Ionic Circuits for Transduction of Electronic Signals into Biological Stimuli

Modern electronics has revolutionized the way information is processed and stored in our society. In health care and in biology it is of great interest to utilize technology to regulate physiology and to control the signaling pathways. Therefore, the coupling of electronic signals to biological functions is of great importance to many fields within the life sciences. In addition to the conventional inorganic electronics, a new branch of electronics based on organic materials has emerged during the last three decades. Some of these organic materials are very attractive for interacting with living systems since they are soft, flexible and have benevolent chemical properties. This thesis is focused on the development of ionic circuits for transduction of electronic signals into biological stimuli. By developing such an intermediate system technology between traditional electronics and biology, signals with chemical specificity may be controlled and addressed electronically. First, a technology is described that enables direct transformation of electronic signals into ionic ones by the use biocompatible conductive polymer electrodes. The ionic bio-signals are transported in lateral channel configurations on plastic chips and precise spatiotemporal delivery of neurotransmitter, to regulate signaling in cultured neuronal cells, is demonstrated. Then, in order to achieve more advanced ionic circuit functionality, ion bipolar junction transistors were developed. These ion transistors comprise three terminals, in which a small ion current through one terminal modulates a larger ion current between the other two terminals. The devices are functional at physiological salt concentrations and are utilized to modulate neurotransmitter delivery to control Ca signaling in neuronal cells. Finally, by integrating two types of transistors into the same chip, complementary NOT and NAND ion logic gates were realized for the first time. Together, the findings presented in this thesis lay the groundwork for more complex ionic circuits, such as matrix addressable delivery circuits, in which dispensing of chemical and biological signals can be directed at high spatiotemporal resolution. Populärvetenskaplig Sammanfattning Den moderna elektroniken har revolutionerat vårt sätt att hantera information och banat väg för dagens informationssamhälle. Elektronik används även i stor utsträckning till att styra och reglera olika processer genom att inhämta och behandla data, för att sedan sätta lämpliga styrparametrar. Biologiska system bearbetar information genom att sammanväva en mängd komplexa signalvägar. Inom sjukvården och livsvetenskaperna finns ett stort intresse av att utnyttja modern teknologi till att styra fysiologiska förlopp och biologiska signalvägar. Därför är det av stor vikt att utveckla teknik för att koppla ihop elektriska signaler med biologiska funktioner. Parallellt med utvecklingen av den konventionella elektroniken har en ny typ av elektronik tagits fram som är helt baserad på organiska material. Denna organiska elektronik är mycket attraktiva för tillämpningar inom biologin, då materialens kemiska beståndsdelar, mjukhet och flexibilitet är mera lika biologiska material än vanlig hård elektronik. I dagsläget har organisk elektronik med framgång används till att utläsa och skapa elektriska signaler i vävnader. Elektrisk interaktion har dock sina begränsningar, både med avseende på vävnadstyper och specificitet. Denna avhandling beskriver utvecklingen av jonkretsar och hur dessa kan användas för att översätta elektroniska signaler till biologiska stimuli. Tanken är att använda jonkretsar, vars laddningsbärare är kemiskt specifika joner och laddade biomolekyler, som en brygga mellan vanlig elektronik och biologiska system. På så sätt kan elektroniska signaler översättas till biologins egna signaler. I första delen av avhandlingen utvecklas passiva jonkretsar, med elektriskt ledande polymerelektroder, för kontrollerad leverans av stimuli. Jonkretsarna används för att styra cellsignalering i nervceller genom att leverera neurotransmittorn acetylkolin till cellerna. Vidare används jonkretsarna till att skapa amyloida proteinaggregat, som är av intresse inom Alzheimerforskning. För att kunna konstruera mer avancerade jonkretsar krävs aktiva komponenter, så som transistorer. I avhandlingens andra del utvecklades därför bipolära jontransistorer, en ny typ av transistor som kan modulera transporten av joner och laddade biomolekyler. Två typer av jontransistorer utvecklades, en sort som transporterar positiva joner och en annan som transporterar negativa joner. Jontransistorerna fungerar i de höga saltkoncentrationer som förekommer i kroppen och det är första gången som detta rapporterats. Som en demonstration på att tekniken funderar ihop med biologiska system så används transistorena till att modulera kalciumkoncentrationen i odlade nervceller. I nästa steg byggdes logiska jongrindar, som är grundstenarna för mer komplexa jonkretsar. Genom att utveckla dessa grindar öppnas en rad nya möjligheter, t.ex. bör det gå att utveckla adresserbara leveranskretsar för laddade biomolekyler baserat på resultaten som presenterats i denna avhandling.