탄력 있고 자기를 위한 강도 요소를 갖춘 삼원 이종 하이드로겔

Jul 31, 2023

npj 유연한 전자공학 6권, 기사 번호: 51(2022) 이 기사 인용

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자연 피부의 기능과 기계적 특성을 모방한 표피 감지 장치는 지속적인 활력 징후 확인을 통해 실시간 건강 모니터링에 큰 잠재력을 제공합니다. 그러나 기존의 피부 장착형 전자제품은 대부분 탄성률이 높은 유연한 필름을 사용하여 신체 활동을 방해하고 계면 박리 및 피부 자극을 유발합니다. 하이드로겔 기반 장치의 컴플라이언스는 과도한 계면 응력을 유발하지 않고도 복잡한 곡면에 단단히 맞출 수 있습니다. 그러나 대부분의 하이드로겔은 여전히 ​​안정적이고 재현 가능한 감지의 약점을 겪고 있습니다. 이 연구에서 우리는 탄력 있고 자가 치유되며 재활용 가능한 폴리비닐 알코올(PVA) 하이드로겔로 만들어진 피부 친화적인 표피 전자 장치를 보고합니다. 하이드로겔은 높은 신축성과 탁월한 순응성을 유지하면서 우수한 기계적 견고성을 위해 삼원 이종 네트워크를 통해 강화되었습니다. 동시에, 풍부한 동적 수소 결합은 하이드로겔에 신속한 자가 치유 능력을 제공합니다. 조립된 하이드로겔 표피 전자 장치는 여러 생리학적 신호를 안정적으로 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 피부 움직임과 관절 굽힘의 긴장 수준을 감지할 수 있습니다. 독특하고 다재다능하며 환경 친화적이고 생물학적 친화적인 표피 전자 장치는 의료, 인간-기계 인터페이스, 증강 현실 등의 광범위한 응용 분야를 갖게 될 것입니다.

표피 전자 장치는 전기생리학적 활동부터 심장 및 호흡수, 신체 운동에 이르기까지 광범위한 활력 징후를 모니터링하는 비침습적 방법을 제공하고 있습니다. 이는 사람의 정상적인 신체 기능 및 질병 진단을 위한 임상 단서와 밀접하게 관련되어 있습니다1. 일상적인 일상 활동을 방해하지 않는 방식으로 신체 매개변수의 지속적인 실시간 획득이 인간-기계 인터페이스에서도 고려되고 있습니다2. 모듈러스가 높은 유연한 전자 장치를 피부에 고정하는 데 사용되는 상용 접착 패치는 일반적으로 불편한 느낌과 피부 자극을 유발하고 분리가 어렵습니다3. 사용자 경험을 향상시키기 위해 박층화 장치4 전략과 자연을 모방한 미세 구조 설계5가 채택되었지만, 친절한 접착 및 분리와 전자 폐기물의 안전하고 순환적인 처리를 갖춘 편안한 표피 장치를 설계하는 전략은 거의 탐색되지 않았습니다6. 이상적인 표피 장착 장치는 피부와의 등각적 통합을 만족시키기 위해 부드럽고 신축성이 있어야 하며7, 신체의 반복적인 움직임으로 인한 긴장을 수용할 수 있을 만큼 강인하고 탄력적이어야 합니다3. 지난 10년 동안 표피 전자 장치는 유연한 무기 전자 재료8, 본질적으로 신축성이 있는 유기 재료9 및 초박형 폴리머 기판에 코팅된 전도성 나노재료(예: Au 나노메시7, 탄소 나노튜브10, 그래핀11)의 구불구불한 형태와 메쉬 형태를 사용하여 개발되었습니다. 그럼에도 불구하고 앞서 언급한 접근 방식은 표피 전자 장치에 필수적인 초박형 폼 팩터와 기계적 견고성(일반적으로 <50% 스트레칭) 사이의 화해할 수 없는 모순에 직면하기 때문에 한 가지 중요한 과학적 과제가 남아 있습니다. 한편, 이러한 재료를 사용하여 표피 전자 장치를 제작하려면 일반적으로 포토리소그래피, 박막 증착, 전사 기술 및 기타 복잡한 절차가 필요하며 이는 비용과 시간이 많이 소요됩니다13.

우수한 부드러움, 촉촉함, 반응성 및 생체 적합성으로 인해 전도성 하이드로겔은 생물학과 전자 장치 간의 원활한 인터페이스를 구축하기 위한 지속적인 노력의 일부입니다14. 하이드로겔의 부드러움(피부와 동일) 및 신축성 있는 특성(>200% 스트레칭)은 초박형 표피 전자 장치15에 비해 생물학적 조직과의 기계적 불일치를 최소화할 수 있습니다. 그러나 그 중 근육과 같은 살아있는 조직처럼 단단하고 탄력성이 있는 조직은 거의 없습니다16. 이중 네트워크 구성, 나노 필러 추가, 기계적 훈련 등과 같은 하이드로겔의 기계적 특성을 향상시키기 위한 다양한 접근 방식이 사용되었음에도 불구하고 강화된 하이드로겔의 탄력성은 특히 무수 폴리머와 비교할 때 여전히 만족스럽지 않습니다. 높은 변형률로 하중을 가하면 표피 감지18에서 영구 변형 또는 비가역적 골절이 발생합니다. 이상적인 생체전자공학으로서 하이드로겔 전극은 더 강한 기계적 견고성과 반복 가능한 자가 치유 능력을 보여야 합니다. 이전 연구에서는 이중 가교 PVA 네트워크를 기반으로 하는 고탄성, 실온 수리 가능 및 재활용 가능한 전도성 하이드로겔이 제시되었습니다. 그러나 PVA 하이드로겔의 약한 강도로 인해 착용 가능한 응용 분야가 좁아졌습니다. 인성과 탄력성에 대한 본질적으로 모순되는 요구 사항은 높은 인성을 모두 갖춘 젤을 설계하는 것을 큰 과제로 만듭니다.