Udskrivning af trådløst genopladelige solid-state superkapacitorer til bløde, smarte kontaktlinser

Nylige fremskridt inden for smarte kontaktlinser kan hjælpe biomedicinske ingeniører med at realisere medicinske applikationer og billeddannelse til augmented reality med trådløse kommunikationssystemer. Tidligere forskning om smarte kontaktlinser blev drevet af et trådløst system eller trådløs strømoverførsel med tidsmæssige og rumlige begrænsninger. Sådanne strømkilder kan begrænse deres kontinuerlige brug og kræve energilagringsenheder. Stivheden, varme og stor batteristørrelse er også mindre velegnede til bløde, smarte kontaktlinser. I en ny rapport om Videnskab fremskridt , Jihun Park og et forskerhold i afdelingerne for materialevidenskab og teknik, Center for nanomedicin og Institut for Ingeniørvidenskab i Korea, beskrevet et forsøg på mennesker med smarte kontaktlinser. De konstruerede linserne med en trådløst genopladelig, solid-state superkondensator til kontinuerlig drift. Forskergruppen trykte superkondensatoren og integrerede alle enhedskomponenter, herunder antennen, ensretter og lysdiode ved hjælp af strækbare strukturer til at danne den bløde linse uden at hindre syn. Enheden var pålidelig mod termisk og elektromagnetisk stråling, med lovende testresultater in vivo og et betydeligt løfte om smarte kontaktlinser i fremtiden.

Fremskridt inden for bærbar elektronik har gjort det muligt for biomedicinske forskere at overvåge fysiske tegn og metabolitter i menneskelige kropsvæsker. Smarte kontaktlinser kan studeres omfattende som en ny platform til løbende at overvåge vitale tegn i øjnene og inden for tårer for at undersøge biomarkører forbundet med sygdom. Linserne kan også tilbyde udvidede applikationer på andre områder, såsom smarte enheder til levering af lægemidler og augmented reality. Blødheden af ​​smarte kontaktlinser er afgørende for brugerens komfort over lange perioder under intermitterende trådløs drift. Stivheden, varmegenerering og batteristørrelse havde gjort forudgående objektiver mindre egnet til at fungere efter behov. For at håndtere eksisterende grænser, Park et al. introducerede en ny tilgang til at konstruere en blød, smart kontaktlinse med en trådløs genopladelig solid-state superkapacitor til kontinuerlig drift af den elektroniske enhed.

Først, de dannede et aktivt kulbaseret, fast tilstand, elektrisk dobbeltlags superkondensator ved hjælp af en høj præcision, mikroskala direkte blækskrivning (DIW) proces til at oprette den smarte kontaktlinse. Superkapacitorer udviser typisk lang levetid og høj effektdensitet til konsekvent trådløs opladning og afladning af indgroede elektroniske enheder inden for smarte kontaktlinser. Superkapacitoren i dette arbejde tjente også som en fysisk støtte under 3D-lag-for-lag-integration med ledsagende elektroniske kredsløb og antenne til at danne det trådløse opladningssystem. Dette var et udfordrende trin på grund af det begrænsede område af den smarte kontaktlinse.

Park et al. kombinerede det trådløse opladningssystem med super-kondensatoren i solid state for at lette kontinuerlig og gentagen betjening af den smarte kontaktlinse uden en ekstern elektrisk port. For at konstruere strækbare geometrier til antennen, forskerne brugte hybrid nanostrukturer af ultrasterke sølv nanofibre (AgNF'er) og fine sølv nanotråde (AgNW'er). Derudover de brugte et strækbart hybridsubstrat sammensat af stift forstærkede øer og en blød matrix til at forbedre udholdenheden af ​​kontaktlinsens sprøde komponenter mod mekanisk deformation. Systemet viste fremragende udholdenhed efter 300 cyklusser med en tosidigt trækbelastning på 30 procent. Den smarte kontaktlinse bevarede høj blødhed og komfort uden at skjule brugerens syn, samtidig med at de beskytter elektriske enheder mod rive på tværs af en syv-dages tidslinje. Det trådløse opladningssystem undgik brat opvarmning for at beskytte brugerens sikkerhed. Et menneskeligt pilotforsøg og in vivo translationelle undersøgelser af levende kaniner verificerede yderligere linsens biokompatibilitet.

Park et al. kombineret den trådløst opladelige solid-state-superkondensator med ensretterkredsløbet, antenne og lysdiode (LED) inden for layoutet af den bløde, smart kontaktlinse. De inkluderede en trådløs kraftoverføringsenhed (WPT) i det øverste lag af den smarte kontaktlinse, og det nederste lag indeholdt solid-state-kondensatoren til gentagne gange at lagre og bruge elektrisk strøm. Forskerteamet integrerede LED'en som en indikator til at registrere trådløs drift af det smarte kontaktlinser. Den bueformede formfaktor sikrede maksimal energitæthed inden for kontaktlinsens begrænsede områder, hvilket tillader deformerbarhed, når den strækkes. For at forhindre forstyrrelse af brugerens synsfelt, teamet designet den smarte kontaktlinse til at indeholde alle komponenter uden for brugerens elev. De inkluderede også en in-plane elektrodekonfiguration for at minimere pludselige fejl i den interne kortslutning. Park et al. observerede de resulterende elektroder og solid-state-elektrolyt fremstillet ved hjælp af DIW-processen (direkte blækskrivning) med scanningselektronmikroskop (SEM) -billeder.

Forskergruppen trykte den bueformede, monolitisk integreret solid-state-superkondensator (MIS-superkapacitor) direkte for at danne den smarte kontaktlinse, mens der introduceres et parylenbaseret pakningslag for at forhindre lækage af det bestanddel, der er i øjnene. Superkondensatoren viste rimelig cykelydelse kombineret med det trådløse opladningssystem til lang tids brug. Undersøgelsen dannede en første rapport om en strømkildeintegreret smart kontaktlinse med bæredygtig elektrokemisk ydeevne.

Park et al. konstruerede derefter det trådløse strømoverførselskredsløb (WPT) for at oplade superkapacitoren. Det underliggende WPT -kredsløb viste god mekanisk strækbarhed og kemisk stabilitet for at udholde en række stimulationer. Kredsløbet havde ubetydelig forringelse af dets elektriske ydeevne, selv under dets strækningstilstand - velegnet til fleksible og bløde kontaktlinser. Forskergruppen karakteriserede superkapacitoren og WPT -systemet ved hjælp af trådløse opladnings-/galvanostatiske afladningsprocesser og ladede superkapacitoren fuldt ud ved hjælp af trådløse opladningsforhold inden for en relativt kort tid (240 sekunder). Det trådløse system leverede pålidelig ydeevne på tværs af flere cyklusser for smarte kontaktlinser-velegnet til langvarig brug.

Det færdige system med bløde kontaktlinser indeholdt derved en trådløst genopladelig superkapacitor, antenne, ensretter kredsløb og LED forenet i strækbar form. Efter at have assimileret lagene, forskerne indkapslede de elektroniske komponenter i en silikoneelastomer som et kommercielt tilgængeligt blødt kontaktlinsemateriale støbt i form af en kontaktlinse. Når den køres trådløst, den integrerede LED angav status for trådløs opladning og afladning. Forskergruppen testede først enheden på en mannequins øje og overvågede varmegenerering under trådløs drift af linsen ved hjælp af et infrarødt (IR) kamera. Resultaterne angav pålideligheden af ​​den smarte kontaktlinse mod termisk eller elektromagnetisk stråling. Under in vivo translationelle tests, forskerne lette kontaktlinsen på øjet af en levende kanin for pålidelig drift uden mærkbare bivirkninger eller pludselig varmegenerering. Under efterfølgende forsøg med mennesker på et menneskeligt øje, Park et al. testet alle funktioner inklusive trådløs opladning/afladning af superkondensatoren og LED. Resultaterne var mulige med trådløse funktioner som forventet og uden bivirkninger.

På denne måde, Jihun Park og kolleger konstruerede en blød, smart kontaktlinse til at oplade en superkondensator trådløst for kontinuerlig funktion. De indlejrede de elektroniske komponenter, herunder en strækbar antenne, ensretter kredsløb, LED'er og en superkondensator til at danne det bløde, smart kontaktlinse uden at blokere brugerens syn på brug. De gennemførte mange stabilitetstests for langvarig brug af det bløde, smart kontaktlinse. Pilotundersøgelserne i mennesker og translationelle undersøgelser med levende kaniner bekræftede god biokompatibilitet. Forskergruppen forventer at bruge platformen som en miniaturiseret, bærbar elektronik med kontinuerlig funktion.

© 2019 Science X Network