В статье рассматривается класс электронных систем, которые имеют толщину, эффективные модули упругости, изгибные жесткости и плотности, соответствующих эпидермису. Полученные результаты демонстрируют, что в отличие от традиционных технологий на основе стандартных подложек, расположение таких устройств на коже приводит к конформному контакту и устойчивой адгезии на основе Вандерваальсовых сил.
Ключевые слова: золь-гель-технология, эпидермальная электроника, гибкая электроника, биосенсоры.
В настоящее время актуальной задачей является разработка и модификация биосенсорных устройств, определяющих различные биологические аналиты. Физиологические методы измерения и стимуляции, которые используют интерфейс кожи, представляют интерес уже более 90 лет. Тем не менее, почти все технологические устройства продолжают опираться на концепцию старых проектов. Как правило, несколько электродов монтируется на коже с помощью клейкой ленты, механических зажимов, ремней или проникающие иглы, с использованием проводящих гелей, и соединенных с регистрирующими приборами [2]. Эти системы обладают многими важными диагностическими и исследовательскими возможностями, но они плохо подходят для практического применения вне исследовательских лабораторий из-за трудностей в создании длительных, надежных электрических контактов, которые не раздражают кожу и имеют небольшие размеры [3]. В настоящей работе мы описываем подход, в котором электроды, электроника, датчики, источник питания и компоненты связи сконфигурированы вместе в ультратонкие легкие и растяжимые «кожные» мембраны, которые конформационно крепятся на поверхности кожи посредством мягкого контакта, нечувствительного для пользователя, как временная татуировка.
На рисунке 1 показана платформа, объединяющая набор многофункциональных датчиков, активные и пассивные элементы, беспроводные силовые катушки и устройства для радиочастотной связи. Все они установлены на поверхность тонкого (~ 30 мкм), газопроницаемого эластомерного листа на основе модифицированного полиэфира с низким значением модуля Юнга (~ 60 кПа) (Рис. 1A).
Рис. 1. Эпидермальная электронная система «электронная татуировка»
Все компоненты и электрические связи между ними выполнены в сверхтонком исполнении (< 7 мкм) [4]. Активные элементы выполнены из традиционных материалов электронной техники, таких как кремний и арсенид галлия, в виде нитевидных серпантиновых нанотрубок и микро- и наномембран. Результатом является высокоэффективная система, которая предлагает упругий отклик на большие величины деформаций: деформации с эффективными модулями (<150 кПа), изгибными жесткостями (<1 нНм) и плотностью (<3,8 мг/см2), которые являются более оптимальными для применения в электронных татуировках чем те, которые возможны с обычной электроникой или даже с недавно изученными технологиями гибких растяжимых устройств [5]. Водорастворимые полимерные листы, например, поливиниловый спирт (PVA), служат временными подложками для закрепления этих систем на коже в общей конструкции, которая непосредственно аналогична конструкции временной татуировки.
Наличие указанных механических характеристик позволяет без каких-либо механических приспособлений для крепления, обеспечить устойчивую адгезию с кожей силами Ван-дер-Ваальса. Устройства налагают незначительную механическую или массовую нагрузку (типичная общая масса ~ 0,09 г), что видно из изображений на рисунке 1С, которые показывают, что кожа деформируется свободно и обратимо, без каких-либо видимых ограничений в движении из-за устройства. Электроника в этой форме может быть интегрирована непосредственно с коммерческими татуировками, в качестве альтернативы подложки из полиэфира или PVA. Результат, показанный на рисунке 1D, может представлять интерес для того, чтобы скрыть активные компоненты и использовать недорогие материалы (подложка, адгезивы и поддерживающие слои), уже разработанные для временных татуировок. Потенциальное использование включает мониторинг физиологического статуса, диагностика и лечение ран, биологическое и химическое зондирование, человеко-машинные интерфейсы, скрытые коммуникации и т. д.
Важное значение играет понимание механических особенностей такого устройства, механофизиологии кожи и поведения полученной абиотико-биотической системы. Для настоящих целей кожа может быть аппроксимирована как двухслойная система, состоящая из эпидермиса (модуль Юнга от 140 до 600 кПа, толщина от 0,05 до 1,5 мм) и дермы (модуль Юнга от 2 до 80 кПа, толщина 0,3–3 мм). Этот двухслойная система обладает линейной упругой реакцией на растягивающие деформации ≲15 %, которая переходит к нелинейному поведению при более высоких деформациях с необратимыми эффектами разрывов, превышающими 30 % [7]. Поверхность кожи имеет морщины, складки и ямы с шероховатостями и характерными размерами от 15 до 100 мм [8] и от 40 до 1000 мм [9] соответственно.
Таким образом, описанные здесь устройства имеют модули, толщину и другие физические свойства, которые схожи со свойствами эпидермиса и возможность соответствовать рельефу на его поверхности. Поэтому мы рассматриваем этот класс технологий как «эпидермальную электронную систему» (EES).
Литература:
- Kim D. H. et al. Epidermal electronics //science. — 2011. — Т. 333. — №. 6044. — С. 838–843.
- Hardyck C. D., Petrinovich L. F., Ellsworth D. W. Feedback of speech muscle activity during silent reading: Rapid extinction //Science. — 1966. — Т. 154. –№. 3755. — С. 1467–1468.
- Fox E. J., Melzack R. Transcutaneous electrical stimulation and acupuncture: comparison of treatment for low-back pain //Pain. — 1976. — Т. 2. — №. 2. — С. 141–148.
- Searle A., Kirkup L. A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes //Physiological measurement. — 2000. — Т. 21. — №. 2. — С. 271.
- Griss P. et al. Characterization of micromachined spiked biopotential electrodes //IEEE Transactions on Biomedical Engineering. — 2002. — Т. 49. — №. 6. — С. 597–604.
- Yu L. M. et al. A microfabricated electrode with hollow microneedles for ECG measurement //Sensors and Actuators A: Physical. — 2009. — Т. 151. — №. 1. — С. 17–22.
- Ives J. R., Mirsattari S. M., Jones D. Miniaturized, on-head, invasive electrode connector integrated EEG data acquisition system //Clinical neurophysiology. — 2007. — Т. 118. — №. 7. — С. 1633–1638.
- Sekitani T. et al. A rubberlike stretchable active matrix using elastic conductors //Science. — 2008. — Т. 321. — №. 5895. — С. 1468–1472.
- Lacour S. P. et al. Stretchable interconnects for elastic electronic surfaces //Proceedings of the IEEE. — 2005. — Т. 93. — №. 8. — С. 1459–1467.
