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在最近发表于《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的一篇论文中，科学家们描述了他们如何构建互补、内部离子门控有机电化学晶体管（complementary, internal, ion-gated organic electrochemical transistors，IGTs），这些晶体管在化学、生物学和电子学方面比传统的刚性硅基技术更适用于活体组织。基于这些晶体管的医疗设备可以在敏感的身体部位发挥作用，并且即使器官生长也能适应其结构。
“先进的电子技术已经发展了几十年，因此有大量的电路设计可供选择。问题是大多数这些晶体管和放大器技术与我们的生理结构不兼容。”加州大学尔湾分校电气工程与计算机科学系Henry Samueli卓越教授Dion Khodagholy表示，“为了我们的创新，我们使用了天然接近我们生物特性的有机聚合物材料，并设计它们与离子相互作用，因为大脑和身体的语言是离子，而不是电子。”
研究介绍
在传统的生物电子学中，互补晶体管通常由不同材料制成以应对信号的不同极性，这不仅使它们僵硬笨重，还存在在敏感区域植入时的毒性风险。加州大学尔湾分校和哥伦比亚大学的研究团队通过创造不对称设计的晶体管解决了这一问题，使得这些晶体管可以使用单一的生物相容材料进行操作。
“晶体管就像一个简单的阀门，控制电流的流动。在我们的晶体管中，控制这种调制的物理过程是由通道中的电化学掺杂和去掺杂来调节的。”第一作者Duncan Wisniewski解释道，他是项目期间哥伦比亚大学的博士候选人，现在是加州大学尔湾分校电气工程与计算机科学系的访问学者。“通过设计具有不对称接触的器件，我们可以控制通道中的掺杂位置，并将焦点从负电位切换到正电位。这种设计方法使我们能够用单一材料制造互补器件。”
Wisniewski补充说，将晶体管阵列化为更小的单聚合物材料极大地简化了制造过程，促进了大规模生产，并为该技术扩展到原始神经应用之外几乎任何生物电势过程提供了机会。
研究意义
领导加州大学尔湾分校转化神经电子实验室的Khodagholy教授指出，他们的工作还有一个额外的优势——可扩展性：“你可以制作不同尺寸的设备并仍然保持这种互补性，甚至可以更换材料，这使得这项创新在多种情况下都适用。”
另一项优势在于，该设备可以植入发育中的动物体内，并随着生物体的成长承受组织结构的变化，这是硬硅基植入物无法做到的。“这一特性将使该设备在儿科应用中特别有用。”加州大学尔湾分校解剖学和神经生物学以及儿科学副教授Jennifer Gelinas表示，她也是橙县儿童医院的医生。
“我们展示了我们能够创建坚固、互补、集成的电路，这些电路能够高质量地获取和处理生物信号。”Khodagholy说，“互补、内部离子门控有机电化学晶体管将大大拓宽生物电子学的应用范围，使其不再依赖庞大、非生物相容组件的设备。”
新闻来源：Nature Communications
参考文献：DOI: 10.1038/s41467-024-55284-w
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