8 Minutės
Vienas paprastas regimosios šviesos blyksnis dabar gali užrašyti veikiančius elektrodus tiesiai ant odos ir kitų paviršių — be toksiškų tirpiklių ir be specialių lazerių. Švedijoje dirbantys tyrėjai sukūrė vandens pagrindu veikiančią metodiką, kuri naudoja šviesą, kad specialiai sukurtus monomerus paverstų laidžiais polimerais. Šis požiūris atveria naujas galimybes nešiojamiems jutikliams, medicininei stebėsenai ir saugesniam organinės elektronikos gamybos procesui. Tokia regimos šviesos polimerizacija vandenyje sumažina kenksmingų cheminių medžiagų poreikį ir didina gamybos biokompatibilumą, todėl tampa patraukliu sprendimu tiek moksliniams tyrimams, tiek pramonės diegimui.
From liquid ink to working electrodes: how it works
Metodo pagrindą sudaro vandenyje tirpūs monomerai — mažos cheminės atominės arba molekulinės grandinės, kurios, sujungtos tarpusavyje, sudaro ilgus laidžius polimerinius grandinius. Vietoje tradicinių stiprių arba kartais pavojingų cheminių iniciatorių ar ultravioletinės (UV) šviesos, tyrėjų komanda polimerizaciją inicijuoja įprasta regimųjų bangų šviesa. Tai leidžia išgauti laidų plastikas, kuris derina metalams ir puslaidininkiams būdingas elektrines savybes su polimerams būdingu lanksčiu, minkštu elgesiu. Tokie laidūs polimerai dažnai apibūdinami kaip konjuguoti polimerai arba elektrovadūs organiniai polimerai, kurie yra reikšmingi dėl savo galimybių pernešti tiek elektronus, tiek jonus — savybės, svarbios biologiniam sąsajų sudarymui.
Praktikoje procesas yra palyginti paprastas, bet reikalauja gero paruošimo ir kontrolės: tyrėjai ant norimo paviršiaus — stiklo, tekstilės ar net odos — užtepia skystą tirpalą, kuriame ištirpinti monomerai ir kiti nedideli pagalbiniai komponentai. Tada fokusuotos regimosios šviesos šaltinis nuprašo elektrodų raštą. Apšviestos sritys polimerizuojasi ir tampa laidžios; neapšviestas tirpalas gali būti nuplautas, paliekant tik „parašytą“ grandinę arba schemą. Visa reakcija vyksta vandenyje ir vengia toksiškų priedų, todėl procesas yra iš esmės biokompatibilus ir tinkamas jautrioms sudėtinėms sistemoms. Be to, regimosios šviesos naudojimas leidžia tiksliai kontroliuoti polimerizacijos zonas, todėl įmanoma kurti aukštos raiškos elektrodų raštus, suderinamus su jutiklių ir elektroninių sistemų reikalavimais.
Xenofon Strakosas, asistentas profesorius Organinės elektronikos laboratorijoje (LOE), Linkopingės universitete.
Why conductive polymers matter for medicine and wearables
Laidūs polimerai — dar vadinami konjuguotais polimerais — ypač vertingi, nes jie užpildo spragą tarp standžios elektronikos ir minkštos biologinės audinių struktūros. Šie medžiagų klasės atstovai gali pernešti tiek elektronus, tiek ionus, todėl natūraliai sąveikauja su kūno elektrocheminiais signalais. Toks minkštas, jonus pernešantis elgesys yra itin svarbus biosensoriams, neuromonitoringo elektrodams ir nešiojamiems įrenginiams, kurie turi būti patogūs ilgesnį laiką liečiant odą. Dėl gebėjimo sumažinti elektrinį impedansą ir pagerinti signalų perdavimą, laidūs polimerai leidžia fiksuoti žemo dažnio bioelektrines veiklas aiškiau nei dauguma klasikinių metalo kontaktų.
Laidžių polimerų pritaikymų spektras apima elektrocheminius jutiklius, odos kontaktinius elektrodus EKG ir EEG sistemoms, minkštus elektrodus nervų veiklos fiksavimui, elastingus jungtis nešiojamiems įrenginiams bei savireguliuojančius paviršius išmaniųjų tekstilės gaminių srityje. Svarbu paminėti, kad ne tik medžiagos laidumas, bet ir jos mechaninės savybės — tamprumas, atsparumas tempimui, paviršiaus suderinamumas su oda — lemia galutinį rezultatą. Tokie sprendimai gali pagerinti naudotojo komfortą, sumažinti odos dirginimą ir palaikyti ilgalaikį patikimą kontaktą, kas yra ypač aktualu tęstinei medicininei stebėsenai.
„Manau, kad tai tam tikras proveržis. Tai kita elektronikos kūrimo kryptis, kuri yra paprastesnė ir nereikalauja brangios įrangos,“ — teigia Xenofon Strakosas iš Linkopingės universiteto Organinės elektronikos laboratorijos. Jo pastebėjimas pabrėžia ne tik mokslinį atradimą, bet ir potencialą mažinti gamybos kaštus bei sudėtingumą, kas gali būti svarbu pramonės plėtrai ir platesniam šių technologijų prieinamumui.
Tobias Abrahamsson, tyrėjas Linkopingės universitete
Real-world test: recording brain signals on skin
Norėdami parodyti metodo potencialą medicininėje stebėsenos praktikoje, komanda elektronus tiesiogiai užrašė ant suanestetizuotų pelių odos ir palygino gautus signalus su tradicinėmis metalo EEG smegenų veiklos registravimo elektrodais. Atspausdinti laidūs polimeriniai elektrodai įrašė žemo dažnio smegenų aktyvumą su didesniu aiškumu nei įprasti metaliniai kontaktai, kas rodo pagerintą signalų sąsają tarp minkštos elektronikos ir biologinio audinio. Šis rezultatų skirtumas gali lemti geresnę signalo kokybę į sąlygas, kuriose tradiciniai elektrodai susiduria su didesne artefaktų rizika dėl judesio ar netolygios sąlyčio zonos.
Tyrimo vyresnysis autorius Tobias Abrahamsson pažymi, kad polimero švelni chemija ir gebėjimas pernešti joninius signalus yra lemiami: „Kadangi medžiaga gali transportuoti tiek elektronus, tiek jonus, ji gali komunikuoti su kūnu natūraliu būdu, o jos švelni chemija užtikrina, kad audiniai priima ją geriau — tai yra kombinuota savybė, esminė medicininėms taikomosioms sritims.“ Šis požiūris pabrėžia, kad ne vien tik laidumas lemia sėkmę: svarbi ir paviršiaus biocheminė suderinamumas, citotoksiškumo lygis, bei kaip medžiaga reaguoja ilgainiui sąlytyje su prakaitu, sebumu ar kitomis biologinėmis medžiagomis.
Praktiniai bandymai ant gyvūnų modelių yra pirmasis žingsnis; tolimesni tyrimai turi įvertinti audinių atsaką ilgalaikėje perspektyvoje, galimą uždegiminę reakciją ir medžiagos stabilumą realiomis sąlygomis, įskaitant judesį, prakaitavimą bei kartotinį uždėmimą ir nuėmimą. Tokie eksperimentai padeda suskaičiuoti techninius parametrus, tokius kaip signalų triukšmo santykis (SNR), impedanso kitimas laiko bėgyje ir mechaninis atsparumas, kurie yra būtini klinikinių protokolų kūrimui.
Regimos šviesos polimerizacija vandenyje: kuo ilgiau monomeras veikiamas šviesa, tuo mėlynesnis ir tamsesnis tirpalas tampa, transformuodamasis į laidų polimerinį materialą. Polimerizacija vyksta tiesiogiai vandenyje, visiškai be toksiškų priedų, todėl procesas yra biokompatibilus. Kreditas: Thor Balkhed
Scaling up: textiles, mass production and safer fabrication
Tik todėl, kad požiūris veikia ant įvairių substratų, jis gali būti pritaikytas daugybei taikymų. Įsivaizduokite jutiklius, atspausdintus tiesiog ant drabužių, vienkartines sveikatos priežiūros pleistrų sistemas, pagamintas be kenksmingų tirpiklių, arba didelio ploto organines elektronines grandines, gaminamas naudojant paprastesnes įrankių linijas. Tokia koncepcija gali reikšti naujos kartos išmanią tekstilę, integruotus EKG/EEG sprendimus sporto ir medicinos srityse, bei ekonomiškus sensorių tinklus, pritaikytus masinei gamybai. Be pavojingų cheminių medžiagų ir vietoje UV ar stiprių lazerių naudojamos regimosios šviesos taikymas sumažina tiek saugos rizikas, tiek techninius diegimo barjerus pramonei.
Tyrėjų komanda, bendradarbiaujanti tarp Linkopingės universiteto, Lundo universiteto ir partnerių Naujajame Džersyje, pabrėžia šios technikos lankstumą. Modestas LED šviestuvas gali inicijuoti polimerizaciją, taigi brangios optinės sistemos daugeliu atvejų nėra būtinos. Toks prieinamumas gali pagreitinti diegimą mažiau resursų turinčiose aplinkose ir leisti greičiau pateikti rinkai naujas nešiojamos sveikatos technologijas. Be to, skirtingi pritaikymai gali naudoti jau egzistuojančius spausdinimo procesus — pvz., inkjet arba ekraninio spausdinimo metodus — kartu su apšvietimo kontrole, kad būtų sukurtos didelės apimties struktūros su aukšta detalumo kontrole.
Didinant mastą, svarbu apsvarstyti ir gamybos parametrus: polimerizacijos greitis ir tolygumas, medžiagos konsistencija tarp partijų, tikslus apšvietimo profilis (bangos ilgis, intensyvumas, ekspozicijos laikas) bei tarpusavio suderinamumas su kitomis komponentėmis, pvz., kontaktų jungtimis ar apsauginiu sluoksniu. Tokie techniniai aspektai lemia galutinio produkto kokybę ir pasikartojamumą, kurie yra esminiai pramoninei gamybai.
What challenges remain?
Nors ankstyvieji rezultatai žada daug, prieš pradedant klinikinį ar komercinį diegimą reikia įveikti kelis iššūkius. Ilgalaikis biokompatibilumas — per dienas ar savaites trunkančio nepertraukiamo naudojimo metu — turi būti patikimai įvertintas. Svarbūs klausimai yra klampumas ir sukibimas ant judančios odos, ilgaamžiškumas veikiant mechaniniams tempimams, dilimui ir cheminiams veiksniams (prakaitas, odos riebalai), taip pat elektrinio veikimo standartizavimas prakaitavimo ar judesio sąlygomis. Be to, reikės sukurti patikimas izoliacijos ir apsaugos strategijas, kad elektrodai išliktų funkcionalūs ir saugūs ilgalaikio naudojimo metu.
Reguliaciniai reikalavimai medicinos įrenginiams prideda dar vieną sluoksnį testavimo ir dokumentacijos. Priklausomai nuo taikymo srities, gali tekti praeiti CE ženklinimo, FDA patvirtinimo ar kitų atitikties procedūrų etapus, kurie įtraukia biologiškai suderinamumo testus, sterilumo įvertinimą, elektrinio saugumo ir našumo patikrinimus. Taip pat būtina užtikrinti gamybos valdymą ir kokybės kontrolę, kad kiekviena gaminto partija atitiktų nustatytus standartus.
Vis dėlto, pašalinus toksiškus tirpiklius ir supaprastinus gamybos žingsnius, regimos šviesos sukelta polimerizacija gali sumažinti kliūtis ir išplėsti organinės elektronikos rūšių, kurias galima pagaminti didelio masto, spektrą. Dėl mažesnio technologinio barjero ir didesnio biokompatibilumo tokios technologijos turi potencialą pakeisti gamybos praktiką medicinos prietaisų, nešiojamųjų įrenginių ir išmaniosios tekstilės srityse.
Expert Insight
Dr. Maya Lin, biomedicinos inžinierė, specializuojanti dėmesį nešiojamoje neurotechnologijoje, komentavo: „Šis požiūris yra įdomus, nes derina medžiagų suderinamumą su mažos technologinės sudėtingumo gamybos keliu. Minkšti, jonus pernešantys elektrodai, atspausdinti vietoje, gali sumažinti impedansą ir pagerinti komfortą ilgalaikėje stebėsenos praktikoje. Kitas žingsnis — įrodyti stabilumą realiomis sąlygomis — prakaitavimas, judesys ir pakartotas dėvėjimas — bet koncepcija yra stipri ir praktiška.“
Tyrimas — paskelbtas žurnale Angewandte Chemie — pateikia įtikinamą koncepcijos įrodymą, kad regima šviesa ir specialiai suprojektuoti vandenyje tirpūs monomerai gali sukurti biokompatibilias, lanksčias elektrodų struktūras, tinkamas jautriems biologiniams matavimams. Jei tolesni darbai patvirtins ilgaamžiškumą ir saugumą, ši technika galėtų pakeisti ne tik nešiojamų medicininių elektronikos gamybos procesus, bet ir kitų organinių grandynų, skirtų plačiam pritaikymui, kūrimo principus. Tai gali paskatinti naujus standartus ir dizaino modelius tiek moksliniuose tyrimuose, tiek pramonėje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą