20 de enero de 2024
(Proyector Nanowerk) Los dispositivos electrónicos intrincadamente montados sobre la piel humana han cautivado durante mucho tiempo la imaginación científica, tentando a los especialistas al prometer una fusión perfecta entre el hombre y la máquina. Estos circuitos que abrazan la piel podrían desbloquear sensores médicos de una agudeza sin precedentes o extremidades biónicas conectadas al sistema nervioso. Pero a pesar de décadas de investigación diligente, los materiales inadecuados han obstruido el progreso hacia este objetivo visionario.
Ahora, un equipo de científicos de materiales chinos informa sobre un gran avance en la fabricación de películas delgadas como un tejido, ideales para montar componentes electrónicos flexibles. Publicando en Materiales avanzados (“Nanodieléctricos de aramida para pieles electrónicas transparentes ultraconformales”), investigadores de la Universidad de Nankai detallan sus capas de polímero “nanodieléctrico de aramida” adaptadas (denominadas AND) que combinan de manera única un espesor a nanoescala y una flexibilidad similar a la de un ala con una resistente resistencia a tensiones térmicas y químicas que arruinarían películas más frágiles.
Con sólo 100 nanómetros de espesor (miles de veces más delgadas que un cabello humano), las películas AND combinan una alta resistencia con una fácil adherencia a la piel. También son transparentes, transpirables y pueden soportar temperaturas superiores a los 300 °C.
Demostración de electrónica ultraconformable basada en AND. a) La estructura jerárquica de las fibras de aramida. b) Ilustraciones esquemáticas del proceso de fabricación y autodelaminación de los dispositivos. c) Fotografía de los dispositivos sobre AND fabricados sobre una oblea de silicio de 3 pulgadas. d) Fotografía que muestra el proceso de autodelaminación de los AND. e,f) Fotografías de la electrónica ultraconformal basada en AND transferidas a e) piel humana yf) una hoja. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag)
"Para aplicaciones emergentes como la bioelectrónica, el contacto conformado con la superficie local permite la adquisición precisa de señales y comodidad", explica el autor principal, el Dr. Jian Zhu, científico de materiales de la Universidad de Nankai. "Nuestras películas AND pueden permitir que la electrónica similar a la piel se adapte íntimamente a la intrincada textura topológica de la piel humana".
La visión de la electrónica fusionándose perfectamente con la fisiología humana ha impulsado una intensa investigación durante décadas. También apodado 'electrónica epidérmica', el concepto saltó a la conciencia popular en 2011 cuando el ingeniero biomédico John Rogers de la Universidad de Illinois presentó dispositivos de "tatuaje epidérmico de transferencia temporal" que se adhieren directamente a la piel y detectan el movimiento y la frecuencia cardíaca. Pero estos primeros diseños enfrentaban limitaciones, como una posible irritación de la piel durante el uso a largo plazo.
El desafío crucial ha sido idear materiales suficientemente delgados pero duraderos que puedan soportar componentes electrónicos mientras se flexionan imperceptiblemente sobre la piel. Los elastómeros proporcionan elasticidad pero mínima transpirabilidad. Las películas poliméricas como el parileno destacan como aislantes, pero resultan difíciles de manipular a nanoescala. Otras opciones, como la poliimida, requieren un procesamiento químico complejo utilizando capas de sacrificio inestables.
Los investigadores de Nankai adoptaron un enfoque poco convencional y obtuvieron su nanodieléctrico a partir de un polímero de aramida, el mismo material resistente que se utiliza en los chalecos antibalas de Kevlar. Llaman a las películas AND.
"Nuestro nanodieléctrico de aramida es muy prometedor como dieléctrico para la futura electrónica similar a la piel", afirma Zhu.
El equipo exfolia la aramida en nanofibras de solo 10 nanómetros de ancho y las recubre por rotación en películas de espesor personalizado. El enlace intermolecular notablemente fuerte dentro de las cadenas de polímero mejora la adhesión y la resistencia al calor mientras mantiene las capas delgadas como una oblea. Los AND también pueden ser transparentes y permeables al vapor de agua, lo que los convierte en sustratos ideales para parches biosensores transdérmicos.
"Las películas AND son mecánicamente fuertes, pero dóciles, suaves y transparentes", dice Zhu. "También son químicamente inertes, térmicamente estables hasta 300 °C y se pueden separar automáticamente de los sustratos de procesamiento sin disolventes de grabado".
Para demostrar la viabilidad en el mundo real, los investigadores construyeron dos dispositivos muy diferentes utilizando películas AND. Uno de ellos son los electrodos inmunes al sudor para la monitorización precisa de señales electrofisiológicas como la electromiografía y la electrocardiografía. el otro es flexible Microprocesadores de transistores de efecto de campo. Lo suficientemente delgado como para envolver cabellos humanos sin pérdida de rendimiento.
Los electrodos de nanocables de plata montados en la piel con películas AND registraron con éxito la actividad muscular y cardíaca incluso cuando los sujetos de prueba sudaban profusamente o se duchaban. Los electrodos de gel convencionales fallaron en condiciones tales como el sudor degrada la conductividad. Los investigadores atribuyen un rendimiento superior a la transpirabilidad y evitan la acumulación de sudor debajo de los detectores. Las mediciones cuantitativas mostraron que las películas AND de 100 nm tenían una tasa de transmisión de vapor de agua superior al 90% de la exposición al aire libre.
Mientras tanto, los transistores de efecto de campo, con películas AND que sirven simultáneamente como dieléctrico de puerta y sustrato, mostraron excelentes propiedades electrónicas como funcionamiento de bajo voltaje de hasta solo 4 V, movilidades de 40 cm.2/Vs, y ratios on/off superiores a 100,000. Y soportaron flexiones extremas hasta circunferencias más pequeñas que un cabello humano sin daños aparentes ni disminución del rendimiento.
"Los transistores ultraflexibles pueden funcionar correctamente cuando se envuelven alrededor del cabello humano sin que se degrade su rendimiento", señala Zhu.
Zhu afirma que la mayoría de los dispositivos electrónicos cutáneos existentes se basan en técnicas de nanofabricación no estándar, demasiado personalizadas para la fabricación a gran escala, esenciales para la adopción médica generalizada. Pero la adaptabilidad de las películas AND a los flujos de trabajo litográficos convencionales supera este obstáculo.
"Nuestro enfoque a escala de oblea permite la producción en masa y la integración con métodos modernos de fabricación de productos electrónicos", explica.
Aunque aún queda mucho por hacer antes de que los pacientes se beneficien de los avances prometidos por la electrónica flexible, Zhu adopta un tono de moderado optimismo.
"Prevemos que los nanodieléctricos de aramida transformarán la biónica y los dispositivos médicos miniaturizados de próxima generación", afirma. “Llevar esta tecnología del ámbito de la ciencia ficción a la realidad clínica podría tener un profundo impacto en la salud humana.
Demostración de electrónica ultraconformable basada en AND. a) La estructura jerárquica de las fibras de aramida. b) Ilustraciones esquemáticas del proceso de fabricación y autodelaminación de los dispositivos. c) Fotografía de los dispositivos sobre AND fabricados sobre una oblea de silicio de 3 pulgadas. d) Fotografía que muestra el proceso de autodelaminación de los AND. e,f) Fotografías de la electrónica ultraconformal basada en AND transferidas a e) piel humana yf) una hoja. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag)
"Para aplicaciones emergentes como la bioelectrónica, el contacto conformado con la superficie local permite la adquisición precisa de señales y comodidad", explica el autor principal, el Dr. Jian Zhu, científico de materiales de la Universidad de Nankai. "Nuestras películas AND pueden permitir que la electrónica similar a la piel se adapte íntimamente a la intrincada textura topológica de la piel humana".
La visión de la electrónica fusionándose perfectamente con la fisiología humana ha impulsado una intensa investigación durante décadas. También apodado 'electrónica epidérmica', el concepto saltó a la conciencia popular en 2011 cuando el ingeniero biomédico John Rogers de la Universidad de Illinois presentó dispositivos de "tatuaje epidérmico de transferencia temporal" que se adhieren directamente a la piel y detectan el movimiento y la frecuencia cardíaca. Pero estos primeros diseños enfrentaban limitaciones, como una posible irritación de la piel durante el uso a largo plazo.
El desafío crucial ha sido idear materiales suficientemente delgados pero duraderos que puedan soportar componentes electrónicos mientras se flexionan imperceptiblemente sobre la piel. Los elastómeros proporcionan elasticidad pero mínima transpirabilidad. Las películas poliméricas como el parileno destacan como aislantes, pero resultan difíciles de manipular a nanoescala. Otras opciones, como la poliimida, requieren un procesamiento químico complejo utilizando capas de sacrificio inestables.
Los investigadores de Nankai adoptaron un enfoque poco convencional y obtuvieron su nanodieléctrico a partir de un polímero de aramida, el mismo material resistente que se utiliza en los chalecos antibalas de Kevlar. Llaman a las películas AND.
"Nuestro nanodieléctrico de aramida es muy prometedor como dieléctrico para la futura electrónica similar a la piel", afirma Zhu.
El equipo exfolia la aramida en nanofibras de solo 10 nanómetros de ancho y las recubre por rotación en películas de espesor personalizado. El enlace intermolecular notablemente fuerte dentro de las cadenas de polímero mejora la adhesión y la resistencia al calor mientras mantiene las capas delgadas como una oblea. Los AND también pueden ser transparentes y permeables al vapor de agua, lo que los convierte en sustratos ideales para parches biosensores transdérmicos.
"Las películas AND son mecánicamente fuertes, pero dóciles, suaves y transparentes", dice Zhu. "También son químicamente inertes, térmicamente estables hasta 300 °C y se pueden separar automáticamente de los sustratos de procesamiento sin disolventes de grabado".
Para demostrar la viabilidad en el mundo real, los investigadores construyeron dos dispositivos muy diferentes utilizando películas AND. Uno de ellos son los electrodos inmunes al sudor para la monitorización precisa de señales electrofisiológicas como la electromiografía y la electrocardiografía. el otro es flexible Microprocesadores de transistores de efecto de campo. Lo suficientemente delgado como para envolver cabellos humanos sin pérdida de rendimiento.
Los electrodos de nanocables de plata montados en la piel con películas AND registraron con éxito la actividad muscular y cardíaca incluso cuando los sujetos de prueba sudaban profusamente o se duchaban. Los electrodos de gel convencionales fallaron en condiciones tales como el sudor degrada la conductividad. Los investigadores atribuyen un rendimiento superior a la transpirabilidad y evitan la acumulación de sudor debajo de los detectores. Las mediciones cuantitativas mostraron que las películas AND de 100 nm tenían una tasa de transmisión de vapor de agua superior al 90% de la exposición al aire libre.
Mientras tanto, los transistores de efecto de campo, con películas AND que sirven simultáneamente como dieléctrico de puerta y sustrato, mostraron excelentes propiedades electrónicas como funcionamiento de bajo voltaje de hasta solo 4 V, movilidades de 40 cm.2/Vs, y ratios on/off superiores a 100,000. Y soportaron flexiones extremas hasta circunferencias más pequeñas que un cabello humano sin daños aparentes ni disminución del rendimiento.
"Los transistores ultraflexibles pueden funcionar correctamente cuando se envuelven alrededor del cabello humano sin que se degrade su rendimiento", señala Zhu.
Zhu afirma que la mayoría de los dispositivos electrónicos cutáneos existentes se basan en técnicas de nanofabricación no estándar, demasiado personalizadas para la fabricación a gran escala, esenciales para la adopción médica generalizada. Pero la adaptabilidad de las películas AND a los flujos de trabajo litográficos convencionales supera este obstáculo.
"Nuestro enfoque a escala de oblea permite la producción en masa y la integración con métodos modernos de fabricación de productos electrónicos", explica.
Aunque aún queda mucho por hacer antes de que los pacientes se beneficien de los avances prometidos por la electrónica flexible, Zhu adopta un tono de moderado optimismo.
"Prevemos que los nanodieléctricos de aramida transformarán la biónica y los dispositivos médicos miniaturizados de próxima generación", afirma. “Llevar esta tecnología del ámbito de la ciencia ficción a la realidad clínica podría tener un profundo impacto en la salud humana.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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