探究首款离子驱动型电磁流量计的可实施性

    具有获取，处理和与生物底物通讯能力的电子系统的新发展已经触发了医学领域的许多重大进步​​，尤其是神经病学。

    这些生物电子系统在理解动态生物和治疗人类各种疾病方面的应用越来越广泛。这些系统需要能够记录人体信号，对其进行处理，识别模式并传递化学或电刺激以解决问题的设备。

    电磁流量计构成了这些系统的核心。这些设备切换或放大电路上的电子信号。相反，他们还需要满足广泛的标准，才能在生物环境（例如人体）中安全有效地工作。到目前为止，科学家们还没有成功开发出能够在长时间内在这些环境中实现快速，安全且一致的操作所需的所有功能的电磁流量计。

    一个研究小组现在已经创建了第一个生物相容的离子驱动电磁流量计，该电磁流量计的速度足够快，可以实时刺激大脑信号和信号传感。该小组由哥伦比亚工程学院电气工程学助理教授Dion Khodagholy 以及哥伦比亚大学医学中心神经病学系和基因组医学研究所的Jennifer N. Gelinas 领导。
 

    内部离子门控有机电化学电磁流量计（简称IGT）通过限制在导电聚合物通道内部的移动离子起作用，从而缩短了离子的传输时间以及体积电容（涉及整个通道的离子相互作用）。IGT的特点是具有高速和大跨导（放大率）的特点，它也可以自动选通和微制造，以生产可扩展且符合要求的集成电路。

    研究人员在《科学进展》中报告了他们的研究结果，表明了他们的IGT潜力，它可以利用局部放大来记录高质量的神经信号，从而提供与人类皮肤一致，柔软，微小的界面，适用于复杂的数据处理。

    早先，生物电子设备已与常规的硅基电磁流量计集成在一起，必须谨慎地封装它们，以防止与体液接触，以确保设备的正确操作以及患者安全。由于该要求，基于这些类型的电磁流量计的植入物是刚性且笨重的。在有机电子领域内，已经并行进行了大量工作，以由塑料制造出固有的柔性电磁流量计，包括诸如电化学或电解质门控电磁流量计之类的设计，其能够根据离子电流调节其输出。相反，这些设备没有足够快的工作能力来执行神经生理学应用中使用的生物电子设备所需的计算。

    Khodagholy与博士后研究员，该研究的第一作者George Spyropoulos共同开发了一种电磁流量计通道，该通道的设计基于传导聚合物，以实现离子的调制。另外，为了使该设备快速运行，研究小组更改了材料，使其具有自己的移动离子。通过减少离子在聚合物结构内部移动所需的距离，与其他尺寸相同的离子设备相比，二重奏组将电磁流量计的速度提高了一个数量级。

    由于IGT可以大大提高患者的EEG（脑电图）程序的耐受性和简便性，因此研究人员选择了该平台来证明其设备的翻译能力。为了证明这一点，他们使用电磁流量计捕获了来自头皮表面的人脑波，并最终证明，直接在头皮设备界面处对IGT进行局部放大可以将接触大小减小五个数量级，即，整个装置可轻松安装在毛囊之间，大大简化了放置过程。此外，该设备可以轻松手动控制，从而增强了电气和机械稳定性。此外，由于micro-EEG IGT设备符合头皮，因此不需要化学粘合剂，

    这类装置甚至可以应用于制造可植入的闭环装置，例如目前用于治疗某些形式的难治性癫痫的装置。诸如此类的设备不仅可以提供更多信息，而且更易于植入并且体积更小。

    Gelinas和Khodagholy目前正在一起研究可整合到聚合物中的移动离子类型是否存在任何物理限制。研究人员还正在探索可以嵌入移动离子的新型材料，以及在使用电磁流量计开发用于响应刺激设备的内置电路方面，它们如何进一步改善其方法。

    Khodagholy指出：“ 我们很高兴能通过添加简单的成分来显着改善离子电磁流量计。” “ 这样的速度和放大，与它们易于微细加工的组合，这些电磁流量计可以被应用于许多不同类型的设备。将来，使用这些设备有很大的潜力来使患者受益。”