La miniaturización de la tecnología de sensores microelectrónicos, Los robots microelectrónicos o los implantes intravasculares progresan rápidamente. Sin embargo, también plantea importantes desafíos para la investigación. Uno de los más importantes es el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía diminutos pero eficientes que permiten el funcionamiento de microsistemas que funcionan de forma autónoma, en áreas cada vez más pequeñas del cuerpo humano, por ejemplo. Además, estos dispositivos de almacenamiento de energía deben ser biocompatibles si se van a utilizar en el cuerpo. Ahora hay un prototipo que combina estas propiedades esenciales. El gran avance fue logrado por un equipo de investigación internacional dirigido por el Prof.Dr. Oliver G. Schmidt, Cátedra de Sistemas de Materiales para Nanoelectrónica en la Universidad Tecnológica de Chemnitz, iniciador del Centro de Materiales, Arquitecturas e Integración de Nanomembranas (MAIN) en la Universidad Tecnológica de Chemnitz y director del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido (IFW) de Dresde. El Instituto Leibniz de Investigación de Polímeros de Dresde (IPF) también participó en el estudio como socio de cooperación.

En el número actual de Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores informan sobre los microcondensadores más pequeños hasta la fecha, que ya funciona en vasos sanguíneos (artificiales) y se puede utilizar como fuente de energía para un pequeño sistema de sensores para medir el pH.

Este sistema de almacenamiento abre posibilidades para implantes intravasculares y sistemas microrobóticos para biomedicina de próxima generación que podrían operar en espacios pequeños difíciles de alcanzar en el interior del cuerpo humano. Por ejemplo, La detección en tiempo real del pH sanguíneo puede ayudar a predecir el crecimiento temprano del tumor. "Es sumamente alentador ver cuán nuevo, extremadamente flexible, y la microelectrónica adaptativa se está introduciendo en el mundo miniaturizado de los sistemas biológicos, "dice el líder del grupo de investigación, el Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, quien está extremadamente satisfecho con el éxito de esta investigación.

La fabricación de las muestras y la investigación del biosupercondensador se llevaron a cabo en gran parte en el Centro de Investigación MAIN de la Universidad Tecnológica de Chemnitz.

"La arquitectura de nuestros supercondensadores nano-bio ofrece la primera solución potencial a uno de los mayores desafíos:pequeños dispositivos integrados de almacenamiento de energía que permiten el funcionamiento autosuficiente de microsistemas multifuncionales, "dice el Dr. Vineeth Kumar, investigador del equipo del Prof. Schmidt e investigador asociado en el centro de investigación MAIN.

Más pequeño que una mota de polvo:voltaje comparable al de una batería AAA

Los dispositivos de almacenamiento de energía cada vez más pequeños en el rango submilimétrico, los llamados "nano-supercondensadores" (nBSC), para componentes microelectrónicos aún más pequeños no son solo un gran desafío técnico, sin embargo. Esto es porque, como una regla, estos supercondensadores no utilizan materiales biocompatibles pero, por ejemplo, electrolitos corrosivos y se descargan rápidamente en caso de defectos y contaminación. Ambos aspectos los hacen inadecuados para aplicaciones biomédicas en el cuerpo. Los llamados "biosupercondensadores (BSC)" ofrecen una solución. Tienen dos propiedades destacadas:son totalmente biocompatibles, lo que significa que pueden usarse en fluidos corporales como la sangre y pueden usarse para estudios médicos posteriores.

Además, Los biosupercondensadores pueden compensar el comportamiento de autodescarga mediante reacciones bioelectroquímicas. Al hacerlo, incluso se benefician de las propias reacciones del cuerpo. Esto es porque, además de las reacciones típicas de almacenamiento de carga de un supercondensador, Las reacciones enzimáticas redox y las células vivas presentes de forma natural en la sangre aumentan el rendimiento del dispositivo en un 40%.

En la actualidad, los dispositivos de almacenamiento de energía más pequeños miden más de 3 mm3. El equipo del profesor Oliver Schmidt ha logrado producir un 3, 000 veces más pequeño nBSC tubular, cuales, con un volumen de 0,001 mm3 (1 nanolitro), ocupa menos espacio que un grano de polvo y, sin embargo, proporciona una tensión de alimentación de hasta 1,6 V para sensores microelectrónicos. Esta energía se puede utilizar para un sistema sensor en la sangre, por ejemplo. El nivel de potencia también es aproximadamente equivalente al voltaje de una batería AAA estándar, aunque el flujo de corriente real en estas escalas más pequeñas es, por supuesto, significativamente menor. La geometría tubular flexible del nanobiosupercondensador proporciona una autoprotección eficaz contra las deformaciones causadas por la sangre pulsante o la contracción muscular. A plena capacidad, el nanobiosupercondensador presentado puede operar un complejo sistema de sensores totalmente integrado para medir el valor del pH en la sangre.

Gracias a la tecnología de estructura de origami:Flexible, robusto, diminuto

La tecnología de estructura de origami implica colocar los materiales necesarios para los componentes de nBSC en una superficie delgada como una oblea bajo alta tensión mecánica. Cuando las capas de material se desprenden posteriormente de la superficie de manera controlada, la energía de deformación se libera y las capas se enrollan en dispositivos 3D compactos con alta precisión y rendimiento (95%). Los nanobiosupercondensadores producidos de esta manera se probaron en tres soluciones llamadas electrolitos:solución salina, plasma sanguíneo, y sangre. En los tres electrolitos, el almacenamiento de energía fue suficientemente exitoso, aunque con diferente eficiencia. En sangre, el nanobiosupercondensador mostró una excelente vida útil, manteniendo hasta el 70% de su capacidad inicial incluso después de 16 horas. Se utilizó un separador de intercambio de protones (PES) para suprimir la autodescarga rápida.

Estabilidad de rendimiento incluso en condiciones realistas

Para mantener las funciones corporales naturales en diferentes situaciones, las características de flujo de la sangre y la presión en los vasos están en constante cambio. El flujo sanguíneo pulsa y varía según el diámetro de los vasos y la presión arterial. Cualquier sistema implantable dentro del sistema circulatorio debe soportar estas condiciones fisiológicas mientras mantiene un rendimiento estable.

Por lo tanto, el equipo estudió el rendimiento de su desarrollo, similar a un túnel de viento, en los llamados canales de microfluidos con diámetros de 120 a 150 µm (0,12 a 0,15 mm) para imitar vasos sanguíneos de diferentes tamaños. En estos canales, los investigadores simularon y probaron el comportamiento de sus dispositivos de almacenamiento de energía en diferentes condiciones de flujo y presión. Descubrieron que los nanobiosupercondensadores pueden proporcionar su energía de manera adecuada y estable en condiciones fisiológicamente relevantes.

La tecnología de sensores autónomos puede respaldar el diagnóstico, como el diagnóstico de tumores

El potencial de hidrógeno (pH) de la sangre está sujeto a fluctuaciones. La medición continua del pH puede ayudar a la detección temprana de tumores, por ejemplo. Para este propósito, los investigadores desarrollaron un sensor de pH que es suministrado con energía por el nanobiosupercapacitor.

La tecnología de transistor de película fina (TFT) de 5 µm establecida previamente en el equipo de investigación del profesor Oliver Schmidt podría utilizarse para desarrollar un oscilador de anillo con una flexibilidad mecánica excepcional. operando a baja potencia (nW a µW) y altas frecuencias (hasta 100MHz).

Para el proyecto actual, el equipo utilizó un oscilador de anillo basado en nBSC. El equipo integró un BSC sensible al pH en el oscilador de anillo para que haya un cambio en la frecuencia de salida dependiendo del pH del electrolito. Este oscilador de anillo sensible al pH también se formó en una geometría 3D tubular utilizando la técnica de Origami "Swiss-roll", creando un sistema de sensor y almacenamiento de energía totalmente integrado y ultracompacto.

El núcleo interior hueco de este sistema de micro sensor sirve como canal para el plasma sanguíneo. Además, Tres nBSC conectados en serie con el sensor permiten una medición de pH particularmente eficiente y autosuficiente.

Estas propiedades abren una amplia gama de posibles aplicaciones, por ejemplo en diagnóstico y medicación.