Den mindste biosuperkondensator giver energi til biomedicinske applikationer

Miniaturisering af mikroelektronisk sensorteknologi, mikroelektroniske robotter eller intravaskulære implantater udvikler sig hurtigt. Imidlertid, det giver også store udfordringer for forskningen. En af de største er udviklingen af ​​bittesmå, men effektive energilagringsenheder, der muliggør driften af ​​autonomt arbejdende mikrosystemer - for eksempel i flere og flere mindre områder af den menneskelige krop. Ud over, disse energilagringsenheder skal være biokompatible, hvis de overhovedet skal bruges i kroppen. Nu er der en prototype, der kombinerer disse væsentlige egenskaber. Gennembruddet blev opnået af et internationalt forskerhold ledet af prof. dr. Oliver G. Schmidt, Professorat i Materiale Systems for Nanoelectronics ved Chemnitz University of Technology, initiativtager til Center for Materialer, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN) ved Chemnitz University of Technology og direktør ved Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden. Leibniz Institut for Polymerforskning Dresden (IPF) var også involveret i undersøgelsen som samarbejdspartner.

I det aktuelle nummer af Naturkommunikation , forskerne rapporterer om de mindste mikrosuperkondensatorer til dato, som allerede fungerer i (kunstige) blodkar og kan bruges som energikilde til et lillebitte sensorsystem til at måle pH.

Dette opbevaringssystem åbner muligheder for intravaskulære implantater og mikrorobotiske systemer til næste generations biomedicin, der kan fungere i svært tilgængelige små rum dybt inde i menneskekroppen. For eksempel, Realtidsdetektion af blodets pH kan hjælpe med at forudsige tidlig tumorvækst. "Det er meget opmuntrende at se, hvor nyt, yderst fleksibel, og adaptiv mikroelektronik gør det til den miniaturiserede verden af ​​biologiske systemer, " siger forskningsgruppeleder prof. dr. Oliver G. Schmidt, som er yderst tilfreds med denne forskningssucces.

Fremstillingen af ​​prøverne og undersøgelsen af ​​biosuperkondensatoren blev stort set udført på Research Center MAIN ved Chemnitz University of Technology.

"Arkitekturen af ​​vores nano-bio superkondensatorer tilbyder den første potentielle løsning på en af ​​de største udfordringer - bittesmå integrerede energilagringsenheder, der muliggør selvforsynende drift af multifunktionelle mikrosystemer, " siger Dr. Vineeth Kumar, forsker i prof. Schmidts team og forskningsmedarbejder ved MAIN forskningscenter.

Mindre end et støvkorn – spænding kan sammenlignes med et AAA-batteri

Stadig mindre energilagringsenheder i submillimeterområdet – såkaldte "nano-supercapacitors" (nBSC) – til endnu mindre mikroelektroniske komponenter er ikke kun en stor teknisk udfordring, imidlertid. Dette er fordi, som regel, disse superkondensatorer bruger ikke biokompatible materialer, men for eksempel, ætsende elektrolytter og aflader sig hurtigt i tilfælde af defekter og forurening. Begge aspekter gør dem uegnede til biomedicinske anvendelser i kroppen. Såkaldte "biosupercapacitors (BSC'er)" tilbyder en løsning. De har to fremragende egenskaber:de er fuldt biokompatible, hvilket betyder, at de kan bruges i kropsvæsker som blod og kan bruges til yderligere medicinske undersøgelser.

Ud over, biosuperkondensatorer kan kompensere for selvafladningsadfærd gennem bio-elektrokemiske reaktioner. Derved, de har endda gavn af kroppens egne reaktioner. Dette er fordi, ud over typiske ladningslagringsreaktioner af en superkondensator, redox-enzymatiske reaktioner og levende celler, der er naturligt til stede i blodet, øger enhedens ydeevne med 40 %.

I øjeblikket, de mindste sådanne energilagringsenheder er større end 3 mm3. Prof. Oliver Schmidts team er nu lykkedes med at producere en 3, 000 gange mindre rørformet nBSC, hvilken, med et volumen på 0,001 mm3 (1 nanoliter), optager mindre plads end et støvkorn og leverer alligevel op til 1,6 V forsyningsspænding til mikroelektroniske sensorer. Denne energi kan bruges til et sensorsystem i blodet, for eksempel. Strømniveauet svarer også nogenlunde til spændingen på et standard AAA-batteri, selvom det faktiske strømflow på disse mindste skalaer naturligvis er væsentligt lavere. Den fleksible rørformede geometri af nano-biosuperkondensatoren giver effektiv selvbeskyttelse mod deformationer forårsaget af pulserende blod- eller muskelsammentrækning. Ved fuld kapacitet, den præsenterede nano-biosupercapacitor kan betjene et komplekst fuldt integreret sensorsystem til måling af pH-værdien i blod.

Takket være origami-strukturteknologi:Fleksibel, robust, lille bitte

Origami-strukturteknologi involverer at placere de materialer, der kræves til nBSC-komponenterne, på en wafertynd overflade under høj mekanisk spænding. Når materialelagene efterfølgende løsnes fra overfladen på en kontrolleret måde, belastningsenergien frigives, og lagene vinder sig selv til kompakte 3D-enheder med høj nøjagtighed og udbytte (95%). Nano-biosuperkondensatorerne fremstillet på denne måde blev testet i tre opløsninger kaldet elektrolytter:Saltvand, blodplasma, og blod. I alle tre elektrolytter, energilagring var tilstrækkelig vellykket, dog med varierende effektivitet. I blod, nano-biosuperkondensatoren viste fremragende levetid, holder op til 70 % af sin oprindelige kapacitet selv efter 16 timer. En protonudvekslingsseparator (PES) blev brugt til at undertrykke den hurtige selvafladning.

Ydeevnestabilitet selv under realistiske forhold

For at opretholde naturlige kropsfunktioner i forskellige situationer, blodets strømningskarakteristika og trykket i karrene er under konstant forandring. Blodstrømmen pulserer og varierer i henhold til kardiameter og blodtryk. Ethvert implanterbart system i kredsløbssystemet skal modstå disse fysiologiske forhold og samtidig opretholde en stabil ydeevne.

Holdet studerede derfor ydeevnen af ​​deres udvikling - svarende til en vindtunnel - i såkaldte mikrofluidkanaler med diametre på 120 til 150 µm (0,12 til 0,15 mm) for at efterligne blodkar af forskellig størrelse. I disse kanaler, forskerne simulerede og testede adfærden af ​​deres energilagringsenheder under forskellige strømnings- og trykforhold. De fandt ud af, at nano-biosuperkondensatorerne kan levere deres strøm godt og stabilt under fysiologisk relevante forhold.

Selvstændig sensorteknologi kan understøtte diagnostik - såsom tumordiagnostik

Hydrogenpotentialet (pH) i blodet er underlagt udsving. Kontinuerlig måling af pH kan således hjælpe med tidlig påvisning af tumorer, for eksempel. Til dette formål, forskerne udviklede en pH-sensor, der forsynes med energi fra nano-biosuperkondensatoren.

Den 5 µm tynde film transistor (TFT) teknologi, der tidligere var etableret i prof. Oliver Schmidts forskerhold, kunne bruges til at udvikle en ringoscillator med enestående mekanisk fleksibilitet. arbejder ved lav effekt (nW til µW) og høje frekvenser (op til 100MHz).

For det aktuelle projekt, holdet brugte en nBSC-baseret ringoscillator. Holdet integrerede en pH-følsom BSC i ringoscillatoren, så der er en ændring i udgangsfrekvensen afhængigt af elektrolyttens pH. Denne pH-følsomme ringoscillator blev også formet til en rørformet 3D-geometri ved hjælp af "Swiss-roll" Origami-teknikken, skabe et fuldt integreret og ultrakompakt system af energilagring og sensor.

Den hule indre kerne i dette mikrosensorsystem fungerer som en kanal for blodplasmaet. Ud over, tre nBSC'er forbundet i serie med sensoren muliggør særlig effektiv og selvforsynende pH-måling.

Disse egenskaber åbner op for en bred vifte af mulige anvendelser, for eksempel inden for diagnostik og medicin.