Быстрое развитие электроники и инструментов искусственного интеллекта (ИИ) открыло интересные возможности для разработки технологий для широкого спектра приложений. К ним относятся имплантируемые устройства, предназначенные для лечения заболеваний, мониторинга биологических процессов или расширения человеческих способностей.

Исследователи из Сеульского национального университета, Корейского передового института науки и технологий (KAIST), Университета Конкук и Университета Ханьян недавно создали новый гидрогель на основе чистого проводящего полимера, который можно использовать для создания биосовместимых устройств.

Этот гидрогель, представленный в статье , опубликованной в журнале Nature Electronics, может быть проще производить и адаптировать для конкретных применений, чем другие аналогичные материалы, разработанные в прошлом.

«Электроника, имплантированная непосредственно в тело, пока не может избежать обычных твердых материалов, поэтому такие побочные эффекты, как иммунный ответ, вызванный механическими несоответствиями с мягкими биологическими тканями, представляют собой критический риск при длительной имплантации», — сказал Сын Хван Ко, соавтор статьи.

«Чтобы решить эту проблему, электроника разрабатывается с использованием мягких материалов, которые имеют свойства, аналогичные свойствам нашего тела (например, низкий модуль Юнга, высокое содержание воды), но они сталкиваются с ограничениями, связанными с плохой производительностью устройства и слабой механической стабильностью во влажной физиологической среде. »

Ко и его сотрудники уже более пяти лет разрабатывают новые мягкие материалы, используя различные методы обработки, которые могут обеспечить их стабильность во влажной среде, например, внутри человеческого тела.

Их недавние работы были специально сосредоточены на гидрогелях, искусственных материалах, наиболее похожих на человеческое тело, поскольку они характеризуются низким так называемым модулем Юнга (т. е. способностью выдерживать изменения длины при приложении силы) и высокими содержание воды.

«Чтобы обеспечить высокую электропроводность проводящих гидрогелей, мы не использовали изолирующие полимеры, а обрабатывали только чистый проводящий полимер (PEDOT:PSS)», — пояснил Ко.

«Основными целями нашего исследования было изготовление чрезвычайно стабильных проводящих гидрогелевых электронных устройств, обеспечение электрических характеристик гидрогелевых устройств, значительно превосходящих нынешние устройства, и реализация этих свойств на микроуровне с помощью простых процессов».

В предыдущей статье, опубликованной в 2022 году, исследователи представили процесс микроструктурирования проводящих гидрогелей, который влечет за собой лазерно-индуцированное разделение PEDOT:PSS.

Однако толстый и темный PEDOT:PSS мог легко поглощать видимый свет большинства длин волн, поэтому они обнаружили, что предложенный ими метод не может доставлять фототермическую энергию к подложкам и не может создавать прочные связи.

«Наряду с нашей статьей в 2022 году преобладали опасения, что большая часть существующей электроники на основе проводящего гидрогеля не сможет преодолеть ограничения практического использования из-за легкого отслаивания от подложек внутри влажных тел», — сказал Ко. «В нашей новой статье мы нашли вдохновение для решения этой проблемы в «интерфейсе». Идея заключалась в том, чтобы создать прямые связи между PEDOT:PSS и подложкой путем концентрации фототермической энергии лазера на границе раздела».

Поскольку большинство мягких полимерных подложек могут передавать большую часть видимого света, Ко и его коллеги решили перевернуть прозрачные подложки, покрытые PEDOT:PSS, и облучить их лазерным лучом с длиной волны 532 нм. Этот луч проходил через прозрачную подложку, позволяя полимеру PEDOT:PSS поглощать его и генерировать концентрированную фототермическую энергию на границе раздела с подложкой.

«При последующем погружении обработанного лазером образца в воду только область, обработанная лазером, остается очень стабильной в воде из-за фазового разделения PEDOT:PSS и прочной связи с подложками», — сказал Ко. «Эти уникальные узоры PEDOT:PSS превращаются в проводящие гидрогели, которые могут содержать более 80% воды и состоят только из чистого проводящего полимера, что обеспечивает высокую проводимость более 100 См/см».

Стратегия создания микропаттернов с помощью лазера, используемая исследователями, просто влечет за собой лазерное облучение, что устраняет необходимость в сложных этапах предварительной обработки. Единственными требованиями являются тщательная сушка PEDOT:PSS на полимерных подложках и четко определенные условия лазерного сканирования.

«По сути, мы наносим раствор PEDOT:PSS на различные полимерные подложки и хорошо его сушим», — сказал Ко. «Затем лазерный луч с правильными параметрами облучается в направлении прозрачных подложек, что вызывает фазовое разделение PEDOT:PSS и создает прочные связи с подложкой. Кроме того, фазовое разделение PEDOT:PSS может быть дополнительно увеличено для улучшения электропроводности, и возможна последующая обработка различными органическими растворителями».

В рамках своего недавнего исследования исследователи специально обработали гидрогель этиленгликолем. Используя предложенную ими стратегию, они создали гидрогелевой рисунок с разрешением 5 мкм, что сопоставимо с разрешением, достигнутым с помощью методов фотолитографии.

«Различные процессы на основе растворов также позволяют легко создавать модели проводящих гидрогелей», — сказал Ко. «Обычно проводящие гидрогели синтезируются в состоянии раствора или превращаются в смеси, поэтому на них наносят рисунок с помощью различных процессов растворения, таких как 3D-печать, струйная печать и трафаретная печать. Эти процессы имеют ограничения в пространственном разрешении более 100 микрометров из-за растекания жидкости. последствия.»

Одним из наиболее передовых методов создания рисунка гидрогелей с высоким разрешением является фотолитография. Хотя этот метод позволяет добиться хорошего разрешения, он также требует сложных и дорогих производственных процессов, не гарантирующих прочного сцепления полимеров с подложками.

«Обычно электроника из мягкого гидрогеля считается очень хрупкой, и в области исследований существует негласное соглашение, что для практического применения ее еще слишком рано», — сказал Ко. «Кроме того, было неясно, можно ли практически использовать проводящие гидрогелевые микроэлектроды для длительной имплантации из-за критического риска расслоения из-за их богатых водой характеристик.

«Наша работа имеет большое значение, поскольку мы показали, что микроэлектроника, изготовленная только из чистых проводящих гидрогелей, прилипает к различным коммерческим полимерным подложкам с высокими силами сцепления и может стабильно использоваться в течение длительного периода времени».

В первоначальных испытаниях гидрогель, изготовленный Ко и его коллегами, показал замечательные результаты, продемонстрировав хорошую адгезию и стабильность во влажных условиях. Кроме того, они обнаружили, что гидрогель сохраняет прочность соединения даже после сильной ультразвуковой очистки, что может быть полезно для разработки имплантируемых устройств.

«Механизм этой прочной связи был изучен посредством различных углубленных анализов интерфейсов», — сказал Ко. «Мы считаем, что наше исследование даст хорошее представление о различных электронных приложениях, работающих во влажной среде».

Недавнее исследование этой исследовательской группы может вскоре проложить путь к разработке новой электроники, которая сможет работать внутри человеческого тела. Ко и его коллеги уже начали использовать свою технику микропаттернирования для изготовления биосовместимых электронных компонентов из мягкого гидрогеля.

«В следующем исследовании мы планируем определить конкретные клинические применения, в которых наша мягкая электроника может быть надежно использована», — добавил Ко. «Кроме того, одним из больших преимуществ нашего процесса является его высокая скорость. Он позволяет быстро создавать прототипы устройств, реагирующих на различные органы различной формы. Поэтому мы планируем разработать гидрогелевую микроэлектронику, которую можно будет применять к небольшим органам, которым требуется форма».