Миниатюризация технологии микроэлектронных датчиков, микроэлектронных роботов или внутрисосудистых имплантатов быстро прогрессирует.

Однако, это также создает серьезные проблемы для исследований. Одним из крупнейших является разработка крошечных, но эффективных устройств хранения энергии, которые позволяют работать автономно работающим микросистемам — например, во все более и более мелких областях человеческого тела. Кроме того, эти устройства хранения энергии должны быть биологически совместимыми, если они вообще будут использоваться в организме. Теперь есть прототип, который сочетает в себе эти важные свойства. Прорыв был достигнут международной исследовательской группой во главе с профессором, доктором Оливером Г. Шмидтом, профессором систем материалов для наноэлектроники в Технологическом университете Хемница, инициатором создания Центра материалов. Архитектура и интеграция наномембран (MAIN) в Технологическом университете Хемница и директор Института исследования твердого тела и материалов им. Лейбница (IFW) в Дрездене. Дрезденский институт полимерных исследований имени Лейбница (IPF) также принимал участие в исследовании в качестве партнера по сотрудничеству.

В текущем выпуске Nature Communications исследователи сообщают о самых маленьких на сегодняшний день микросуперконденсаторах, которые уже работают в (искусственных) кровеносных сосудах и могут использоваться в качестве источника энергии для крошечной сенсорной системы для измерения pH.

Эта система хранения открывает возможности для внутрисосудистых имплантатов и микророботических систем для биомедицины нового поколения, которые могут работать в труднодоступных небольших пространствах глубоко внутри человеческого тела.

Например, определение pH крови в реальном времени может помочь предсказать ранний рост опухоли. «Приятно видеть, как новая, чрезвычайно гибкая и адаптивная микроэлектроника превращается в миниатюрный мир биологических систем», — говорит руководитель исследовательской группы профессор доктор Оливер Г. Шмидт, который чрезвычайно доволен успехом этого исследования.

Изготовление образцов и исследование биосуперконденсатора в основном проводились в исследовательском центре MAIN Технологического университета Хемница.

«Архитектура наших нано-био суперконденсаторов предлагает первое возможное решение одной из самых больших проблем — крошечных интегрированных устройств хранения энергии, которые обеспечивают автономную работу многофункциональных микросистем», — говорит доктор Винит Кумар, исследователь в команде профессора Шмидта. и научный сотрудник исследовательского центра MAIN.

Меньше пылинки — напряжение сопоставимо с батареей AAA.

Однако все меньшие по размеру устройства накопления энергии в субмиллиметровом диапазоне — так называемые «нано-суперконденсаторы» (nBSC) для еще меньших по размеру микроэлектронных компонентов — это не только серьезная техническая проблема. Это связано с тем, что, как правило, в этих суперконденсаторах используются не биосовместимые материалы, а, например, коррозионные электролиты, и они быстро разряжаются в случае дефектов и загрязнения. Оба аспекта делают их непригодными для биомедицинского применения в организме. Так называемые «биосуперконденсаторы (BSC)» предлагают решение. Они обладают двумя выдающимися свойствами: они полностью биосовместимы, что означает, что они могут использоваться в жидкостях организма, таких как кровь, и могут использоваться для дальнейших медицинских исследований.

Кроме того, биосуперконденсаторы могут компенсировать саморазряд за счет биоэлектрохимических реакций. При этом они даже выигрывают от собственных реакций организма. Это связано с тем, что в дополнение к типичным реакциям накопления заряда суперконденсатора окислительно-восстановительные ферментативные реакции и живые клетки, естественным образом присутствующие в крови, повышают производительность устройства на 40%.

В настоящее время самые маленькие из таких накопителей энергии имеют размер более 3 мм3. Команда профессора Оливера Шмидта теперь преуспела в производстве трубчатого nBSC в 3000 раз меньшего размера, который с объемом 0,001 мм3 (1 нанолитр) занимает меньше места, чем пылинка, и при этом обеспечивает напряжение питания до 1,6 В для микроэлектронных датчиков. . Эту энергию можно использовать, например, для сенсорной системы в крови. Уровень мощности также примерно соответствует напряжению стандартной батареи AAA, хотя фактический ток на этих самых маленьких шкалах, конечно, значительно ниже. Гибкая трубчатая геометрия нанобиосуперконденсатора обеспечивает эффективную самозащиту от деформаций, вызванных пульсацией крови или сокращением мышц. На полную мощность,

Благодаря технологии структуры оригами: гибкий, прочный, крошечный

Технология структуры оригами включает в себя размещение материалов, необходимых для компонентов nBSC, на тонкой поверхности под высоким механическим напряжением. Когда слои материала впоследствии отделяются от поверхности контролируемым образом, энергия деформации высвобождается, и слои наматываются в компактные 3D-устройства с высокой точностью и доходностью (95%). Полученные таким образом нанобиосуперконденсаторы были протестированы в трех растворах, называемых электролитами: физиологический раствор, плазма крови и кровь. Во всех трех электролитах накопление энергии было достаточно успешным, хотя и с разной эффективностью. В крови нанобиосуперконденсатор показал отличный срок службы, сохраняя до 70% своей начальной емкости даже через 16 часов. Для подавления быстрого саморазряда использовался протонообменный сепаратор (ПЭС).

Стабильность работы даже в реальных условиях

Чтобы поддерживать естественные функции организма в различных ситуациях, характеристики кровотока и давление в сосудах постоянно меняются. Кровоток пульсирует и изменяется в зависимости от диаметра сосуда и артериального давления. Любая имплантируемая система в системе кровообращения должна выдерживать эти физиологические условия, сохраняя при этом стабильную работу.

Поэтому команда исследовала эффективность их разработки — аналогично аэродинамической трубе — в так называемых микрофлюидных каналах диаметром от 120 до 150 мкм (от 0,12 до 0,15 мм), имитирующих кровеносные сосуды разных размеров. В этих каналах исследователи смоделировали и протестировали поведение своих накопителей энергии в различных условиях потока и давления. Они обнаружили, что нанобиосуперкаденсаторы могут хорошо и стабильно обеспечивать свою мощность в физиологически значимых условиях.

Автономная сенсорная технология может поддерживать диагностику, например, диагностику опухолей.

Водородный потенциал (pH) крови подвержен колебаниям. Таким образом, непрерывное измерение pH может помочь, например, в раннем обнаружении опухолей. С этой целью исследователи разработали датчик pH, который получает энергию от нанобиосуперконденсатора.

Технология тонкопленочных транзисторов (TFT) 5 мкм, ранее разработанная исследовательской группой профессора Оливера Шмидта, может быть использована для разработки кольцевого генератора с исключительной механической гибкостью, работающего на малой мощности (от нВт до мкВт) и высоких частотах (до 100 МГц).

Для текущего проекта команда использовала кольцевой генератор на основе nBSC. Команда интегрировала pH-чувствительный BSC в кольцевой генератор, так что выходная частота изменяется в зависимости от pH электролита. Этот чувствительный к pH кольцевой генератор также был сформирован в трубчатую трехмерную геометрию с использованием техники оригами «швейцарский рулет», создав полностью интегрированную и сверхкомпактную систему накопления энергии и датчика.

Полое внутреннее ядро ​​этой микросенсорной системы служит каналом для плазмы крови. Кроме того, три nBSC, соединенные последовательно с датчиком, обеспечивают особенно эффективное и самодостаточное измерение pH.

Эти свойства открывают широкий спектр возможных применений, например, в диагностике и медицине.