自己組織化グラフェンによりウェアラブルエレクトロニクスがモジュール化されカスタマイズ可能に

28 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) ウェアラブルセンサーは、臨床訪問を超えて継続的でパーソナライズされた健康状態の追跡を約束します。しかし、今日のほとんどのデバイスは依然として単一のアプリケーションを対象とした固定設計であり、ユーザーの変化するニーズに対応する汎用性が欠けています。現在、研究者らは次のように報告している。 先端材料 (「マルチモーダルで再構成可能なソフトエレクトロニクスのための硬磁性グラフェンナノ複合材料」）磁気的に自己組織化するグラフェンセンサーは、個人に合わせてカスタマイズされたモジュール式で再構成可能なウェアラブルエレクトロニクスの長年のビジョンを可能にする可能性があります。適切な電気的特性と生体適合性の機械的特性のバランスを取ることは、ウェアラブル開発にとって永続的な課題となります。正確で適応性のあるセンサーにより、診断の精度と汎用性が向上します。しかし、皮膚への刺激を避けるソフトフォームファクターは、硬質磁石などの調整可能な高性能コンポーネントの要件と矛盾することがよくあります。以前の再構成可能なウェアラブルの試みでは、これらのトレードオフにより、使い捨てデバイスと比較してセンシング機能や相互接続の信頼性が犠牲になりました。しかし、新しい研究は、磁性グラフェンナノ複合材料がセンサーの精度を向上させながら、信頼性の高い自己組織化を可能にし、柔軟なバイオセンサーとカスタマイズ可能な電子機器の両方の最良の側面を組み合わせていることを実証しています。最近の材料の進歩により、夢のデバイスが現実に近づきました。グラフェンの高い導電性と生体適合性により、皮膚に装着するエレクトロニクスのベースセンシング材料として興味深いものとなっています。研究者らは、グラフェンフィルムにレーザーで細孔を誘発することで、電気化学反応、ECGなどの電気生理学信号、温度変化などの多様なセンシングモダリティに適した柔軟な導電性ネットワークを作成した。革新的な点は、このセンシングフィルムを自己組織化する硬磁性粒子で強化することにあります。結果として得られる「磁性グラフェンナノ複合材料」(HMGN) は、可逆的で再構成可能な接続を可能にしながら、センサーの性能の向上を推進します。 HMGN の再構成可能なソフトエレクトロニクス

a) 磁性グラフェンナノ複合材料の再構成可能なソフトエレクトロニクスの概略図。 b) 多孔質グラフェンに NdFeB をドープする製造方法。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) 研究者らは実験で、多孔質グラフェン膜を磁性粒子で強化するとセンサーの能力が大幅に向上することを実証しました。テストの結果、磁性グラフェンナノ複合材料は、多孔質グラフェン単独と比較して、尿酸やピリドキシンなどの代謝産物のセンサー精度を70%向上させ、電気生理学的センシングのインピーダンスを87%削減したことが示されました。たとえば、尿酸センサーの感度は 29.6 nA/μM から 8 nA/μM に増加しました。-1 磁気ドーピング後。一方、温度センサーの感度は 0.14 % から 0.22% °C に向上しました。-1。また、磁気ドープされたグラフェンは、電気生理学的センシングのインピーダンスを 87% 削減します (周波数 37.96 kHz で 4.73 kΩ から 1 kΩ)。重要なのは、磁区により HMGN フィルムがスナップ結合し、はんだや接着剤を使用せずに信頼性の高い電気接続を形成できることです。磁場を加えると、無計画な磁区が組織化され、棒磁石に似た N 極と S 極が整列します。反対の極が引き付けられ、フレキシブル基板上のモジュール式 HMGN センサーがユーザー定義のレイアウトに自己組み立てされます。研究者らは、HMGN に 16 個のインピーダンス感知電極のアレイを作製することで、この概念をテストしました。コマンドに応じて、正方形の電極が切り離され、円形と三角形の形に再組み立てされ、損傷した組織の形状がマッピングされます。他の実験では、基板上の単一の HMGN センサーを交換することで、デバイスの感度、空間範囲、および電解質濃度、ECG 信号、温度などの感知方式を適応させました。研究チームは、ナトリウム、塩化物、尿酸イオンのセンサーをプラットフォームに統合し、運動中の汗による電解質の損失を監視しました。データを収集した後、センサーを取り外し、心血管反応を測定するために心電図と温度用の新しいセンサーに置き換えることができ、HMGN の効率的な多機能ウェアラブルエレクトロニクスの可能性が実証されました。このような柔軟なモジュール式デバイスは、個々の患者や状況に合わせた個別化された診断と治療を進歩させる可能性があります。臨床環境の外で生物物理学的および生化学的マーカーを継続的に追跡することにより、医療が事後対応型のアプローチではなく予防型治療に移行することが期待されます。今後の方針には、より多くの身体部位に対する HMGN の生体適合性の強化や、グルコース、湿度、ひずみなどの条件に合わせてセンサーの種類を拡張することが含まれます。磁気的に自己組織化されたエレクトロニクスは有望な再構成可能性を導入しますが、手動交換では依然として、短期間で複数のシナリオに迅速にデバイスを適応させることが制限されます。コンテキスト入力や使用パターンに応じてモジュラープラグアンドプレイセンサーを自動的に再配置する完全に統合されたシステムは、次のフロンティアを表します。それにもかかわらず、この画期的な進歩は、各ユーザーの変化するニーズに適応して健康を改善するインテリジェントウェアラブルデバイスのビジョンを実現するのに役立ちます。レーザー誘起磁性グラフェンナノ複合材料は、日常の活動を通じて健康状態を XNUMX 時間継続的に監視する、カスタマイズ可能な多機能エレクトロニクスへの道を開きます。ここで開発されたモジュール式で可逆的なアプローチは、個別化された予防的で参加型の医療の夢を近づけます。

By

Michael Liebreich
バーガー