Miniatyriseringen av mikroelektronisk sensorteknik, mikroelektroniska robotar eller intravaskulära implantat utvecklas snabbt. Dock, det innebär också stora utmaningar för forskningen. En av de största är utvecklingen av små men effektiva energilagringsenheter som möjliggör driften av autonomt arbetande mikrosystem – till exempel i fler och fler mindre områden av människokroppen. Dessutom, dessa energilagringsanordningar måste vara biokompatibla om de överhuvudtaget ska användas i kroppen. Nu finns det en prototyp som kombinerar dessa väsentliga egenskaper. Genombrottet uppnåddes av en internationell forskargrupp ledd av prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Professor i materialsystem för nanoelektronik vid Chemnitz tekniska universitet, initiativtagare till Centrum för material, Arkitekturer och integration av nanomembraner (MAIN) vid Chemnitz tekniska högskola och direktör vid Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden. Leibniz Institute of Polymer Research Dresden (IPF) var också involverad i studien som samarbetspartner.

I det aktuella numret av Naturkommunikation , forskarna rapporterar om de minsta mikrosuperkondensatorerna hittills, som redan fungerar i (konstgjorda) blodkärl och kan användas som energikälla för ett litet sensorsystem för att mäta pH.

Detta lagringssystem öppnar möjligheter för intravaskulära implantat och mikrorobotsystem för nästa generations biomedicin som skulle kunna fungera i svåråtkomliga små utrymmen djupt inne i människokroppen. Till exempel, realtidsdetektering av blodets pH kan hjälpa till att förutsäga tidig tumörtillväxt. "Det är oerhört uppmuntrande att se hur nytt, extremt flexibel, och adaptiv mikroelektronik gör det till den miniatyriserade världen av biologiska system, säger forskargruppsledaren Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, som är mycket nöjd med denna forskningsframgång.

Tillverkningen av proverna och undersökningen av biosuperkondensatorn utfördes till stor del vid forskningscentret MAIN vid Chemnitz tekniska universitet.

"Arkitekturen hos våra nanobio-superkondensatorer erbjuder den första potentiella lösningen på en av de största utmaningarna - små integrerade energilagringsenheter som möjliggör självförsörjande drift av multifunktionella mikrosystem, " säger Dr. Vineeth Kumar, forskare i Prof. Schmidts team och en forskarassistent vid MAIN forskningscentrum.

Mindre än ett dammkorn – spänning jämförbar med ett AAA-batteri

Allt mindre energilagringsenheter i submillimeterområdet – så kallade "nano-supercapacitors" (nBSC) – för ännu mindre mikroelektroniska komponenter är inte bara en stor teknisk utmaning, dock. Det här är för att, i regel, dessa superkondensatorer använder inte biokompatibla material men, till exempel, frätande elektrolyter och snabbt laddar ur sig själva i händelse av defekter och kontaminering. Båda aspekterna gör dem olämpliga för biomedicinska tillämpningar i kroppen. Så kallade "biosupercapacitors (BSC)" erbjuder en lösning. De har två enastående egenskaper:de är helt biokompatibla, vilket innebär att de kan användas i kroppsvätskor som blod och kan användas för vidare medicinska studier.

Dessutom, biosuperkondensatorer kan kompensera för självurladdningsbeteende genom bioelektrokemiska reaktioner. Genom att göra så, de har till och med nytta av kroppens egna reaktioner. Det här är för att, förutom typiska laddningslagringsreaktioner hos en superkondensator, Enzymatiska redoxreaktioner och levande celler som finns naturligt i blodet ökar enhetens prestanda med 40 %.

För närvarande, de minsta sådana energilagringsanordningarna är större än 3 mm3. Prof. Oliver Schmidts team har nu lyckats producera en 3, 000 gånger mindre rörformig nBSC, som, med en volym av 0,001 mm3 (1 nanoliter), tar mindre plats än ett dammkorn och levererar ändå upp till 1,6 V matningsspänning för mikroelektroniska sensorer. Denna energi kan användas för ett sensorsystem i blodet, till exempel. Effektnivån är också ungefär lika med spänningen för ett standard AAA-batteri, även om det faktiska strömflödet på dessa minsta skalor givetvis är betydligt lägre. Den flexibla rörformiga geometrin hos nano-biosuperkondensatorn ger effektivt självskydd mot deformationer orsakade av pulserande blod eller muskelsammandragning. Med full kapacitet, den presenterade nano-biosuperkondensatorn kan driva ett komplext helt integrerat sensorsystem för att mäta pH-värdet i blod.

Tack vare origami strukturteknik:flexibel, robust, mycket liten

Origami-strukturteknik innebär att de material som krävs för nBSC-komponenterna placeras på en wafer-tunn yta under hög mekanisk spänning. När materialskikten därefter lösgörs från ytan på ett kontrollerat sätt, töjningsenergin frigörs och lagren lindas upp till kompakta 3D-enheter med hög noggrannhet och utbyte (95%). Nano-biosuperkondensatorerna som producerades på detta sätt testades i tre lösningar som kallas elektrolyter:saltlösning, blodplasma, och blod. I alla tre elektrolyterna, energilagring var tillräckligt framgångsrik, om än med varierande effektivitet. I blod, nano-biosuperkondensatorn visade utmärkt livslängd, håller upp till 70 % av sin ursprungliga kapacitet även efter 16 timmar. En protonbytesseparator (PES) användes för att undertrycka den snabba självurladdningen.

Prestandastabilitet även under realistiska förhållanden

För att upprätthålla naturliga kroppsfunktioner i olika situationer, blodets flödesegenskaper och trycket i kärlen är under konstant förändring. Blodflödet pulserar och varierar beroende på kärldiameter och blodtryck. Alla implanterbara system i cirkulationssystemet måste motstå dessa fysiologiska tillstånd samtidigt som de bibehåller stabil prestanda.

Teamet studerade därför prestandan för deras utveckling - liknande en vindtunnel - i så kallade mikrofluidkanaler med diametrar på 120 till 150 µm (0,12 till 0,15 mm) för att efterlikna blodkärl av olika storlekar. I dessa kanaler, forskarna simulerade och testade beteendet hos deras energilagringsenheter under olika flödes- och tryckförhållanden. De fann att nano-biosuperkondensatorerna kan ge sin kraft väl och stabilt under fysiologiskt relevanta förhållanden.

Självständig sensorteknik kan stödja diagnostik – som tumördiagnostik

Vätepotentialen (pH) i blodet är föremål för fluktuationer. Kontinuerlig mätning av pH kan således hjälpa till vid tidig upptäckt av tumörer, till exempel. För det här syftet, forskarna utvecklade en pH-sensor som försörjs med energi från nano-biosuperkondensatorn.

Den 5 µm tunnfilmstransistorteknologi (TFT) som tidigare etablerats i professor Oliver Schmidts forskargrupp skulle kunna användas för att utveckla en ringoscillator med exceptionell mekanisk flexibilitet, arbetar med låg effekt (nW till µW) och höga frekvenser (upp till 100MHz).

För det aktuella projektet, laget använde en nBSC-baserad ringoscillator. Teamet integrerade en pH-känslig BSC i ringoscillatorn så att det blir en förändring i utgångsfrekvensen beroende på elektrolytens pH. Denna pH-känsliga ringoscillator formades också till en rörformad 3D-geometri med "Swiss-roll" Origami-tekniken, skapa ett helt integrerat och ultrakompakt system för energilagring och sensor.

Den ihåliga inre kärnan i detta mikrosensorsystem fungerar som en kanal för blodplasman. Dessutom, tre nBSC kopplade i serie med sensorn möjliggör särskilt effektiv och självförsörjande pH-mätning.

Dessa egenskaper öppnar upp ett brett utbud av möjliga tillämpningar, till exempel inom diagnostik och medicinering.