Kleinste biosupercondensator levert energie voor biomedische toepassingen

De miniaturisering van micro-elektronische sensortechnologie, micro-elektronische robots of intravasculaire implantaten gaat snel. Het stelt echter ook grote uitdagingen voor het onderzoek. Een van de grootste is de ontwikkeling van kleine maar efficiënte energieopslagapparaten die de werking van autonoom werkende microsystemen mogelijk maken, bijvoorbeeld in steeds meer kleinere delen van het menselijk lichaam. Bovendien moeten deze apparaten voor energieopslag biocompatibel zijn, willen ze überhaupt in het lichaam worden gebruikt. Nu is er een prototype dat deze essentiële eigenschappen combineert. De doorbraak werd bereikt door een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Professorship of Materials Systems for Nanoelectronics aan de Chemnitz University of Technology, initiator van het Center for Materials, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN) aan de Chemnitz University of Technology en directeur van het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden. Het Leibniz Institute of Polymer Research Dresden (IPF) was ook betrokken bij het onderzoek als samenwerkingspartner.

In het huidige nummer van Natuurcommunicatie, rapporteren de onderzoekers over de kleinste microsupercondensatoren tot nu toe, die al functioneert in (kunstmatige) bloedvaten en kan worden gebruikt als energiebron voor een piepklein sensorsysteem om de pH te meten.

Dit opslagsysteem opent mogelijkheden voor intravasculaire implantaten en microrobotsystemen voor biogeneeskunde van de volgende generatie die kunnen werken in moeilijk bereikbare kleine ruimtes diep in het menselijk lichaam. Realtime detectie van de pH van het bloed kan bijvoorbeeld helpen bij het voorspellen van vroege tumorgroei. “Het is buitengewoon bemoedigend om te zien hoe nieuwe, extreem flexibele en adaptieve micro-elektronica de geminiaturiseerde wereld van biologische systemen binnendringt”, zegt onderzoeksgroepleider prof. dr. Oliver G. Schmidt, die zeer verheugd is met dit onderzoekssucces.

De fabricage van de monsters en het onderzoek van de biosupercondensator werden grotendeels uitgevoerd in het Research Center MAIN van de Chemnitz University of Technology.

“De architectuur van onze nano-bio-supercondensatoren biedt de eerste mogelijke oplossing voor een van de grootste uitdagingen: kleine geïntegreerde energieopslagapparaten die de zelfvoorzienende werking van multifunctionele microsystemen mogelijk maken”, zegt Dr. Vineeth Kumar, onderzoeker in het team van Prof. Schmidt. en een onderzoeksmedewerker bij het MAIN onderzoekscentrum.

Kleiner dan een stofje—voltage vergelijkbaar met een AAA-batterij

Steeds kleinere energieopslagapparaten in het submillimeterbereik – zogenaamde “nano-supercapacitors” (nBSC) – voor nog kleinere micro-elektronische componenten vormen echter niet alleen een grote technische uitdaging. Deze supercondensatoren gebruiken namelijk in de regel geen biocompatibele materialen maar bijvoorbeeld bijtende elektrolyten en ontladen zichzelf snel bij defecten en verontreinigingen. Beide aspecten maken ze ongeschikt voor biomedische toepassingen in het lichaam. Zogenaamde “biosupercondensatoren (BSC’s)” bieden een oplossing. Ze hebben twee uitstekende eigenschappen: ze zijn volledig biocompatibel, wat betekent dat ze kunnen worden gebruikt in lichaamsvloeistoffen zoals bloed en kunnen worden gebruikt voor verder medisch onderzoek.

Bovendien kunnen biosupercondensatoren het zelfontladingsgedrag compenseren door middel van bio-elektrochemische reacties. Daarbij profiteren ze zelfs van de lichaamseigen reacties. Dit komt omdat, naast de typische ladingsopslagreacties van een supercondensator, redox-enzymatische reacties en levende cellen die van nature in het bloed aanwezig zijn, de prestaties van het apparaat met 40% verhogen.

Momenteel zijn de kleinste van dergelijke energieopslagapparaten groter dan 3 mm3. Het team van prof. Oliver Schmidt is er nu in geslaagd een 3000 keer kleinere buisvormige nBSC te produceren, die met een volume van 0,001 mm3 (1 nanoliter) minder ruimte inneemt dan een stofkorrel en toch tot 1,6 V voedingsspanning levert voor micro-elektronische sensoren . Deze energie kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor een sensorsysteem in het bloed. Het vermogensniveau is ook ongeveer gelijk aan de spanning van een standaard AAA-batterij, hoewel de werkelijke stroomsterkte op deze kleinste schalen natuurlijk aanzienlijk lager is. De flexibele buisvormige geometrie van de nano-biosupercondensator zorgt voor een efficiënte zelfbescherming tegen vervormingen veroorzaakt door pulserend bloed of spiercontractie. Op volle capaciteit kan de gepresenteerde nano-biosupercondensator een complex volledig geïntegreerd sensorsysteem aansturen voor het meten van de pH-waarde in bloed.

Dankzij de origami-structuurtechnologie: flexibel, robuust, klein

Origami-structuurtechnologie omvat het plaatsen van de materialen die nodig zijn voor de nBSC-componenten op een flinterdun oppervlak onder hoge mechanische spanning. Wanneer de materiaallagen vervolgens op een gecontroleerde manier van het oppervlak worden losgemaakt, komt de rekenergie vrij en wikkelen de lagen zich tot compacte 3D-apparaten met een hoge nauwkeurigheid en opbrengst (95%). De op deze manier geproduceerde nano-biosupercondensatoren werden getest in drie oplossingen die elektrolyten worden genoemd: zoutoplossing, bloedplasma en bloed. Bij alle drie de elektrolyten was de energieopslag voldoende succesvol, zij het met wisselend rendement. In bloed vertoonde de nano-biosupercondensator een uitstekende levensduur, waarbij hij zelfs na 16 uur tot 70% van zijn oorspronkelijke capaciteit vasthield. Een protonenuitwisselingsscheider (PES) werd gebruikt om de snelle zelfontlading te onderdrukken.

Prestatiestabiliteit, zelfs onder realistische omstandigheden

Om de natuurlijke lichaamsfuncties in verschillende situaties te behouden, veranderen de stroomkarakteristieken van het bloed en de druk in de bloedvaten voortdurend. De bloedstroom pulseert en varieert afhankelijk van de diameter van het vat en de bloeddruk. Elk implanteerbaar systeem in de bloedsomloop moet bestand zijn tegen deze fysiologische omstandigheden met behoud van stabiele prestaties.

Het team bestudeerde daarom de prestaties van hun ontwikkeling – vergelijkbaar met een windtunnel – in zogenaamde microfluïdische kanalen met een diameter van 120 tot 150 µm (0,12 tot 0,15 mm) om bloedvaten van verschillende groottes na te bootsen. In deze kanalen simuleerden en testten de onderzoekers het gedrag van hun energieopslagapparaten onder verschillende stroom- en drukomstandigheden. Ze ontdekten dat de nano-biosupercondensatoren hun vermogen goed en stabiel kunnen leveren onder fysiologisch relevante omstandigheden.

Op zichzelf staande sensortechnologie kan diagnostiek ondersteunen, zoals tumordiagnostiek

De waterstofpotentiaal (pH) van bloed is onderhevig aan schommelingen. Zo kan het continu meten van de pH helpen bij het vroegtijdig opsporen van bijvoorbeeld tumoren. Hiervoor ontwikkelden de onderzoekers een pH-sensor die van energie wordt voorzien door de nano-biosupercondensator.

De 5 µm dunne-filmtransistor (TFT)-technologie die eerder werd ontwikkeld in het onderzoeksteam van prof. Oliver Schmidt, zou kunnen worden gebruikt om een ​​ringoscillator te ontwikkelen met uitzonderlijke mechanische flexibiliteit, die werkt bij een laag vermogen (nW tot µW) en hoge frequenties (tot 100 MHz).

Voor het huidige project gebruikte het team een ​​op nBSC gebaseerde ringoscillator. Het team integreerde een pH-gevoelige BSC in de ringoscillator, zodat de uitgangsfrequentie verandert afhankelijk van de pH van de elektrolyt. Deze pH-gevoelige ringoscillator werd ook gevormd tot een buisvormige 3D-geometrie met behulp van de “Swiss-roll” Origami-techniek, waardoor een volledig geïntegreerd en ultracompact systeem van energieopslag en sensor ontstond.

De holle binnenkern van dit microsensorsysteem dient als kanaal voor het bloedplasma. Bovendien maken drie in serie met de sensor geschakelde nBSC’s een bijzonder efficiënte en zelfvoorzienende pH-meting mogelijk.

Deze eigenschappen openen een breed scala aan toepassingsmogelijkheden, bijvoorbeeld in de diagnostiek en medicatie.