Transferência de grafeno induzido por laser em temperaturas extremamente baixas para bioeletrônica ultrafina
Projeto de nanocompósitos extensíveis de grafeno-hidrogel. a, Ilustração estrutural de nanocompósitos extensíveis aprimorados por hidrogel PPH finos, antibacterianos e biocompatíveis para bioeletrônica vestível e implantável. b, Esquema de transferência de LIG em filmes ultrafinos de PPH (espessura de cerca de 1,0–1,5 μm) por meio de uma abordagem de transferência criogênica. A energia de ligação superficial foi calculada com base em simulações de dinâmica molecular. c, Ilustração esquemática das propagações de trincas no LIG com (parte superior) e sem (parte inferior) uma camada intermediária de PPH. Os gráficos conceituais apresentam a mudança de resistência (R) em função da deformação de tração (e%) em ambos os nanocompósitos condutores. LM, metal líquido. Crédito:Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01091-y Um estudo recente publicado na Nature Electronics discute interfaces extensíveis de grafeno-hidrogel para bioeletrônica vestível e implantável.
Nanocompósitos extensíveis e condutores com características mecanicamente macias, finas e biocompatíveis desempenham papéis vitais no desenvolvimento de dispositivos vestíveis semelhantes a pele, robôs macios inteligentes e bioeletrônica implantável.
Embora várias estratégias de projeto envolvendo engenharia de superfície tenham sido relatadas para superar a incompatibilidade mecânica entre os eletrodos frágeis e os polímeros extensíveis, ainda é um desafio realizar a integração monolítica de vários componentes com diversas funcionalidades usando os atuais nanocompósitos condutores extensíveis ultrafinos. Isto é atribuído à falta de sistemas de nanomateriais condutores adequados, compatíveis com estratégias fáceis de padronização.
O grafeno induzido por laser (LIG), normalmente derivado da irradiação laser de poliimida (PI), tem vários méritos distintos, como processos fáceis de padronização digital, compatibilidade com abordagens de transferência de padrões, bem como recursos físicos e químicos ajustáveis para produzir diversos sensores vestíveis. .
No entanto, estes dispositivos multifuncionais são construídos em substratos flexíveis de PI ou filmes elásticos relativamente espessos devido às limitações mecânicas na transferência de LIG para elastômeros macios. Além disso, a incompatibilidade mecânica entre o LIG frágil e o polímero elástico dificulta a elasticidade dos nanocompósitos condutores.
Os autores do artigo descrevem um nanocompósito elástico ultrafino à base de hidrogel LIG para bioeletrônica multifuncional na pele e implantável. Uma nova estratégia é proposta para criar nanocompósito ultrafino baseado em LIG, que é formado pela transferência criogenicamente (77 K) de LIG para um filme de hidrogel (espessura mínima de 1,0 μm). Em seguida, é abordada a incompatibilidade mecânica entre o LIG frágil e o polímero elástico, que emprega o hidrogel como interface de dissipação de energia e caminho elétrico fora do plano.
Rachaduras desviadas continuamente podem ser induzidas no LIG, levando a um aumento de mais de cinco vezes na extensibilidade intrínseca. No geral, esta pesquisa fornece uma estratégia viável para construir nanocompósitos extensíveis ultrafinos à base de hidrogel de carbono para sistemas de sensores integrados, permitindo diversas aplicações em bioeletrônica vestível/implantável e interações homem-máquina.
Kaichen Xu, autor correspondente, observou:"O método convencional de transferência de LIG requer uma espessura muito maior (> 45 μm) de elastômeros ou fitas adesivas para fornecer uma forte força interfacial durante o processo de remoção, dificultando as aplicações de bioeletrônica conformada. As restrições mecânicas na transferência de LIG para elastômeros são superados por uma abordagem de transferência criogênica a –196°C usando um hidrogel ultrafino e adesivo de álcool polivinílico/ácido fítico/mel (PPH)."
Durante o processo de resfriamento rápido, a energia de ligação interfacial entre o grafeno poroso defeituoso e a água cristalizada dentro do hidrogel é aumentada, conforme ilustrado pelos cálculos de dinâmica molecular (MD). Um aumento tão dramático na força de ligação superficial a 77 K também foi capturado no teste de descascamento de 180°. A força de descolamento transitória máxima de 160 N m
-1
a 77 K foi observado, o que foi muito maior do que isso (<10 N m
-1
) originada da adesão autóloga do PPH à temperatura ambiente.
Além disso, a estratégia de transferência criogênica proposta permitiu a transferência de LIG para outros tipos de hidrogéis adesivos ou não adesivos, indicando a universalidade desta tecnologia de transferência. No entanto, apenas o hidrogel adesivo formou uma interface de ligação mecanicamente estável, especialmente sob tensão de tração.
Através da escrita direta a laser e da técnica de transferência criogênica, os componentes do sensor multimodal são integrados como uma folha de sensor vestível multifuncional para monitoramento in vitro na pele. Além disso, as características ultrafinas e biocompatíveis dos nanocompósitos micropadronizados à base de LIG permitem contato contínuo com o coração de ratos Sprague Dawley (SD) para rastrear sinais cardíacos in situ.
Mais informações: Yuyao Lu et al, Interfaces extensíveis de grafeno-hidrogel para bioeletrônica vestível e implantável, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01091-y Informações do diário: Eletrônica da Natureza
