En nyligen publicerad studie publicerad i Nature Electronics diskuterar töjbara grafen-hydrogel-gränssnitt för bärbar och implanterbar bioelektronik.
Sträckbara och ledande nanokompositer med mekaniskt mjuka, tunna och biokompatibla egenskaper spelar en avgörande roll i utvecklingen av bärbara hudliknande enheter, smarta mjuka robotar och implanterbar bioelektronik.
Även om flera designstrategier som involverar ytteknik har rapporterats för att övervinna den mekaniska oöverensstämmelsen mellan de spröda elektroderna och töjbara polymererna, är det fortfarande utmanande att realisera monolitisk integration av olika komponenter med olika funktionaliteter med hjälp av de nuvarande ultratunna sträckbara ledande nanokompositerna. Detta tillskrivs bristen på lämpliga ledande nanomaterialsystem som är kompatibla med enkla mönstringsstrategier.
Laserinducerad grafen (LIG), typiskt härledd från laserbestrålning av polyimid (PI), har olika distinkta fördelar, såsom enkla digitala mönstringsprocesser, kompatibilitet med mönsteröverföringsmetoder, såväl som avstämbara fysiska och kemiska egenskaper för att producera olika bärbara sensorer .
Dessa multifunktionella enheter är emellertid konstruerade på flexibla PI-substrat eller relativt tjocka elastiska filmer på grund av de mekaniska begränsningarna vid överföring av LIG till mjuka elastomerer. Dessutom hindrar den mekaniska oöverensstämmelsen mellan den spröda LIG och den elastiska polymeren sträckbarheten hos ledande nanokompositer.
Författarna till artikeln beskriver en ultratunn elastisk LIG-hydrogel-baserad nanokomposit för multifunktionell på huden och implanterbar bioelektronik. En ny strategi föreslås för att skapa ultratunn mönstrad LIG-baserad nanokomposit, som bildas genom att kryogent (77 K) överför LIG till en hydrogelfilm (minsta tjocklek på 1,0 μm). Sedan åtgärdas den mekaniska oöverensstämmelsen mellan den spröda LIG och den elastiska polymeren, som använder hydrogelen som ett energiavledningsgränssnitt och en elektrisk väg utanför planet.
Kontinuerligt avböjda sprickor kan induceras i LIG, vilket leder till en över femfaldig förbättring av inneboende sträckbarhet. Sammantaget ger denna forskning en hållbar strategi för att konstruera ultratunna kol-hydrogelbaserade sträckbara nanokompositer för integrerade sensorsystem, vilket möjliggör olika tillämpningar inom bärbar/implanterbar bioelektronik och interaktioner mellan människa och maskin.
Kaichen Xu, motsvarande författare, noterade, "Konventionell LIG-överföringsmetod kräver den mycket större tjockleken (>45 μm) av elastomerer eller självhäftande tejper för att ge en stark gränsytkraft under avdragningsprocessen, vilket hindrar de konforma bioelektroniktillämpningarna. De mekaniska begränsningarna vid överföring av LIG till elastomerer övervinns genom en kryogen överföringsmetod vid –196 ℃ med en ultratunn och vidhäftande polyvinylalkohol/fytinsyra/honung (PPH) hydrogel."
Under den snabba nedkylningsprocessen förstärks gränsytans bindningsenergi mellan defekt porös grafen och det kristalliserade vattnet i hydrogelen, vilket illustreras av beräkningar av molekylär dynamik (MD). En sådan dramatisk ökning av ytlig bindningskraft vid 77 K fångades också i 180° avskalningstestet. Den maximala transienta skalningskraften på 160 N m -1 vid 77 K observerades, vilket var mycket högre än så (<10 N m -1 ) som härrör från den autologa vidhäftningen av PPH vid omgivningstemperaturen.
Dessutom tillät den föreslagna kryogena överföringsstrategin överföring av LIG till andra typer av självhäftande eller icke-vidhäftande hydrogeler, vilket indikerar universaliteten hos denna överföringsteknologi. Icke desto mindre bildade endast den adhesiva hydrogelen en mekaniskt stabil bindningsgränsyta, särskilt under dragpåkänning.
Genom lätt laser direktskrivning och kryogen överföringsteknik integreras multimodala sensorkomponenter som ett multifunktionellt bärbart sensorark för in vitro-övervakning på huden. Dessutom tillåter de ultratunna och biokompatibla egenskaperna hos de mikromönstrade LIG-baserade nanokompositerna sömlös kontakt med hjärtat av Sprague Dawley (SD)-råttor för att in situ spåra hjärtsignaler.
Mer information: Yuyao Lu et al, Sträckbara grafen-hydrogelgränssnitt för bärbar och implanterbar bioelektronik, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01091-y
Journalinformation: Naturelektronik
Tillhandahålls av Compuscript Ltd
