Имплантируемая биоэлектроника в настоящее время часто играет ключевую роль в оказании помощи или мониторинге сердца, мозга и других жизненно важных органов, но им часто не хватает безопасного и надежного способа передачи своих данных врачам. Теперь исследователи из Columbia Engineering изобрели способ дополнить имплантируемую биоэлектронику простыми, высокоскоростными и маломощными беспроводными каналами передачи данных с использованием ионов, положительно или отрицательно заряженных атомов, которые естественным образом присутствуют в организме.

Имплантируемая биоэлектроника все больше играет ключевую роль в здравоохранении. Например, кардиостимуляторы могут помочь обеспечить нормальное биение сердца пациента, а устройства с нейроинтерфейсом могут помочь пациентам с эпилепсией и другими расстройствами, стимулируя определенные области мозга для уменьшения неврологических симптомов, или даже связать мозг парализованного пациента с роботизированными конечностями. Тем не менее, одна из основных проблем, с которой сталкивается имплантированная биоэлектроника, заключается в том, как передавать свои данные через тело на внешние устройства для дальнейшего анализа и диагностики врачами и учеными.

«Эти данные, от мозговой или мышечной активности до концентрации гормонов, должны быть переданы, чтобы они могли пройти расширенную обработку и проверку экспертами до того, как будет принято медицинское решение», — сказал соавтор исследования Дион Ходаголи, доцент кафедры электротехники. в Колумбийском университете.

«Это особенно важно для состояний, при которых могут быть существенные колебания с течением времени, например, при эпилепсии или двигательных расстройствах », — добавила соавтор исследования Дженнифер Гелинас, доцент кафедры неврологии в Медицинском центре Ирвинга Колумбийского университета. «Одним из примеров этого является устройство NeuroPace для эпилепсии — данные с него необходимо загрузить, чтобы клиницист мог скорректировать его протоколы стимуляции для лучшего лечения судорог».

Хотя кабели предлагают простой способ быстрой передачи данных от имплантатов к внешним устройствам, то, как они проникают в ткани, ограничивает их долгосрочное использование. В то же время традиционные беспроводные подходы, использующие радиоволны или видимый свет, часто плохо проникают в биологические ткани.

«Безопасная, эффективная, долгосрочная беспроводная связь с имплантированными устройствами все еще отсутствует», — сказал Ходаголы.

Использование ионов тела

Интригующая стратегия, которую биоэлектроника могла бы использовать для связи, часто используется телом: ионы. Внутри тела клетки регулярно перетасовывают ионы, чтобы общаться друг с другом.

Теперь Ходахоли и его коллеги разработали способ использования ионов тела для передачи данных с мегагерцовой скоростью, то есть миллионы бит в секунду. Их исследование «Ионная связь для имплантируемой биоэлектроники» опубликовано 6 апреля в журнале Science Advances .

То, как живые ткани богаты ионами, означает, что они накапливают электрическую потенциальную энергию, подобно электрическим батареям. Новый метод, получивший название «ионная связь», использует этот факт, чтобы помочь имплантированной биоэлектронике обмениваться данными с внешними устройствами.

Ионная связь включает в себя одну пару электродов, имплантированных внутрь ткани, и другую пару электродов, находящихся на поверхности этой ткани. Имплантированное устройство кодирует данные в виде чередующихся электрических импульсов, которые накапливают энергию в тканях. В свою очередь, наземный приемник может обнаружить эту энергию и расшифровать ее.

В новом исследовании исследователи подробно описали, какие геометрические свойства определяют глубину, на которую ионная связь может достигать внутри тела, а также стратегии для установления нескольких параллельных линий связи между электродами. Они обнаружили, что ионная связь способна передавать данные на расстояния, что может помочь ей нацеливаться на различные типы тканей, от кожи человека до внутренних органов.

«Ионная связь — это биологически обоснованная форма передачи данных, которая устанавливает долгосрочные высокоточные взаимодействия через неповрежденные ткани», — сказал Ходаголи.

От теории к прототипу

В экспериментах ученые создали полностью имплантируемый нейронный интерфейс, использующий ионную связь для крыс. Они показали, что он может собирать и неинвазивно передавать данные о мозге свободно перемещающихся грызунов в течение нескольких недель с достаточной стабильностью, чтобы изолировать сигналы от отдельных нейронов.

Используя 10 линий связи с доступной в настоящее время коммерческой электроникой, ученые достигли скорости связи 60 мегагерц. Они подсчитали, что одна ионная линия связи потенциально может достигать скорости передачи до 14 мегагерц.

Ученые отмечают, что для ионной связи требуется низкое напряжение и значительно меньшая мощность, чем для радио- или ультразвуковой связи. Их эксперименты также показали, что их ионное устройство связи оказалось в тысячи и миллионы раз более энергоэффективным при передаче данных, чем другие подходы, используемые с имплантируемой биоэлектроникой.

Устройства ионной связи могут быть изготовлены из материалов, которые являются мягкими, гибкими, коммерчески доступными, биосовместимыми, то есть не вредными для живых тканей, и даже биоразлагаемыми . дольше нужно. Ходахоли и его коллеги теперь стремятся объединить ионную связь с органическими транзисторами в имплантируемом биосенсоре.

Единая тема

Эта последняя работа является продолжением общих исследований Ходаголы, направленных на то, чтобы соединить биоэлектронные устройства с человеческим мозгом. Например, он и его коллеги недавно разработали материал, который помогает ионным сигналам проводить только в определенных выбранных направлениях. Это может помочь ученым разработать схему, которая использует ионы вместо электронов, чтобы лучше взаимодействовать с телом. Такие цепи обычно не работали бы, если бы ионы могли перемещаться во всех направлениях и вызывать нежелательные помехи между различными частями каждой цепи. Новый «анизотропный ионный проводник» представляет собой мягкий биосовместимый композитный материал, что позволяет предположить, что он может оказаться полезным в имплантируемой биоэлектронике, а процессы его синтеза просты и масштабируемы. Их исследование«Композиты с анизотропными ионопроводящими частицами для биоэлектроники» появились 27 января в журнале Advanced Science.

«Разработанный нами новый материал обладает уникальными свойствами, которые позволяют создавать крупномасштабные органические биоэлектронные устройства, которые могут улучшить их применение в приложениях для здоровья человека», — сказал Ходаголи. «Затем мы стремимся разработать компактные и сложные интегральные схемы на основе анизотропных ионных проводников, состоящие из множества органических транзисторов, для приложений биоэлектроники».