Primer dispositivo bioelectrónico independiente, flexible y completamente orgánico allana el camino para implantes médicos suaves y seguros

Como resultado, los médicos requieren enfoques que puedan monitorear continuamente las señales fisiológicas, así como personalizar la administración receptiva de la terapia. Los dispositivos bioelectrónicos implantables desempeñan un papel fundamental en tales tratamientos, aunque su adopción generalizada se ha visto obstaculizada por varios desafíos, como la necesidad de componentes especializados para la adquisición, el procesamiento, la transmisión de datos y la alimentación de señales. Hasta ahora, el desarrollo de un dispositivo implantable con tales capacidades ha implicado el uso de varios componentes rígidos y no biocompatibles que pueden provocar la alteración del tejido y la incomodidad del paciente. Tales dispositivos deben ser biocompatibles, flexibles y estables para permanecer dentro del cuerpo a largo plazo y, al mismo tiempo, ser rápidos y sensibles para registrar bioseñales rápidas y de baja amplitud y seguir transmitiendo los datos necesarios para el análisis externo.

Investigadores de Columbia Engineering (Nueva York, NY, EUA) ahora han desarrollado el primer dispositivo bioelectrónico completamente orgánico, conformable e independiente que es capaz de adquirir y transmitir señales cerebrales neurofisiológicas, además de proporcionar la energía requerida para su funcionamiento. Aproximadamente 100 veces más pequeño que un cabello humano, el dispositivo está construido sobre una arquitectura de transistor orgánico que integra un canal vertical y un conducto de agua miniaturizado con estabilidad de largo plazo, alto rendimiento eléctrico y operación de bajo voltaje para evitar cualquier daño al tejido biológico. Los investigadores y los médicos eran muy conscientes de la necesidad de transistores que presentaran simultáneamente bajo voltaje de operación, biocompatibilidad, estabilidad de rendimiento, adaptabilidad para la operación in vivo; y alto rendimiento eléctrico, incluida una respuesta temporal rápida, alta transconductancia y funcionamiento sin diafonía. A pesar de que los transistores basados en silicio son las tecnologías más consolidadas, no son una solución perfecta debido a sus propiedades duras y rígidas y su incapacidad para establecer una interfaz iónica altamente eficiente con el cuerpo.

Para abordar estos desafíos, los investigadores introdujeron una arquitectura IGT (transistor electroquímico orgánico activado por iones internos) escalable, autónoma y submicrónica, la vIGT. El equipo incorporó una disposición de canales verticales 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 transistores por centímetro cuadrado. Las vIGT están hechas de materiales biocompatibles disponibles en el mercado que no necesitan encapsulación en ambientes biológicos y no se ven afectados por la exposición al agua o iones. El material compuesto del canal se puede fabricar de forma reproducible en grandes cantidades y es procesable en solución, lo que permite su uso en una amplia gama de procesos de fabricación. Además, son flexibles y compatibles con la integración en una amplia variedad de sustratos de plástico adaptables. También ofrecen estabilidad a largo plazo, baja diafonía entre transistores y capacidad de integración de alta densidad, lo que permite la fabricación de circuitos integrados eficientes.

Utilizando técnicas avanzadas de nanofabricación para miniaturizar y densificar estos transistores a escalas submicrométricas, los investigadores aumentaron aún más la velocidad de operación. Para desarrollar la arquitectura, el equipo primero debía desarrollar una comprensión de los desafíos en el diagnóstico y tratamiento de pacientes que padecen trastornos neurológicos como la epilepsia, junto con las metodologías actualmente en uso. Al combinar la operación de alta velocidad, flexibilidad y bajo voltaje, los transistores se pueden usar para registrar señales neuronales y transmitir datos, así como para alimentar el dispositivo, lo que da como resultado un implante totalmente adaptable. Usando esta característica, los investigadores demostraron implantes totalmente blandos y adaptables que pueden registrar y transmitir actividad neuronal de alta resolución desde el exterior, en la superficie del cerebro, así como desde el interior, en lo profundo del cerebro. Los investigadores ahora trabajarán con neurocirujanos para validar las capacidades de los implantes basados en vIGT en la sala de operaciones y planean desarrollar implantes suaves y seguros capaces de detectar e identificar diferentes ondas cerebrales patológicas creadas por trastornos neurológicos.

“Este trabajo potencialmente abrirá una amplia gama de oportunidades de traslación y hará que los implantes médicos sean accesibles para una gran demografía de pacientes que tradicionalmente no están calificados para dispositivos implantables debido a la complejidad y los altos riesgos de tales procedimientos”, dijo Jennifer Gelinas, profesora asistente de ineurología, ingeniero eléctrico y biomédico y directora del Laboratorio de Epilepsia y Cognición.

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Columbia Engineering