La miniaturizzazione della tecnologia dei sensori microelettronici, robot microelettronici o impianti intravascolari sta progredendo rapidamente. Però, pone anche grandi sfide per la ricerca. Uno dei più grandi è lo sviluppo di dispositivi di accumulo di energia minuscoli ma efficienti che consentono il funzionamento di microsistemi che funzionano in modo autonomo, ad esempio in aree sempre più piccole del corpo umano. Inoltre, questi dispositivi di accumulo di energia devono essere biocompatibili se devono essere utilizzati nel corpo. Ora c'è un prototipo che combina queste proprietà essenziali. La svolta è stata ottenuta da un team di ricerca internazionale guidato dal Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Professore di Sistemi di materiali per la nanoelettronica presso la Chemnitz University of Technology, iniziatore del Centro per i Materiali, Architetture e integrazione di nanomembrane (MAIN) presso la Chemnitz University of Technology e direttore presso il Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) di Dresda. Anche l'Istituto Leibniz per la ricerca sui polimeri di Dresda (IPF) è stato coinvolto nello studio come partner di cooperazione.

Nel numero attuale di Comunicazioni sulla natura , i ricercatori riferiscono sui microsupercondensatori più piccoli fino ad oggi, che funziona già nei vasi sanguigni (artificiali) e può essere utilizzato come fonte di energia per un minuscolo sistema di sensori per misurare il pH.

Questo sistema di archiviazione apre possibilità per impianti intravascolari e sistemi microrobotici per la biomedicina di nuova generazione che potrebbero operare in piccoli spazi difficili da raggiungere all'interno del corpo umano. Per esempio, il rilevamento in tempo reale del pH del sangue può aiutare a prevedere la crescita precoce del tumore. "È estremamente incoraggiante vedere come nuovi, estremamente flessibile, e la microelettronica adattiva sta entrando nel mondo miniaturizzato dei sistemi biologici, " dice il capo del gruppo di ricerca Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, che è estremamente soddisfatto del successo di questa ricerca.

La fabbricazione dei campioni e l'indagine sul biosupercondensatore sono state in gran parte effettuate presso il Centro di ricerca MAIN dell'Università di tecnologia di Chemnitz.

"L'architettura dei nostri supercondensatori nano-bio offre la prima potenziale soluzione a una delle più grandi sfide:piccoli dispositivi di accumulo di energia integrato che consentono il funzionamento autosufficiente di microsistemi multifunzionali, "dice il dottor Vineeth Kumar, ricercatore nel team del Prof. Schmidt e ricercatore associato presso il centro di ricerca MAIN.

Più piccolo di un granello di polvere:voltaggio paragonabile a una batteria AAA

Dispositivi di accumulo di energia sempre più piccoli nell'intervallo submillimetrico - i cosiddetti "nano-supercondensatori" (nBSC) - per componenti microelettronici ancora più piccoli non sono solo una grande sfida tecnica, però. Questo è perché, di regola, questi supercondensatori non utilizzano materiali biocompatibili ma, Per esempio, elettroliti corrosivi e si scaricano rapidamente in caso di difetti e contaminazioni. Entrambi gli aspetti li rendono inadatti per applicazioni biomediche nel corpo. I cosiddetti "biosupercondensatori (BSC)" offrono una soluzione. Hanno due proprietà eccezionali:sono completamente biocompatibili, il che significa che possono essere utilizzati in fluidi corporei come il sangue e possono essere utilizzati per ulteriori studi medici.

Inoltre, i biosupercondensatori possono compensare il comportamento di autoscarica attraverso reazioni bioelettrochimiche. Così facendo, beneficiano anche delle reazioni del corpo. Questo è perché, oltre alle tipiche reazioni di accumulo di carica di un supercondensatore, Le reazioni enzimatiche redox e le cellule viventi naturalmente presenti nel sangue aumentano le prestazioni del dispositivo del 40%.

Attualmente, i più piccoli di questi dispositivi di accumulo di energia sono più grandi di 3 mm3. Il team del Prof. Oliver Schmidt è ora riuscito a produrre un 3, nBSC tubolare 000 volte più piccolo, quale, con un volume di 0,001 mm3 (1 nanolitro), occupa meno spazio di un granello di polvere e fornisce una tensione di alimentazione fino a 1,6 V per i sensori microelettronici. Questa energia può essere utilizzata per un sistema di sensori nel sangue, Per esempio. Anche il livello di potenza è approssimativamente equivalente alla tensione di una batteria AAA standard, sebbene il flusso di corrente effettivo su queste scale più piccole sia ovviamente significativamente inferiore. La geometria tubolare flessibile del nano-biosupercondensatore fornisce un'efficace autoprotezione contro le deformazioni causate dal sangue pulsante o dalla contrazione muscolare. A pieno regime, il nano-biosupercondensatore presentato può far funzionare un complesso sistema di sensori completamente integrato per misurare il valore del pH nel sangue.

Grazie alla tecnologia della struttura origami:flessibile, robusto, minuscolo

La tecnologia della struttura degli origami prevede il posizionamento dei materiali necessari per i componenti nBSC su una superficie sottilissima sotto un'elevata tensione meccanica. Quando gli strati di materiale vengono successivamente staccati dalla superficie in modo controllato, l'energia di deformazione viene rilasciata e gli strati si avvolgono in dispositivi 3D compatti con elevata precisione e resa (95%). I nano-biosupercondensatori così prodotti sono stati testati in tre soluzioni dette elettroliti:Salina, plasma del sangue, e sangue. In tutti e tre gli elettroliti, lo stoccaggio di energia ha avuto un successo sufficiente, anche se con efficienza variabile. Nel sangue, il nano-biosupercondensatore ha mostrato un'eccellente durata, mantenendo fino al 70% della sua capacità iniziale anche dopo 16 ore. Un separatore a scambio protonico (PES) è stato utilizzato per sopprimere l'autoscarica rapida.

Stabilità delle prestazioni anche in condizioni realistiche

Al fine di mantenere le funzioni naturali del corpo in diverse situazioni, le caratteristiche di flusso del sangue e la pressione nei vasi sono in costante cambiamento. Il flusso sanguigno pulsa e varia a seconda del diametro del vaso e della pressione sanguigna. Qualsiasi sistema impiantabile all'interno del sistema circolatorio deve resistere a queste condizioni fisiologiche mantenendo prestazioni stabili.

Il team ha quindi studiato le prestazioni del loro sviluppo, simile a una galleria del vento, nei cosiddetti canali microfluidici con diametri da 120 a 150 µm (da 0,12 a 0,15 mm) per imitare vasi sanguigni di diverse dimensioni. In questi canali, i ricercatori hanno simulato e testato il comportamento dei loro dispositivi di accumulo di energia in diverse condizioni di flusso e pressione. Hanno scoperto che i nano-biosupercondensatori possono fornire la loro potenza bene e stabilmente in condizioni fisiologicamente rilevanti.

La tecnologia dei sensori autonomi può supportare la diagnostica, come la diagnostica dei tumori

Il potenziale di idrogeno (pH) del sangue è soggetto a fluttuazioni. La misurazione continua del pH può quindi aiutare nella diagnosi precoce dei tumori, Per esempio. Per questo scopo, i ricercatori hanno sviluppato un sensore di pH alimentato con energia dal nano-biosupercondensatore.

La tecnologia del transistor a film sottile (TFT) da 5 µm precedentemente stabilita nel team di ricerca del Prof. Oliver Schmidt potrebbe essere utilizzata per sviluppare un oscillatore ad anello con un'eccezionale flessibilità meccanica, operando a bassa potenza (nW a µW) e alte frequenze (fino a 100MHz).

Per il progetto in corso, il team ha utilizzato un oscillatore ad anello basato su nBSC. Il team ha integrato un BSC sensibile al pH nell'oscillatore ad anello in modo che vi sia un cambiamento nella frequenza di uscita a seconda del pH dell'elettrolita. Questo oscillatore ad anello sensibile al pH è stato anche formato in una geometria 3D tubolare utilizzando la tecnica Origami "Swiss-roll", creando un sistema completamente integrato e ultra-compatto di accumulo di energia e sensore.

Il nucleo interno cavo di questo sistema di micro sensori funge da canale per il plasma sanguigno. Inoltre, tre nBSC collegati in serie al sensore consentono una misurazione del pH particolarmente efficiente e autosufficiente.

Queste proprietà aprono una vasta gamma di possibili applicazioni, per esempio nella diagnostica e nella medicazione.