Detectarea senzorilor electronici imprimați de mătase de păianjen pe pielea umană

Cercetătorii au dezvoltat o modalitate de a realiza senzori adaptabili, ecologici, care pot fi imprimați direct și imperceptibil pe o gamă largă de suprafețe biologice, fie că este un deget sau o petală de floare.

Metoda, dezvoltată de cercetătorii de la Universitatea din Cambridge, a fost inspirată din mătasea de păianjen, care se poate conforma și se lipește pe o serie de suprafețe. „Mătasea de păianjen” include și bioelectronica, astfel încât diferite capacități de detectare pot fi adăugate la „web”.

Fibrele, care sunt de 50 de ori mai mici decât un păr uman, sunt atât de ușoare încât cercetătorii le-au imprimat direct pe capul unei semințe delicate de păpădie, fără a-și prăbuși structura. Atunci când sunt imprimați pe pielea umană, senzorii de fibre se conformează pielii și detectează porii de transpirație, astfel încât purtătorul să nu detecteze prezența acestora. Testele de fibre imprimate pe un deget uman sugerează că ar putea fi folosite ca monitoare continue de sănătate.

Această metodă cu deșeuri reduse și cu emisii scăzute poate fi utilizată pentru a crește structurile vii într-o gamă largă de domenii, de la asistență medicală și realitatea virtuală, la e-textile și monitorizarea mediului. cel rezultate A fost raportat în revista Nature Electronics.

Deși pielea umană este remarcabil de sensibilă, îmbunătățirea acesteia cu senzori electronici ar putea schimba radical modul în care interacționăm cu lumea din jurul nostru. De exemplu, senzorii imprimați direct pe piele ar putea fi folosiți pentru monitorizarea continuă a sănătății, pentru a înțelege senzațiile pielii sau ar putea îmbunătăți sentimentul de „realitate” în jocuri sau aplicații de realitate virtuală.

În timp ce tehnologiile portabile cu senzori încorporați, cum ar fi ceasurile inteligente, sunt disponibile pe scară largă, aceste dispozitive pot fi incomode și enervante și pot bloca senzațiile intrinseci ale pielii.

„Dacă doriți să simțiți cu exactitate ceva pe o suprafață biologică, cum ar fi pielea sau o frunză, interfața dintre dispozitiv și suprafață este vitală”, a spus profesorul Yanyan-Cherry Huang de la Departamentul de Inginerie din Cambridge, care a condus cercetarea. „Vrem, de asemenea, bioelectronice care să fie complet insesizabile pentru utilizator, astfel încât să nu interfereze în niciun fel cu modul în care utilizatorul interacționează cu lumea și dorim ca acestea să fie durabile și cu deșeuri reduse.”

Există mai multe moduri de a face senzori portabili, dar toate au dezavantaje. De exemplu, electronicele flexibile sunt tipărite de obicei pe folii de plastic care nu permit trecerea gazului sau umidității, așa că ar fi ca și cum ți-ai înveli pielea în folie alimentară. Alți cercetători au dezvoltat recent dispozitive electronice flexibile, permeabile la gaz, cum ar fi pielea sintetică, dar încă interferează cu senzația naturală și se bazează pe tehnici de fabricație care consumă energie și deșeuri.

Imprimarea 3D este o altă cale potențială către bioelectronică, deoarece este mai puțin risipitoare decât alte metode de producție, dar are ca rezultat dispozitive mai groase care pot interfera cu comportamentul natural. Filarea fibrelor electronice produce dispozitive care sunt insesizabile pentru utilizator, dar fără un grad ridicat de sensibilitate sau sofisticare și sunt greu de transferat în corpul în cauză.

Acum, echipa condusă de Cambridge a dezvoltat o nouă modalitate de a realiza bioelectronice de înaltă performanță, care pot fi personalizate pe o gamă largă de suprafețe biologice, de la vârful unui deget până la vârful unei semințe delicate de păpădie, prin imprimarea lor direct pe acea suprafață. Abordarea lor este inspirată parțial de păianjeni, care creează structuri sofisticate, robuste, care se adaptează mediului lor, folosind materiale minime.

Cercetătorii au filat „mătase de păianjen” bioelectronică din PEDOT:PSS (un polimer conductor biocompatibil), acid hialuronic și oxid de polietilenă. Fibrele de înaltă performanță au fost produse dintr-o soluție apoasă la temperatura camerei, permițând cercetătorilor să controleze „spinabilitatea” fibrelor. Cercetătorii au conceput apoi o metodă de filare orbitală pentru a permite fibrelor să se transfere pe suprafețe vii, chiar și până la structuri microscopice, cum ar fi amprentele digitale.

Testele de fibre bioelectronice, pe suprafețe, inclusiv degete umane și capete de semințe de păpădie, au arătat că acestea oferă performanțe de detectare de înaltă calitate, rămânând în același timp imperceptibile pentru gazdă.

„Metoda noastră de filare permite fibrelor bioelectronice să urmărească anatomia diferitelor forme, atât la nivel micro, cât și la nivel macro, fără a fi nevoie de nicio recunoaștere a imaginii”, a spus Andy Wang, primul autor al studiului. „Deschide un unghi complet diferit în ceea ce privește modul de a face electronice și senzori durabili. Este o modalitate mult mai ușoară de a produce senzori de suprafață mare”.

Majoritatea senzorilor de înaltă rezoluție sunt fabricați în camere curate industriale și necesită substanțe chimice toxice într-un proces de fabricație în mai multe etape, consumator de energie. Senzorii dezvoltați de Cambridge pot fi fabricați oriunde și folosesc o fracțiune din energia necesară senzorilor obișnuiți.

Fibrele bioelectronice, care sunt reparabile, pot fi spălate pur și simplu când ajung la sfârșitul duratei de viață și generează mai puțin de un miligram de deșeuri: prin comparație, o singură încărcătură tipică de rufe produce între 600 și 1.500 de miligrame de deșeuri. Deșeuri de fibre.

„Folosind tehnologia noastră simplă de producție, putem plasa senzori aproape oriunde și îi putem repara unde și când au nevoie, fără a fi nevoie de o mașină de imprimare mare sau de o unitate centrală de producție”, a spus Huang. „Acești senzori pot fi fabricați la cerere, acolo unde sunt necesari și produc deșeuri și emisii minime.”

Cercetătorii spun că dispozitivul lor ar putea fi folosit în aplicații, de la monitorizarea sănătății și realitatea virtuală până la agricultura de precizie și monitorizarea mediului. În viitor, alte materiale funcționale ar putea fi încorporate în această metodă de imprimare cu fibre, pentru a construi senzori de fibră integrați pentru a îmbunătăți sistemele vii cu funcții de afișare, calcul și conversie a energiei. Cercetarea este comercializată cu sprijinul Fundației Cambridge, brațul comercial al universității.

Cercetarea a fost susținută parțial de Consiliul European de Cercetare, Wellcome, Societatea Regală și Consiliul de Cercetare în Biotehnologie și Științe Biologice (BBSRC), parte din Marea Britanie pentru Cercetare și Inovare (UKRI).