柔性離子晶體管：為未來生物電子器件奠定基礎！
背景
近年來，科學家們在獲取、處理生物基質並與之交互的電子系統方面取得的進展，引發了醫學特別是神經病學領域中許多的重要進展。這些生物電子系統，越來越多地用於理解充滿活力的生物體以及治療人類疾病，這些疾病往往需要一些可以記錄並處理身體信號，識別模式，釋放電或者化學刺激來應對這些問題的設備。
可安全有效診斷並治療腦部病變的低成本柔性感測器（圖片來源：阿卜杜拉國王科技大學）
同步聽取並刺激大腦中電流的新型神經刺激器（圖片來源：Rikky Muller, 加州大學伯克利分校）
晶體管，是一種非常重要的半導體元件。簡單說，晶體管可用於「開關」或者「放大」電路上的電流。包括生物電子系統在內的許多電子系統，都離不開這一基礎元件。隨著技術創新的不斷深入和發展，如今科學家們研製出了各式各樣的創新型晶體管，例如採用印刷電子工藝和二維材料製造出的晶體管、基於電子自旋的晶體管、基於激子的晶體管、熱電有機晶體管、超薄透明的柔性的晶體管。
用二維納米材料噴墨列印而成的晶體管（圖片來源：都柏林大學聖三一學院）
基於磁振子的自旋晶體管（圖片來源：L. Cornelissen）
熱電有機晶體管（圖片來源：Thor Balkhed）
柔性、超薄、透明的氧化物薄膜晶體管（圖片來源：韓國先進科技學院）
可是，如果晶體管要在人體等各種生物環境中安全有效地運行，就必須滿足許多苛刻的標準。迄今為止，科學家們尚未構造出符合在這些環境中長時間安全、可靠、快速運行的所有特徵的晶體管。
創新
近日，美國哥倫比亞大學工學院電氣工程系助理教授 Dion Khodagholy 以及哥倫比亞大學醫學中心神經科和基因組醫學研究所的 Jennifer N. Gelinas 領導的團隊，開發出首個具有生物相容性的離子驅動晶體管，它的速度快到足以實時感知與刺激腦部信號。相關論文於2月27日發表在《科學進展（Science Advances）》期刊上。
下圖所示：貼合在蘭花瓣表面的基於IGT的NAND和NOR邏輯門。比例尺1厘米。
（圖片來源：Jennifer Gelinas/哥倫比亞大學歐文醫學中心）
技術
這種內部離子門控有機電化學晶體管（IGT）的運行，是通過包含在導電聚合物溝道內的可動離子來運行的。它實現了較高的體積比電容（離子的相互作用涉及整塊溝道）並且縮短了離子的輸運時間。這種IGT具有大跨導（放大率）和高速度，並能被獨立地門控和微加工，從而創造出可伸縮、可整合的集成電路。在論文中，研究人員們演示了他們的IGT能為人類皮膚提供一種小型化、柔軟、可整合的介面，採用局部放大的方法記錄適合高級數據處理的高質量神經信號。
IGT的結構與穩定狀態特性（圖片來源：參考資料【2】）
Khodagholy 表示：「我們製造出一種晶體管，它採用離子（身體的電荷載體）進行通信，通信速度快到足以執行神經生理學（研究神經系統的功能）所要求的複雜計算任務。我們的晶體管溝道是由完全生物相容的材料製作出來的，它與離子和電子都可以進行相互作用，使得與身體神經信號的通信更加高效。現在，我們已經能夠構造出更安全、更小型、更智能的生物電子器件，例如腦機介面、可穿戴電子器件、反應性療法的刺激裝置，這些裝置可長期植入人體。」
過去，生物電子器件一直採用的是傳統硅基晶體管。可是，這些晶體管必須經過小心翼翼地封裝，從而避免接觸體液，這樣做不僅是為了病人的安全，也是為了器件的正常工作。這一要求使得基於這些晶體管的植入物變得龐大且僵硬。與此同時，科學家們在有機電子領域完成了大量工作，通過塑料創造具有先天柔性的晶體管，這些設計包括電解液門控晶體管或者電化學晶體管，它們的輸出可以基於離子電流來調製。可是，這些裝置運行得不夠快，無法執行神經生理學應用中的生物電子器件所需要的計算。
Khodagholy 和他的博士後研究員 George Spyropoulos（這項研究的第一作者），構造出一個基於導電聚合物的晶體管來實現離子調製。而且為了讓這個器件運行得更快，他們修改了材料，使之具有自己的可動離子。通過縮短離子在聚合物結構中所需要傳輸的距離，他們將晶體管的速度較其他同等尺寸的離子器件提升了一個量級。
Khodagholy 表示：「重要的是，我們僅採用了完全生物相容的材料來創造這個器件。我們的秘方是山梨糖醇，或者說糖。糖分子吸引水分子，不僅幫助晶體管溝道保持水分，而且也幫助離子在溝道內更容易、更快速地傳輸。」
價值
因為IGT有望顯著提升腦電圖（EEG）檢查的簡便性和耐受性，研究人員選擇了該平台來演示他們設備的轉化能力。通過採用他們的晶體管從頭皮表面記錄人腦電波，他們展示了直接位於「器件-頭皮介面」上的IGT局部放大，使得接觸尺寸減小了五個數量級。整個設備能在頭髮毛囊之間輕易地安裝，從本質上簡化了安裝過程。這個設備也容易用手操控，改善了機械和電氣穩定性。此外，由於微型的EEG IGT器件可以與頭皮很好地結合，無需化學粘合劑，所以患者的皮膚不會受到化學粘合劑的刺激，總體來說更加舒適。
微米級的IGT獲取高質量人腦電波信號（圖片來源：參考資料【2】）
這些器件也可以用於製作可植入的閉環設備，例如目前用於治療某些醫學上難治的癲癇病的那些設備。這種設備會更小，更容易植入，也可以提供更多信息。
Gelinas 表示：「我們起初的靈感就是為神經植入物製造可整合的晶體管。當專門為大腦測試這一設備時，我們發現IGT也可以用於記錄心臟、肌肉和眼部的運動。」
未來
Khodagholy 和 Gelinas 現在正在探索，對於他們可以將哪種可動離子嵌入到聚合物中，是否存在物理限制。他們也正在研究可嵌入可動離子的新型材料，以及進一步改進他們的工作，來為反應性刺激設備的製作集成電路。
Khodagholy 表示：「我們感到非常振奮，因為我們能夠通過添加簡單的成分，充分地改善離子晶體管。這樣的速度和放大率，以及微加工的簡便性，使得這些晶體管有望應用於許多不同的設備。未來，採用這些設備，在造福病人健康方面有著巨大的潛力。」
關鍵字
晶體管、電子、醫療、神經
參考資料
【1】https://engineering.columbia.edu/press-releases/ionic-transistors-bioelectronic-devices
【2】George D. Spyropoulos, Jennifer N. Gelinas and Dion Khodagholy. Internal-ion gated organic electrochemical transistor: a building block for integrated bioelectronics. Science Advances, 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aau7378
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