28. Januar 2024
(Nanowerk-Scheinwerfer) Tragbare Sensoren versprechen eine kontinuierliche, personalisierte Gesundheitsüberwachung über klinische Besuche hinaus. Doch die meisten Geräte sind heutzutage immer noch fest auf einzelne Anwendungen ausgelegt und nicht so vielseitig, dass sie den sich ändernden Anforderungen der Benutzer gerecht werden können. Jetzt berichten Forscher Fortgeschrittene Werkstoffe („Hartmagnetisches Graphen-Nanokomposit für multimodale, rekonfigurierbare Soft-Elektronik“) magnetisch selbstorganisierende Graphensensoren, die die lang ersehnte Vision einer modularen, rekonfigurierbaren tragbaren Elektronik ermöglichen könnten, die auf den Einzelnen zugeschnitten ist. Das Ausbalancieren geeigneter elektrischer Eigenschaften mit biokompatiblen mechanischen Eigenschaften stellt eine dauerhafte Herausforderung für die Entwicklung tragbarer Geräte dar. Die Genauigkeit und Vielseitigkeit der Diagnose verbessern sich durch präzise, anpassbare Sensoren. Doch weiche Formfaktoren, die Hautreizungen vermeiden, stehen häufig im Widerspruch zu den Anforderungen an anpassbare Hochleistungskomponenten wie harte Magnete. Frühere Versuche mit rekonfigurierbaren tragbaren Geräten führten aufgrund dieser Kompromisse zu Einbußen bei den Sensorfunktionen oder der Verbindungszuverlässigkeit im Vergleich zu Einweggeräten. Die neue Studie zeigt jedoch, dass magnetische Graphen-Nanokomposite die Sensorpräzision steigern und gleichzeitig eine zuverlässige Selbstorganisation ermöglichen – indem sie die besten Aspekte flexibler Biosensoren und anpassbarer Elektronik kombinieren. Jüngste Materialfortschritte haben das Traumgerät der Realität näher gebracht. Graphen Hohe Leitfähigkeit und Biokompatibilität machen es zu einem interessanten Basissensormaterial für auf der Haut montierte Elektronik. Durch die Laserinduktion von Poren in einem Graphenfilm schufen die Forscher ein flexibles, leitfähiges Netzwerk, das sich gut für verschiedene Erfassungsmodalitäten eignet, darunter elektrochemische Reaktionen, elektrophysiologische Signale wie EKG und Temperaturänderungen. Die Innovation besteht darin, diesen Sensorfilm mit hartmagnetischen Partikeln zur Selbstorganisation zu ergänzen. Das resultierende „magnetische Graphen-Nanokomposit“ (HMGN) führt zu Verbesserungen der Sensorleistung und ermöglicht gleichzeitig reversible, rekonfigurierbare Verbindungen.
a) Schematische Darstellung der rekonfigurierbaren weichen Elektronik im magnetischen Graphen-Nanokomposit. b) Herstellungsverfahren zur Dotierung von porösem Graphen mit NdFeB. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) In ihren Experimenten zeigten die Forscher, dass die Anreicherung des porösen Graphenfilms mit magnetischen Partikeln die Sensorfähigkeiten deutlich steigert. Tests zeigten, dass das magnetische Graphen-Nanokomposit die Sensorgenauigkeit für Metaboliten wie Harnsäure und Pyridoxin um 70 % verbesserte und die Impedanzen für die elektrophysiologische Erfassung um 87 % im Vergleich zu porösem Graphen allein senkte. Beispielsweise zeigten Harnsäuresensoren eine Empfindlichkeitssteigerung von 29.6 auf 8 nA/µM-1 nach magnetischer Dotierung. Mittlerweile haben Temperatursensoren ihre Empfindlichkeit von 0.14 auf 0.22 % °C erhöht-1. Das magnetisch dotierte Graphen reduzierte auch die Impedanzen für die elektrophysiologische Erfassung um 87 % – von 37.96 kΩ auf 4.73 kΩ bei 1-kHz-Frequenzen. Entscheidend ist, dass die magnetischen Domänen es HMGN-Filmen ermöglichen, zusammenzuschnappen und zuverlässige elektrische Verbindungen ohne Lötmittel oder Klebstoffe herzustellen. Angewandte Magnetfelder organisieren die zufälligen magnetischen Domänen in ausgerichteten Nord-Süd-Polen, analog zu Stabmagneten. Gegensätzliche Pole locken dazu, modulare HMGN-Sensoren auf einem flexiblen Substrat in benutzerdefinierten Layouts selbst zusammenzubauen. Die Forscher testeten dieses Konzept, indem sie eine Anordnung von 16 impedanzempfindlichen Elektroden in HMGN herstellten. Auf Befehl wurden die quadratischen Elektroden abgenommen und wieder zu Kreis- und Dreiecksformen zusammengesetzt, um beschädigte Gewebegeometrien abzubilden. In anderen Experimenten wurden durch den Austausch einzelner HMGN-Sensoren auf einem Substrat die Geräteempfindlichkeit, die räumliche Abdeckung und die Erfassungsmodalitäten wie Elektrolytkonzentrationen, EKG-Signale und Temperatur angepasst. Das Team integrierte Sensoren für Natrium-, Chlorid- und Harnsäureionen auf einer Plattform, um den Schweißelektrolytverlust während des Trainings zu überwachen. Nach der Datenerfassung wurden die Sensoren abgenommen, sodass sie durch neue für EKG und Temperatur ersetzt werden konnten, um die Herz-Kreislauf-Reaktion zu messen. Dies demonstriert das Potenzial von HMGN für effiziente multifunktionale tragbare Elektronik. Solche flexiblen, modularen Geräte könnten personalisierte Diagnosen und Behandlungen voranbringen, die auf einzelne Patienten und Kontexte zugeschnitten sind. Die kontinuierliche Verfolgung biophysikalischer und biochemischer Marker außerhalb des klinischen Umfelds verspricht auch einen Wandel der Medizin hin zu präventiver Pflege statt zu reaktiven Ansätzen. Der Weg nach vorne umfasst die Verbesserung der Biokompatibilität von HMGN für mehr Körperstellen und die Erweiterung der Sensortypen auf Bedingungen wie Glukose, Feuchtigkeit und Belastung. Während magnetisch selbstorganisierte Elektronik eine vielversprechende Rekonfigurierbarkeit bietet, schränkt der manuelle Austausch immer noch die schnelle Geräteanpassung an mehrere Szenarien in kurzen Zeiträumen ein. Vollständig integrierte Systeme, die modulare Plug-and-Play-Sensoren automatisch als Reaktion auf kontextbezogene Eingaben und Nutzungsmuster neu anordnen, stellen die nächste Grenze dar. Dennoch trägt dieser Durchbruch dazu bei, die Vision intelligenter tragbarer Geräte zu verwirklichen, die die Gesundheit verbessern, indem sie sich an die sich ändernden Bedürfnisse jedes Benutzers anpassen. Laserinduzierte magnetische Graphen-Nanokomposite ebnen den Weg für anpassbare multifunktionale Elektronik, die das Wohlbefinden bei alltäglichen Aktivitäten rund um die Uhr kontinuierlich überwacht. Der hier entwickelte modulare, reversible Ansatz bringt den Traum einer personalisierten, präventiven und partizipativen Medizin näher.
a) Schematische Darstellung der rekonfigurierbaren weichen Elektronik im magnetischen Graphen-Nanokomposit. b) Herstellungsverfahren zur Dotierung von porösem Graphen mit NdFeB. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) In ihren Experimenten zeigten die Forscher, dass die Anreicherung des porösen Graphenfilms mit magnetischen Partikeln die Sensorfähigkeiten deutlich steigert. Tests zeigten, dass das magnetische Graphen-Nanokomposit die Sensorgenauigkeit für Metaboliten wie Harnsäure und Pyridoxin um 70 % verbesserte und die Impedanzen für die elektrophysiologische Erfassung um 87 % im Vergleich zu porösem Graphen allein senkte. Beispielsweise zeigten Harnsäuresensoren eine Empfindlichkeitssteigerung von 29.6 auf 8 nA/µM-1 nach magnetischer Dotierung. Mittlerweile haben Temperatursensoren ihre Empfindlichkeit von 0.14 auf 0.22 % °C erhöht-1. Das magnetisch dotierte Graphen reduzierte auch die Impedanzen für die elektrophysiologische Erfassung um 87 % – von 37.96 kΩ auf 4.73 kΩ bei 1-kHz-Frequenzen. Entscheidend ist, dass die magnetischen Domänen es HMGN-Filmen ermöglichen, zusammenzuschnappen und zuverlässige elektrische Verbindungen ohne Lötmittel oder Klebstoffe herzustellen. Angewandte Magnetfelder organisieren die zufälligen magnetischen Domänen in ausgerichteten Nord-Süd-Polen, analog zu Stabmagneten. Gegensätzliche Pole locken dazu, modulare HMGN-Sensoren auf einem flexiblen Substrat in benutzerdefinierten Layouts selbst zusammenzubauen. Die Forscher testeten dieses Konzept, indem sie eine Anordnung von 16 impedanzempfindlichen Elektroden in HMGN herstellten. Auf Befehl wurden die quadratischen Elektroden abgenommen und wieder zu Kreis- und Dreiecksformen zusammengesetzt, um beschädigte Gewebegeometrien abzubilden. In anderen Experimenten wurden durch den Austausch einzelner HMGN-Sensoren auf einem Substrat die Geräteempfindlichkeit, die räumliche Abdeckung und die Erfassungsmodalitäten wie Elektrolytkonzentrationen, EKG-Signale und Temperatur angepasst. Das Team integrierte Sensoren für Natrium-, Chlorid- und Harnsäureionen auf einer Plattform, um den Schweißelektrolytverlust während des Trainings zu überwachen. Nach der Datenerfassung wurden die Sensoren abgenommen, sodass sie durch neue für EKG und Temperatur ersetzt werden konnten, um die Herz-Kreislauf-Reaktion zu messen. Dies demonstriert das Potenzial von HMGN für effiziente multifunktionale tragbare Elektronik. Solche flexiblen, modularen Geräte könnten personalisierte Diagnosen und Behandlungen voranbringen, die auf einzelne Patienten und Kontexte zugeschnitten sind. Die kontinuierliche Verfolgung biophysikalischer und biochemischer Marker außerhalb des klinischen Umfelds verspricht auch einen Wandel der Medizin hin zu präventiver Pflege statt zu reaktiven Ansätzen. Der Weg nach vorne umfasst die Verbesserung der Biokompatibilität von HMGN für mehr Körperstellen und die Erweiterung der Sensortypen auf Bedingungen wie Glukose, Feuchtigkeit und Belastung. Während magnetisch selbstorganisierte Elektronik eine vielversprechende Rekonfigurierbarkeit bietet, schränkt der manuelle Austausch immer noch die schnelle Geräteanpassung an mehrere Szenarien in kurzen Zeiträumen ein. Vollständig integrierte Systeme, die modulare Plug-and-Play-Sensoren automatisch als Reaktion auf kontextbezogene Eingaben und Nutzungsmuster neu anordnen, stellen die nächste Grenze dar. Dennoch trägt dieser Durchbruch dazu bei, die Vision intelligenter tragbarer Geräte zu verwirklichen, die die Gesundheit verbessern, indem sie sich an die sich ändernden Bedürfnisse jedes Benutzers anpassen. Laserinduzierte magnetische Graphen-Nanokomposite ebnen den Weg für anpassbare multifunktionale Elektronik, die das Wohlbefinden bei alltäglichen Aktivitäten rund um die Uhr kontinuierlich überwacht. Der hier entwickelte modulare, reversible Ansatz bringt den Traum einer personalisierten, präventiven und partizipativen Medizin näher.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
Copyright ©
Nanowerk LLC
Werden Sie Spotlight-Gastautor! Schließen Sie sich unserer großen und wachsenden Gruppe von an Gastbeitragende. Haben Sie gerade eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht oder haben Sie andere aufregende Entwicklungen, die Sie der Nanotechnologie-Community mitteilen möchten? Hier erfahren Sie, wie Sie auf nanowerk.com veröffentlichen.
- SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
- PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
- PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
- PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
- PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
- Quelle: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64522.php
