दो कदम और करीब करने के लिए लचीला, शक्तिशाली, तेजी से bioelectronic उपकरणों — ScienceDaily


डायोन Khodagholy, सहायक प्रोफेसर, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग पर केंद्रित है विकसित करने bioelectronic उपकरणों है कि कर रहे हैं न केवल तेजी से, संवेदनशील, biocompatible, में, मुलायम और लचीला है, लेकिन यह भी लंबी अवधि में स्थिरता शारीरिक वातावरण इस तरह के रूप में मानव शरीर. इस तरह के उपकरणों में सुधार, मानव स्वास्थ्य की निगरानी से घर में कल्याण के लिए निदान और इलाज neuropsychiatric रोगों, मिर्गी सहित और पार्किंसंस रोग. डिजाइन के मौजूदा उपकरणों किया गया है गंभीर रूप से विवश कठोर, गैर-biocompatible इलेक्ट्रॉनिक घटक की जरूरत के लिए सुरक्षित और प्रभावी का उपयोग करें, और इस को हल करने के लिए चुनौती होगा, दरवाजा खुला एक व्यापक रेंज के लिए रोमांचक नए उपचारों.

के साथ सहयोग में जेनिफर एन Gelinas, न्यूरोलॉजी विभाग, और संस्थान के लिए जीनोमिक चिकित्सा कोलंबिया विश्वविद्यालय में Iriving मेडिकल सेंटर, Khodagholy हाल ही में प्रकाशित दो पत्र, पहले, प्रकृति में सामग्री (16 मार्च) पर आयन संचालित नरम और जैविक ट्रांजिस्टर है कि वह और Gelinas बनाया गया है रिकॉर्ड करने के लिए व्यक्तिगत न्यूरॉन्स और प्रदर्शन वास्तविक समय की गणना की सुविधा सकता है कि निदान और निगरानी के मस्तिष्क संबंधी रोग ।

दूसरा, कागज में आज प्रकाशित विज्ञान प्रगतिको दर्शाता है , एक नरम, biocompatible स्मार्ट समग्र-एक कार्बनिक मिश्रित आयोजन सामग्री कण (MCP) — के लिए सक्षम बनाता है के निर्माण के जटिल इलेक्ट्रॉनिक घटक है, जो परंपरागत रूप से की आवश्यकता होती है कई परतों और सामग्री. यह भी सक्षम बनाता है, आसान और प्रभावी इलेक्ट्रॉनिक के बीच संबंध नरम सामग्री, जैविक ऊतक, और कठोर इलेक्ट्रॉनिक्स. क्योंकि यह पूरी तरह से biocompatible है और नियंत्रणीय इलेक्ट्रॉनिक गुण, MCP कर सकते हैं गैर invasively रिकॉर्ड मांसपेशियों कार्रवाई क्षमता की सतह से हाथ और के साथ सहयोग में, समीर शेठ और अश्विन विश्वनाथन पर Baylor कॉलेज ऑफ मेडिसिन के विभाग के न्यूरोसर्जरी, बड़े पैमाने पर मस्तिष्क की गतिविधियों के दौरान neurosurgical प्रक्रियाओं प्रत्यारोपण करने के लिए गहरी मस्तिष्क की उत्तेजना इलेक्ट्रोड.

“होने के बजाय बड़े प्रत्यारोपण में समझाया मोटी धातु के बक्से की रक्षा करने के लिए शरीर और इलेक्ट्रॉनिक्स से एक दूसरे, इस तरह के रूप में उन पेसमेकर में इस्तेमाल किया, और cochlear और मस्तिष्क प्रत्यारोपण, हम इतना कुछ कर सकता है अगर हमारे उपकरणों में छोटे थे, लचीला है, और स्वाभाविक रूप से संगत के साथ हमारे शरीर वातावरण कहते हैं,” Khodagholy, जो निर्देशन Translational NeuroElectronics लैब में कोलंबिया इंजीनियरिंग. “पिछले कई वर्षों से, मेरे समूह में काम कर रहा है का उपयोग करने के लिए अद्वितीय सामग्री के गुणों को विकसित करने के लिए उपन्यास इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की अनुमति है कि कुशल के साथ बातचीत जैविक substrates — विशेष रूप से तंत्रिका नेटवर्क और मस्तिष्क।”

पारंपरिक ट्रांजिस्टर से बना रहे हैं सिलिकॉन, तो वे नहीं कर सकते समारोह की उपस्थिति में आयनों और पानी, और वास्तव में नीचे तोड़ने की वजह से आयन प्रसार में डिवाइस. इसलिए, उपकरणों की जरूरत है होना करने के लिए पूरी तरह से समझाया में, शरीर में आमतौर पर धातु या प्लास्टिक की. इसके अलावा, हालांकि वे अच्छी तरह से काम इलेक्ट्रॉनों के साथ, वे बहुत प्रभावी नहीं हैं पर बातचीत के साथ ईओण का संकेत है, जो है कैसे शरीर की कोशिकाओं में संवाद. एक परिणाम के रूप में, इन गुणों को प्रतिबंधित अजैविक/जैविक युग्मन के लिए कैपेसिटिव बातचीत ही की सतह पर सामग्री में जिसके परिणामस्वरूप, कम प्रदर्शन. जैविक सामग्री का इस्तेमाल किया गया है पर काबू पाने के लिए इन सीमाओं के रूप में वे कर रहे हैं स्वाभाविक रूप से लचीला है, लेकिन बिजली के प्रदर्शन, इन उपकरणों के लिए पर्याप्त नहीं था प्रदर्शन करने के लिए वास्तविक समय में मस्तिष्क को संकेत रिकॉर्डिंग और प्रसंस्करण.

Khodagholy की टीम का लाभ ले लिया है दोनों इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक चालन के जैविक सामग्री बनाने के लिए आयन प्रेरित ट्रांजिस्टर वे कॉल ई-IGTs, या संवर्धन-मोड, आंतरिक आयन-gated कार्बनिक विद्युत ट्रांजिस्टर, एम्बेडेड है कि मोबाइल आयनों के अंदर अपने चैनल है । क्योंकि आयनों की जरूरत नहीं करने के लिए लंबी दूरी की यात्रा में भाग लेने के लिए चैनल स्विचन की प्रक्रिया में, वे हो सकता है पर और बंद जल्दी से और कुशलता से. क्षणिक प्रतिक्रिया पर निर्भर इलेक्ट्रॉन छेद के बजाय आयन गतिशीलता, और गठबंधन के साथ उच्च transconductance में परिणाम के लिए एक लाभ-बैंडविड्थ है कि परिमाण के कई आदेशों के ऊपर है कि अन्य आयन आधारित ट्रांजिस्टर.

शोधकर्ताओं का इस्तेमाल किया उनके ई-IGTs प्राप्त करने के लिए एक विस्तृत श्रृंखला के electrophysiological संकेतों, इस तरह के रूप में vivo में रिकॉर्डिंग के तंत्रिका कार्रवाई आवेगों, और बनाने के लिए नरम, biocompatible, लंबी अवधि के प्रत्यारोपण तंत्रिका प्रसंस्करण इकाइयों के लिए वास्तविक समय का पता लगाने के मिरगी निर्वहन.

“हम उत्साहित कर रहे हैं के बारे में इन निष्कर्षों,” कहते हैं Gelinas. “हमें दिखाया है कि ई-IGTs की पेशकश एक सुरक्षित, विश्वसनीय, और उच्च-प्रदर्शन बिल्डिंग ब्लॉक के लिए लंबे समय से प्रत्यारोपित bioelectronics, और मैं आशावादी हूँ कि इन उपकरणों सक्षम हो जाएगा करने के लिए सुरक्षित रूप से विस्तार कैसे हम का उपयोग bioelectronic उपकरणों को संबोधित करने के लिए तंत्रिका संबंधी बीमारी है।”

एक अन्य प्रमुख अग्रिम है के द्वारा प्रदर्शन किया, शोधकर्ताओं ने उनके विज्ञान प्रगति कागज: सक्षम करने bioelectronic उपकरणों, विशेष रूप से उन लोगों में प्रत्यारोपित शरीर के लिए निदान या चिकित्सा, इंटरफेस करने के लिए प्रभावी ढंग से और सुरक्षित रूप से मानव ऊतक है, जबकि यह भी उन्हें प्रदर्शन करने में सक्षम जटिल प्रसंस्करण है । से प्रेरित विद्युत सक्रिय कोशिकाओं में उन लोगों के समान मस्तिष्क के साथ संवाद है कि विद्युत दालों, के साथ टीम बनाई गई एक ही सामग्री का प्रदर्शन करने में सक्षम कई, गैर रेखीय, गतिशील इलेक्ट्रॉनिक कार्यों बस के द्वारा अलग-अलग आकार और घनत्व के अपने समग्र मिश्रित कणों का आयोजन.

“इस नवाचार के लिए दरवाजे खोलता है एक मौलिक अलग दृष्टिकोण करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस का डिजाइन, नकल उतार जैविक नेटवर्क बनाने के लिए और multifunctional सर्किट से विशुद्ध रूप से biodegradable और biocompatible घटक कहते हैं,” Khodagholy.

शोधकर्ताओं डिजाइन और बनाया मिश्रित आयोजन कण (MCP)-आधारित उच्च प्रदर्शन anisotropic फिल्मों, स्वतंत्र रूप से पता ट्रांजिस्टर, प्रतिरोधों, और डायोड कर रहे हैं कि पैटर्न-निःशुल्क, स्केलेबल, और biocompatible. इन उपकरणों के बाहर किए गए कार्यों की एक किस्म सहित, रिकॉर्डिंग neurophysiologic गतिविधि से व्यक्तिगत न्यूरॉन्स प्रदर्शन, सर्किट, संचालन और संबंध उच्च संकल्प नरम और कठोर इलेक्ट्रॉनिक्स.

“MCP काफी हद तक कम कर देता है के पदचिह्न तंत्रिका इंटरफ़ेस उपकरणों के साथ, रिकॉर्डिंग की अनुमति के उच्च गुणवत्ता neurophysiological डेटा, यहां तक कि जब ऊतक की राशि से अवगत कराया बहुत छोटा है, और इस प्रकार कम हो जाती है के जोखिम के साथ सर्जिकल जटिलताओं,” कहते हैं Gelinas. “और क्योंकि MCP से बना है केवल biocompatible और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सामग्री के साथ, यह बहुत आसान हो जाएगा में अनुवाद करने के लिए जैव चिकित्सा उपकरणों और चिकित्सा.”

दोनों ई-IGTs और MCP महान वादा पकड़ के रूप में महत्वपूर्ण घटकों के bioelectronics, पहनने योग्य से छोटी सेंसर करने के लिए उत्तरदायी neurostimulators. ई-IGTs निर्मित किया जा सकता है और बड़ी मात्रा में कर रहे हैं के लिए सुलभ एक व्यापक रेंज के निर्माण की प्रक्रिया. इसी तरह, MCP घटकों सस्ती कर रहे हैं और आसानी से सुलभ करने के लिए materils वैज्ञानिक और इंजीनियर है । संयोजन में, वे नींव फार्म के लिए पूरी तरह से implantable biocompatible उपकरणों कि इस्तेमाल किया जा सकता दोनों के लाभ के लिए स्वास्थ्य और रोग के इलाज के लिए.

Khodagholy और Gelinas अब काम कर रहे हैं अनुवाद पर इन घटकों में कार्यात्मक लंबी अवधि के implantable उपकरणों है कि रिकॉर्ड कर सकते हैं और मस्तिष्क गतिविधि मिलाना करने के लिए रोगियों की मदद के साथ मस्तिष्क संबंधी बीमारियों ऐसे मिर्गी के रूप में.

“हमारा अंतिम लक्ष्य है बनाने के लिए सुलभ bioelectronic उपकरणों में सुधार कर सकते हैं कि लोगों के जीवन की गुणवत्ता,” कहते हैं Khodagholy, “और इन के साथ नई सामग्री और घटकों, यह की तरह लगता है, हम कदम रखा है कि करने के लिए करीब.”



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