Fabbricazione e caratterizzazione basata su DIW del supercondensatore MIS. (A) Schema della lente a contatto intelligente e del processo di fabbricazione basato su DIW del supercondensatore MIS integrato monoliticamente con un fattore di forma a forma di arco. (B) Fotografie vista dall'alto (immagini superiori) e immagine di microscopia elettronica a scansione in sezione trasversale (SEM) (immagini inferiori) degli elettrodi e dell'elettrolita polimerico allo stato solido del supercondensatore MIS (barre in scala nera, 1 millimetro; barra della scala bianca, 50 micron). (C) Proprietà viscoelastiche (G′ e G″) degli inchiostri degli elettrodi in funzione dello sforzo di taglio. L'inserto è una fotografia di un elettrodo a forma di lettera ("UNIST") fabbricato con l'inchiostro dell'elettrodo (contenuto solido, 18,0 % in peso) su un substrato di polietilene tereftalato (PET). Barra della scala, 2mm. (D) Fotografia di elettrodi in piano con varie dimensioni (che vanno dal micrometro alla scala millimetrica) fabbricati attraverso il processo DIW. Le larghezze degli elettrodi variavano da 100 μm a 1 mm con una distanza fissa dell'elettrodo di 100 μm (barra della scala nera, 2mm; barre della scala bianca, 500 micron). (E) Cambiamenti nei caratteristici picchi FT-IR assegnati ai gruppi tiolo (─SH) (2575 cm-1) e legami acrilici C═C (da 1610 a 1625 cm-1) nello scheletro della rete polimerica tiolo-ene prima e dopo l'irradiazione UV. (F) Conducibilità ionica dell'elettrolita polimerico allo stato solido in funzione della temperatura (fino a 150°C). L'inserto mostra la flessibilità meccanica dell'elettrolita polimerico allo stato solido. Barre della scala, 1 cm. (G) Curve CV del supercondensatore MIS in funzione della velocità di scansione (1, 2, e 5 mV/s). (H) Profili GCD a varie densità di corrente (da 0,1 a 1,0 mA/cm2). (I) Prestazioni cicliche del supercondensatore MIS (misurate a una densità di corrente di carica/scarica costante di 3,0 mA/cm2). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay0764
I recenti progressi nelle lenti a contatto intelligenti possono aiutare gli ingegneri biomedici a realizzare applicazioni mediche e imaging visivo per la realtà aumentata con sistemi di comunicazione wireless. La ricerca precedente sulle lenti a contatto intelligenti era guidata da un sistema wireless o da un trasferimento di energia wireless con restrizioni temporali e spaziali. Tali fonti di energia possono limitare il loro uso continuo e richiedere dispositivi di accumulo di energia. La rigidità, anche il calore e le grandi dimensioni della batteria sono meno adatti per lenti a contatto intelligenti. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Jihun Park e un team di ricerca nei dipartimenti di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Centro di Nanomedicina e Dipartimento di Ingegneria in Corea, ha descritto una sperimentazione umana pilota per lenti a contatto intelligenti. Hanno progettato le lenti con una ricarica wireless, supercondensatore allo stato solido per funzionamento continuo. Il team di ricerca ha stampato il supercondensatore e integrato tutti i componenti del dispositivo, compresa l'antenna, raddrizzatore e diodo emettitore di luce che utilizzano strutture estensibili per formare la lente morbida senza ostacolare la visione. Il dispositivo era affidabile contro le radiazioni termiche ed elettromagnetiche, con risultati di test promettenti in vivo e una sostanziale promessa per lenti a contatto intelligenti in futuro.
I progressi nell'elettronica indossabile hanno permesso ai ricercatori biomedici di monitorare i segni fisici e i metaboliti nei fluidi corporei umani. Le lenti a contatto intelligenti possono essere ampiamente studiate come una nuova piattaforma per monitorare continuamente i segni vitali negli occhi e nelle lacrime per indagare sui biomarcatori associati alla malattia. Gli obiettivi possono anche offrire applicazioni estese in altre aree come i dispositivi intelligenti per la somministrazione di farmaci e la realtà aumentata. La morbidezza delle lenti a contatto intelligenti è essenziale per il comfort dell'utente per lunghi periodi di tempo durante il funzionamento wireless intermittente. La rigidità, la generazione di calore e le dimensioni della batteria avevano reso gli obiettivi precedenti meno adatti a funzionare come richiesto. Per affrontare i limiti esistenti, Parco et al. introdotto un nuovo approccio per progettare un soft, lente a contatto intelligente con un supercondensatore a stato solido ricaricabile in modalità wireless per il funzionamento continuo del dispositivo elettronico.
Primo, hanno formato un carbone attivo a base di stato solido, supercondensatore elettrico a doppio strato che utilizza un'alta precisione, processo di scrittura a inchiostro diretto (DIW) su microscala per creare la lente a contatto intelligente. I supercondensatori in genere presentano lunghi cicli di vita e un'elevata densità di potenza per operazioni di carica e scarica wireless coerenti di dispositivi elettronici radicati all'interno di lenti a contatto intelligenti. Il supercondensatore in questo lavoro è servito anche come supporto fisico durante l'integrazione 3D strato per strato con i circuiti elettronici e l'antenna di accompagnamento per formare il sistema di ricarica wireless. Questo è stato un passo impegnativo a causa dell'area limitata della lente a contatto intelligente.
SINISTRA:Fabbricazione di un morbido completamente integrato, sistema di lenti a contatto intelligenti. A DESTRA:Caratteristiche del sistema WPT. (A) Immagine schematica del circuito WPT composto da antenna e raddrizzatore basati su AgNF-AgNW. (B) Proprietà rettificate del circuito fabbricato. (C) Distribuzione della tensione raddrizzata in base alla distanza di trasmissione (da 1 a 15 mm). (D) Variazione relativa della tensione rettificata in funzione dei cicli di allungamento-rilascio (deformazione di trazione biassiale del 30%). (E) Variazione relativa della tensione rettificata dopo i test di immersione utilizzando liquido per lenti e soluzione salina. Ogni punto dati indica la media per 50 campioni, e le barre di errore rappresentano la SD. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay0764
Parco et al. ha combinato il sistema di ricarica wireless con il supercondensatore a stato solido per facilitare il funzionamento continuo e ripetitivo della lente a contatto intelligente senza una porta elettrica esterna. Per costruire geometrie estensibili per l'antenna, i ricercatori hanno utilizzato nanostrutture ibride di nanofibre d'argento ultra resistenti (AgNF) e nanofili d'argento fini (AgNW). Inoltre, hanno utilizzato un substrato ibrido estensibile composto da isole rigidamente rinforzate e una matrice morbida per migliorare la resistenza dei componenti fragili della lente a contatto alla deformazione meccanica. Il sistema ha mostrato una resistenza eccezionale dopo 300 cicli con una deformazione biassiale a trazione del 30%. La lente a contatto intelligente ha mantenuto un'elevata morbidezza e comfort senza oscurare la visione di chi la indossa, proteggendo allo stesso tempo i dispositivi elettrici dallo strappo in una sequenza temporale di sette giorni. Il sistema di ricarica wireless ha evitato il riscaldamento improvviso per proteggere la sicurezza di chi lo indossa. Una sperimentazione pilota sull'uomo e studi traslazionali in vivo su conigli vivi hanno ulteriormente verificato la biocompatibilità del cristallino.
Parco et al. combinato il supercondensatore a stato solido ricaricabile in modalità wireless con il circuito raddrizzatore, antenna e diodo emettitore di luce (LED) all'interno del layout del soft, lenti a contatto intelligenti. Includevano un'unità di trasferimento di potenza wireless (WPT) nello strato superiore della lente a contatto intelligente e lo strato inferiore conteneva il supercondensatore a stato solido per immagazzinare e utilizzare ripetutamente l'energia elettrica. Il team di ricerca ha integrato il LED come indicatore per rilevare il funzionamento wireless della lente a contatto intelligente. Il fattore di forma a forma di arco ha assicurato la massima densità di energia all'interno delle aree limitate della lente a contatto consentendo la deformabilità quando allungata. Per evitare interferenze con il campo visivo di chi lo indossa, il team ha progettato la lente a contatto intelligente per contenere tutti i componenti al di fuori della pupilla di chi la indossa. Includevano anche una configurazione di elettrodi in piano per ridurre al minimo il guasto improvviso del cortocircuito interno. Parco et al. osservato gli elettrodi risultanti e l'elettrolita a stato solido preparati utilizzando il processo DIW (direct ink writing) con immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM).
SINISTRA:sistema di ricarica wireless. (A) Caratteristiche della carica/scarica wireless per densità di corrente. (B) Profili di carica/scarica wireless in base alla distanza di trasmissione (da 1 a 10 mm). (C) Prestazioni cicliche del sistema di ricarica wireless. (D) Ritenzione di capacità dai numeri ciclici. DESTRA:morbido completamente integrato, sistema di lenti a contatto intelligenti. (A) Illustrazione espansa del software completamente integrato, lenti a contatto intelligenti. (B) Fotografia del soft completamente integrato, lenti a contatto intelligenti. Barra della scala, 1 cm. (C) Schema del circuito del software completamente integrato, lenti a contatto intelligenti. (D) Fotografia del morbido, lente a contatto intelligente su un occhio di un manichino. Barra della scala, 1 cm. (E) Immagine IR del morbido, lente a contatto intelligente su un occhio di un manichino. Barra della scala, 1 cm. (F) Immagine IR e fotografia (inserto) durante lo stato di scarica sull'occhio di un occhio di coniglio vivo. Barre della scala, 1 cm. (G) Fotografie di una persona che indossa la tuta da lavoro, lente a contatto intelligente (sinistra, stato di carica; Giusto, stato di scarica con LED acceso). Barre della scala, 2 centimetri. (H) Prove di calore mentre una persona indossa il morbido operativo, lenti a contatto intelligenti. Barra della scala, 2 centimetri. Crediti fotografici:(B e D a F) Jihun Park, Università Yonsei; (S e H) Joohee Kim, Yonsei University.Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay0764
Il team di ricerca ha stampato l'arco a forma di, supercondensatore a stato solido integrato monoliticamente (supercondensatore MIS) direttamente per formare la lente a contatto intelligente introducendo uno strato di imballaggio a base di parylene per impedire la fuoriuscita del materiale costituente negli occhi. Il supercondensatore ha mostrato prestazioni ciclistiche ragionevoli combinate con il sistema di ricarica wireless per un uso a lungo termine. Lo studio ha formato un primo rapporto su una lente a contatto intelligente integrata con una fonte di alimentazione con prestazioni elettrochimiche sostenibili.
Parco et al. quindi progettato il circuito di trasferimento di potenza wireless (WPT) per caricare il supercondensatore. Il circuito WPT sottostante ha mostrato una buona elasticità meccanica e stabilità chimica per sopportare una varietà di stimolazioni. Il circuito presentava un degrado trascurabile nelle sue prestazioni elettriche anche durante il suo stato di allungamento, adatto per lenti a contatto flessibili e morbide. Il team di ricerca ha caratterizzato il supercondensatore e il sistema WPT utilizzando processi di ricarica wireless/scarica galvanostatica e ha caricato completamente il supercondensatore utilizzando condizioni di ricarica wireless in un tempo relativamente breve (240 secondi). Il sistema wireless ha fornito prestazioni affidabili su più cicli per lenti a contatto intelligenti, adatte per un uso a lungo termine.
Video clip che mostra la procedura di erogazione basata su DIW dell'inchiostro dell'elettrodo sul substrato della lente a contatto intelligente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay0764
Il sistema completo di lenti a contatto morbide conteneva quindi un supercondensatore ricaricabile in modalità wireless, antenna, circuito raddrizzatore e LED uniti in forma estensibile. Dopo aver assimilato gli strati, gli scienziati hanno incapsulato i componenti elettronici in un elastomero di silicone come materiale per lenti a contatto morbide disponibile in commercio modellato nella forma di una lente a contatto. Quando guidato in modalità wireless, il LED incorporato indicava lo stato di carica e scarica wireless. Il team di ricerca ha prima testato il dispositivo sull'occhio di un manichino e ha monitorato la generazione di calore durante il funzionamento wireless dell'obiettivo utilizzando una telecamera a infrarossi (IR). I risultati hanno indicato l'affidabilità delle lenti a contatto intelligenti contro le radiazioni termiche o elettromagnetiche. Durante i test traslazionali in vivo, i ricercatori hanno facilitato la lente a contatto sull'occhio di un coniglio vivo per un funzionamento affidabile senza effetti collaterali evidenti o generazione di calore improvvisa. Durante le successive prove pilota umane su un occhio umano, Parco et al. testato tutte le funzioni, inclusa l'operazione di carica/scarica wireless del supercondensatore e del LED. I risultati sono stati fattibili con funzionalità wireless come previsto e senza reazioni avverse.
Video clip che mostra il test di generazione di calore indossando la morbida, lenti a contatto intelligenti sull'occhio umano. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aay0764
In questo modo, Jihun Park e colleghi hanno progettato un morbido, lente a contatto intelligente per caricare un supercondensatore in modalità wireless per il funzionamento continuo. Hanno incorporato i componenti elettronici tra cui un'antenna estensibile, circuiti raddrizzatori, LED e un supercondensatore per formare il morbido, lenti a contatto intelligenti senza ostruire la vista di chi le indossa durante l'uso. Hanno condotto molti test di stabilità per l'uso a lungo termine del morbido, lenti a contatto intelligenti. Gli studi pilota sull'uomo e gli studi traslazionali con conigli vivi hanno verificato una buona biocompatibilità. Il team di ricerca prevede di utilizzare la piattaforma come un miniaturizzato, dispositivo elettronico indossabile con funzione continua.
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