Un recente studio pubblicato su Nature Electronics discute le interfacce estensibili di grafene-idrogel per la bioelettronica indossabile e impiantabile.

I nanocompositi elastici e conduttivi con caratteristiche meccanicamente morbide, sottili e biocompatibili svolgono un ruolo vitale nello sviluppo di dispositivi indossabili simili alla pelle, robot morbidi intelligenti e bioelettronica impiantabile.

Sebbene sia stato segnalato che diverse strategie di progettazione che coinvolgono l'ingegneria delle superfici superano la discrepanza meccanica tra gli elettrodi fragili e i polimeri estensibili, è ancora difficile realizzare l'integrazione monolitica di vari componenti con diverse funzionalità utilizzando gli attuali nanocompositi conduttivi estensibili ultrasottili. Ciò è attribuito alla mancanza di adeguati sistemi di nanomateriali conduttivi compatibili con strategie di modellazione facili.

Il grafene indotto dal laser (LIG), tipicamente derivato dall'irradiazione laser della poliimmide (PI), presenta vari meriti distinti, come facili processi di modellazione digitale, compatibilità con approcci di trasferimento di modelli, nonché caratteristiche fisiche e chimiche sintonizzabili per produrre diversi sensori indossabili .

Tuttavia, questi dispositivi multifunzionali sono costruiti su substrati PI flessibili o film elastici relativamente spessi a causa delle limitazioni meccaniche nel trasferimento del LIG agli elastomeri morbidi. Inoltre, la discrepanza meccanica tra il fragile LIG e il polimero elastico ostacola l'estensibilità dei nanocompositi conduttivi.

Gli autori dell'articolo descrivono un nanocomposito elastico ultrasottile a base di LIG-idrogel per bioelettronica multifunzionale sulla pelle e impiantabile. Viene proposta una nuova strategia per creare un nanocomposito a base di LIG con motivo ultrasottile, che si forma mediante il trasferimento criogenico (77 K) di LIG su una pellicola di idrogel (spessore minimo di 1,0 μm). Viene quindi affrontata la discrepanza meccanica tra il fragile LIG e il polimero elastico, che utilizza l'idrogel come interfaccia di dissipazione di energia e percorso elettrico fuori piano.

Nel LIG possono essere indotte fessure deflessie continue che portano ad un miglioramento di oltre cinque volte nell'estensibilità intrinseca. Nel complesso, questa ricerca fornisce una strategia praticabile per costruire nanocompositi elastici ultrasottili a base di idrogel di carbonio per sistemi di sensori integrati, consentendo diverse applicazioni nella bioelettronica indossabile/impiantabile e nelle interazioni uomo-macchina.

Kaichen Xu, autore corrispondente, ha osservato:"Il metodo di trasferimento LIG convenzionale richiede uno spessore molto maggiore (>45 μm) di elastomeri o nastri adesivi per fornire una forte forza interfacciale durante il processo di distacco, ostacolando le applicazioni bioelettroniche conformi. Le restrizioni meccaniche nel trasferimento di LIG agli elastomeri vengono superati con un approccio di trasferimento criogenico a –196 ℃ utilizzando un idrogel ultrasottile e adesivo di alcol polivinilico/acido fitico/miele (PPH)."

Durante il processo di raffreddamento rapido, l'energia di legame interfacciale tra il grafene poroso difettoso e l'acqua cristallizzata all'interno dell'idrogel viene migliorata, come illustrato dai calcoli di dinamica molecolare (MD). Un aumento così drammatico della forza legante superficiale a 77 K è stato rilevato anche nel test di peeling a 180°. La forza di pelatura transitoria massima di 160 N m ^-1 a 77 K, che era molto più alto di quello (<10 N m ^-1 ) originato dall'adesione autologa di PPH a temperatura ambiente.

Inoltre, la strategia di trasferimento criogenico proposta ha consentito il trasferimento di LIG su altri tipi di idrogel adesivi o non adesivi, indicando l'universalità di questa tecnologia di trasferimento. Tuttavia, solo l'idrogel adesivo formava un'interfaccia di legame meccanicamente stabile, soprattutto sotto sollecitazione di trazione.

Attraverso la facile scrittura laser diretta e la tecnica di trasferimento criogenico, i componenti del sensore multimodale sono integrati come un foglio sensore indossabile multifunzionale per il monitoraggio in vitro sulla pelle. Inoltre, le caratteristiche ultrasottili e biocompatibili dei nanocompositi micromodellati a base di LIG consentono un contatto continuo con il cuore dei ratti Sprague Dawley (SD) per tracciare i segnali cardiaci in situ.

Ulteriori informazioni: Yuyao Lu et al, Interfacce estensibili di grafene-idrogel per bioelettronica indossabile e impiantabile, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01091-y

Informazioni sul giornale: Elettronica naturale

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