3D-принтер навчили друкувати еластичні мікрочіпи на шкірі

Вчені з Університету Міннесоти розробили технологію 3D-друку гнучких датчиків тиску на шкірі. Ця технологія допоможе в розвитку електроніки, що носиться. Дослідження опубліковано в журналі.

Розвиток електроніки і 3D-друк - одні з головних технологічних тенденцій останніх років. Інженери з Університету Міннесоти вирішили поєднати їх і створювати за допомогою 3D-принтера нашкірні електронні датчики.

Оскільки датчики повинні бути біологічно сумісні, дослідникам довелося створювати матеріали для друку, які відповідали б відразу кільком параметрам: гнучкість, електрична провідність, можливість друку без використання в процесі жорстких умов, таких як висока температура спікання або інтенсивне випромінювання.

Ідеальним кандидатом на роль такого матеріалу, за ідеєю вчених, повинен стати «розчин» субмікрометрових частинок срібла в силіконовому еластичному полімері, який застигає при кімнатній температурі. Дослідники підібрали таку концентрацію срібла (68 масових відсотків) в середовищі, що в звичайних умовах матеріал дуже слабо проводить струм, проте різко - в сотні разів - збільшує провідність під тиском. Відбувається це за рахунок того, що в звичайному стані «сітка» з частинок срібла в обсязі еластомера не до кінця сформована, але навіть при невеликому здавлюванні частинки розпологаються більш щільно, що дозволяє струму протікати через матеріал. Цей ефект став основою датчиків, що розробляються.

Для демонстрації ефективності підходу вчені модифікували комерційно доступний 3D-принтер. Прилад мав чотири незалежні сопли для чотирьох різних складів: чистий силіконовий еластомер, матеріал для електродів (75 масових відсотків срібла в еластомері), матеріал для сенсора (68 масових відсотків срібла в еластомері) і допоміжний полімер (полоксамер), який виконував роль підтримки на час застивання решти шарів.

Створення датчика складалося з декількох етапів. Спочатку створювалася підкладка з силікону, на яку наносився силіконовий електрод. У центрі електрода друкувався чутливий до тиску спіралевидний сенсор. Навколо нього наносився ізолюючий шар силікону і підтримуючий полімер. Зверху сенсора також друкувався електрод. Після застивання матеріалів підтримуючий шар з полоксамера розчиняли у воді.

Отримані датчики прикріплювали до пальців і вимірювали зміну провідності в різних умовах: натискання пальцем, згинання пальця в суглобі. Вчені виявили, що зміна провідності залежить від типу навантаження. Таким чином датчик може не тільки детектувати рух, а й визначати його тип. Також, прикріпивши датчик до артерії вчені змогли точно визначати пульс випробовуваного.

На моделі людської руки вчені продемонстрували, що потенційно за допомогою їх технології можна друкувати датчики прямо на людській шкірі протягом декількох хвилин.

Вчені вважають, що їх розробка потенційно готова до масового впровадження. Надалі вони планують провести випробування на справжній шкірі, а також розробити напівпровідниковий склад для друку.

Існує безліч розробок носимих і імплантованих датчиків, наприклад, нашкірна система для аналізу поту на основі мікрофлюїдики, що тягнеться гідрогель, всередині якого можна розміщувати різні сенсори, або біосумісні розтягуються провідники.