Den snabba utvecklingen av elektronik och AI-verktyg (artificiell intelligens) har öppnat intressanta möjligheter för utveckling av teknik för en rad olika tillämpningar. Bland dessa finns implanterbara enheter som är utformade för att stödja behandlingen av medicinska tillstånd, övervaka biologiska processer eller öka människans förmågor.
Forskare vid Seoul National University, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Konkuk University och Hanyang University skapade nyligen en ny hydrogel baserad på en ren ledande polymer som kan användas för att skapa biokompatibla enheter.
Denna hydrogel, som presenteras i en artikel i Nature Electronics, kan vara lättare att producera och skräddarsy för specifika tillämpningar än andra liknande material som utvecklats tidigare.
”Elektronik som implanteras direkt i kroppen kan ännu inte undkomma konventionella hårda material, så biverkningar som immunsvar som orsakas av mekaniska felmatchningar med mjuka biologiska vävnader är kritiska risker vid långvarig implantation”, säger Seung Hwan Ko, medförfattare till artikeln, till Tech Xplore.
”För att lösa detta problem utvecklas elektronik med hjälp av mjuka material som har liknande egenskaper som våra kroppar (t.ex. låg Young-modul, hög vattenhalt), men de har begränsningar i form av dålig enhetsprestanda och svag mekanisk stabilitet i våta fysiologiska miljöer.”
Ko och hans medarbetare har i mer än fem år utvecklat nya mjuka material med hjälp av olika bearbetningstekniker som kan säkerställa deras stabilitet i våta miljöer, t.ex. inuti människokroppen.
Deras senaste arbeten fokuserade särskilt på hydrogeler, artificiella material som är mest lika människokroppen, eftersom de kännetecknas av en låg s.k. Youngs modul (dvs. förmågan att motstå längdförändringar när en kraft appliceras) och hög vattenhalt.
”För att säkerställa den höga elektriska ledningsförmågan hos ledande hydrogeler använde vi inga isolerande polymerer, utan behandlade istället endast den rena ledande polymeren (PEDOT:PSS)”, förklarar Ko.
”De primära målen för vår forskning var att tillverka extremt stabila elektroniska enheter med ledande hydrogeler, att säkerställa att hydrogelenhetens elektriska prestanda kraftigt överstiger nuvarande enheter och att förverkliga dessa egenskaper i mikroskala med enkla processer.”
I en tidigare artikel som publicerades 2022 hade forskarna introducerat en process för mikromönstring av ledande hydrogeler, vilket innebär laserinducerad separation av PEDOT:PSS.
Tjocka och mörka PEDOT:PSS kunde dock lätt absorbera synligt ljus i de flesta våglängder, och därmed fann de att deras föreslagna teknik misslyckades med att leverera fototermisk energi till substraten och inte kunde skapa starka bindningar.
”Tillsammans med vårt papper 2022 fanns det rådande oro för att de flesta befintliga ledande hydrogelelektronik inte skulle övervinna begränsningen av praktisk användning på grund av lätt delaminering från substraten inuti de våta kropparna”, säger Ko. ”I vår nya artikel har vi fått inspiration till att lösa detta problem vid ’gränssnittet’. Tanken var att skapa direkta bindningar mellan PEDOT:PSS och substratet genom att koncentrera den fototermiska energin från lasern vid gränssnittet.”
Eftersom de flesta mjuka polymersubstrat kan släppa igenom det mesta av det synliga ljuset bestämde sig Ko och hans kollegor för att vända på PEDOT:PSS-belagda transparenta substrat och bestråla dem med en 532 nm laserstråle. Denna stråle sändes genom det transparenta substratet, vilket gjorde att polymeren PEDOT:PSS kunde absorbera den och generera koncentrerad fototermisk energi vid gränssnittet mot substratet.
”Genom att därefter sänka ner det laserbehandlade provet i vatten förblir endast det laserbehandlade området mycket stabilt i vatten på grund av fasseparationen av PEDOT:PSS och den starka bindningen till substraten”, säger Ko. ”Dessa unika PEDOT:PSS-mönster blir ledande hydrogeler som kan innehålla mer än 80% vatten och består endast av ren ledande polymer, vilket säkerställer hög ledningsförmåga på mer än 100 S/cm.”
Den laserassisterade mikromönstringsstrategi som forskarna använder innebär endast laserbestrålning, vilket eliminerar behovet av komplexa förbehandlingssteg. Det enda som krävs är noggrann torkning av PEDOT:PSS på polymersubstrat och väldefinierade laserskanningsförhållanden.
”I princip gjuter vi PEDOT:PSS-lösningen på olika polymersubstrat och torkar den väl”, säger Ko. ”Sedan bestrålas de transparenta substraten med rätt parametrar för laserstrålen, vilket inducerar fasseparation av PEDOT:PSS och skapar starka bindningar med substratet. Dessutom kan fasseparationen av PEDOT:PSS ökas ytterligare för att förbättra den elektriska ledningsförmågan, och efterbehandling med olika organiska lösningsmedel är möjlig.”
Som en del av sin senaste studie behandlade forskarna specifikt sin hydrogel med etylenglykol. Med hjälp av den föreslagna strategin framställde de ett hydrogelmönster med en upplösning på 5 μm, vilket är jämförbart med den upplösning som uppnås med hjälp av fotolitografiteknik.
”Olika lösningsbaserade processer kan också enkelt mönstra ledande hydrogeler”, säger Ko. ”Vanligtvis syntetiseras ledande hydrogeler i lösligt tillstånd eller görs till blandningar, så att de mönstras genom olika lösningsprocesser som 3D-utskrift, bläckstråleskrivare och screentryck. Dessa processer har begränsningar i rumslig upplösning över 100 mikrometer på grund av vätskespridningseffekter.”
En av de mest avancerade metoderna för högupplöst mönstring av hydrogeler är fotolitografi. Även om denna teknik kan ge god upplösning kräver den också komplexa och dyra tillverkningsprocesser, utan att polymerernas starka bindning till substraten kan garanteras.
”Normalt anses mjuk hydrogelelektronik vara mycket bräcklig, och det har funnits en tyst överenskommelse inom forskningsfältet om att det är för tidigt för praktiska tillämpningar”, säger Ko. ”Dessutom var det oklart om ledande hydrogelmikroelektroder kunde användas i praktiken för långvarig implantation på grund av den kritiska risken för delaminering på grund av deras vattenrika egenskaper.
”Vårt arbete är av stor betydelse eftersom vi har visat att mikroelektronik som tillverkats enbart med rena ledande hydrogeler fäster på olika kommersiella polymersubstrat med hög bindningskraft och kan användas stabilt under långa perioder.”
I de inledande testerna uppnådde den hydrogel som Ko och hans kollegor tillverkat anmärkningsvärda resultat, med god vidhäftningsförmåga och stabilitet i våta förhållanden. Dessutom fann de att hydrogelen behöll sin bindningsstyrka även efter stark ultraljudsrengöring, vilket kan vara fördelaktigt för utvecklingen av implanterbara enheter.
”Mekanismen bakom denna starka bindning undersöktes genom olika djupgående analyser av gränssnitten”, säger Ko. ”Vi tror att vår forskning kommer att ge goda insikter i olika elektroniska applikationer som används i våta miljöer.”
Forskargruppens senaste studie kan snart bana väg för utvecklingen av ny elektronik som kan fungera inuti människokroppen. Ko och hans kollegor har redan börjat använda sin mikropatterningsteknik för att tillverka biokompatibla elektroniska komponenter av mjuk hydrogel.
”Inom ramen för nästa forskningsprojekt planerar vi att identifiera specifika kliniska tillämpningar där vår mjuka elektronik kan användas på ett tillförlitligt sätt”, säger Ko. ”En av de stora fördelarna med vår process är dessutom dess snabba processhastighet. Den möjliggör snabb prototyptillverkning av enheter som svar på olika organ med olika former. Därför planerar vi att utveckla hydrogelmikroelektronik som kan användas på små organ som kräver formoptimering.”
Ytterligare information: Daeyeon Won et al, Laser-induced wet stability and adhesion of pure conducting polymer hydrogels, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01161-9
