il filtraggio, il rilevamento delle caratteristiche del segnale e l’erogazione di stimolazione elettrica o chimica. Le caratteristiche chiave richieste per l’uso sicuro, efficiente e prolungato dei transistor negli ambienti biologici includono:

  • biocompatibilità e stabilità dei materiali costituenti;
  • conformabilità del substrato per prevenire disallineamenti meccanici con i tessuti;
  • alta velocità e amplificazione per rilevare potenzialmente bassi -ampiezza dei segnali a scale temporali fisiologicamente rilevanti;
  • gating indipendente per consentire calcoli di circuiti integrati.

Sebbene sia disponibile un’ampia gamma di architetture e tipologie di transistor, nessuna incorpora tutte queste caratteristiche. I transistor convenzionali a effetto di campo basati sul silicio (FET) possono essere fabbricati in matrici multi-elettrodo per acquisire dati dal tessuto neurale in vitro e in vivo, ma il grande squilibrio meccanico tra Si e il tessuto biologico, così come la sua mancanza di biocompatibilità, preclude l’uso cronico negli esseri umani a causa del rischio di danno neurale. Difatti accade che gli elettrodi impiantati attivano irrimediabilmente il sistema immunitario del cervello, con conseguente formazione di tessuto cicatriziale intorno al sito di impianto. Questo problema è parzialmente risolto, incorporando i transistor in plastiche biocompatibili, che vengono tollerate dal nostro organismo, tuttavia ciò rende i dispositivi notevolmente rigidi e ingombranti, causando una significativa riduzione delle prestazioni.

Sono stati condotti inoltre nuovi esperimenti nel settore dell’elettronica organica per creare transistor intrinsecamente flessibili in plastica, inclusi progetti come transistor elettrolitici o elettrochimici che possono modulare la loro produzione in base alle correnti ioniche. Tuttavia, questi dispositivi non sono abbastanza veloci per eseguire i calcoli richiesti dai dispositivi bioelettronici utilizzati nelle applicazioni di neurofisiologia.

In breve possiamo dire che ad oggi,dunque, i ricercatori non sono stati in grado di costruire transistor che abbiano tutte le funzionalità necessarie per operazioni sicure, affidabili e veloci in ambienti biologici per lunghi periodi di tempo.

Transistor elettrochimico organico a gate ionico interno: una sorprendente innovazione tecnologica

Per risolvere questo problema un gruppo di scienziati della Columbia University, guidato da  Dion Khodagholy , assistente professore di  ingegneria elettrica  presso la Columbia Engineering, e  Jennifer N. Gelinas ,  Columbia University Medical Center , Dipartimento di Neurologia e l’Istituto per la medicina genomica , ha messo a punto un nuovo transistor il cui funzionamento si basa sugli ioni piuttosto che sugli elettroni(come accade nei transitor tradizionali).

Si tratta del primo transistor elettrochimico organico a gate ionico interno (IGT) biocompatibile, conformabile, stabile, ad alta velocità, ad alta transconduttanza, che consente la bioelettronica integrata e che è veloce abbastanza per consentire il rilevamento del segnale in tempo reale e la stimolazione dei segnali cerebrali.

“È importante sottolineare che abbiamo usato solo materiale completamente biocompatibile per creare questo dispositivo. Il nostro ingrediente segreto è il D-sorbitolo o zucchero “, afferma Khodagholy. “Le molecole di zucchero attirano molecole d’acqua e non solo aiutano il canale del transistor a rimanere idratati, ma aiutano anche gli ioni a viaggiare più facilmente e rapidamente all’interno del canale.”

Nuovo transistor a trasmissione ionica per le interfacce cervello-computer
Illustrazione schematica della sezione trasversale IGT e schema elettrico per il funzionamento del dispositivo (superiore). D-sorbitolo crea un serbatoio ionico, mantenendo ioni mobili (verdi) che possono viaggiare all’interno del canale; Le regioni ricche di PEDOT sono mostrate in lamelle blu chiaro e PSS in bianco (inferiore). (B) Microfotografia ottica che mostra la vista dall’alto di un singolo transistor. Barra di scala, 20 µm. L’inserto mostra un’immagine al microscopio elettronico a scansione di sezione trasversale acquisita con un angolo di inclinazione di 30 °. Sono visibili la membrana ionica (rosso chiaro), il canale (azzurro) e i contatti Au per gate (G) e sorgente (S; beige). Barra di scala, 5 µm. PH:engineering.columbia.edu

Il transistor elettrochimico organico a gate ionico interno (IGT) opera tramite ioni mobili contenuti all’interno di un canale polimerico conduttore per consentire sia la capacità volumetrica (interazioni ioniche che coinvolgono l’intera massa del canale) sia il tempo di transito ionico ridotto. L’IGT ha una grande velocità di amplificazione e può essere gating indipendente. Nel loro studio pubblicato su Science Advances , i ricercatori dimostrano la capacità del loro IGT di fornire un’interfaccia miniaturizzata, morbida e conformabile con la pelle umana, utilizzando l’amplificazione locale per registrare segnali neurali di alta qualità, adatti per l’elaborazione avanzata dei dati.

“Abbiamo realizzato un transistor in grado di comunicare utilizzando ioni, i portatori di carica del corpo, a velocità sufficientemente elevate da eseguire calcoli complessi necessari per la neurofisiologia, lo studio della funzione del sistema nervoso”, afferma Khodagholy. “Il canale del nostro transistor è realizzato con materiali completamente biocompatibili e può interagire con entrambi gli ioni e gli elettroni, rendendo più efficiente la comunicazione con i segnali neurali del corpo. Ora saremo in grado di costruire dispositivi bioelettronici più sicuri, più piccoli e più intelligenti, come interfacce cervello-macchina, elettronica indossabile e dispositivi di stimolazione terapeutica reattiva, che possono essere impiantati nell’uomo per lunghi periodi di tempo .”

Lo studio offre anche ottime prospettive per altri utilizzi in campo medico, difatti tali  dispositivi potrebbero anche essere utilizzati per realizzare device a ciclo chiuso impiantabili, come quelli attualmente usati per trattare alcune forme di epilessia o essere integrati in dispositivi per il controllo del movimento muscolare, cardiaco e oculare.
Khodagholy e Gelinas stanno ora esplorando se ci sono limiti fisici al tipo di ioni mobili che possono incorporare nel polimero. Stanno inoltre studiando nuovi materiali in cui possono incorporare ioni mobili e perfezionare il loro lavoro sull’uso dei transistor per realizzare circuiti integrati per dispositivi di stimolazione reattiva.

“Siamo molto entusiasti di poter migliorare sostanzialmente i transistor ionici aggiungendo ingredienti semplici”, osserva Khodagholy. “Con tale velocità e amplificazione, combinate con la loro facilità di microfabbricazione, questi transistor potrebbero essere applicati a molti diversi tipi di dispositivi. Esiste un grande potenziale per l’uso di questi dispositivi a beneficio dell’assistenza dei pazienti in futuro. “

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