Un conducteur élastique de 1,3 micromètre d’épaisseur pour les appareils portables et implantables

Ces dernières années, les ingénieurs ont travaillé pour développer des composants électroniques de plus en plus sophistiqués et plus petits qui pourraient alimenter les appareils du futur. Cela comprend des composants minces et extensibles qui pourraient être facilement portés sur la peau ou implantés à l’intérieur du corps humain.

Des chercheurs du RIKEN, de l’Université technologique de Nanyang, de l’Université nationale de Singapour, de l’Université de Tokyo et d’autres instituts au Japon, à Singapour et en Chine ont récemment réalisé un nouveau conducteur électrique élastique d’une épaisseur de 1,3 micromètre. Ce chef d’orchestre, présenté dans un article publié dans Électronique naturellepourrait faire progresser le développement de capteurs portables et implantables.

“Les appareils électroniques ultra-fins peuvent former une interface conforme avec des surfaces courbes, ne sont pas perceptibles par l’homme lorsqu’ils sont portés et n’induisent pas de fort rejet de corps étranger (FBR) lorsqu’ils sont implantés chez les animaux”, a déclaré Zhi Jiang, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. , a déclaré TechXplore.

“Auparavant, les appareils électroniques ultrafins étaient construits sur des films plastiques, tels que le polyimide, le parylène et le SU8. Cependant, dans les applications portables et implantables, les appareils peuvent subir des déformations avec la peau humaine et certains organes (par exemple, le cœur, les muscles et les nerfs) , ils doivent donc être extensibles.”

L’objectif principal des travaux récents de Jiang et de ses collègues était de créer un matériau extensible qui pourrait soutenir le fonctionnement stable des appareils électroniques portables et implantables ultrafins pendant de longues périodes. Pour ce faire, ils ont créé un film de 1,2 μm d’épaisseur à l’aide d’un élastomère approuvé par la FDA, appelé Polydimethylsiloxane (PDMS). Ils ont ensuite utilisé ce film comme alternative aux films plastiques généralement utilisés pour créer des appareils électroniques biocompatibles.

“Auparavant, tous les conducteurs PDMS-Au utilisaient des films PDMS épais (allant de dizaines à des centaines de micromètres d’épaisseur), qui présentaient de mauvaises interfaces avec la peau humaine texturée et les organes de petite dimension (nerfs sciatiques et faisceaux musculaires)”, a déclaré Jiang.

“De plus, la peau humaine a besoin de respirer à tout moment, et la perméabilité aux gaz des films PDMS épais n’est pas assez élevée pour le permettre. En réduisant l’épaisseur à 1,2 μm, les films PDMS ultrafins ont montré une perméabilité aux gaz élevée la respirabilité de la peau.”

Pour créer leur conducteur élastique, les chercheurs ont d’abord créé un film PDMS de 1,2 μm d’épaisseur en utilisant une technique connue sous le nom de revêtement par centrifugation. Ils ont ensuite transféré ce film ultra-mince sur un verre revêtu de PDMS de 100 μm d’épaisseur et évaporé thermiquement une couche d’or (Au) de 50 nm d’épaisseur.

“En utilisant un masque perforé, nous pourrions modeler nos conducteurs et former des réseaux d’électrodes multicanaux avec une haute résolution (100 µm)”, a déclaré Jiang. “Ensuite, en utilisant un autre film PDMS ultra-mince comme couche d’encapsulation, nous avons sélectivement exposé Au de petite surface comme sites d’électrodes. L’encapsulation s’est produite par la liaison étroite de deux films PDMS après l’O₂ traitement au plasma.”

En raison de sa conception microfissurée unique, le matériau PDMS-Au de l’équipe s’est avéré hautement extensible, bien plus que les films plastiques testés dans le passé. Remarquablement, son procédé de fabrication est également hautement compatible avec les méthodes de fabrication microélectroniques existantes, ce qui pourrait faciliter sa production à grande échelle.

“En comparant des électrodes d’épaisseur différente pour les interfaces sur la peau et les nerfs, nous avons démontré qu’une interface transparente peut contribuer à la fois aux processus de délivrance de stimuli électriques et d’enregistrement de signaux électriques”, a déclaré Jiang. “L’interface entre les appareils électroniques et les tissus s’avère extrêmement importante pour les nerfs pour la première fois. Notre étude et le phénomène que nous avons découvert devraient donc être perspicaces pour la création d’autres interfaces appareil/tissu.”

La stratégie de croissance des microfissures d’or sur le PDMS utilisée par Jiang et ses collègues a abouti à un matériau pouvant être étiré jusqu’à 300 %, tout en conservant ses capacités conductrices. À l’avenir, cette stratégie pourrait être utilisée par d’autres chercheurs pour concevoir des matériaux étirables alternatifs à base de microfissures.

De plus, le nouveau conducteur présenté dans cet article récent pourrait être utilisé pour créer des dispositifs microélectroniques portables et implantables plus fiables. L’équipe l’a déjà utilisé pour fabriquer des électrodes respirantes et résistantes à l’eau pouvant être appliquées sur la peau humaine, ainsi que des capteurs de 3 µm d’épaisseur capables de détecter des forces mécaniques et des électrodes nerveuses implantables.

“Nous explorons actuellement deux directions de recherche principales”, a ajouté Jian. « Le premier vise à améliorer encore les performances de nos conducteurs élastiques ultrafins du point de vue de l’ingénierie des dispositifs. Deuxièmement, nous travaillons avec des biologistes pour explorer le potentiel de nos dispositifs électroniques élastiques ultrafins en tant qu’outil puissant pour comprendre les phénomènes biologiques.

© 2022 Réseau Science X