A miniaturização da tecnologia de sensores microeletrônicos, robôs microeletrônicos ou implantes intravasculares estão progredindo rapidamente. Contudo, também apresenta grandes desafios para a pesquisa. Um dos maiores é o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia minúsculos, mas eficientes, que permitem a operação de microssistemas de funcionamento autônomo - em cada vez mais áreas menores do corpo humano, por exemplo. Além disso, esses dispositivos de armazenamento de energia devem ser biocompatíveis para que possam ser usados ​​no corpo. Agora existe um protótipo que combina essas propriedades essenciais. O avanço foi alcançado por uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Professora de Sistemas de Materiais para Nanoeletrônica na Universidade de Tecnologia de Chemnitz, iniciador do Centro de Materiais, Arquiteturas e Integração de Nanomembranas (MAIN) na Universidade de Tecnologia de Chemnitz e diretor do Instituto Leibniz para Pesquisa em Estado Sólido e Materiais (IFW) Dresden. O Instituto Leibniz de Pesquisa de Polímeros de Dresden (IPF) também participou do estudo como parceiro de cooperação.

Na edição atual de Nature Communications , os pesquisadores relatam sobre os menores microssupercapacitores até hoje, que já funciona em vasos sanguíneos (artificiais) e pode ser usado como uma fonte de energia para um minúsculo sistema de sensor para medir o pH.

Este sistema de armazenamento abre possibilidades para implantes intravasculares e sistemas microrobóticos para biomedicina de última geração que podem operar em pequenos espaços de difícil acesso nas profundezas do corpo humano. Por exemplo, a detecção em tempo real do pH do sangue pode ajudar a prever o crescimento inicial do tumor. "É extremamente encorajador ver como é novo, extremamente flexível, e a microeletrônica adaptativa está entrando no mundo miniaturizado dos sistemas biológicos, "diz o líder do grupo de pesquisa, Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, que está extremamente satisfeito com o sucesso desta pesquisa.

A fabricação das amostras e a investigação do biossupercapacitor foram amplamente realizadas no Centro de Pesquisa MAIN da Universidade de Tecnologia de Chemnitz.

"A arquitetura de nossos supercapacitores nano-bio oferece a primeira solução potencial para um dos maiores desafios - pequenos dispositivos integrados de armazenamento de energia que permitem a operação autossuficiente de microssistemas multifuncionais, "diz o Dr. Vineeth Kumar, pesquisador da equipe do Prof. Schmidt e pesquisador associado do centro de pesquisa MAIN.

Menor do que uma partícula de poeira - voltagem comparável a uma bateria AAA

Dispositivos de armazenamento de energia cada vez menores na faixa submilímetro - chamados de "nano-supercapacitores" (nBSC) - para componentes microeletrônicos ainda menores não são apenas um grande desafio técnico, Contudo. Isto é porque, como uma regra, esses supercondensadores não usam materiais biocompatíveis, mas, por exemplo, eletrólitos corrosivos e se descarregam rapidamente em caso de defeitos e contaminação. Ambos os aspectos os tornam inadequados para aplicações biomédicas no corpo. Os chamados "biossupercapacitores (BSCs)" oferecem uma solução. Eles têm duas propriedades excelentes:são totalmente biocompatíveis, o que significa que eles podem ser usados ​​em fluidos corporais, como sangue, e podem ser usados ​​para estudos médicos adicionais.

Além disso, Os biossupercapacitores podem compensar o comportamento de autodescarga por meio de reações bioeletroquímicas. Ao fazer isso, eles até se beneficiam das reações do próprio corpo. Isto é porque, além das reações típicas de armazenamento de carga de um supercapacitor, Reações enzimáticas redox e células vivas naturalmente presentes no sangue aumentam o desempenho do dispositivo em 40%.

Atualmente, os menores dispositivos de armazenamento de energia são maiores do que 3 mm3. A equipe do Prof. Oliver Schmidt agora conseguiu produzir um 3, NBSC tubular 000 vezes menor, que, com um volume de 0,001 mm3 (1 nanolitro), ocupa menos espaço do que um grão de poeira e ainda fornece tensão de alimentação de até 1,6 V para sensores microeletrônicos. Esta energia pode ser usada para um sistema de sensor no sangue, por exemplo. O nível de energia também é aproximadamente equivalente à voltagem de uma bateria AAA padrão, embora o fluxo de corrente real nessas escalas menores seja significativamente menor. A geometria tubular flexível do nano-biossupercapacitor fornece autoproteção eficiente contra deformações causadas por sangue pulsante ou contração muscular. Em plena capacidade, o nano-biossupercapacitor apresentado pode operar um sistema de sensor complexo totalmente integrado para medir o valor de pH no sangue.

Graças à tecnologia de estrutura de origami:flexível, robusto, pequeno

A tecnologia de estrutura de origami envolve a colocação dos materiais necessários para os componentes do nBSC em uma superfície fina como uma bolacha sob alta tensão mecânica. Quando as camadas de material são posteriormente destacadas da superfície de maneira controlada, a energia de deformação é liberada e as camadas se enrolam em dispositivos 3D compactos com alta precisão e rendimento (95%). Os nano-biossupercapacitores produzidos desta forma foram testados em três soluções denominadas eletrólitos:Salina, plasma sanguíneo, e sangue. Em todos os três eletrólitos, o armazenamento de energia foi suficientemente bem sucedido, embora com eficiência variável. Em sangue, o nano-biossupercapacitor mostrou excelente vida útil, mantendo até 70% de sua capacidade inicial, mesmo após 16 horas. Um separador de troca de prótons (PES) foi usado para suprimir a rápida autodescarga.

Estabilidade de desempenho mesmo em condições realistas

Para manter as funções naturais do corpo em diferentes situações, as características de fluxo do sangue e a pressão nos vasos estão em constante mudança. O fluxo sanguíneo é pulsante e varia de acordo com o diâmetro do vaso e a pressão arterial. Qualquer sistema implantável dentro do sistema circulatório deve resistir a essas condições fisiológicas, mantendo um desempenho estável.

A equipe, portanto, estudou o desempenho de seu desenvolvimento - semelhante a um túnel de vento - nos chamados canais microfluídicos com diâmetros de 120 a 150 µm (0,12 a 0,15 mm) para imitar vasos sanguíneos de tamanhos diferentes. Nestes canais, os pesquisadores simularam e testaram o comportamento de seus dispositivos de armazenamento de energia em diferentes condições de fluxo e pressão. Eles descobriram que os nano-biossupercapacitores podem fornecer sua energia bem e de forma estável sob condições fisiologicamente relevantes.

A tecnologia de sensor autônomo pode oferecer suporte a diagnósticos, como diagnósticos de tumor

O potencial de hidrogênio (pH) do sangue está sujeito a flutuações. A medição contínua do pH pode, portanto, ajudar na detecção precoce de tumores, por exemplo. Para este propósito, os pesquisadores desenvolveram um sensor de pH que é alimentado com energia pelo nano-biossupercapacitor.

A tecnologia de transistor de película fina de 5 µm (TFT) previamente estabelecida na equipe de pesquisa do Prof. Oliver Schmidt poderia ser usada para desenvolver um oscilador em anel com flexibilidade mecânica excepcional, operando em baixa potência (nW a µW) e altas frequências (até 100 MHz).

Para o projeto atual, a equipe usou um oscilador em anel baseado em nBSC. A equipe integrou um BSC sensível ao pH no oscilador em anel para que haja uma mudança na frequência de saída dependendo do pH do eletrólito. Este oscilador de anel sensível ao pH também foi formado em uma geometria 3D tubular usando a técnica de Origami "Swiss-roll", criando um sistema totalmente integrado e ultracompacto de armazenamento e sensor de energia.

O núcleo interno oco deste sistema de microssensor serve como um canal para o plasma sanguíneo. Além disso, três nBSCs conectados em série com o sensor permitem uma medição de pH particularmente eficiente e autossuficiente.

Essas propriedades abrem uma ampla gama de aplicações possíveis, por exemplo, em diagnósticos e medicação.