Un estudio reciente publicado en Nature Electronics analiza las interfaces estirables de grafeno-hidrogel para bioelectrónica portátil e implantable.
Los nanocompuestos estirables y conductores con características mecánicamente suaves, delgadas y biocompatibles desempeñan un papel vital en el desarrollo de dispositivos portátiles similares a la piel, robots blandos inteligentes y bioelectrónica implantable.
Aunque se ha informado que varias estrategias de diseño que involucran ingeniería de superficies superan el desajuste mecánico entre los electrodos frágiles y los polímeros estirables, todavía es un desafío lograr la integración monolítica de varios componentes con diversas funcionalidades utilizando los nanocompuestos conductores estirables ultrafinos actuales. Esto se atribuye a la falta de sistemas de nanomateriales conductores adecuados y compatibles con estrategias de creación de patrones sencillas.
El grafeno inducido por láser (LIG), generalmente derivado de la irradiación láser de poliimida (PI), tiene varias ventajas distintas, como procesos sencillos de creación de patrones digitales, compatibilidad con enfoques de transferencia de patrones, así como características físicas y químicas ajustables para producir diversos sensores portátiles. .
Sin embargo, estos dispositivos multifuncionales se construyen sobre sustratos de PI flexibles o películas elásticas relativamente gruesas debido a las limitaciones mecánicas en la transferencia de LIG a elastómeros blandos. Además, el desajuste mecánico entre la frágil LIG y el polímero elástico dificulta la capacidad de estiramiento de los nanocompuestos conductores.
Los autores del artículo describen un nanocompuesto elástico ultrafino a base de hidrogel LIG para bioelectrónica implantable y en la piel multifuncional. Se propone una nueva estrategia para crear un nanocompuesto basado en LIG con patrón ultrafino, que se forma transfiriendo LIG criogénicamente (77 K) a una película de hidrogel (espesor mínimo de 1,0 μm). Luego se aborda el desajuste mecánico entre el frágil LIG y el polímero elástico, que emplea el hidrogel como interfaz de disipación de energía y ruta eléctrica fuera del plano.
Se pueden inducir grietas continuamente desviadas en el LIG, lo que lleva a una mejora de más de cinco veces en la capacidad de estiramiento intrínseca. En general, esta investigación proporciona una estrategia viable para construir nanocompuestos elásticos ultrafinos basados en hidrogel de carbono para sistemas de sensores integrados, lo que permite diversas aplicaciones en bioelectrónica portátil/implantable e interacciones hombre-máquina.
Kaichen Xu, autor correspondiente, señaló:"El método de transferencia LIG convencional requiere un espesor mucho mayor (>45 μm) de elastómeros o cintas adhesivas para proporcionar una fuerte fuerza interfacial durante el proceso de despegado, lo que dificulta las aplicaciones de bioelectrónica conformada. Las restricciones mecánicas en la transferencia de LIG a elastómeros se superan mediante un enfoque de transferencia criogénica a -196 ℃ utilizando un hidrogel de alcohol polivinílico/ácido fítico/miel (PPH) ultrafino y adhesivo."
Durante el proceso de enfriamiento rápido, la energía de unión interfacial entre el grafeno poroso defectuoso y el agua cristalizada dentro del hidrogel aumenta, como lo ilustran los cálculos de dinámica molecular (MD). Un aumento tan espectacular en la fuerza de unión superficial a 77 K también se registró en la prueba de pelado de 180°. La fuerza de pelado transitoria máxima de 160 N m -1 a 77 K, que era mucho más alto que eso (<10 N m -1 ) procedente de la adhesión autóloga de PPH a temperatura ambiente.
Además, la estrategia de transferencia criogénica propuesta permitió la transferencia de LIG a otros tipos de hidrogeles adhesivos o no adhesivos, lo que indica la universalidad de esta tecnología de transferencia. Sin embargo, sólo el hidrogel adhesivo formó una interfaz de unión mecánicamente estable, especialmente bajo tensión de tracción.
A través de la sencilla técnica de escritura directa por láser y transferencia criogénica, los componentes del sensor multimodal se integran como una hoja de sensor portátil multifuncional para el monitoreo in vitro en la piel. Además, las características ultrafinas y biocompatibles de los nanocompuestos basados en LIG con micromodelos permiten un contacto perfecto con el corazón de ratas Sprague Dawley (SD) para rastrear in situ las señales cardíacas.
Más información: Yuyao Lu et al, Interfaces estirables de grafeno-hidrogel para bioelectrónica portátil e implantable, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01091-y
Información de la revista: Electrónica de la naturaleza
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