Эластичный проводник толщиной 1,3 микрометра для носимых и имплантируемых устройств.

В последние годы инженеры работали над созданием все более сложных и компактных электронных компонентов, которые могли бы питать устройства будущего. Сюда входят тонкие и эластичные компоненты, которые можно легко носить на коже или имплантировать внутрь человеческого тела.

Исследователи из RIKEN, Наньянского технологического университета, Национального университета Сингапура, Токийского университета и других институтов в Японии, Сингапуре и Китае недавно разработали новый эластичный электрический проводник толщиной 1,3 микрометра. Этот проводник, представленный в статье, опубликованной в Nature Electronics, может способствовать развитию как носимых, так и имплантируемых датчиков.

«Сверхтонкие электронные устройства могут образовывать конформный интерфейс с изогнутыми поверхностями, они не воспринимаются человеком при ношении и не вызывают сильного отторжения инородных тел (FBR) при имплантации животным», — сказал Чжи Цзян, один из исследователей, проводивших исследование.

«Раньше сверхтонкие электронные устройства конструировались на пластиковых пленках, таких как полиимид, парилен и SU8. Однако в носимых и имплантируемых устройствах устройства могут испытывать деформации с кожей человека и некоторыми органами (например, сердцем, мышцами и нервами) , поэтому они должны быть растяжимыми».

 

Ключевой целью недавней работы Цзяна и его коллег было создание эластичного материала, который мог бы поддерживать стабильную работу ультратонких носимых и имплантируемых электронных устройств в течение длительных периодов времени. Для этого они создали пленку толщиной 1,2 мкм с использованием одобренного FDA эластомера под названием полидиметилсилоксан (ПДМС). Затем они использовали эту пленку в качестве альтернативы пластиковым пленкам, обычно используемым для создания биосовместимых электронных устройств.

«Ранее во всех проводниках PDMS-Au использовались толстые пленки PDMS (толщиной от десятков до сотен микрометров), которые плохо взаимодействовали с текстурированной кожей человека и органами малого размера (седалищными нервами и мышечными пучками)», — сказал Цзян.

«Кроме того, коже человека необходимо дышать постоянно, а газопроницаемость толстых пленок ПДМС недостаточно высока для этого. При уменьшении толщины до 1,2 мкм ультратонкие пленки ПДМС продемонстрировали высокую газопроницаемость, которая не мешала воздухопроницаемость кожи».

Чтобы создать эластичный проводник, исследователи сначала создали пленку PDMS толщиной 1,2 мкм, используя метод, известный как центрифугирование. Затем они перенесли эту ультратонкую пленку на стекло толщиной 100 мкм, покрытое PDMS, и термически испарили слой золота (Au) толщиной 50 нм.

«Используя теневую маску, мы могли формировать наши проводники и формировать многоканальные массивы электродов с высоким разрешением (100 мкм)», — сказал Цзян. «Затем, используя еще одну ультратонкую пленку ПДМС в качестве герметизирующего слоя, мы выборочно обнажили золото небольшой площади в качестве электродов. Инкапсуляция произошла за счет плотного соединения двух пленок ПДМС после обработки плазмой O2».

Было обнаружено, что благодаря уникальному дизайну с микротрещинами материал PDMS-Au обладает высокой эластичностью, намного большей, чем пластиковые пленки, испытанные в прошлом. Примечательно, что процесс его изготовления также хорошо совместим с существующими методами производства микроэлектроники, что может облегчить его крупномасштабное производство.

«Сравнивая электроды разной толщины как для накожных, так и для нервных интерфейсов, мы продемонстрировали, что бесшовный интерфейс может способствовать как доставке электрического стимула, так и процессам записи электрического сигнала», — сказал Цзян. «Впервые обнаружено, что интерфейс между электронными устройствами и тканями чрезвычайно важен для нервов. Таким образом, наше исследование и явление, которое мы обнаружили, должны быть полезными для создания других интерфейсов устройства/ткани».

Стратегия выращивания золотых микротрещин на PDMS, использованная Цзяном и его коллегами, привела к получению материала, который можно было растянуть на 300%, сохранив свои проводящие свойства. В будущем эта стратегия может быть использована другими исследователями для разработки альтернативных растяжимых материалов на основе микротрещин.

Кроме того, новый проводник, представленный в этой недавней статье, может быть использован для создания более надежных носимых и имплантируемых микроэлектронных устройств. Команда уже использовала его для изготовления воздухопроницаемых и водостойких электродов, которые можно наносить на кожу человека, а также датчиков толщиной 3 мкм, которые могут обнаруживать механические воздействия, и имплантируемых нервных электродов.

«Сейчас мы изучаем два основных направления исследований», — добавил Цзянь. «Первый направлен на дальнейшее улучшение характеристик наших ультратонких эластичных проводников с точки зрения разработки устройств. Во-вторых, мы работаем с учеными-биологами, чтобы изучить потенциал наших ультратонких эластичных электронных устройств как мощного инструмента для понимания биологических явлений».