传统的植入式电子设备，比如起搏器，其中的内部电子元件和大部分常见的电子设备相同。在植入在体内时，此类设备往往需要各种先进工艺和材料进行防水、以及在外壳材料商提升生物相容性等处理，这些材料学限制影响了设备的小型化和患者的体验。而且传统植入式设备往往需要通过电池供电，因此设备具有一定的使用年限。新兴的有机生物电子材料，如导电材料PEDOT:PSS具有一些在生物学领域突出的性能:柔性、高离子电导率、半导体特性等等。植入式神经器件常常添加改性PEDOT:PSS来降低电极阻抗， 此类设备由离子驱动，因此可以在生理环境下工作，而无需进行完全防水。
近年基于PEDOT:PSS等材料的电化学晶体管在神经信号放大、化学信号检测等领域出现了很多应用。电化学晶体管由离子驱动，相比传统的电子驱动晶体管具有高传导系数，低速等特点，一般只有几K到几十KHz的速率，和大部分生理信号的采集速度相近，因此限制了使用场景(需要高于生理信号速率来进行放大、信号处理)。
近日，哥伦比亚大学电子工程系转化生物电子研究小组近日在Nature Materials发表了最新的研究成果: 用于柔性植入式生物电子设备的垂直内部离子驱动电化学晶体管(vertical internal ion-gated organic electrochemical transistors, vIGT)。他们设计了一种新型电化学晶体管结构，包括一个垂直通道和微型化的水合通道，可以在没有通道间串扰的情况下在高密度集成阵列(15.5万/cm2)内实现 MHz信号范围操作。vIGT可以用来实现各种经典的模拟电路结构并在生理介质中表现出长期稳定性(超过一年)。该小组之前的研究发现可以通过皮肤传输MHz范围的微电压信号（Ionic communication, IC）。在本次发表的文章中，他们将此项技术扩展到无线供电，可以直接驱动vIGT在植入体内工作，因此他们实现了无线、无电池的微型薄膜神经信号采集装置。他们通过植入vIGT，在体外通过电极同时进行供电和信号采集，记录到了高质量的大鼠海马区脑电活动。
该团队通过引入一种可扩展、自包含的亚微米IGT架构，即垂直内部离子门控有机电化学晶体管（vertical internal ion-gated organic electrochemical transistor, vIGT），直接解决以往设备的弊端。采用了垂直通道布置，通过优化通道几何形状提高了IGT架构的固有速度，并允许高密度集成容量。还部署了一个垂直水合接入导管（H-via），即使浸入富含离子的介质中，也能保持设备水合、防止串扰。这些特征的组合产生了能够在兆赫信号范围内无串扰工作的有机晶体管。
此外，vIGT在生理条件下稳定一年以上，无需封装。对沟道进行化学调谐以允许器件在耗尽模式的增强和还原状态下操作。vIGT的特性允许开发顺应性的无线电路，该电路不仅能够获取和传输生理信号，而且能够同时为植入的设备提供电力。这一能力已通过在啮齿类动物模型中进行高时空分辨率的体内电生理学证明，该模型在没有任何刚性或硅基组件的情况下仅使用完全适形的植入的基于vIGT的电路。因此，vIGT代表了高电子性能、可扩展性、稳定性和一致性的融合，能够作为独立有机生物电子设备的基础。
图1.vIGT的物理结构和电学特性该团队在为传统水平IGT开发的工艺指导下制造了vIGT。vIGT的组成类似于水平IGT：一种基于PEDOT:PSS的通道，含有糖醇（d-山梨醇）以产生耗尽模式（常开）晶体管，并添加聚乙胺（PEI）以产生增强模式（常关）晶体管。这些添加剂具有高度的生物相容性，并保持了PEDOT:PSS的电气性能。利用这些通道材料分散体的易溶液加工性来垂直定向通道。该垂直通道的长度由夹层的厚度（800 nm）。栅电极由PEDOT:PSS组成，以与Au相比增加电荷容量。维持了一种基于多糖的（壳聚糖）离子膜，以建立离子，但防止栅极和通道之间的电子传导。为了允许晶体管沟道的水合，在离子膜层上蚀刻了一个垂直的H通孔（图1b，c）。整个制造过程在晶片规模上实施，并用于创建耗尽型和增强型晶体管。
图2.高密度vIGT在生理介质中的无串扰稳定运行该研究证实了H-via可以同时提供通道间的高化学阻抗以及为通道有机半导体材料提供足够的水分以允许离子流动。H-via使密集封装的vIGTs能够稳定、长期且无串扰地工作。
图3.接触长度对时间响应具有非线性影响。该团队使用可扩展的vIGT制造工艺及其固有的多层金属蒸镀创建了一个厚度为3μm的适形集成电路，约155000晶体管cm–2密度，共源矩阵结构包括50万个晶体管（图4a，b）。这种晶体管密度超过了其他柔性晶体管，包括那些具有高通量生产能力和可光图案化半导体沟道的柔性晶体管（图4c）。
图4.便携高密度vIGT集成电路vIGT的另一个优点是能够控制沟道的还原状态，允许使用单沟道材料创建二极管和整流电路（图4g，顶部）。这些有机二极管的阈值电压（Vt）可以根据PEDOT:PSS通道中PEI的浓度从-0.2调谐到0.2V，其显著低于Si基二极管的水解电势和Vt（图4g；底部）。
vIGT的高速、高效的离子到电子转换和低工作电压特性的结合为器件集成开辟了独特的可能性。为了创建一种独立的基于vIGT的生物电子植入物，该植入物可以获取和放大生理数据，将这些数据无线传输到外部环境，并通过无线电源进行操作，需要使用快速交流（a.c.）为vIGT供电。理论上可以通过非侵入性地施加一定距离的电势来偏置植入的晶体管。由于vIGT可以在高频下工作，可以在所施加的交流波形的每个周期将晶体管偏置在所需的设定点一次。
图6.基于vIGT的完全适形、植入的独立设备执行神经生理学活动的体内采集和无线信号传输。该团队开发了一种独立植入式神经界面，利用vIGT来获取和放大神经生理学信号，并利用Ionic communication(IC)为vIGT供电并将数据传输到外部环境。（图6a）。晶体管被配置为共源放大器。将两个导电聚合物基电源触点放置在大鼠头骨表面，并通过第三导电聚合物基电极（数据触点）从漏极和电源触点之间的节点提取输出电势。基于vIGT的器件能够以与传统器件相似的信噪比获取SSEP，并准确地传达了施加电流和SSEP振幅之间的已知关系（图第6b、c段）。
综上所述，该设备基于晶体管架构，该架构包含垂直通道和小型水合接入导管，以在没有串扰的情况下在密集集成阵列内实现兆赫信号范围操作。这些晶体管在生理介质中表现出长期稳定性，并被用于产生高性能集成电路。研究团队利用垂直内部离子门控有机电化学晶体管的高速和低电压操作，开发了交流供电的适形电路，以获取信号并进行无线通信。由此产生的独立装置被植入自由移动的啮齿动物体内，以获取、处理和传输脑神经生理学信号。这种完全有机的设备有可能将生物电子学的实用性和可及性扩展到广泛的临床和社会应用中。
vIGT拓宽了有机电子学领域，从采集到高级处理和信号/功率传输。因此，vIGT实现了第一个完全有机、适形、独立的神经接口设备的创建。这些进步可以在不影响性能的情况下降低生物电子设备的风险，生产出有益于人类健康的新型、更容易获得的应用设备。
通讯作者为哥伦比亚大学电子系副教授Dion Khodagholy，博士研究生Claudia Cea和博士后赵子方为共同一作。转化神经电子实验室今年在材料、神经科学方面做出了一系列优秀工作。Claudia Cea在博士期间以第一作者身份连续发表两篇Nature Materials, 即将前往MIT进行博士后。赵子方博后期间以第一作者身份工作发表在PNAS, Science Advances, Advanced Science, Nature Materials等杂志。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01599-w
参考文献
Cea C, Zhao Z, Wisniewski DJ, et al. Integrated internal ion-gated organic electrochemical transistors for stand-alone conformable bioelectronics [published online ahead of print, 2023 Jul 10]. Nat Mater. 2023;10.1038/s41563-023-01599-w. doi:10.1038/s41563-023-01599-w
