Επιστήμονες ανέπτυξαν έναν νέο τύπο ημιαγωγού που ελπίζουν ότι θα ξεπεράσει ένα σημαντικό πρόβλημα για τις βιοηλεκτρονικές συσκευές: την ανοσολογική απόκριση που ωθεί τον οργανισμό να απορρίψει τα εμφυτεύματα. Η βιοηλεκτρονική είναι η επιστήμη της ενσωμάτωσης ηλεκτρονικών συστημάτων με βιολογικά συστήματα, χρησιμοποιώντας συσκευές που μπορούν να παρακολουθούν ή να αλληλεπιδρούν με τις φυσικές διαδικασίες του σώματος. Προηγμένα παραδείγματα περιλαμβάνουν διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή, οι οποίες μεταφράζουν τα εγκεφαλικά σήματα σε εντολές για τον έλεγχο εξωτερικών συσκευών.
Ερευνητές στην Κίνα και τις Ηνωμένες Πολιτείες, συμπεριλαμβανομένης της ιδιωτικής εταιρείας Neuralink, έχουν φέρει την επεμβατική τεχνολογία διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή στο στάδιο των κλινικών δοκιμών. Μετά τη δημοσίευση των ευρημάτων τους στο έγκριτο περιοδικό Science τον περασμένο μήνα, η ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ δήλωσε ότι δέχτηκε κλήσεις από ιατρούς και ερευνητές κυττάρων για να διερευνήσουν πώς θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν αυτή την ανακάλυψη.
Η ομάδα ανέπτυξε τρισδιάστατους ημιαγωγούς με τη μορφή υδρογελών, απομακρύνοντας την εστίαση από άκαμπτα υλικά όπως το πυρίτιο, ώστε οι επιστήμονες να μπορούν να δημιουργήσουν συσκευές πιο συμβατές με τον οργανισμό μας. Ο επικεφαλής συγγραφέας, Zhang Shiming, βοηθός καθηγητή στο τμήμα Ηλεκτρολογικών και Ηλεκτρονικών Μηχανικών του HKU, δήλωσε ότι οι ημιαγωγοί με βάση υδρογέλης είναι εξαιρετικά συμβατοί με τον οργανισμό, προσφέροντας την άνετη αίσθηση μιας «δεύτερης επιδερμίδας».
Ο Zhang ανέφερε ότι η τεχνολογία έχει ολοκληρώσει το στάδιο της απόδειξης της ιδέας στο εργαστήριο και βρίσκεται πλέον στο στάδιο της θεμελιώδους έρευνας για χρήση σε τομείς όπως οι διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή. Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει τομείς όπως η εν τω βάθει διέγερση του εγκεφάλου, η οποία περιλαμβάνει την εμφύτευση ηλεκτροδίων που παρέχουν ηλεκτρικά ρεύματα, για παράδειγμα, για τη διακοπή επιληπτικών κρίσεων. Μια άλλη πολλά υποσχόμενη περιοχή είναι η έρευνα της εταιρείας Neuralink του Elon Musk, η οποία περιλαμβάνει την εισαγωγή πολλαπλών ηλεκτροδίων σε διάφορες περιοχές του εγκεφάλου για τη συλλογή σημάτων και τη χρήση τους για τον έλεγχο εξωτερικών συσκευών.
«Δεδομένου ότι η ικανότητά μας για κίνηση ελέγχεται από σήματα που αποστέλλονται από τον εγκέφαλο, εάν ορισμένοι μύες είναι αδύναμοι, μπορούμε να το παρακάμψουμε και να ελέγξουμε την κίνηση απευθείας μέσω του εγκεφάλου», δήλωσε ο Zhang. «Θα υπήρχαν πολλές ευκαιρίες για ιατρικούς και βιολογικούς ερευνητές να εξερευνήσουν προηγμένη γνώση σε αυτήν την πλατφόρμα. Θα μπορούσε να βοηθήσει στην προώθηση της έρευνας στις νευροεπιστήμες και την ιατρική. Ωστόσο, το χρονοδιάγραμμα για τις κλινικές εφαρμογές θα εξαρτηθεί από τα αποτελέσματα αυτών των αρχικών εξερευνήσεων, και δεν μπορούμε να βγάλουμε ακόμη οριστικά συμπεράσματα σχετικά με αυτό».
Τα trackers φυσικής κατάστασης, οι φορητοί μετρητές γλυκόζης και οι βηματοδότες είναι μερικά από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα παραδείγματα βιοηλεκτρονικών συσκευών, ενώ άλλες πιθανές χρήσεις για τους τρισδιάστατους ημιαγωγούς περιλαμβάνουν καρδιοχειρουργικές επεμβάσεις, υλικό που μιμείται τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου ή «μαλακό ρομποτικό δέρμα». «Φανταστείτε ένα ρομπότ με μαλακό, ευαίσθητο δέρμα. Αυτό το δέρμα θα μπορούσε να αισθάνεται τη θερμοκρασία και να αναγνωρίζει τα υλικά που αγγίζει», δήλωσε ο Zhang. «Ακόμα και ως μη ζωντανή οντότητα, η ικανότητα παροχής ηλεκτρονικής ανατροφοδότησης θα μπορούσε να βελτιώσει την εμπειρία της αλληλεπίδρασης ανθρώπου-μηχανής.»
Πρόσθεσε: «Οι παραδοσιακοί ημιαγωγοί κατασκευάζονται από άκαμπτα, ξηρά δισδιάστατα υλικά όπως το πυρίτιο, τα οποία έρχονται σε θεμελιώδη αντίθεση με τα βιολογικά συστήματα που είναι τρισδιάστατα, μαλακά και υγρά». Οι νέοι ημιαγωγοί «αντιμετωπίζουν την ασυμβατότητα των υλικών χρησιμοποιώντας βιοσυμβατά υδρογέλη ως βασικό υλικό αντί για άκαμπτο πυρίτιο, γεγονός που συμβάλλει στην καταστολή των ανοσολογικών αποκρίσεων». Ωστόσο, διατηρούν ακόμα τις ημιαγωγικές τους ιδιότητες, όπως η ικανότητα να ενεργοποιούνται και να απενεργοποιούνται, και μπορούν να κατασκευαστούν σε νανοκλίμακα όπου χρειάζεται.
Ο Zhang δήλωσε ότι τα «thick-gel electronics» «επιτρέπουν τη μετάβαση από δισδιάστατες, άκαμπτες και χαλαρές διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής σε τρισδιάστατες, μαλακές και στιβαρές διεπαφές για πιο ακριβή καταγραφή εγκεφαλικών σημάτων, βοηθώντας στην κατανόηση νευροεκφυλιστικών ασθενειών». Ανέφερε ότι η χρήση των ημιαγωγών για διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής θα μπορούσε «να προσφέρει ένα νέο επίπεδο ενσωμάτωσης με ζωντανά συστήματα, όπως τα κύτταρα, που ανόργανα υλικά όπως το πυρίτιο και ο χρυσός δεν μπορούν να επιτύχουν». Ο Zhang πρόσθεσε: «Αυτά τα βιοϋβριδικά ζωντανά τρανζίστορ, λόγω της παρουσίας κυττάρων, έχουν τη δυνατότητα να καταστέλλουν τις ανοσολογικές αποκρίσεις, επιτρέποντας παρατεταμένη εμφύτευση, διατηρώντας παράλληλα τις δυνατότητες ενίσχυσης σήματος. Αυτό ανοίγει το δρόμο για την προώθηση τεχνολογιών φορητών και εμφυτεύσιμων συσκευών υγείας».
Σύμφωνα με τον Zhang, οι υδρογέλης αποτελούνται κυρίως από νερό – έως και 99% – με μόλις 1% πολυμερικών στερεών που λειτουργούν ως ημιαγωγοί. Η σύνθεση του υλικού ήταν παρόμοια με αυτήν του ανθρώπινου δέρματος, το οποίο περιέχει περίπου 70% νερό, καθιστώντας το τόσο άνετο που ο χρήστης σχεδόν δεν θα αντιλαμβανόταν την παρουσία του, δήλωσε. «Οι υδρογέλη μπορούν εύκολα να τροποποιηθούν χημικά για να επιτευχθούν οι επιθυμητές ιδιότητες για φορητή άνεση, όπως η διαπνοή, η απαλότητα και η βιοσυμβατότητα». Όσον αφορά τα εμφυτεύματα, οι συσκευές «έχουν τη δυνατότητα να προωθήσουν την αναγεννητική ιατρική, όπως οι προσθετικοί καρδιακοί ιστοί για την αποκατάσταση της καρδιάς», δήλωσε.
Φλεγμονώδεις καρδιακοί μύες μπορεί να αναπτύξουν ουλώδη ιστό, ο οποίος αυξάνει τον κίνδυνο καρδιακής ανεπάρκειας ή καρδιακής διεύρυνσης, που εμποδίζει την καρδιά να αντλεί αποτελεσματικά. Ωστόσο, προσθετικοί καρδιακοί ιστοί κατασκευασμένοι από μαλακούς ημιαγωγούς θα μπορούσαν να εμφυτευτούν στην καρδιά για την αποκατάσταση των λειτουργιών της, δήλωσε ο Zhang. Οι τρισδιάστατοι ημιαγωγοί θα μπορούσαν επίσης να χρησιμεύσουν ως πλατφόρμα για μελλοντικό ενεργειακά αποδοτικό υπολογιστικό υλικό που μιμείται τη λειτουργία του εγκεφάλου.
Είπε ότι οι πραγματικοί νευρώνες συνδέονται σε τρεις διαστάσεις, αλλά τα τρανζίστορ στα τσιπ συνδέονται μόνο σε δύο διαστάσεις, περιορίζοντας την αποδοτικότητά τους. «Οι τρισδιάστατοι ημιαγωγοί επιτρέπουν τρισδιάστατες χωρικές συνδέσεις, βελτιώνοντας την υπολογιστική απόδοση και μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας. Αυτό θα μπορούσε να προσφέρει μια εναλλακτική διαδρομή για την ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικού υπολογιστικού υλικού για νευρομορφικές εφαρμογές», πρόσθεσε ο Zhang.
Δήλωσε ότι οι τρισδιάστατοι ημιαγωγοί υδρογέλης θα μπορούσαν να επιτρέψουν πιο ακριβή παρακολούθηση και διέγερση της υγείας, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ βιοϊατρικών συσκευών και βιολογικών συστημάτων. «Τα επόμενα βήματά μας περιλαμβάνουν την περαιτέρω κατανόηση της επιστήμης πίσω από τα υλικά, τη βελτιστοποίηση της απόδοσης των συσκευών και, τελικά, την παράδοση κλινικά μεταβιβάσιμων βιοϊατρικών συσκευών για την κάλυψη επειγουσών αναγκών στα νοσοκομεία, όπως η συνεχής φορητή παρακολούθηση, η εμφυτεύσιμη διέγερση και η λειτουργική αποκατάσταση ιστών».
