Een recente studie gepubliceerd in Nature Electronics bespreekt rekbare grafeen-hydrogel-interfaces voor draagbare en implanteerbare bio-elektronica.

Rekbare en geleidende nanocomposieten met mechanisch zachte, dunne en biocompatibele kenmerken spelen een cruciale rol bij de ontwikkeling van draagbare huidachtige apparaten, slimme zachte robots en implanteerbare bio-elektronica.

Hoewel is gerapporteerd dat verschillende ontwerpstrategieën met betrekking tot oppervlaktetechniek de mechanische mismatch tussen de brosse elektroden en rekbare polymeren kunnen overwinnen, is het nog steeds een uitdaging om monolithische integratie van verschillende componenten met diverse functionaliteiten te realiseren met behulp van de huidige ultradunne rekbare geleidende nanocomposieten. Dit wordt toegeschreven aan het gebrek aan geschikte geleidende nanomateriaalsystemen die compatibel zijn met eenvoudige patroonvormingsstrategieën.

Lasergeïnduceerd grafeen (LIG), doorgaans afgeleid van laserbestraling van polyimide (PI), heeft verschillende specifieke voordelen, zoals gemakkelijke digitale patroonvormingsprocessen, compatibiliteit met patroonoverdrachtsbenaderingen, evenals afstembare fysieke en chemische kenmerken om diverse draagbare sensoren te produceren .

Deze multifunctionele apparaten zijn echter geconstrueerd op flexibele PI-substraten of relatief dikke elastische films vanwege de mechanische beperkingen bij het overbrengen van LIG naar zachte elastomeren. Bovendien belemmert de mechanische mismatch tussen het broze LIG en het elastische polymeer de rekbaarheid van geleidende nanocomposieten.

De auteurs van het artikel beschrijven een ultradunne elastische op LIG-hydrogel gebaseerde nanocomposiet voor multifunctionele op de huid en implanteerbare bio-elektronica. Een nieuwe strategie wordt voorgesteld om ultradunne LIG-gebaseerd nanocomposiet met een patroon te creëren, dat wordt gevormd door het cryogeen (77 K) overbrengen van LIG naar een hydrogelfilm (minimale dikte van 1,0 μm). Vervolgens wordt de mechanische mismatch tussen het broze LIG en het elastische polymeer aangepakt, waarbij de hydrogel wordt gebruikt als grensvlak voor energiedissipatie en elektrisch pad buiten het vlak.

Er kunnen continu afgebogen scheuren in de LIG worden geïnduceerd, wat leidt tot een meer dan vijfvoudige verbetering van de intrinsieke rekbaarheid. Over het geheel genomen biedt dit onderzoek een haalbare strategie om ultradunne, op koolstof-hydrogel gebaseerde rekbare nanocomposieten te construeren voor geïntegreerde sensorsystemen, waardoor diverse toepassingen in draagbare/implanteerbare bio-elektronica en mens-machine-interacties mogelijk worden.

Kaichen Xu, corresponderende auteur, merkte op:"De conventionele LIG-overdrachtsmethode vereist de veel grotere dikte (> 45 μm) van elastomeren of plakbanden om een ​​sterke grensvlakkracht te bieden tijdens het afpelproces, wat de conforme bio-elektronische toepassingen belemmert. De mechanische beperkingen bij de overdracht van LIG naar elastomeren worden overwonnen door een cryogene overdrachtsbenadering bij –196℃ met behulp van een ultradunne en klevende polyvinylalcohol/fytinezuur/honing (PPH) hydrogel."

Tijdens het snelle afkoelingsproces wordt de grensvlakbindingsenergie tussen defect poreus grafeen en het gekristalliseerde water in hydrogel verbeterd, zoals geïllustreerd door berekeningen van de moleculaire dynamica (MD). Een dergelijke dramatische toename van de oppervlakkige bindkracht bij 77 K werd ook vastgelegd in de 180°-peltest. De maximale voorbijgaande pelkracht van 160 N m ^-1 bij 77 K werd waargenomen, wat veel hoger was dan dat (<10 N m ^-1 ) afkomstig van de autologe adhesie van PPH bij omgevingstemperatuur.

Bovendien maakte de voorgestelde cryogene overdrachtsstrategie de overdracht van LIG op andere soorten zelfklevende of niet-klevende hydrogels mogelijk, wat de universaliteit van deze overdrachtstechnologie aangeeft. Niettemin vormde alleen de hechtende hydrogel een mechanisch stabiel bindend grensvlak, vooral onder trekbelasting.

Door middel van het gemakkelijke laser direct schrijven en de cryogene overdrachtstechniek worden multimodale sensorcomponenten geïntegreerd als een multifunctioneel draagbaar sensorvel voor in vitro monitoring op de huid. Bovendien maken de ultradunne en biocompatibele eigenschappen van de op micropatronen gebaseerde LIG-gebaseerde nanocomposieten naadloos contact met het hart van Sprague Dawley (SD) ratten mogelijk om in situ hartsignalen te volgen.

Meer informatie: Yuyao Lu et al, Rekbare grafeen-hydrogel-interfaces voor draagbare en implanteerbare bio-elektronica, Natuurelektronica (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01091-y

Journaalinformatie: Natuurelektronica

Aangeboden door Compuscript Ltd