Научные изыскания и технологический прогресс показывают, что между разными ветвями науки всегда есть связь, которая может быть крайне важной для реализации того или иного изобретения. Искусственный интеллект используется для оценки урожая в полях, биология используется в качестве вдохновения в робототехнике, современная медицина успешно пользуется достижениями в области физики и электроники и т. д. Говоря о медицине, стоит упомянуть о вживляемой электронике, используемой для диагностики, лечения и поддержания здоровья пациентов. Такие устройства могут за определенный период выполнить все свои функции и стать более ненужными, а потому они должны быть удалены из организма. Инвазивные методы, хоть и прямолинейно эффективны, все же являются пережитком прошлого, потому ученые ищут способы избавления от таких устройств без применения скальпеля. Один из таких методов нашли ученые из Университета штата Пенсильвания (США), разработавшие материал, позволяющий контролировать процесс биоразложения внедренных устройств, дабы те не разлагались раньше нужного срока. Из чего сделан этот материал, каковы принципы его работы, и насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Биоразлагаемые устройства стали настоящим чудом для медицины, сводя к минимуму необходимость в хирургическом вмешательстве для извлечения устройств и, как следствие, уменьшая риск заражения во время процедуры. В ходе исследований в области этой технологии было создано множество систем, включая MEMS, носимые системы, имплантируемые терапевтические устройства, кардиостимуляторы, мониторы биосигналов и устройства доставки лекарств. Однако, несмотря на всю полезность, данная технология не лишена недостатков, одним из которых является неконтролируемость срока биоразложения.

В предыдущих исследованиях было предложено несколько подходов к инкапсуляции на основе биоразлагаемых синтетических полимеров, таких как поли(капролактон) (PCL), поли(лактид) (PLA), поли(лактид-со-гликолид) (PLGA) и полибутандитиол-1,3,5-триаллил. -1,3,5-триазин-2,4,6(1H,3H,5H)-трионпентеновый ангидрид (ПБТПА), а также полимеры природного происхождения, такие как целлюлоза, желатин и шелк. Поскольку эти полимеры подвергались быстрой деградации из-за высокой влагопроницаемости, несколько попыток увеличить срок службы временных электронных устройств привели к использованию неорганических материалов с низкой влагопроницаемостью и высокой химической стойкостью, таких как диоксид кремния (SiO₂), нитриды кремния (Si3N₄), и другие межслойные диэлектрики в одно- или многослойной конфигурации. Однако жесткая и хрупкая природа неорганических пленок механически несовместима с мягкими биологическими тканями.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые изучили различные биоразлагаемые полимеры (PLA, PCL, PLGA и ацетат целлюлозы) и неорганические наполнители разных типов и форм (наночастицы SiO₂ и ZnO и чешуйки SiO₂), чтобы продемонстрировать стратегию инкапсуляции антипроницаемых гибридных композитов (HCAP от hybrid composite-based antipermeable) для настройки желаемых сроков жизни. Комбинация наполнителя с высоким соотношением сторон (т.е. хлопьев) с гидрофобным полимером (PCL) демонстрирует превосходную способность ограничивать диффузию воды, что приводит к увеличению срока службы более чем на 40 дней, что намного превосходит сроки службы пленок, о которых сообщалось ранее. Теоретический и экспериментальный анализ демонстрирует влияние материальных факторов, таких как типы полимеров, концентрации и соотношения сторон наполнителей, на свойства инкапсуляции. Применение предлагаемых пленок в качестве герметика/подложки для временных электронных устройств, включая n-канальный полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (nMOS), дополнительные матрицы металл-оксид-полупроводник (CMOS), конденсаторы, радиочастотные (RF) катушки и беспроводные светодиодные устройства (LED) подтверждают общую применимость и выдающуюся защитную способность данных материалов.

Результаты исследования

Изображение №1

На 1a показана гибкая биоразлагаемая антипроницаемая капсула на основе гибридного композита (HCAP), состоящая из биорезорбируемой полимерной матрицы и биосовместимых/биоразлагаемых неорганических нанонаполнителей, таких как частицы и хлопья. Ключевой стратегией композитной пленки является физическое ограничение проникновения воды, тем самым обеспечивая надежную работу временных электронных устройств в биожидкостях или во влажной среде. Предложенный подход исключает необходимость дополнительной химической обработки и может использоваться с любыми типами полимерных компонентов, например, с природными и синтетическими полимерами, такими как поли(лактид) (PLA), поли(капролактон) (PCL), поли(молочно-когликолевая кислота) (PLGA) и ацетат целлюлозы.

Типы и формы биоразлагаемых неорганических наполнителей, таких как наночастицы оксида цинка (ZnO) (ZP от zinc particles), наночастицы диоксида кремния (SiO₂) (SP) и хлопья SiO₂ (SF от silicon flakes), позволяющие регулировать антипроницаемость воды и, следовательно, определять срок службы временных электронных компонентов. Здесь PCL/ZP (0–20) относится к пленкам HCAP на основе PCL с 0, 10 и 20 об. % наночастиц ZnO, PCL/SP (0–20) и PCL/SF (0–20) для композитов с SP и SF, соответственно.

На 1b показан репрезентативный пример гибких и тонких пленок HCAP на основе PCL с различными биорезорбируемыми неорганическими наполнителями (PCL/SP20, PCL/SF20). Снимок СЭМ (сканирующий электронный микроскоп) в увеличенном масштабе показывает однородное, равномерное распределение внедренных SP (диаметр: ≈200 нм) (в центре) и SF (ширина: ≈30 мкм; толщина: ≈350 нм) (справа).


Изображение №2

На 2a показана общая концепция пленки HCAP, в которой внедренные наполнители действуют как физический барьер, препятствующий диффузии воды и удлиняющий пути диффузии. Антипроницаемость контролировали на основе объемной доли (φ_p) и соотношения сторон (?) (? = ширина/толщина) наполнителей. На 2b показано влияние объемной доли и соотношения размеров наполнителей, включая SP и SF, на относительный коэффициент диффузии (D/D₀) пленок HCAP.

Ученые теоретически рассчитали поведение, используя модель Хигучи для наночастиц с соотношением сторон 1. Модель Хигучи описывает проницаемость композитов с наночастицами внутри проницаемой полимерной матрицы следующим образом:



где φ_p — объемная доля наночастиц, а K_H — константа Хигучи (эмпирический параметр, связанный с состоянием дисперсии наночастиц).

Существует модель, учитывающую различные соотношения сторон дисперсных наполнителей (чешуек или пластинок), согласно:



где ? — соотношение сторон наполнителя, а ? — коэффициент, который зависит от типа дисперсных наполнителей. Относительный коэффициент диффузии пропорционально уменьшался с увеличением объемной доли и соотношения сторон наполнителей. При объемной доле 20% SP (соотношение сторон 1) имело значение ниже 0.55, тогда как SF (соотношение размеров ≈85) имело значение ниже 0.043.

Результаты показывают, что скорость проникновения молекул воды резко снизилась примерно в 2 (PCL/SP20) и 23 (PCL/SF20) раза по сравнению с тем, когда использовалась первичная пленка PCL. Стоит отметить, что значение D/D₀ для PCL/ZP эквивалентно таковому для PCL/SP из-за идентичного размера (200 нм) и соотношения сторон (≈1).

Ученые также измерили скорость прохождения водяного пара (WVTR от water vapor transmission rate), чтобы косвенно подтвердить свойства инкапсуляции, как показано на 2c. WVTR демонстрировали аналогичную тенденцию с D/D₀ в том смысле, что они уменьшались пропорционально объемной доле и соотношению сторон. WVTR нетронутых PCL, PCL/SP20 и PCL/SF20 составил ≈750, 430 и 35 г/м² в день, при этом PCL/SF20 был в 20 раз более эффективным, чем нетронутый PCL. Более того, эти значения оставались практически неизменными даже при таких деформациях как изгиб.

На 2d показано измеренное электрическое сопротивление следов растворимого магния (Mg) (толщина 300 нм), инкапсулированного различными типами пленки HCAP (толщина 300 мкм) в фосфатно-солевом буфере (PBS от phosphate-buffered saline, pH 7) при температуре тела (37 °С). Результаты показали, что функциональный срок службы (SP20) увеличился до ≈4.5 дней. В частности, SF20 с высоким соотношением сторон продлил срок службы более чем до 42 дней, то есть на ≈2200% дольше, чем у полимера PCL. Кроме того, наполнитель SiO₂ улучшил водостойкость пленок HCAP за счет сильного взаимодействия водорода с полимерной матрицей, тем самым подавляя эффект набухания полимера.

Пленки PCL/ZP20 имели более короткий срок службы, чем пленки PCL/SP20 в тех же условиях, из-за свойств ZP разлагаться. Это привело к изменению объемной доли наполнителя внутри пленок и образованию полостей. Предполагается, что влияние деградации герметизирующих пленок на способность ограничивать проникновение влаги будет минимальным, что объясняется механизмом поверхностной эрозии в процессе деградации и низкой скоростью растворения PCL.

Как и в случае с PCL/SF20, функциональный срок службы PCL/SP20 различной толщины демонстрирует линейную тенденцию. Примечательно, что пленки HCAP эффективно поддерживали относительно стабильную объемную плотность наполнителей при деформации за счет совокупного вклада уменьшения и увеличения поверхностной плотности наполнителей в направлениях, параллельных и вертикальных деформации соответственно, и этот механизм сохранял возможности ограничения водопроницаемости.

Превосходные водобарьерные свойства пленки HCAP, содержащей наполнители с большим соотношением сторон, были исследованы посредством моделирования с использованием модели переноса разбавленных частиц в COMSOL Multiphysicals (2e). При погружении в объем воды пленки PCL/SP20 и PCL/SF20 толщиной 300 мкм каждая демонстрировали заметно различное поведение по водопроницаемости в зависимости от времени. В то время как полное проникновение воды произошло в пленку PCL/SP20 всего за 5 дней, PCL/SF20 эффективно предотвращал попадание молекул воды в нижележащее устройство, о чем свидетельствует темно-синяя область, соответствующая начальной концентрации воды на выходе 0 моль/м³, на карте концентрации воды. Более того, даже через 40 дней концентрация воды внутри PCL/SF20 оставалась низкой (≈0.14 моль/м³ на границе устройства), подчеркивая эффективность использования наполнителей с высоким соотношением сторон для высокоэффективной инкапсуляции.


Изображение №3

Включение наночастиц в полимерную матрицу не только способствовало увеличению диффузии, но и вызывало изменения механических и физических свойств. На 3a представлены измеренные кривые растяжения пленок HCAP на основе PCL с различными неорганическими наполнителями (красный — наночастицы SiO₂ (SP); синий — чешуйки SiO₂ (SF)). Добавление нанонаполнителей к полимерным веществам приводило к увеличению модуля пленок, но снижало эластичность. Этот эффект стал более заметным при интеграции SF в матрицу PCL по сравнению с таковым в случае SP, поскольку большая площадь поверхности обеспечивает эффективную передачу напряжения и увеличивает модуль упругости.

На 3b показано влияние объемной доли наполнителей на модуль упругости (E). Значения E были линейно пропорциональны объемным долям, и такая тенденция наблюдалась не только в пленках HCAP на основе PCL, но и в матрицах на основе других полимеров (3c). На 3d показаны измеренные углы смачивания водой (WCA от water contact angle) пленок HCAP на основе PCL с различными объемными долями неорганических наполнителей. Наполнители придали шероховатость поверхности композитных пленок, что привело к увеличению WCA, которое демонстрирует линейную тенденцию в зависимости от соотношений смеси. Кроме того, пленки HCAP продемонстрировали небольшое увеличение диэлектрической проницаемости из-за более высокой диэлектрической проницаемости наполнителей, чем у полимерных матриц, хотя значения все еще были достаточно низкими, чтобы служить материалами инкапсуляции/изоляции/подложки (3e).

Композиты со встроенными неорганическими наполнителями были оптически непрозрачными во всем диапазоне длин волн ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазона из-за сильного рассеяния света диспергированными наполнителями (3f).


Изображение №4

Пленки HCAP играют ключевую роль в контроле срока службы электронных компонентов в качестве герметиков для гибких биоразлагаемых систем. На 4a–4d представлены изображения (слева) и характеристики (справа) примеров растворимых электронных устройств: матрицы n-канальных металлооксидов-полупроводниковых полевых транзисторов (nMOS) на основе кремниевых наномембран (SiNM) (4a) и комплементарная матрица металл-оксид-полупроводник (CMOS) (4b), конденсаторы на основе магния (Mg) (4c) и радиочастотная (RF) катушка (4d), все из которых были заключены между PCL/SF20, PLA/SF20, CA/SF20 и PLGA/SF20 толщиной 300 мкм каждый.

Все электронные компоненты демонстрировали двухэтапное поведение в водных растворах (PBS; pH 7) при температуре тела (37 °C):

• стабильная, высокопроизводительная работа, определяемая контролем проникновения воды через слои композита;
• функциональная деградация за счет частичного растворения электронных материалов (например, магниевых электродов).

Такое переходное поведение можно регулировать типом и толщиной композитной герметизации. На 4e подтверждается способность пленок HCAP (PCL/SF20) к инкапсуляции как в качестве герметика, так и в качестве подложки светодиодных матриц, соединенных с магниевыми электродами и приемником (Rx) (толщиной ≈300 нм) и катушкой внешнего передатчика мощности (Tx) (толщиной ≈300 нм) в биожидкости (pH 7) при комнатной температуре.

Как показано на последовательных изображениях на 4f, беспроводная светодиодная матрица излучала свет, когда катушки Tx и Rx вступали в тесный контакт, и вся система оставалась работоспособной в течение длительного периода (≈40 дней), что подчеркивает долгосрочные и эффективные барьерные свойства тонкой гибкой пленки HCAP против влаги и водных растворов.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые сообщили о концепциях, материалах и процессах изготовления тонких и эффективных стратегий инкапсуляции гибких биорезорбируемых электронных систем. Комбинация различных типов биоразлагаемых полимеров и неорганических наполнителей показала способность достигать инкапсуляционных свойств с максимальным сроком службы более 40 дней для пленки PCL/SF20, что намного превосходило свойства ранее описанных методов. Комплексные оценки, основанные на эмпирическом и теоретическом анализе, подтвердили механизм инкапсуляции в отношении объемной доли и соотношения сторон наполнителей. Пленки HCAP были интегрированы с различными временными электронными компонентами и обеспечивали долгосрочную стабильную функциональность, тем самым подчеркивая потенциал и практическую применимость предложенной стратегии.

Данного рода технология позволит имплантируемым устройствам разлагаться внутри организма человека по завершению своего срока службы, который можно будет настраивать заранее посредством контроля свойств инкапсулирующих материалов и наполнителей. Это минимизирует необходимость в хирургическом вмешательстве для извлечения подобных устройств и, как следствие, риск заражения.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?