Alors que les chercheurs font des progrès majeurs dans les soins médicaux, ils découvrent également que l’efficacité de ces traitements peut être améliorée par des approches individualisées. Par conséquent, les cliniciens ont de plus en plus besoin de méthodes capables à la fois de surveiller en continu les signaux physiologiques et de personnaliser ensuite l’administration réactive de la thérapeutique.
Sommaire
Besoin de dispositifs bioélectroniques sûrs et flexibles
Les dispositifs bioélectroniques implantés jouent un rôle essentiel dans ces traitements, mais un certain nombre de défis ont bloqué leur adoption généralisée. Ces appareils nécessitent des composants spécialisés pour l’acquisition, le traitement, la transmission de données et l’alimentation du signal. Jusqu’à présent, la réalisation de ces capacités dans un dispositif implanté impliquait l’utilisation de nombreux composants rigides et non biocompatibles qui peuvent entraîner une rupture des tissus et une gêne pour le patient. Idéalement, ces dispositifs doivent être biocompatibles, flexibles et stables à long terme dans l’organisme. Ils doivent également être suffisamment rapides et sensibles pour enregistrer des biosignaux rapides et de faible amplitude, tout en étant capables de transmettre des données pour une analyse externe.
Des chercheurs de Columbia inventent le premier dispositif bioélectronique autonome, flexible et entièrement organique
Les chercheurs de Columbia Engineering ont annoncé aujourd’hui qu’ils avaient développé le premier appareil bioélectronique autonome, conformable et entièrement organique qui peut non seulement acquérir et transmettre des signaux cérébraux neurophysiologiques, mais peut également fournir de l’énergie pour le fonctionnement de l’appareil. Cet appareil, environ 100 fois plus petit qu’un cheveu humain, est basé sur une architecture de transistor organique qui intègre un canal vertical et un conduit d’eau miniaturisé démontrant une stabilité à long terme, des performances électriques élevées et un fonctionnement à basse tension pour prévenir les dommages aux tissus biologiques. Les résultats sont présentés dans une nouvelle étude, publiée aujourd’hui dans Matériaux naturels.
Les chercheurs et les cliniciens savaient qu’il y avait un besoin pour des transistors qui présentent simultanément toutes ces caractéristiques : basse tension de fonctionnement, biocompatibilité, stabilité des performances, conformabilité pour in vivo opération; et des performances électriques élevées, notamment une réponse temporelle rapide, une transconductance élevée et un fonctionnement sans diaphonie. Les transistors à base de silicium sont les technologies les plus établies, mais ils ne constituent pas une solution parfaite car ils sont durs, rigides et incapables d’établir une interface ionique très efficace avec le corps. ]
L’équipe a résolu ces problèmes en introduisant une architecture IGT (transistor électrochimique organique à déclenchement ionique interne) évolutive, autonome et submicronique, le vIGT. Ils ont incorporé un agencement de canaux verticaux qui augmente la vitesse intrinsèque de l’architecture IGT en optimisant la géométrie des canaux et en permettant un agencement à haute densité de transistors les uns à côté des autres – 155 000 d’entre eux par centimètre carré.
Les vGIT évolutifs sont les transistors électrochimiques les plus rapides
Les vIGT sont composés de matériaux biocompatibles disponibles dans le commerce qui ne nécessitent pas d’encapsulation dans des environnements biologiques et ne sont pas altérés par l’exposition à l’eau ou aux ions. Le matériau composite du canal peut être fabriqué de manière reproductible en grandes quantités et peut être traité en solution, ce qui le rend plus accessible à une large gamme de procédés de fabrication. Ils sont flexibles et compatibles avec l’intégration dans une grande variété de substrats en plastique conformables et ont une stabilité à long terme, une faible diaphonie entre transistors et une capacité d’intégration à haute densité, permettant la fabrication de circuits intégrés efficaces.
L’électronique organique n’est pas connue pour ses hautes performances et sa fiabilité. Mais avec notre nouvelle architecture vGIT, nous avons pu intégrer un canal vertical qui a sa propre alimentation en ions. Cette autosuffisance en ions a rendu le transistor particulièrement rapide – en fait, ce sont actuellement les transistors électrochimiques les plus rapides. »
Dion Khodagholy, professeur agrégé de génie électrique, responsable de l’étude
Pour pousser encore plus loin la vitesse de fonctionnement, l’équipe a utilisé des techniques avancées de nanofabrication pour miniaturiser et densifier ces transistors à des échelles inférieures au micromètre. La fabrication a eu lieu dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative.
Collaborer avec les cliniciens du CUIMC
Pour développer l’architecture, les chercheurs devaient d’abord comprendre les défis liés au diagnostic et au traitement des patients atteints de troubles neurologiques comme l’épilepsie, ainsi que les méthodologies actuellement utilisées. Ils ont travaillé avec des collègues du département de neurologie du Columbia University Irving Medical Center, en particulier avec Jennifer Gelinas, professeure adjointe de neurologie, de génie électrique et biomédical et directrice du laboratoire d’épilepsie et de cognition.
La combinaison de la grande vitesse et de la flexibilité. et le fonctionnement à basse tension permet aux transistors d’être utilisés non seulement pour l’enregistrement de signaux neuronaux, mais également pour la transmission de données ainsi que pour l’alimentation du dispositif, conduisant à un implant entièrement conformable. Les chercheurs ont utilisé cette fonctionnalité pour démontrer des implants entièrement souples et confirmables capables d’enregistrer et de transmettre une activité neuronale à haute résolution de l’extérieur, à la surface du cerveau, ainsi que de l’intérieur, au plus profond du cerveau.
« Ce travail ouvrira potentiellement un large éventail d’opportunités translationnelles et rendra les implants médicaux accessibles à un grand nombre de patients qui ne sont traditionnellement pas qualifiés pour les dispositifs implantables en raison de la complexité et des risques élevés de ces procédures », a déclaré Gelinas.
« C’est incroyable de penser que nos recherches et nos appareils pourraient aider les médecins à obtenir de meilleurs diagnostics et pourraient avoir un impact positif sur la qualité de vie des patients », a ajouté l’auteure principale de l’étude, Claudia Cea, qui a récemment terminé son doctorat et sera boursière postdoctorale à MIT cet automne.
Prochaines étapes
Les chercheurs prévoient ensuite de s’associer à des neurochirurgiens du CUIMC pour valider les capacités des implants à base de vIGT dans les salles d’opération. L’équipe espère développer des implants souples et sûrs capables de détecter et d’identifier diverses ondes cérébrales pathologiques causées par des troubles neurologiques.
