Overførsel af laserinduceret grafen ved ekstremt lave temperaturer til ultratynd bioelektronik

En nylig undersøgelse offentliggjort i Nature Electronics diskuterer strækbare grafen-hydrogel-grænseflader til bærbar og implanterbar bioelektronik.

Strækbare og ledende nanokompositter med mekanisk bløde, tynde og biokompatible egenskaber spiller en afgørende rolle i udviklingen af ​​bærbare hudlignende enheder, smarte bløde robotter og implanterbar bioelektronik.

Selvom flere designstrategier, der involverer overfladeteknik, er blevet rapporteret for at overvinde det mekaniske misforhold mellem de sprøde elektroder og strækbare polymerer, er det stadig udfordrende at realisere monolitisk integration af forskellige komponenter med forskellige funktionaliteter ved hjælp af de nuværende ultratynde strækbare ledende nanokompositter. Dette tilskrives manglen på egnede ledende nanomaterialesystemer, der er kompatible med lette mønsterstrategier.

Laser-induceret grafen (LIG), typisk afledt af laserbestråling af polyimid (PI), har forskellige distinkte fordele, såsom nemme digitale mønsterprocesser, kompatibilitet med mønsteroverførselstilgange samt afstembare fysiske og kemiske funktioner til at producere forskellige bærbare sensorer .

Imidlertid er disse multifunktionelle enheder konstrueret på fleksible PI-substrater eller relativt tykke elastiske film på grund af de mekaniske begrænsninger i at overføre LIG til bløde elastomerer. Derudover hindrer det mekaniske misforhold mellem den skøre LIG og den elastiske polymer strækbarheden af ​​ledende nanokompositter.

Forfatterne til artiklen beskriver en ultratynd elastisk LIG-hydrogel-baseret nanokomposit til multifunktionel på huden og implanterbar bioelektronik. En ny strategi foreslås til at skabe ultratyndt mønstret LIG-baseret nanokomposit, som er dannet ved kryogenisk (77 K) at overføre LIG til en hydrogelfilm (minimum tykkelse på 1,0 μm). Derefter behandles det mekaniske misforhold mellem den sprøde LIG og den elastiske polymer, som anvender hydrogelen som en energiafledningsgrænseflade og en elektrisk vej ud af planet.

Kontinuerligt afbøjede revner kan induceres i LIG, hvilket fører til en over fem gange forbedring af iboende strækbarhed. Samlet set giver denne forskning en levedygtig strategi til at konstruere ultratynde carbon-hydrogel-baserede strækbare nanokompositter til integrerede sensorsystemer, hvilket muliggør forskellige anvendelser inden for bærbar/implanterbar bioelektronik og menneske-maskine-interaktioner.

Kaichen Xu, tilsvarende forfatter, bemærkede:"Konventionel LIG-overførselsmetode kræver den meget større tykkelse (>45 μm) af elastomerer eller klæbende tape for at give en stærk grænsefladekraft under afskalningsprocessen, hvilket hindrer de konforme bioelektronikapplikationer. De mekaniske begrænsninger ved overførsel af LIG til elastomerer overvindes ved en kryogen overførselstilgang ved –196 ℃ ved hjælp af en ultratynd og klæbende polyvinylalkohol/fytinsyre/honning (PPH) hydrogel."

Under den hurtige afkølingsproces forbedres grænsefladebindingsenergien mellem defekt porøs grafen og det krystalliserede vand i hydrogelen, som illustreret ved beregninger af molekylær dynamik (MD). En sådan dramatisk stigning i overfladisk bindingskraft ved 77 K blev også fanget i 180° afskalningstesten. Den maksimale transiente skrælningskraft på 160 N m ^-1 ved 77 K blev observeret, hvilket var meget højere end det (<10 N m ^-1 ) stammende fra den autologe adhæsion af PPH ved den omgivende temperatur.

Desuden tillod den foreslåede kryogene overførselsstrategi overførsel af LIG til andre typer klæbende eller ikke-klæbende hydrogeler, hvilket indikerer universaliteten af ​​denne overførselsteknologi. Ikke desto mindre dannede kun den klæbende hydrogel en mekanisk stabil bindingsgrænseflade, især under trækbelastningen.

Gennem let laser direkte skrivning og kryogen overførselsteknik er multimodale sensorkomponenter integreret som et multifunktionelt bærbart sensorark til in vitro overvågning på huden. Ydermere tillader de ultratynde og biokompatible egenskaber af de mikromønstrede LIG-baserede nanokompositter sømløs kontakt med hjertet af Sprague Dawley (SD) rotter for in situ at spore hjertesignaler.

Flere oplysninger: Yuyao Lu et al., Strækbare grafen-hydrogel-grænseflader til bærbar og implanterbar bioelektronik, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01091-y

Journaloplysninger: Naturelektronik

Leveret af Compuscript Ltd