Электронные компоненты на основе подхода лазерной интеграции для биосовместимых/биоразлагаемых гибких электронных схем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-20027

НазваниеЭлектронные компоненты на основе подхода лазерной интеграции для биосовместимых/биоразлагаемых гибких электронных схем

Руководитель Шеремет Евгения Сергеевна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова гибкая электроника, наноматериалы, оксид графена, лазерное восстановление, углеродные материалы, биоразлагаемые полимеры

Код ГРНТИ76.13.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В современной медицине используется широкий спектр имплантатов, заменяющих функции различных тканей и органов в организме человека (например, костные имплантаты, скаффолды, кардиостимуляторы и даже сердце целиком). Так, в настоящее время с использованием имплантатов становится доступным передвижение людей с ограниченными возможностями, а человек с атеросклерозом может дольше жить за счет стентирования. Традиционно в медицине используются пассивные хирургические имплантаты (ISO 14630:2012 Non-active surgical implants — General requirements), однако в последние несколько десятилетий, с развитием микроэлектроники, разрабатываются и создаются активные имплантируемые медицинские приборы (Directive 90/385/EEC relating to active implantable medical devices) для мониторирования параметров человеческого тела и стимуляции. При этом послеоперационный мониторинг, как и отслеживание состояния здоровья in-vivo, в общем случае, является огромной проблемой связанной не только с установкой диагностирующих, терапевтических устройств, но и с их извлечением. Нередко показаниями к хирургическому извлечению имплантата являются воспаление, инфекция, аллергическая реакция на имплантат. Одним из подходов по снижению такого влияния на организм является разработка биоразлагаемых имплантатов и электроники в виде биодеградируемых пластин, винтов, сеток и мембран с нанесенными на них молекулярными датчиками, биоэлектродами, антеннами, суперкондесаторами, транзисторами и пр. Такие электронные компоненты деградируют в процессе жизнедеятельности человека и, постепенно разрушаясь, выводятся из организма. Однако, данные устройства требуют множества компонентов, таких как датчики, биоэлектроды для снятия электрических сигналов и стимуляции (например, в нейроинтерфейсах), подложки, средства передачи сигнала и источники питания, которые могли бы обеспечивать их долговременную работу. Расширение функционала таких устройств требует их миниатюризации и создания управляющих, вычислительных, логических микросхем. Проще всего это реализовать в носимой электронике, где первые коммерческие решения, представленные на рынке, основаны на классических кремниевых технологиях. Свойства гибкости и биосовместимости реализуется путем переноса электронных устройств с кремниевой подложки на полимерную. При этом сама электроника не отвечает требованиям гибкости и биосовместимости. Технологии имплантируемой биодеградируемой электроники находятся в стадии научного поиска. Лазерные технологии предоставляют уникальную возможность реализации нового типа компонентов гибкой биодеградируемой электроники за счет лазерной интеграции наноматериалов в биосовместимые и биоразлагаемые полимеры. Один из таких наноматериалов - это графен, его отличает химическая инертность, хорошая электропроводность, он широко используются в биомедицинских исследованиях в качестве материала для создания систем доставки лекарств, клеточных сенсоров и др. Оксид графена также показал себя как перспективный материал для биомедицинских применений, причем он может быть восстановлен химическим, термическим или лазерным воздействием до проводящего графеноподобного материала, восстановленного оксида графена. Мы предлагаем использовать лазерное излучение для восстановления оксида графена, что приведет к формированию проводящих структур. Использование в качестве подложки биосовместимых/ биодеградируемых полимеров позволит создать композит в области воздействия лазерного излучения и получить необходимые свойства в в зависимости от функционального назначения устройства. В результате выполнения проекта будут исследованы режимы лазерного восстановления, необходимые для реализации полного набора необходимых компонентов (биоэлектрод, антенна, транзистор, чувствительный элемент) для изготовления биосовместимых/биоразлагаемых электронных схем; изучена биодеградация полученных материалов и их токсичность на клеточных культурах. В случае получения результатов, имеющих коммерческий потенциал, результаты проекта откроют возможности для улучшения качества мониторинга состояния человека для своевременной диагностики и оказания необходимой медицинской помощи.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чен В., Чжао С.-З., Сян Г.-Т., Лу Р., Родригес Р.Д., Шеремет Е., Дэн Х.-Р., Чен Дж.-Дж. A Highly-Flexible Piezoelectric Generator Based on the Composite of Porous Zno and Silver Nanowires (год публикации - 2023)

2. Е. Абызова, И. Петров, И. Бриль, Д. Чешев, А. Иванов, М. Хоменко, А. Аверкиев, М. Фаткулин, Д. Коголев, Е. Болбасов, А. Маткович, Ж.-Ж. Чен, Р.Д. Родригес, Е. Шеремет Universal Approach to Integrating Reduced Graphene Oxide into Polymer Electronics Polymers, 15(24), 4622 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15244622

3. Г.-Т. Сян, Н. Чен, Б. Лу, Ж.-Л. Сюй, Р.Д. Родригес, Э. Шеремет, Ю.-Д. Ху, Ж.-Ж. Чен Flexible solid-state Zn-Co MOFs@MXene supercapacitors and organic ion hydrogel sensors for self-powered smart sensing applications Nano Energy, 118, 108936 (год публикации - 2023)
10.1016/j.nanoen.2023.108936

4. Фаткуллин М., Догадина Е., Бриль И., Иванов А., Маткович А., Родригес Р.Д., Шеремет Е. Nanomaterials/polymer-Integrated Flexible Sensors: A Full-Laser-Processing Approach for Real-Time Analyte Monitoring IEEE, IEEE Sensors Journal, Vol. 24, No. 9, p. 13816-13822 (год публикации - 2024)
10.1109/JSEN.2024.3371005

5. Фаткуллин М., Чешев Д., Аверкиев А., Горбунова А., Мурастов Г., Лю Ц., Постников П., Ченг Ч., Родригес Р.Д., Шеремет Е. Photochemistry dominates over photothermal effects in the laser-induced reduction of graphene oxide by visible light Nature Communications, Nature Communications, 15:9711 (год публикации - 2024)
10.1038/s41467-024-53503-y

6. Петров И.С., Шеремет Е.С., Абызова Е.Г., Родригес Р.Д., Бразовский К.С. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБКОЙ АНТЕННЫ Росреестр (год публикации - 2024)

7. Зуо М., Шиао Р., Ду Ф., Ченг Ч., Родригес Р.Д., Ма Л., Жу Б., Кию Л. Ultrasound-activated mechanochemical reactions for controllable biomedical applications Smart Materials in Medicine, Smart Materials in Medicine 5, 4, 461–476 (год публикации - 2024)
10.1016/j.smaim.2024.09.001

8. Фаткуллин М., Петров И., Догадина Е., Коголев Д., Воробьев А., Постников П., Чен Дж.-Дж., Фурлан де Оливеира Р., Канун О., Родригес Р.Д., Шеремет Е. Electrochemical Switching of Laser-Induced Graphene/Polymer Composites for Tunable Electronics Polymers (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе третьего года проекта были исследованы и охарактеризованы транзисторы на основе биосовместимых материалов. Особое внимание было уделено транзисторам с электролитическим затвором и полевым транзисторам. Были впервые успешно реализованы транзисторы с электролитическим затвором (EGT) на основе графен/полимерного композита p- и n-типов на полимерных подложках ПЭТ и ТПУ. В связи с электрохимической активностью ТПУ наблюдались необратимые изменения в характеристиках EGT, поэтому основным материалом подложки был выбран ПЭТ. Полученные EGTs на основе ПЭТ продемонстрировали модуляцию проводимости после электрохимической очистки канала от полимера. Изучены характеристики транзисторов p- и n-типа, включая обратимое допирование каналов, проявляющееся в изменении транскондуктивности и смещении точки Дирака. Транзисторы также показали способность к обнаружению концентрации ионов калия в диапазоне 50–200 мМ и различных рН, что демонстрирует потенциал их применения в качестве биосенсоров. Транзисторы с изолированным затвором не показали свою работоспособность. Исследовано изменение передаточных характеристик в процессе модельной биодеградации транзистора; в культуральных тестах подтверждена нетоксичность композита из восстановленного слабоокисленного графена (ВСОГ)/ПЭТ, а также чистых ТПУ и полиэтилентерефталат-гликоля (ПЭТГ) - полимеров, для которых ранее показано успешное формирование лазерно-индуцированного композита. Несмотря на рост клеток нейробластомы линии SH-SY5, в экспериментах по электрической стимуляции не удалось зарегистрировать отклик, несмотря на успешное детектирование сигналов в контрольных экспериментах. Исследование стабильности композитов ВОГ/ПЭТ в организме остается критически важным. В предыдущем году был изучен механизм "переключения" импеданса композита с помощью циклического электрохимического окисления и восстановления, что привело к изменению его электрохимических характеристик при приложении потенциалов восстановления и окисления. Анализ химического состава и структуры позволил предположить, что механизм восстановления и окисления ВОГ/ПЭТ отличается от поведения ВОГ. Чтобы это проверить, использовалась контрольная система ВОГ/поливинилиденфторид (ПВДФ), где ПВДФ был выбран как электрохимически инертный материал. Система ВОГ/ПВДФ показала ожидаемое для ВОГ поведение с соответствующим изменением соотношений C/O. В результате предложен механизм значительного "переключения" электрохимических свойств ВОГ/ПЭТ, связанный с гидролизом ПЭТ и увеличением электроактивной площади поверхности в первых двух циклах, а во время последующих циклов с перестройкой химической структуры (изменениями химической структуры композита без изменения элементного состава). При создании композитов и различных электронных элементов на их основе было выявлены следующие области для усовершенствования подхода: воспроизводимость контактов, необходимость уменьшения латеральных размеров и толщины композита. Проблема воспроизводимости контактов оказалась связанной с локальным разрушением композита, что было решено за счет изменения конструкции. Для уменьшения латеральных размеров структур проводилось сканирование вдоль одной линии с уменьшением размеров лазерного пучка с использованием объективов с большим увеличением. Обработка с меньшим диаметром пучка приводит к более стабильным электропроводящим структурам, однако все еще наблюдается значительный разброс сопротивления между линиями, вероятно из-за неровности их границ. Для уменьшения толщины слоя ОГ использовались методы снижения концентрации и количества дисперсии, а также нанесение с помощью dip-coating и spray-coating, что приводило к формированию неоднородного слоя. Минимальная концентрация для равномерного покрытия при нанесении капельным методом составила 0,025 мг/мл, что на два порядка меньше ранее использованных значений. Неоднородности подложки и пленки существенно влияют на процесс восстановления, поэтому для нанесения тонких пленок ОГ использовался праймер, который обеспечивал адгезию частиц ОГ к поверхности полимера. При лазерной обработке был получен стабильный проводящий композит ВОГ/ПВДФ для малых концентраций ОГ. Интересно, что такие тонкие пленки, несмотря на низкий (около 10%) коэффициент поглощения, восстанавливаются, существенно темнеют при восстановлении, и для них возможно напрямую наблюдать движение жидкого/размягченного полимера в ванне расплава. Данные результаты требуют учета изменения оптических свойств при переходе пленки из ОГ в ВОГ при создании моделей. По результатам исследований было представлено 12 докладов, в том числе 1 пленарный, 3 приглашенных (в том числе на крупнейшей в Бразилии конференции по материаловедению (B-MRS)), 8 устных. Опубликовано три статьи в журналах первого квартиля, получен патент на изобретение СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБКОЙ АНТЕННЫ, дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 04.06.2024 г. Подготовлено две оригинальные статьи, поданные в журнал первого квартиля (ACS Applied Electronic Materials & Interfaces и Polymers). Также проведен анализ перспектив масштабирования лазерной обработки для задач гибкой электроники в сравнении с другими технологиями, подготовлена обзорная статья, поданная в журнал первого квартиля, Advanced materials technologies.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Применение лазерных технологий для производства гибкой электроники активно исследуется, и на основе этой технологии создаются стартапы за рубежом. Эта технология на данный момент весьма доступна, а современные лазерные системы становятся все быстрее, гибче и точнее. В рамках данного проекта была исследована и усовершенствована уникальная технология формирования биосовместимых проводящих полимерных композитов, которые могут быть использованы для задач гибкой электроники, и предложены другие сложные по составу композиты. Уникальность технологии лазерной интеграции делает ее патентоспособной. Особенно интересны возможности ее применения в сфере персонализированной медицины, поэтому много внимания в рамках проекта уделялось изготовлению биосенсоров. Продукция, полученная с помощью этой технологии, может быть использована для создания гибких датчиков, носимых устройств, а также компонентов медицинских устройств. Поэтому результаты проекта могут найти широкое практическое применение как в областях “Интернета вещей”, Индустрии 4.0, так и в области персонализированной медицины, а полученные фундаментальные знания сформируют научные и технологические заделы в лазерной обработке материалов и гибкой электронике. Это создаст возможности для разработки следующих поколений устройств с улучшенными характеристиками. Таким образом, проект имеет значительный потенциал для положительного влияния на экономику и социальное развитие Российской Федерации.