Когда повязка накладывается на очень гибкую область, такую как локоть или колено, она растягивается вместе с телом, сохраняя функциональность и целостность встроенной электроники.Ключом к дизайну является гидрогелевая матрица, разработанная Сюань Хэ Чжао, доцентом по развитию карьеры Роберта Н. Нойса факультета машиностроения Массачусетского технологического института.
Гидрогель, который Чжао подробно описал ранее в этом месяце, представляет собой эластичный материал, в основном состоящий из воды, предназначенный для прочного сцепления с такими поверхностями, как золото, титан, алюминий, кремний, стекло и керамика.В новой статье, опубликованной в журнале Advanced Materials, команда сообщает о внедрении в гидрогель различной электроники, такой как проводящие провода, полупроводниковые чипы, светодиодные лампы и датчики температуры. Чжао говорит, что электроника, покрытая гидрогелем, может использоваться не только на поверхности кожи, но и внутри тела, например, в качестве имплантированных биосовместимых сенсоров глюкозы или даже мягких, податливых нервных зондов.
«Электроника обычно твердая и сухая, но человеческое тело мягкое и влажное. Эти две системы имеют совершенно разные свойства», — говорит Чжао. «Если вы хотите, чтобы электроника находилась в тесном контакте с человеческим телом для таких приложений, как мониторинг здравоохранения и доставка лекарств, крайне желательно сделать электронные устройства мягкими и растяжимыми, чтобы они соответствовали окружающей среде человеческого тела. Это мотивация для растяжимая гидрогелевая электроника ".Соавторами Чжао по статье являются аспиранты Шаотин Линь, Хену Юк, Герман Альберто Парада, постдок Тэн Чжан, Хену Ку из Samsung Display и Цунцзян Ю из Хьюстонского университета.
Прочная и эластичная связьТипичные синтетические гидрогели хрупкие, почти не растягиваются и плохо прилипают к другим поверхностям.«На данном этапе они часто используются в качестве разлагаемых биоматериалов», — говорит Чжао. «Если вы хотите сделать электронное устройство из гидрогелей, вам нужно подумать о долгосрочной стабильности гидрогелей и интерфейсов».
Чтобы обойти эти проблемы, его команда разработала стратегию создания прочных гидрогелей, смешивая воду с небольшим количеством выбранных биополимеров для создания мягких, эластичных материалов с жесткостью от 10 до 100 килопаскалей, что соответствует диапазону мягких тканей человека. . Исследователи также разработали метод прочного связывания гидрогеля с различными непористыми поверхностями.В новом исследовании исследователи применили свои методы, чтобы продемонстрировать несколько вариантов использования гидрогеля, в том числе инкапсуляцию титановой проволоки для образования прозрачного растягиваемого проводника.
В ходе экспериментов они несколько раз растянули герметизированный провод и обнаружили, что он поддерживает постоянную электрическую проводимость.Чжао также создал массив светодиодных ламп, встроенных в лист гидрогеля. При прикреплении к разным частям тела массив продолжал работать, даже когда растягивался на сильно деформируемых областях, таких как колено и локоть.Универсальная матрица
Наконец, группа встроила различные электронные компоненты в лист гидрогеля, чтобы создать «умную повязку на рану», состоящую из равномерно расположенных датчиков температуры и крошечных резервуаров для лекарств. Исследователи также создали пути для прохождения лекарств через гидрогель, вставив узорчатые трубки или просверлив в матрице крошечные отверстия. Они наложили повязку на различные участки тела и обнаружили, что даже при сильном растяжении повязка продолжала контролировать температуру кожи и выделять лекарства в соответствии с показаниями датчиков.Юк говорит, что немедленное применение технологии может стать растяжимым средством для лечения ожогов или других кожных заболеваний по требованию.
«Это очень универсальная матрица», — говорит Юк. «Уникальная возможность здесь заключается в том, что когда датчик обнаруживает что-то другое, например аномальное повышение температуры, устройство может по требованию высвобождать лекарство в это конкретное место и выбирать конкретное лекарство из одного из резервуаров, которое может диффундировать в матрице гидрогеля. для замедленного высвобождения с течением времени ".Заглянув глубже, Чжао видит в гидрогеле идеальное биосовместимое средство для доставки электроники внутрь организма. В настоящее время он изучает потенциал гидрогеля в качестве носителя для сенсоров глюкозы, а также нейронных зондов.
Обычные сенсоры глюкозы, имплантированные в тело, обычно вызывают реакцию иммунной системы на инородное тело, которая покрывает сенсоры плотными волокнами, что требует частой замены сенсоров. Хотя для покрытия сенсоров глюкозы и предотвращения такой реакции использовались различные гидрогели, гидрогели хрупкие и могут легко отделяться при движении.
Чжао говорит, что система гидрогелевых датчиков, которую разрабатывает его группа, вероятно, будет надежной и эффективной в течение длительного времени. Он говорит, что похожий случай можно сделать и с нейронными зондами.
«Мозг — это миска с желе», — говорит Чжао. «В настоящее время исследователи пробуют различные мягкие материалы для достижения долгосрочной биосовместимости нейронных устройств. Вместе с сотрудниками мы предлагаем использовать прочный гидрогель в качестве идеального материала для нейронных устройств, поскольку гидрогель может быть сконструирован так, чтобы обладать аналогичными механическими и физиологическими свойствами. как мозг ".