JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
tisdag 23 juli 2019 VECKA 30
I elektroniken är det elektronerna som bär informationen. I levande organismer transporteras signalerna framförallt av jonerna och olika biomolekyler.
Kopplingen mellan de två världarna stavas jontransistorer och har utvecklats av professor Magnus Berggrens forskargrupp på Linköpings universitet tillsammans med forskare på KI.
Det är lika bra att säga det direkt, det kommer att dröja många, många år innan det går att koppla ihop elektroniken med människans celler för att till exempel förbättra hörseln. Men redan idag fungerar den polymerbaserade elektroniken så bra att en handfull forskargrupper runt om i världen börjar använda de enkla plastkomponenterna från Norrköping för att styra olika experiment med celler.

Idag använder man huvudsakligen pipetter för de här experimenten, men det innebär samtidigt att cellerna fullkomligt dränks i signalsubstansen, ungefär som att ta en dusch i Niagarafallet. Forskarna vill kunna dosera substanserna i mycket mindre volymer och dessutom snabbt kunna stänga av och sätta på ”flödet”.

MAGNUS BERGGREN
Befattning:
Önnesjö-Professor i Organisk Elektronik, LiU.
Född: november 1968.
Karriär: akademisk.
Bor: på landet utanför Linköping.
Familj: gift med Karin och tre barn, Linnea, Elin och Erik.
Intresse: windsurfing och skidåkning.
Dold talang: bra gung i bluesriffen.
Ett steg på vägen är så kallad mikrofluidik, flöden som styrs av mikromekaniska komponenter men även de har svårt att skapa de signalgradienter som levande organismer utnyttjar och dessutom skapar de virvlar i flödet.

– Vi vill utveckla elektronik som tar oss långt bortom vad man klarar av med pipetter och fluidik, vi vill skapa en transport där inget flöde är inblandat, säger Magnus Berggren.

Men vi tar det från början, för det har varit en lång resa från de första tankarna på att koppla ihop de elektronikkomponenter av polymermaterial som Magnus Berggren forskade på med Agneta Richter-Dahlfors cellforskning på Karolinska Institutet.

Fem år till första publiceringen
Allt började för ungefär tio år sedan på en workshop där de två träffades.

– Jag presenterade elektrokemiska komponenter och det var just elektrokemin som appellerade på Agneta. Hon undrade om man kunde styra även kemi med den fina upplösningen? Det kändes som jobbiga frågeställningar men när det visade sig att det handlade om att transortera en liten jon som Ca2+ i polymermaterial så kändes det mycket bättre, säger Magnus Berggren.

Att korsa två så väsensskilda forskningsområden tar tid och det är långt ifrån självklart att det lyckas. För Magnus och Agneta tog det fem år innan resultaten var så pass bra att de gick att publicera.

– Vi hade tur som hade så långsiktig finansiering framförallt från SSF som tog risken. För det är sega projekt. Men när vi väl har haft resultat framme har det varit oerhört lätt att få det publicerat i de bästa tidskrifterna.

Under resans gång har de dessutom fått lära sig mer om varandras områden.

– Agneta har varit väldigt duktig på att lämna sitt medicinska fack och lära sig elektronik och jag har läst cellbiologi och neurovetenskap.

Det har dock inte varit en spikrak resa. De första stegen, att åstadkomma ledare och passiva komponenter för en transport av molekyler (elektromigrering) utan att det är något flöde inblandat, gick förhållandevis lätt.

– Ska man bygga elektronik kommer man inte långt med ledare och joniska resistanser, det blir bara ett nätverk utan adresserbarhet. För några år sedan hamnade vi nästan i ett paniktillstånd, vi var nära att kasta in handduken, när vi inte kom vidare.

Bipolärt, inte FET
För nästa nivå behövdes biomolekyltransistorer så att det gick att stänga av och sätta på transporten av joner.

– Det var min doktorand Klas Tybrandt som kom upp med den geniala idén att göra en bipolär jontransistor, säger Magnus Berggren.

Transistorn drivs på exakt samma sätt som en elektronisk transistor men har en elektrolyt som källa, det vill säga emitter. Jonerna drivs till en kollektor via en elektroforetisk transport.

– Lägger vi noll volt på styret går det oerhört lite ström men skickar vi in lite joner i kanalen då kan vi öka transporten med flera tiopotenser. Tar vi tillbaka de andra jonerna kan vi strypa transistorn igen.

Resultatet publicerades så sent som i juni och nu kan forskarna bygga komplementär logik fast med biomolekyler. Därmed ser medicinarnas våta dröm ut att bli verklighet, det går att skapa en matris som kan adresseras i x- och y-led. Ovanpå matrisen lägger man sedan sina celler, till exempel hjärnceller. Och i varje xy-korsning går det att släppa ut mycket små mängder av en signalsubstans.

– Tanken är att man ska göra ungefär som artificiella nervceller som släpper iväg neurotransmittorer lite här och där och styr signaleringen i nervcellerna.

Då kan man studera funktionerna hos olika neurotransmittorer men också se vilka koncentrationer det behövs för att påverka enskilda celler.

Signalerna går med 100 m/s
Förloppen är långsamma jämfört med dagens mikroprocessorer. Det handlar om reaktionstider från någon sekund ner till mellan tio och hundra millisekunder.

– Det är ungefär så lång tid det tar för jonerna att diffundera genom cellväggen.

Att det ändå tar lång tid från det att man bränt sig på plattan tills man rycker bort handen beror på att hjärnan ska fatta beslut. Själva signalen som talar om att det är för varm går med 100 m/s.

Idag har man alltså kommit så långt att det går att göra miniatyriserade organiska bioelektroniska komponenter över stora ytor. Petriskålar och cellodlingsbrunnar med dessa system tillverkas av Acreo som finns vägg-i-vägg med Magnus Berggrens grupp.

–De har lagt ned mycket tid på att stabilisera tillverkningen. Idag har vi en fyra, fem forskargrupper som vi levererar till. Det handlar helt och hållet om forskning, inte för att göra kliniska studier.

Ytorna tillverkas med litografi, den av halvledarbranschen förfinade metoden att massproducera strukturer med mikrometerstorlek är effektiv och billig. Men det är ett stort steg att gå från att leverera till forskare till något som är kommersiell användbart.

– Man kan jämföra med OLED. Det upptäcktes 84–85 och sedan har det tagit 25 år och många miljarder att kvalificera tekniken. Det krävs ungefär lika mycket resurser för det här. Vi började i mitten av 90-talet så det är fortfarande tio år kvar. Jag är övertygad om att det går och det finns ett stort intresse från industrins sida.

På Karolinska Institutet hos Agneta Richter-Dahlfors finns ett center som bland annat utnyttjar den teknik som utvecklats i Norrköping.

– Det fungerar som ett fönster mot andra medicinska forskare och det har blivit otroligt bra snurr på det.

Förutom matriser för cellodling har man också utvecklat jonpumpar inom Oboe (Organisk Bioelektronik), som forskningscentrat där LiU, Acreo och KI ingår.

Jonpumpen har utvecklats till en komponent som går att operera in i en vävnad eller ett organ för att göra experiment på däggdjur. Ett exempel är från Karolinska Institutet där Barbara Canlon undersökt känsligheten på hörselcellerna hos marsvin. Pumpen levererar en neurotransmitter som styr känsligheten hos hörselcellerna i hörselnerven.

Volymkontroll för hörseln

Innerörat ser ut som en spiral och på väggarna sitter hårceller som avkodar ljudet. Beroende på hårcellernas position hör man olika frekvenser

Vissa hörselproblem handlar om att man har dålig känslighet i de här nervcellerna och tanken är att jonpumpen ska fungera som en volymkontroll.

– Resultaten visar att man kan styra volymer mellan 20 och 25 decibel, säger Magnus Berggren.

Den som använder vanliga hörselapparater riskerar i vissa falla att trötta ut örat och därmed påskynda degraderingen. Jonpumpen kan bli ett sätt att öka känsligheten bara då man önskar det.

– Vi publicerade resultaten för ett år sedan och det väckte oerhört mycket uppmärksamhet. Många inom neuroforskning och hjärnforskning hör av sig och vill testa pumpen.

Även om det gjorts en del experiment på däggdjur är det många år kvar till det kan implementeras på människor.
 
Den bipolära jontransistorn har ledande plastelektroder (blå) som överför elektriska strömmar till jonströmmar. En ström av positiva joner, till exempel neurotransmittorn acetylkolin, går in i emittern och moduleras av basströmmen som består av negativt laddade kloridjoner.  Då kloridjonerna går in i transistorn kan en hög jonström passera mellan emitter och kollektor och transistorn är påslagen. När kloridjonerna dras ur transistorn stryps kollektorströmmen. Detta kan till exempel användas för att styra leverans av neurotransmittorer till nervceller som befinner sig i närheten av kollektorn.

MER LÄSNING:
 
Branschens egen tidning
För dig i branschen kostar det inget att prenumerera på vårt snygga pappers­magasin.

Klicka här!
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)