下一代人类仿生学:有机晶体管内部发生了什么?

可以与人体无缝集成的电子接口设备具有将假肢转变成模仿真实肢体功能的生物电子设备的潜力。 图片:盖蒂| 断电

一旦成为电视和智能设备的领域,有机晶体管将很快成为下一代人类仿生学发展的关键组件。

博士候选人约书亚·亚瑟(Joshua Arthur)获得了2019年奋进研究领导奖,以推动他在理解能够接收生物信号的有机薄膜晶体管(OTFT)技术方面的工作。

电子设备与人体之间的通信模式本质上是不同的。

可以与人体无缝集成的电子接口设备具有将假肢转变成模仿真实肢体功能的生物电子设备的潜力。

约书亚说:“从理论上讲,我们将使用这些有机晶体管来拦截生物信号,并告诉我们有关该系统中正在发生的事情的信息。”

电子设备中的通信是通过电子流动实现的,而人体中的通信是通过离子(Na +,K +等)和质子(H +)的交换建立的。

质子充当细胞间信使,参与基本的生物过程,包括肌肉收缩,大脑功能和味觉接收。

在细胞内,质子梯度驱动三磷酸腺苷(ATP)的产生,ATP是一种重要的有机分子,可为细胞功能提供能量。

在接下来的两年中,约书亚(Joshua)将研究生物电子晶体管的物理原理,以通过专注于材料,光学和电子特性来对它们的工作原理有一个基本的了解。

“我们对这些有机晶体管如何感测质子的了解存在差距。

“目前,我正在努力完善晶体管,使其更坚固,更可靠,然后再深入研究其机理。

“我们的传感器基于具有非常有希望的特性的OTFT类型,但仍处于传感应用开发的早期阶段。

根据Joshua的说法,OTFT中的有机材料是基于碳的化合物,但不一定是生物来源的,尽管绝大多数生物分子都是基于碳的,例如蛋白质,激素和DNA。

“有机材料具有生物相容性,柔软而灵活,并且能够与柔软的生物表面接触。

OTFT充当信号的电子开关和放大器。

“大多数晶体管不是传感器。 我们通过允许质子与有机层相互作用,从而产生可测量的电流变化来利用放大特性。

“有机传感器可以植入或使用在皮肤表面上,以分析它们接触的液体。

约书亚说,尽管目前尚未专门研究新型生物电子晶体管的应用,但有机器件具有各种潜在的生物医学应用。

“我的目​​标是进行了解这些设备的初步工作,这是迈向生物学应用的重要一步。”

介孔纳米颗粒膜的图像作为OTFT中的门。 使用氦离子显微镜拍摄图像,并发布在“ 用于OTFT传感器的高度多孔且导电的复合栅电极 ”中。

据昆士兰科技大学科学与工程学院从事光电和生物电子器件研究的博士生导师索尼亚·雅姆贝姆博士说,用于约书亚研究的晶体管使用介孔二氧化硅纳米颗粒-最好的固态质子传导材料之一。

“我们知道晶体管可以用作传感器,但我们不了解它们是如何工作的,这就是约书亚正在研究的。

“我们有能力使晶体管变得极其小巧和灵活,这使其非常适合生物接口应用,但是,对于我们目前的研究,我们只需要使它们的宽度为毫米且厚度为微米即可。

“有机电子设备可以灵活,可伸展且轻盈如羽毛,这使其非常适用于符合人体形状和表面的可穿戴技术。

“研究这些应用程序还促成了我对生物电子学的研究,在该领域中,设备与人体融合在一起-生物学和电子学融合在一起。

“我通常告诉人们想到卢克·天行者的假肢,他的大脑可以完美地控制它。 最关键的接口是电子设备连接到人体的人体部分的接口,该接口必须柔软灵活,具有生物相容性,因此它不会被人体排斥,并且能够自我修复并与人体正常通讯。

“例如,如果假肢感觉到过多的热量,它应该告诉您的大脑将其从热量中去除。

“由于电子设备和人体使用不同的语言,因此目前很难实现这一目标,因此我们需要在两者之间使用一个转换器(解释器)。”

Joshua和Yambem博士今年将继续在QUT未来环境研究所(IFE)的中央分析研究设施(CARF)中进行设备研究,然后Joshua前往加拿大女王大学,该大学拥有能够观察设备运行情况的实验显微镜设备实时。

约书亚说:“目前我们还没有检测到生物相互作用,只是在实验室条件下检测质子。”

“一旦精炼并确保可靠性,我们将绘制在设备内部移动的质子以及它们与有机膜的相互作用方式的图。

“我们将测量整个设备上的电流变化,可以将其连接到视觉设备或其他接口以显示输出。”

约书亚说:“实验光学技术将使我们深入了解晶体管如何检测质子的运行机制。”

约书亚于2017年获得理学学士学位(物理学)的最后一年,在他的顶峰项目期间发现了有机电子学。

Yambem博士是他的主管。 随后,她将他介绍给了皇后大学手性光子学的加拿大一级研究主席让·米歇尔·努兹教授。

Nunzi教授是有机器件设计和表征方面的专家,并开发了一种原始的表征系统,用于在显微镜下评估有机器件的光学和电子性质。

约书亚(Joshua)将在努兹教授(Nunzi Professor)的指导下工作,同时在实验室内进行“奋进研究领导奖”(Endeavor Research Leadership Award)合作。

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