Un idrogel ternario eterogeneo con elementi di forza per auto resiliente

Jul 31, 2023

npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 51 (2022) Citare questo articolo

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I dispositivi di rilevamento epidermico, che imitano le funzionalità e le proprietà meccaniche della pelle naturale, offrono un grande potenziale per il monitoraggio della salute in tempo reale attraverso il controllo continuo dei segni vitali. Tuttavia, la maggior parte dei dispositivi elettronici montati sulla pelle utilizzano una pellicola flessibile con un elevato modulo elastico, che ostacola l’attività fisica e provoca delaminazione dell’interfaccia e irritazione della pelle. La compliance dei dispositivi a base di idrogel può conformarsi saldamente a superfici curve complesse senza introdurre eccessivi stress interfacciali. Tuttavia, la maggior parte degli idrogel soffre ancora della debolezza di un rilevamento stabile e riproducibile. In questo lavoro, riportiamo un dispositivo elettronico epidermico delicato sulla pelle costituito da un idrogel di alcol polivinilico (PVA) resiliente, autorigenerante e riciclabile. L'idrogel è rinforzato attraverso una rete ternaria eterogenea per una buona robustezza meccanica pur mantenendo un'elevata elasticità e un'eccezionale conformabilità. Allo stesso tempo, gli abbondanti legami idrogeno dinamici conferiscono all’idrogel una rapida capacità di autoriparazione. L'elettronica epidermica dell'idrogel assemblato è in grado di monitorare stabilmente molteplici segnali fisiologici e di rilevare il livello di tensione del movimento della pelle e la flessione articolare. L’elettronica epidermica unica, versatile, rispettosa dell’ambiente e della biologia avrà ampie applicazioni nell’assistenza sanitaria, nell’interfaccia uomo-macchina, nella realtà aumentata e così via.

L'elettronica epidermica fornisce metodi non invasivi per monitorare un ampio spettro di segni vitali, che vanno dalle attività elettrofisiologiche alla frequenza cardiaca e respiratoria e al movimento del corpo, che sono strettamente rilevanti per le normali funzioni corporee di una persona e segnali clinici per la diagnosi di malattie1. Anche per l'interfaccia uomo-macchina2 si stanno prendendo in considerazione le acquisizioni continue e in tempo reale dei parametri corporei, in modo da non disturbare le attività quotidiane di routine. I cerotti adesivi commerciali utilizzati per fissare componenti elettronici flessibili con modulo elevato alla pelle provocano solitamente sensazioni spiacevoli, irritazione cutanea e sono difficili da staccare3. Sebbene la strategia del dispositivo di assottigliamento4 e la progettazione microstrutturale5 ispirata alla natura siano state adottate per migliorare l'esperienza dell'utente, le strategie per progettare un dispositivo epidermico confortevole con adesione e distacco delicati, nonché lo smaltimento sicuro e ciclico dei rifiuti elettronici sono state appena esplorate6. I dispositivi ideali montati sull'epidermide dovrebbero essere morbidi ed elastici per soddisfare l'integrazione conforme con la pelle7, tenaci e sufficientemente resilienti da accogliere la tensione indotta dai movimenti ripetuti del corpo3. Durante l'ultimo decennio, l'elettronica epidermica è stata sviluppata impiegando forme serpentine e mesh di materiali elettronici inorganici flessibili8, materiali organici intrinsecamente estensibili9 e nanomateriali conduttivi (come Au nanomesh7, nanotubi di carbonio10 e grafene11) che rivestono i substrati polimerici ultrasottili. Tuttavia, rimane una sfida scientifica critica, poiché gli approcci sopra menzionati incontrano una contraddizione inconciliabile tra il fattore di forma ultrasottile e la robustezza meccanica (di solito allungamento <50%), che sono imperativi nell'elettronica epidermica12. Nel frattempo, la fabbricazione di componenti elettronici epidermici utilizzando tali materiali solitamente comporta fotolitografia, deposizione di film sottili, tecniche di trasferimento e altre procedure complicate, che sono costose e richiedono molto tempo13.

L'idrogel conduttivo, grazie alla sua morbidezza, umidità, reattività e biocompatibilità superiori, fa parte del continuo sforzo verso la costruzione di un'interfaccia senza soluzione di continuità tra biologia ed elettronica14. La natura morbida (equivalente alla pelle) ed estensibile (allungamento >200%) degli idrogel consente di ridurre al minimo il disadattamento meccanico con i tessuti biologici rispetto all'elettronica epidermica ultrasottile15. Tuttavia, pochi di essi sono tenaci e resistenti come i tessuti viventi come i muscoli16. Nonostante siano stati impiegati vari approcci per migliorare le proprietà meccaniche dell'idrogel, come la costruzione di doppie reti, l'aggiunta di nanoriempitivi, l'addestramento meccanico, ecc., la resilienza dell'idrogel rinforzato non è ancora soddisfacente, in particolare rispetto ai polimeri senz'acqua17. Poiché un caso di carico ad alta tensione provoca una deformazione permanente o una frattura irreversibile nel rilevamento epidermico18. Come bioelettronica ideale, gli elettrodi idrogel dovrebbero dimostrare una maggiore robustezza meccanica e capacità di autoriparazione ripetibile19,20. Nel nostro lavoro precedente è stato presentato un idrogel conduttivo altamente elastico, riparabile a temperatura ambiente e riciclabile basato su reti PVA a doppia reticolazione21. Tuttavia, la debole resistenza dell’idrogel PVA ne ha ristretto le applicazioni indossabili. I requisiti intrinsecamente contraddittori di tenacità e resilienza rendono una grande sfida progettare un gel con entrambe elevata tenacità22.