傳統(tǒng)的植入式電子設(shè)備，比如起搏器，其中的內(nèi)部電子元件和大部分常見(jiàn)的電子設(shè)備相同。在植入在體內(nèi)時(shí)，此類(lèi)設(shè)備往往需要各種先進(jìn)工藝和材料進(jìn)行防水、以及在外殼材料商提升生物相容性等處理，這些材料學(xué)限制影響了設(shè)備的小型化和患者的體驗(yàn)。而且傳統(tǒng)植入式設(shè)備往往需要通過(guò)電池供電，因此設(shè)備具有一定的使用年限。新興的有機(jī)生物電子材料，如導(dǎo)電材料PEDOT:PSS具有一些在生物學(xué)領(lǐng)域突出的性能:柔性、高離子電導(dǎo)率、半導(dǎo)體特性等等。植入式神經(jīng)器件常常添加改性PEDOT:PSS來(lái)降低電極阻抗， 此類(lèi)設(shè)備由離子驅(qū)動(dòng)，因此可以在生理環(huán)境下工作，而無(wú)需進(jìn)行完全防水。

近年基于PEDOT:PSS等材料的電化學(xué)晶體管在神經(jīng)信號(hào)放大、化學(xué)信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域出現(xiàn)了很多應(yīng)用。電化學(xué)晶體管由離子驅(qū)動(dòng)，相比傳統(tǒng)的電子驅(qū)動(dòng)晶體管具有高傳導(dǎo)系數(shù)，低速等特點(diǎn)，一般只有幾K到幾十KHz的速率，和大部分生理信號(hào)的采集速度相近，因此限制了使用場(chǎng)景(需要高于生理信號(hào)速率來(lái)進(jìn)行放大、信號(hào)處理)。

近日，哥倫比亞大學(xué)電子工程系轉(zhuǎn)化生物電子研究小組近日在Nature Materials發(fā)表了最新的研究成果: 用于柔性植入式生物電子設(shè)備的垂直內(nèi)部離子驅(qū)動(dòng)電化學(xué)晶體管(vertical internal ion-gated organic electrochemical transistors, vIGT)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型電化學(xué)晶體管結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)垂直通道和微型化的水合通道，可以在沒(méi)有通道間串?dāng)_的情況下在高密度集成陣列(15.5萬(wàn)/cm2)內(nèi)實(shí)現(xiàn) MHz信號(hào)范圍操作。vIGT可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種經(jīng)典的模擬電路結(jié)構(gòu)并在生理介質(zhì)中表現(xiàn)出長(zhǎng)期穩(wěn)定性(超過(guò)一年)。該小組之前的研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)皮膚傳輸MHz范圍的微電壓信號(hào)（Ionic communication, IC）。在本次發(fā)表的文章中，他們將此項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到無(wú)線(xiàn)供電，可以直接驅(qū)動(dòng)vIGT在植入體內(nèi)工作，因此他們實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)、無(wú)電池的微型薄膜神經(jīng)信號(hào)采集裝置。他們通過(guò)植入vIGT，在體外通過(guò)電極同時(shí)進(jìn)行供電和信號(hào)采集，記錄到了高質(zhì)量的大鼠海馬區(qū)腦電活動(dòng)。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入一種可擴(kuò)展、自包含的亞微米IGT架構(gòu)，即垂直內(nèi)部離子門(mén)控有機(jī)電化學(xué)晶體管（vertical internal ion-gated organic electrochemical transistor, vIGT），直接解決以往設(shè)備的弊端。采用了垂直通道布置，通過(guò)優(yōu)化通道幾何形狀提高了IGT架構(gòu)的固有速度，并允許高密度集成容量。還部署了一個(gè)垂直水合接入導(dǎo)管（H-via），即使浸入富含離子的介質(zhì)中，也能保持設(shè)備水合、防止串?dāng)_。這些特征的組合產(chǎn)生了能夠在兆赫信號(hào)范圍內(nèi)無(wú)串?dāng)_工作的有機(jī)晶體管。

此外，vIGT在生理?xiàng)l件下穩(wěn)定一年以上，無(wú)需封裝。對(duì)溝道進(jìn)行化學(xué)調(diào)諧以允許器件在耗盡模式的增強(qiáng)和還原狀態(tài)下操作。vIGT的特性允許開(kāi)發(fā)順應(yīng)性的無(wú)線(xiàn)電路，該電路不僅能夠獲取和傳輸生理信號(hào)，而且能夠同時(shí)為植入的設(shè)備提供電力。這一能力已通過(guò)在嚙齒類(lèi)動(dòng)物模型中進(jìn)行高時(shí)空分辨率的體內(nèi)電生理學(xué)證明，該模型在沒(méi)有任何剛性或硅基組件的情況下僅使用完全適形的植入的基于vIGT的電路。因此，vIGT代表了高電子性能、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性和一致性的融合，能夠作為獨(dú)立有機(jī)生物電子設(shè)備的基礎(chǔ)。

圖1.vIGT的物理結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性

該團(tuán)隊(duì)在為傳統(tǒng)水平IGT開(kāi)發(fā)的工藝指導(dǎo)下制造了vIGT。vIGT的組成類(lèi)似于水平IGT：一種基于PEDOT:PSS的通道，含有糖醇（d-山梨醇）以產(chǎn)生耗盡模式（常開(kāi)）晶體管，并添加聚乙胺（PEI）以產(chǎn)生增強(qiáng)模式（常關(guān)）晶體管。這些添加劑具有高度的生物相容性，并保持了PEDOT:PSS的電氣性能。利用這些通道材料分散體的易溶液加工性來(lái)垂直定向通道。該垂直通道的長(zhǎng)度由夾層的厚度（800?nm）。柵電極由PEDOT:PSS組成，以與Au相比增加電荷容量。維持了一種基于多糖的（殼聚糖）離子膜，以建立離子，但防止柵極和通道之間的電子傳導(dǎo)。為了允許晶體管溝道的水合，在離子膜層上蝕刻了一個(gè)垂直的H通孔（圖1b，c）。整個(gè)制造過(guò)程在晶片規(guī)模上實(shí)施，并用于創(chuàng)建耗盡型和增強(qiáng)型晶體管。

圖2.高密度vIGT在生理介質(zhì)中的無(wú)串?dāng)_穩(wěn)定運(yùn)行

該研究證實(shí)了H-via可以同時(shí)提供通道間的高化學(xué)阻抗以及為通道有機(jī)半導(dǎo)體材料提供足夠的水分以允許離子流動(dòng)。H-via使密集封裝的vIGTs能夠穩(wěn)定、長(zhǎng)期且無(wú)串?dāng)_地工作。

圖3.接觸長(zhǎng)度對(duì)時(shí)間響應(yīng)具有非線(xiàn)性影響。

該團(tuán)隊(duì)使用可擴(kuò)展的vIGT制造工藝及其固有的多層金屬蒸鍍創(chuàng)建了一個(gè)厚度為3μm的適形集成電路，約155000?晶體管?cm–2密度，共源矩陣結(jié)構(gòu)包括50萬(wàn)個(gè)晶體管（圖4a，b）。這種晶體管密度超過(guò)了其他柔性晶體管，包括那些具有高通量生產(chǎn)能力和可光圖案化半導(dǎo)體溝道的柔性晶體管（圖4c）。

圖4.便攜高密度vIGT集成電路

vIGT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠控制溝道的還原狀態(tài)，允許使用單溝道材料創(chuàng)建二極管和整流電路（圖4g，頂部）。這些有機(jī)二極管的閾值電壓（Vt）可以根據(jù)PEDOT:PSS通道中PEI的濃度從-0.2調(diào)諧到0.2?V，其顯著低于Si基二極管的水解電勢(shì)和Vt（圖4g；底部）。

vIGT的高速、高效的離子到電子轉(zhuǎn)換和低工作電壓特性的結(jié)合為器件集成開(kāi)辟了獨(dú)特的可能性。為了創(chuàng)建一種獨(dú)立的基于vIGT的生物電子植入物，該植入物可以獲取和放大生理數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)酵獠凯h(huán)境，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)電源進(jìn)行操作，需要使用快速交流（a.c.）為vIGT供電。理論上可以通過(guò)非侵入性地施加一定距離的電勢(shì)來(lái)偏置植入的晶體管。由于vIGT可以在高頻下工作，可以在所施加的交流波形的每個(gè)周期將晶體管偏置在所需的設(shè)定點(diǎn)一次。

圖6.基于vIGT的完全適形、植入的獨(dú)立設(shè)備執(zhí)行神經(jīng)生理學(xué)活動(dòng)的體內(nèi)采集和無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸。

該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)立植入式神經(jīng)界面，利用vIGT來(lái)獲取和放大神經(jīng)生理學(xué)信號(hào)，并利用Ionic communication(IC)為vIGT供電并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠凯h(huán)境。（圖6a）。晶體管被配置為共源放大器。將兩個(gè)導(dǎo)電聚合物基電源觸點(diǎn)放置在大鼠頭骨表面，并通過(guò)第三導(dǎo)電聚合物基電極（數(shù)據(jù)觸點(diǎn)）從漏極和電源觸點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)提取輸出電勢(shì)。基于vIGT的器件能夠以與傳統(tǒng)器件相似的信噪比獲取SSEP，并準(zhǔn)確地傳達(dá)了施加電流和SSEP振幅之間的已知關(guān)系（圖第6b、c段）。

綜上所述，該設(shè)備基于晶體管架構(gòu)，該架構(gòu)包含垂直通道和小型水合接入導(dǎo)管，以在沒(méi)有串?dāng)_的情況下在密集集成陣列內(nèi)實(shí)現(xiàn)兆赫信號(hào)范圍操作。這些晶體管在生理介質(zhì)中表現(xiàn)出長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并被用于產(chǎn)生高性能集成電路。研究團(tuán)隊(duì)利用垂直內(nèi)部離子門(mén)控有機(jī)電化學(xué)晶體管的高速和低電壓操作，開(kāi)發(fā)了交流供電的適形電路，以獲取信號(hào)并進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。由此產(chǎn)生的獨(dú)立裝置被植入自由移動(dòng)的嚙齒動(dòng)物體內(nèi)，以獲取、處理和傳輸腦神經(jīng)生理學(xué)信號(hào)。這種完全有機(jī)的設(shè)備有可能將生物電子學(xué)的實(shí)用性和可及性擴(kuò)展到廣泛的臨床和社會(huì)應(yīng)用中。

vIGT拓寬了有機(jī)電子學(xué)領(lǐng)域，從采集到高級(jí)處理和信號(hào)/功率傳輸。因此，vIGT實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)完全有機(jī)、適形、獨(dú)立的神經(jīng)接口設(shè)備的創(chuàng)建。這些進(jìn)步可以在不影響性能的情況下降低生物電子設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)出有益于人類(lèi)健康的新型、更容易獲得的應(yīng)用設(shè)備。

通訊作者為哥倫比亞大學(xué)電子系副教授Dion Khodagholy，博士研究生Claudia Cea和博士后趙子方為共同一作。轉(zhuǎn)化神經(jīng)電子實(shí)驗(yàn)室今年在材料、神經(jīng)科學(xué)方面做出了一系列優(yōu)秀工作。Claudia Cea在博士期間以第一作者身份連續(xù)發(fā)表兩篇Nature Materials, 即將前往MIT進(jìn)行博士后。趙子方博后期間以第一作者身份工作發(fā)表在PNAS, Science Advances, Advanced Science, Nature Materials等雜志。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01599-w

參考文獻(xiàn)

Cea C, Zhao Z, Wisniewski DJ, et al. Integrated internal ion-gated organic electrochemical transistors for stand-alone conformable bioelectronics [published online ahead of print, 2023 Jul 10]. Nat Mater. 2023;10.1038/s41563-023-01599-w. doi:10.1038/s41563-023-01599-w

編譯作者：VONVEY（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）






標(biāo)簽：腦科學(xué)