Інженери розробили пристрій для друку електроніки на живих тканинах і хірургічних імплантатах без їх пошкодження

Інженери Університету Райс (Rice University) розробили пристрій, який спікає провідні чорнила прямо на живих тканинах, кістках і хірургічних імплантатах — без пошкодження поверхні. Пристрій Meta-NFS передає в матеріал 79,5 % мікрохвильової потужності проти 8,5 % у стандартних зондів, концентруючи енергію в зоні менше 200 мікрометрів.

Джерело зображень: rice.edu

Meta-NFS розшифровується як metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure — структура електромагнітного ближнього поля на основі метаматеріалів. Пристрій об'єднує розрізний кільцевий резонатор з конусоподібним наконечником: резонатор захоплює і посилює електромагнітну енергію, наконечник стискає її до зони менше 200 мікрометрів (0,008 дюйма). В результаті нанесений матеріал розігрівається вище 160 °C, а несуча поверхня залишається холодною.

Роль посередника виконує графен, який поглинає до 50 % мікрохвильової енергії, тоді як інфрачервоний лазер забезпечує поглинання лише на рівні 2,3 %. Регулюючи потужність у реальному часі, дослідники змінюють кристалічну структуру наночастинок прямо під час друку — без зміни матеріалів. Удельний опір чорнил на основі наночастинок срібла варіюється більш ніж на три порядки, аж до значень, близьких до провідності чистого срібла.

Досі друкована електроніка натрапляла на один бар'єр: піч або лазер нагрівають усе в зоні досяжності, що руйнує живі тканини і більшість медичних матеріалів. Лазерне спікання вимагало, щоб поверхня поглинала випромінювання строго визначеної довжини хвилі — це спочатку виключало більшість біологічних і медичних матеріалів.

Мікроекструзійне сопло наносить провідні чорнила, поки сусідній зонд Meta-NFS одночасно фокусується на свіжовіддрукованому матеріалі, спікаючи його наночастинки в робочі електричні ланцюги в режимі реального часу.

Команда надрукувала провідні мікроструктури на живому рослинному листі, пластику, силіконі, папері і безпосередньо на стегновій кістці бика. На кістці розмістили бездротовий датчик деформації, який фіксував малі механічні відхилення. Схема в силіконовій оболонці зберігала електропровідність більше 300 секунд під водою; незахищена руйнувалася за 2,5 секунди.

Найбільш близьке до практики застосування — датчики зносу в ортопедичних імплантатах. Команда вже надрукувала бездротові датчики на надвисокомолекулярному поліетилені — матеріалі більшості штучних тазостегнових і колінних суглобів. Датчики відстежують знос і механічні напруження в режимі реального часу, не порушуючи структуру імпланта і не вимагаючи додаткових операцій. Наступні напрямки — проковтувальні діагностичні системи, пристрої прямого з'єднання з органами і роботи з електронікою, вбудованою в конструкцію.

Об'ємні електропровідні конструкції, надруковані послідовним методом з використанням Meta-NFS: пристрій спікає кожен шар наночастинок срібла безпосередньо під час друку, формуючи вільностоячі тривимірні структури без термічного впливу на навколишню поверхню.

«Можливість вибірково нагрівати друковані матеріали дозволяє задавати їх функціональні властивості в потрібних точках простору навіть в оточенні термочутливих матеріалів, — повідомив керівник дослідження, молодший професор кафедри машинобудування Школи інженерії та обчислювальних наук імені Джорджа Р. Брауна при Університеті Райс Йон Лінь Кон (Yong Lin Kong). — Це дозволяє розміщувати електроніку довільної конфігурації на широкому спектрі основ, включаючи біополімери і живі тканини, за допомогою настільного принтера — без складних виробничих умов і трудомістких ручних операцій».

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки