De miniaturisering van micro-elektronische sensortechnologie, micro-elektronische robots of intravasculaire implantaten gaan snel vooruit. Echter, het stelt ook grote uitdagingen voor het onderzoek. Een van de grootste is de ontwikkeling van kleine maar efficiënte energieopslagapparaten die de werking van autonoom werkende microsystemen mogelijk maken, bijvoorbeeld in steeds meer kleinere delen van het menselijk lichaam. In aanvulling, deze energieopslagapparaten moeten biocompatibel zijn als ze überhaupt in het lichaam worden gebruikt. Nu is er een prototype dat deze essentiële eigenschappen combineert. De doorbraak werd bereikt door een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Professorship of Materials Systems for Nanoelectronics aan de Chemnitz University of Technology, initiatiefnemer van het Centrum voor Materialen, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN) aan de Chemnitz University of Technology en directeur van het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden. Het Leibniz Institute of Polymer Research Dresden (IPF) was ook betrokken bij het onderzoek als samenwerkingspartner.

In het huidige nummer van Natuurcommunicatie , de onderzoekers rapporteren over de kleinste microsupercondensatoren tot nu toe, dat al functioneert in (kunstmatige) bloedvaten en kan worden gebruikt als energiebron voor een piepklein sensorsysteem om de pH te meten.

Dit opslagsysteem opent mogelijkheden voor intravasculaire implantaten en microrobotsystemen voor biogeneeskunde van de volgende generatie die kunnen werken in moeilijk bereikbare kleine ruimtes diep in het menselijk lichaam. Bijvoorbeeld, real-time detectie van de pH van het bloed kan helpen bij het voorspellen van vroege tumorgroei. "Het is buitengewoon bemoedigend om te zien hoe nieuwe, extreem flexibel, en adaptieve micro-elektronica bereikt de geminiaturiseerde wereld van biologische systemen, " zegt onderzoeksgroepleider prof. dr. Oliver G. Schmidt, die zeer verheugd is met dit onderzoekssucces.

De fabricage van de monsters en het onderzoek van de biosupercondensator werden grotendeels uitgevoerd in het Research Center MAIN van de Chemnitz University of Technology.

"De architectuur van onze nano-bio-supercondensatoren biedt de eerste mogelijke oplossing voor een van de grootste uitdagingen:kleine geïntegreerde energieopslagapparaten die de zelfvoorzienende werking van multifunctionele microsystemen mogelijk maken, " zegt Dr. Vineeth Kumar, onderzoeker in het team van Prof. Schmidt en een onderzoeksmedewerker bij het MAIN onderzoekscentrum.

Kleiner dan een stofje—voltage vergelijkbaar met een AAA-batterij

Steeds kleinere energieopslagapparaten in het submillimeterbereik - zogenaamde "nano-supercapacitors" (nBSC) - voor nog kleinere micro-elektronische componenten vormen niet alleen een grote technische uitdaging, echter. Dit is zo omdat, als een regel, deze supercondensatoren gebruiken geen biocompatibele materialen, maar bijvoorbeeld, corrosieve elektrolyten en ontladen zich snel bij defecten en verontreinigingen. Beide aspecten maken ze ongeschikt voor biomedische toepassingen in het lichaam. Zogenaamde "biosupercondensatoren (BSC's)" bieden een oplossing. Ze hebben twee uitstekende eigenschappen:ze zijn volledig biocompatibel, wat betekent dat ze kunnen worden gebruikt in lichaamsvloeistoffen zoals bloed en kunnen worden gebruikt voor verder medisch onderzoek.

In aanvulling, biosupercondensatoren kunnen het zelfontladingsgedrag compenseren door middel van bio-elektrochemische reacties. Daarbij, ze profiteren zelfs van de lichaamseigen reacties. Dit is zo omdat, naast typische ladingsopslagreacties van een supercondensator, redox-enzymatische reacties en levende cellen die van nature in het bloed aanwezig zijn, verhogen de prestaties van het apparaat met 40%.

Momenteel, de kleinste van dergelijke energieopslagapparaten zijn groter dan 3 mm3. Het team van prof. Oliver Schmidt is er nu in geslaagd om een ​​3, 000 keer kleinere buisvormige nBSC, die, met een volume van 0,001 mm3 (1 nanoliter), neemt minder ruimte in dan een stofkorrel en levert toch tot 1,6 V voedingsspanning voor micro-elektronische sensoren. Deze energie kan worden gebruikt voor een sensorsysteem in het bloed, bijvoorbeeld. Het vermogensniveau is ook ongeveer gelijk aan de spanning van een standaard AAA-batterij, hoewel de werkelijke stroom op deze kleinste schalen natuurlijk aanzienlijk lager is. De flexibele buisvormige geometrie van de nano-biosupercondensator zorgt voor een efficiënte zelfbescherming tegen vervormingen veroorzaakt door pulserend bloed of spiercontractie. Op volle capaciteit, de gepresenteerde nano-biosupercondensator kan een complex volledig geïntegreerd sensorsysteem bedienen voor het meten van de pH-waarde in bloed.

Dankzij de origamistructuurtechnologie:flexibel, robuust, klein

Origami-structuurtechnologie omvat het plaatsen van de materialen die nodig zijn voor de nBSC-componenten op een flinterdun oppervlak onder hoge mechanische spanning. Wanneer de materiaallagen vervolgens gecontroleerd van het oppervlak worden losgemaakt, de spanningsenergie wordt vrijgegeven en de lagen wikkelen zichzelf in compacte 3D-apparaten met een hoge nauwkeurigheid en opbrengst (95%). De op deze manier geproduceerde nano-biosupercondensatoren werden getest in drie oplossingen, elektrolyten genaamd:zoutoplossing, bloed plasma, en bloed. In alle drie de elektrolyten, energieopslag was voldoende succesvol, zij het met wisselende efficiëntie. In bloed, de nano-biosupercondensator vertoonde een uitstekende levensduur, houdt tot 70% van zijn oorspronkelijke capaciteit vast, zelfs na 16 uur. Een protonenuitwisselingsscheider (PES) werd gebruikt om de snelle zelfontlading te onderdrukken.

Prestatiestabiliteit, zelfs onder realistische omstandigheden

Om natuurlijke lichaamsfuncties in verschillende situaties te behouden, de stromingskarakteristieken van het bloed en de druk in de bloedvaten veranderen voortdurend. De bloedstroom pulseert en varieert afhankelijk van de diameter van het vat en de bloeddruk. Elk implanteerbaar systeem in de bloedsomloop moet bestand zijn tegen deze fysiologische omstandigheden met behoud van stabiele prestaties.

Het team bestudeerde daarom de prestaties van hun ontwikkeling - vergelijkbaar met een windtunnel - in zogenaamde microfluïdische kanalen met een diameter van 120 tot 150 µm (0,12 tot 0,15 mm) om bloedvaten van verschillende groottes na te bootsen. Op deze kanalen de onderzoekers simuleerden en testten het gedrag van hun energieopslagapparaten onder verschillende stroom- en drukomstandigheden. Ze ontdekten dat de nano-biosupercondensatoren hun vermogen goed en stabiel kunnen leveren onder fysiologisch relevante omstandigheden.

Op zichzelf staande sensortechnologie kan diagnostiek ondersteunen, zoals tumordiagnostiek

De waterstofpotentiaal (pH) van bloed is onderhevig aan schommelingen. Continue meting van de pH kan dus helpen bij de vroege detectie van tumoren, bijvoorbeeld. Voor dit doeleinde, de onderzoekers ontwikkelden een pH-sensor die van energie wordt voorzien door de nano-biosupercondensator.

De 5 µm dunne-filmtransistor (TFT)-technologie die eerder in het onderzoeksteam van prof. Oliver Schmidt is ontwikkeld, kan worden gebruikt om een ​​ringoscillator te ontwikkelen met uitzonderlijke mechanische flexibiliteit, werkend bij laag vermogen (nW tot µW) en hoge frequenties (tot 100 MHz).

Voor het huidige project het team gebruikte een op nBSC gebaseerde ringoscillator. Het team integreerde een pH-gevoelige BSC in de ringoscillator, zodat de uitgangsfrequentie verandert afhankelijk van de pH van de elektrolyt. Deze pH-gevoelige ringoscillator werd ook gevormd tot een buisvormige 3D-geometrie met behulp van de "Swiss-roll" Origami-techniek, het creëren van een volledig geïntegreerd en ultracompact systeem van energieopslag en sensor.

De holle binnenkern van dit microsensorsysteem dient als kanaal voor het bloedplasma. In aanvulling, drie in serie met de sensor geschakelde nBSC's maken een bijzonder efficiënte en zelfvoorzienende pH-meting mogelijk.

Deze eigenschappen openen een breed scala aan mogelijke toepassingen, bijvoorbeeld in diagnostiek en medicatie.