Южнокорейски учени разработиха мащабируем метод за производство на самовъзстановяващи се, разтегливи транзистори и електронни вериги с потенциал за революция в носимите и имплантируеми медицински устройства.

Съвременният напредък в електронните технологии доведе до създаването на широка гама от все по-сложни носими и имплантируеми устройства, използвани за наблюдение на физиологични сигнали и терапевтични интервенции с висока прецизност. За да бъдат ефективни в дългосрочен план, особено в променяща се биологична среда, тези устройства трябва не само да са биосъвместими, но и да притежават способността да се самовъзстановяват след физически повреди.

Изследователски екип от университета Сунгюнкван, Института за фундаментални науки (IBS) и други научни организации в Южна Корея разработи новаторски метод за производство на самовъзстановяващи се и разтегливи транзистори и електронни вериги. Методът, публикуван в престижното списание Nature Electronics, позволява мащабируемо и преконфигурируемо сглобяване на високопроизводителни електронни системи с приложение в имплантируемата и носимата електроника.

Вдъхновение от човешката кожа

„Човешката кожа има уникалната способност да се възстановява след нараняване, възвръщайки своите механични свойства и чувствителност към външни стимули“, казва проф. Донгхи Сон, старши автор на изследването. „Вдъхновени от тази биологична функция, ние създадохме транзистори, които се самовъзстановяват чрез интегриране на тази способност в трите ключови слоя на устройството – изолационния диелектрик, полупроводника и електродите.“

Този подход позволява на устройствата да се адаптират и възстановяват дори след физически повреди, причинени от механично напрежение, външни удари или продължителна употреба.

Как работи технологията

Ключът към метода се крие в използването на иновативни материали: самовъзстановяващи се полимери, органични полупроводници и проводими наноматериали. Полупроводниковият слой се създава чрез смесване на самовъзстановяващ се полимер с органичен полупроводник и нанасяне чрез центрофугиране. Този процес води до спонтанно вертикално фазово разделяне, което предотвратява деградацията на електрическите свойства при механично напрежение.

Дори при възникване на физическо увреждане, взаимодействието между полимерните вериги осигурява запазване на електрическите и механичните характеристики на устройството.

Целият производствен процес използва трансферно печатане – техника, която позволява изработка на електронни компоненти върху големи площи. Това осигурява възможност за създаване на мащабни, гъвкави и разтегливи модулни системи, които могат да бъдат интегрирани с допирни сензори, дисплеи и други компоненти.

Лего-подобна модулност и преконфигурируемост

Устройствата, произведени чрез този метод, се отличават с изключителна модулност. Те могат лесно да бъдат преконфигурирани и повторно сглобени според конкретните нужди на приложението – аналогично на сглобяване с LEGO блокчета. В случай на повреда или спад в производителността, отделни модули могат да бъдат заменени чрез „plug-and-play“ механизъм без нужда от пълно разглобяване на системата.

Това ги прави изключително подходящи за персонализирани медицински приложения, където индивидуалните нужди на пациента или спецификата на диагнозата изискват гъвкава и адаптивна електронна система.

Висока надеждност в биологична среда

Предизвикателствата при разработването на имплантируема електроника са свързани не само с механичната издръжливост, но и със запазване на стабилни електрически свойства в сложна, влажна и динамична биологична среда. Разработените от екипа устройства успешно преминават тестове при имплантиране в живи животни, като показват стабилна електрическа работа за продължителни периоди от време.

Проф. Сон подчертава: „Към момента не съществува системна биоелектроника, която едновременно да е самовъзстановяваща се, разтеглива и способна за имплантация in vivo. Нашето изследване демонстрира за първи път възможността за създаване на такава система.“

Потенциал за напредък в невротехнологиите

Разработката отваря нови възможности в областта на невропротезите и устройствата за човешко усъвършенстване. Екипът планира разработване на системи, способни да улавят, усилват и обработват невронни сигнали с висока плътност чрез усъвършенствани електродни масиви, имплантирани в мозъка, гръбначния стълб или периферната нервна система. Устройствата ще позволяват и обратна електрическа стимулация чрез затворен контролен цикъл – ключов елемент за следващо поколение невротерапии.

Перспективи и бъдещи проучвания

Следващите стъпки в изследването ще се съсредоточат върху:

  • Повишаване на електрическата производителност чрез оптимизация на проводимостта и мобилността на полупроводниците

  • Разработване на вериги за висококачествено in vivo придобиване на електрофизиологични сигнали

  • Провеждане на предклинични и клинични тестове за безопасност и ефективност

Финалната цел е разработване на персонализирани интегрирани системи за диагностика и терапия при сърдечни и неврологични заболявания, които да поставят основите на нова ера в биоелектрониката и човешкото усъвършенстване.

DOI: 10.1038/s41928-025-01389-z

Източник: TechXplore