บาคาร่าเว็บตรง ยืดขีดจำกัด: วัสดุใหม่ผลิตไฟฟ้าชีวภาพแบบยืดหยุ่นสูง นำไฟฟ้าได้สูง

บาคาร่าเว็บตรง ส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร: พอลิเมอร์นำไฟฟ้าที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นได้ช่วยให้สามารถประยุกต์ใช้ไบโออิเล็คทรอนิคส์รวมถึงการบันทึกและการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า เทคโนโลยีด้านสุขภาพที่สวมใส่ได้และฝังได้ช่วยให้สามารถติดตามการวินิจฉัยและติดตามโรค จากระยะไกลได้หลายรูปแบบ ให้การรักษาแบบตั้งโปรแกรมได้อย่างต่อเนื่อง

สำหรับโรคหัวใจหรือจอประสาทตาและแม้กระทั่งฟื้นฟู

ความรู้สึกที่สูญเสียไปผ่านอวัยวะเทียม ทว่าเทคโนโลยีเหล่านี้ถูกจำกัดด้วยองค์ประกอบของวัสดุ เนื่องจากพวกมันใช้วัสดุอิเล็กโทรดแบบแข็งซึ่งมีความเข้ากันได้ทางกลกับเนื้อเยื่ออ่อนอย่างจำกัด และต้องมีลวดลายเพื่อกระตุ้นการยืดตัว ซึ่งจะจำกัดความหนาแน่นของอุปกรณ์

การนำโพลีเมอร์นั้นมีความอ่อนนุ่มในตัว เอาชนะปัญหาความเข้ากันได้ของเนื้อเยื่อ พวกเขายังได้รับประโยชน์จากความจุเชิงปริมาตรขนาดใหญ่ที่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการบันทึกสัญญาณคุณภาพสูงและการฉีดประจุที่เพิ่มขึ้นสำหรับการกระตุ้น แม้จะมีข้อดีเหล่านี้ โพลีเมอร์ที่เป็นตัวนำไฟฟ้าก็ไม่สามารถยืดหดได้จริง และการดัดแปลงทางเคมีที่มีอยู่แล้วซึ่งใช้ในการกระตุ้นการยืดตัวได้ส่งผลให้เกิดค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำเกินไปสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพที่เกี่ยวข้อง

นั่นคือเหตุผลที่นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด

นำโดยZhenan Baoได้ใช้การออกแบบที่มีเหตุผลเพื่อสร้างวัสดุที่มีความนำไฟฟ้าสูง ยืดได้ และมีรูปแบบภาพถ่ายสำหรับใช้ในอิเล็คทรอนิคส์ชีวภาพ โดยเผยแพร่ผลงานของพวกเขาในหัวข้อScience

Yuanwen Jiangผู้เขียนคนแรกของการศึกษากล่าวว่า “เราเป็นคนแรกที่นำการออกแบบโครงสร้างซุปเปอร์โมเลกุลนี้ไปใช้กับโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่น ได้ วิศวกรรมระดับโมเลกุลเพื่อตอบสนองความต้องการการออกแบบที่ซับซ้อน PEDOT:PSS – หรือ poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate – เป็นหนึ่งในพอลิเมอร์ที่นำไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงสุดและได้รับการตรวจสอบมากที่สุดสำหรับใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพ ความพยายามครั้งก่อนในการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางกลของ PEDOT:PSS อาศัยวิธีการผสมกับสารเติมแต่งไอออนิกหรือโมเลกุล แต่เนื่องจากสารเหล่านี้ไม่ได้เชื่อมขวางกับพอลิเมอร์นำไฟฟ้า สารเติมแต่งจึงมักถูกชะล้างออกไปในสภาพแวดล้อมที่เปียกและชีวภาพ ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลงอย่างมาก

“นี่เป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่สำหรับระบบพอลิเมอร์ตัวนำไฟฟ้าเดี่ยวที่จะมีความสามารถในการยืดตัวเชิงกลสูงและการนำไฟฟ้าได้พร้อมๆ กัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเราสร้างไมโครประดิษฐ์พวกมันลงไปถึงขนาดคุณสมบัติระดับเซลล์สำหรับการใช้งานระดับอุปกรณ์จริง” Jiang กล่าว

การออกแบบโพลีเมอร์

โครงข่ายเหนือโมเลกุล: โพลีเมอร์ที่ออกแบบในระดับโมเลกุลช่วยให้อุปกรณ์มีความยืดหยุ่นสูง (มารยาท: Yuanwen Jiang, Yi-Xuan Wang, Jian-Cheng Lai)

เพื่อตอบสนองความท้าทายนี้ Jiang และเพื่อนร่วมงานต้องออกแบบสารเติมแต่งโพลีเมอร์ซูเปอร์โมเลกุลสำหรับโมเลกุล PEDOT:PSS ต่อโมเลกุล โดยสมมุติฐานว่าการยืดตัวสูงจำเป็นต้องมีจุดเชื่อมต่อแบบเคลื่อนที่ซึ่งมีการจัดเรียงที่เป็นไปได้จำนวนมาก พวกเขาออกแบบโครงสร้างโพลีโรแทกเซน (PR) ที่มีวงแหวนไซโคลเดกซ์ทรินที่สามารถ “เลื่อน” ได้อย่างอิสระตามกระดูกสันหลังของโพลีเมอร์ นี่เป็นงานแรกที่จะแนะนำโทโพโลยีหรือการจัดพื้นที่ในการออกแบบพอลิเมอร์ตัวนำไฟฟ้า

นักวิจัยได้ออกแบบเคมีพอลิเมอร์เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดทั้งหมดของการรวมเข้ากับ PEDOT:PSS เพื่อให้สามารถละลายน้ำและเพิ่มปฏิสัมพันธ์กับพอลิเมอร์ตัวนำ พวกเขาใช้พอลิเอทิลีนไกลคอลเป็นแกนหลักและสายด้านข้าง เพื่อแนะนำรูปแบบภาพถ่าย พวกเขาเพิ่มเมทาคริเลตลงบนโซ่ด้านข้าง ทำให้มีขนาดคุณลักษณะ 2µm สุดท้ายนี้ พวกเขาสังเกตเห็นว่าวัสดุอเนกประสงค์นี้สามารถคงอยู่ได้เมื่อได้รับการบำบัดด้วยกรดซัลฟิวริก ซึ่งช่วยเพิ่มการบรรจุโซ่และทำให้การนำไฟฟ้าโดยรวม

วัสดุใหม่นี้ ซึ่งทีมงานเรียกว่า TopoE-S มีประสิทธิภาพเหนือกว่าการดัดแปลง PEDOT: PSS ก่อนหน้านี้ทั้งหมด โดยได้ค่าการนำไฟฟ้าที่เสถียรที่ 6000 S/cm แม้จะใช้งานที่ความเครียดสูงถึง 100%

ขยายผลการแข่งขัน

การออกแบบส่วนต่อประสานไบโออิเล็กทรอนิกส์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานในร่างกาย “เราต้องการการติดต่อที่ดีที่สุดบนอินเทอร์เฟซ เพื่อให้เราสามารถมีคุณภาพสูงสุดหรืออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนในสภาพแวดล้อมแบบไดนามิกที่ท้าทาย” Jiang กล่าว ทีมงานประสบความสำเร็จด้วยวัสดุ TopoE-S

เมื่อเปรียบเทียบกับทอง microcracked ซึ่งเป็นอิเล็กโทรดที่ยืดหยุ่นได้ดีที่สุดชนิดหนึ่ง TopoE-S มีอิมพีแดนซ์ไฟฟ้าเคมีที่ต่ำกว่าในทุกช่วงความถี่ เนื่องจากพื้นที่สัมผัสไฟฟ้าเคมีของ TopoE-S มีขนาดใหญ่กว่ามาก ซึ่งช่วยลดอิมพีแดนซ์ของส่วนต่อประสานได้อย่างมาก คุณสมบัติทั้งหมดเหล่านี้จำเป็นสำหรับการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าพลังงานต่ำ นักวิจัยตั้งข้อสังเกต

อาร์เรย์ TopoE-S สามารถจัดรูปแบบให้เป็นอิเล็กโทรดขนาด 100 µm ในขณะที่คุณสมบัติที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นช่วยให้สามารถยึดติดกับผิวหนังได้ ดังนั้น ทีมงานจึงสามารถประดิษฐ์อุปกรณ์เพื่อดำเนินการ electromyography ที่มีความละเอียดสูง (การวัดกิจกรรมทางไฟฟ้าของกล้ามเนื้อ)

เพื่อแสดงความสามารถของวัสดุขั้นสูงนี้ นักวิจัยหันไปหาหมึกซึ่งเป็นแพลตฟอร์มการทดสอบที่สมบูรณ์แบบเนื่องจากกล้ามเนื้อเสียรูปมาก พวกเขาพบว่าเมื่อกระตุ้นด้วยไฟฟ้าของแขนปลาหมึก อุปกรณ์อิเล็กโตรไมโอกราฟีบันทึกไดนามิกของกิจกรรมของกล้ามเนื้อด้วยอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ดีอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นไปไม่ได้หากใช้โพรบที่เข้มงวดกว่านี้ บาคาร่าเว็บตรง