자가 조립 그래핀으로 웨어러블 전자 장치를 모듈화하고 맞춤화할 수 있습니다

28년 2024월 XNUMX일 (나노 워크 스포트라이트) 웨어러블 센서는 임상 방문을 넘어 지속적이고 개인화된 건강 추적을 약속합니다. 그러나 오늘날 대부분의 장치는 여전히 단일 애플리케이션을 대상으로 하는 고정된 설계를 갖고 있어 사용자의 변화하는 요구 사항을 충족할 수 있는 다양성이 부족합니다. 이제 연구자들은 다음과 같이 보고합니다. 고급 재료 (“다중 모드의 재구성 가능한 소프트 전자공학을 위한 경자성 그래핀 나노복합체”) 개인에게 맞춤화된 재구성 가능한 모듈식 웨어러블 전자 장치의 오랫동안 추구해 온 비전을 실현할 수 있는 자기적으로 자가 조립되는 그래핀 센서. 생체 적합성 기계적 특성과 적합한 전기적 특성의 균형을 맞추는 것은 웨어러블 개발에 지속적인 과제를 안겨줍니다. 정밀하고 적응 가능한 센서를 통해 진단 정확도와 다양성이 향상됩니다. 그러나 피부 자극을 방지하는 부드러운 폼 팩터는 종종 단단한 자석과 같은 조정 가능한 고성능 구성 요소 요구 사항과 충돌합니다. 이전의 재구성 가능한 웨어러블 시도는 이러한 절충안으로 인해 일회용 장치에 비해 감지 기능이나 상호 연결 신뢰성을 희생했습니다. 그러나 새로운 연구는 유연한 바이오센서와 맞춤형 전자 장치의 장점을 결합하여 안정적인 자가 조립을 가능하게 하면서 센서 정밀도를 높이는 자성 그래핀 나노복합체를 보여줍니다. 최근 재료의 발전으로 꿈의 장치가 현실에 더 가까워졌습니다. 그래핀의 높은 전도성과 생체적합성 덕분에 피부에 장착되는 전자 장치의 흥미로운 기본 감지 소재가 되었습니다. 그래핀 필름의 기공을 레이저 유도함으로써 연구원들은 전기 화학 반응, ECG와 같은 전기 생리학 신호 및 온도 변화를 포함한 다양한 감지 양식에 매우 적합한 유연하고 전도성 네트워크를 만들었습니다. 혁신은 자기 조립을 위한 경자성 입자로 이 감지 필름을 강화하는 데 있습니다. 그 결과 "자성 그래핀 나노복합체"(HMGN)는 가역적이고 재구성 가능한 연결을 가능하게 하면서 센서 성능을 향상시킵니다. HMGN의 재구성 가능한 소프트 전자 장치

a) 자성 그래핀 나노복합체의 재구성 가능한 소프트 전자 장치의 개략도. b) NdFeB로 다공성 그래핀을 도핑하는 제조 방법. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄) 실험에서 연구원들은 자성 입자로 다공성 그래핀 필름을 강화하면 센서 성능이 크게 향상된다는 것을 입증했습니다. 테스트 결과 자성 그래핀 나노복합체는 다공성 그래핀 단독에 비해 요산 및 피리독신과 같은 대사산물에 대한 센서 정밀도를 70% 향상시키고 전기생리학적 감지에 대한 임피던스를 87% 감소시키는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 요산 센서는 감도가 29.6에서 8nA/μM으로 증가한 것으로 나타났습니다.-1 자기 도핑 후. 동시에 온도 센서의 감도가 0.14%에서 0.22%°C로 증가했습니다.- 1. 자기적으로 도핑된 그래핀은 또한 전기 생리학적 감지를 위한 임피던스를 87kHz 주파수에서 37.96kΩ에서 4.73kΩ으로 1%까지 줄였습니다. 결정적으로, 자구를 통해 HMGN 필름이 서로 결합되어 납땜이나 접착제 없이 안정적인 전기 연결을 형성할 수 있습니다. 적용된 자기장은 막대 자석과 유사하게 정렬된 북극-남극으로 불규칙한 자기 영역을 구성합니다. 반대 극은 유연한 기판에 모듈형 HMGN 센서를 사용자 정의 레이아웃으로 자체 조립하도록 유도됩니다. 연구원들은 HMGN에서 16개의 임피던스 감지 전극 배열을 제작하여 이 개념을 테스트했습니다. 명령에 따라 사각형 전극을 분리하고 원형과 삼각형 모양으로 재조립하여 손상된 조직 형상을 매핑합니다. 기판의 단일 HMGN 센서를 교체하는 다른 실험에서는 장치 감도, 공간 적용 범위 및 전해질 농도, ECG 신호 및 온도와 같은 감지 양식을 조정했습니다. 팀은 운동 중 땀 전해질 손실을 모니터링하기 위해 나트륨, 염화물 및 요산 이온에 대한 센서를 플랫폼에 통합했습니다. 데이터를 수집한 후 센서를 분리하여 ECG 및 온도용 새 센서로 대체하여 심혈관 반응을 측정할 수 있으며, 이는 효율적인 다기능 웨어러블 전자 장치에 대한 HMGN의 잠재력을 보여줍니다. 이러한 유연한 모듈식 장치는 개별 환자와 상황에 맞는 맞춤형 진단 및 치료를 발전시킬 수 있습니다. 임상 환경 외부에서 생물물리학적 및 생화학적 지표를 지속적으로 추적하면 의학이 반응적 접근법 대신 예방 치료로 전환될 수 있습니다. 앞으로 나아갈 길에는 더 많은 신체 위치에 대한 HMGN의 생체 적합성을 강화하고 센서 유형을 포도당, 습도 및 긴장과 같은 조건으로 확장하는 것이 포함됩니다. 자기적으로 자체 조립된 전자 장치는 유망한 재구성 가능성을 제공하지만 수동 교환은 여전히 짧은 시간 동안 여러 시나리오에 대한 신속한 장치 적응을 제한합니다. 상황에 맞는 입력 및 사용 패턴에 따라 모듈식 플러그 앤 플레이 센서를 자동으로 재배치하는 완전 통합형 시스템이 차세대 개척지를 대표합니다. 그럼에도 불구하고, 이 획기적인 기술은 각 사용자의 변화하는 요구 사항에 적응하여 건강을 개선하는 지능형 웨어러블 장치의 비전을 실현하는 데 도움이 됩니다. 레이저 유도 자성 그래핀 나노복합체는 일상 활동 전반에 걸쳐 XNUMX시간 내내 웰빙을 지속적으로 모니터링하는 맞춤형 다기능 전자 장치를 향한 길을 열어줍니다. 여기에서 개발된 모듈식, 가역적 접근법은 개인화되고 예방적이며 참여적인 의학의 꿈을 더 가까이 가져옵니다.

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마이클
버거