Näkyvä valo tulostaa johtavat elektrodipinnat iholle

Yksinkertainen väläys näkyvää valoa voi nyt kirjoittaa toimivia elektrodeja suoraan iholle ja muihin pintoihin — ilman myrkyllisiä liuottimia ja ilman erikoislaserien vaatimuksia. Ruotsalaiset tutkijat ovat kehittäneet vesipohjaisen menetelmän, jossa valo muuttaa erityisesti suunnitellut monomeerit johtaviksi polymeereiksi. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia puettaviin antureihin, lääketieteelliseen monitorointiin ja orgaanisten elektroniikkatuotteiden turvallisempaan valmistukseen.

Nestemäisestä musteesta toimiviksi elektrodeiksi: miten prosessi toimii

Menetelmän ytimessä ovat vesiliukoiset monomeerit — pienet kemialliset rakennuspalikat, jotka linkittyessään muodostavat pitkiä, johtavia polymeeriketjuja. Perinteisten vahvojen ja joskus vaarallisten kemiallisten aloitusaineiden tai ultraviolettivalon sijaan tutkijat käynnistävät polymerisaation normaalilla näkyvällä valolla. Lopputulos on johtava muovi, joka yhdistää metallien ja puolijohteiden sähkökäyttäytymisen polymeerien joustavuuteen ja pehmeyteen.

Käytännössä prosessi on suoraviivainen ja helposti skaalautuva. Tutkijat levittävät monomeereja sisältävän nestemäisen liuoksen kohdepinnalle — se voi olla lasi, tekstiili tai jopa iho. Tämän jälkeen he piirtävät elektrodikuvion kohdennetulla valolähteellä; valolle altistuneet alueet polymerisoituvat ja muuttuvat johtaviksi, kun taas valolle altistumaton liuos voidaan huuhdella pois jättäen jäljelle vain kirjoitetun piirin. Koko reaktio tapahtuu vedessä ja välttää myrkyllisiä lisäaineita, joten prosessi on lähtökohtaisesti bioyhteensopiva ja ympäristöystävällisempi kuin perinteiset menetelmät.

Xenofon Strakosas, yliassistentti (assistant professor) Laboratorion orgaanisen elektroniikan yksiköstä (Laboratory of Organic Electronics, LOE), Linköpingin yliopistosta. 

Miksi johtavat polymeerit ovat tärkeitä lääketieteessä ja puettavissa laitteissa

Johtavat polymeerit — tunnettu myös nimellä konjugoivat polymeerit — ovat houkuttelevia, koska ne toimivat siltana jäykän elektroniikan ja elävän kudoksen välillä. Ne voivat kuljettaa sekä elektroneja että ioneja, mikä mahdollistaa luonnollisemman rajapinnan biologisten systeemien kanssa. Tämä pehmeä, ionijohtava ominaisuus on erityisen arvokas biosensoreissa, neuroneja rekisteröivissä elektrodeissa sekä puettavissa laitteissa, joiden tulee pysyä mukavina ja toimivina pitkittyneessä kosketuksessa ihon kanssa.

"Uskon, että tämä on eräänlainen läpimurto. Se tarjoaa toisen tavan luoda elektroniikkaa, joka on yksinkertaisempi ja ei vaadi kallista laitteistoa", sanoo Xenofon Strakosas Linköpingin yliopiston Laboratory of Organic Electronics -yksiköstä. Hänen kommenttinsa korostavat menetelmän saavutettavuutta ja potentiaalia sekä tutkimus- että teollisuuskäytössä.

Tobias Abrahamsson, tutkija Linköpingin yliopistosta

Testaus käytännössä: aivosignaaleja iholta

Demonstratakseen menetelmän potentiaalia lääketieteelliseen monitorointiin tiimi kuvioi elektrodeja suoraan anestesoitujen hiirten iholle ja vertasi niiden signaaleja perinteisillä metallisilla EEG-elektrodeilla mitattuihin tietoihin. Painetut johtavasta polymeerista tehdyt elektrodipinnat rekisteröivät matalataajuisia aivosignaaleja selkeämmin kuin perinteiset metallikontaktit, mikä viittaa pehmeän elektroniikan ja biologisen kudoksen välisen signaalirajapinnan parantumiseen. Tulos on lupaava etenkin neurovertaus- ja aivosensorointisovelluksissa.

Tutkimuksen johtava kirjoittaja Tobias Abrahamsson kertoo, että polymerin lempeä kemia ja sen kyky kuljettaa ionisia signaaleja ovat ratkaisevia: "Koska materiaali voi kuljettaa sekä elektroneja että ioneja, se voi kommunikoida kehon kanssa luonnollisella tavalla, ja sen lempeä kemia varmistaa kudosten sietokyvyn — yhdistelmä, joka on ratkaisevan tärkeä lääketieteellisille sovelluksille." Tämä korostaa sekä materiaalitiedettä että biokompatibiliteetin merkitystä puettavissa biosensoreissa ja implanttien kaltaisissa sovelluksissa.

Polymerisaatio näkyvällä valolla vedessä: mitä pidempään monomeeri altistuu valolle, sitä sinisemmäksi ja tummemmaksi liuos muuttuu kun se muuttuu johtavaksi polymeerimateriaaliksi. Polymerisaatio tapahtuu suoraan vedessä, täysin ilman myrkyllisiä lisäaineita, mikä tekee siitä bioyhteensopivan. Kuva: Thor Balkhed

Skaalautuvuus: tekstiilit, massatuotanto ja turvallisempi valmistus

Koska lähestymistapa toimii monilla alustoilla, se voidaan siirtää laajasti erilaisiin käyttötapauksiin. Kuvittele antureita, jotka on suoraan tulostettu vaatetukseen, kertakäyttöisiä terveyspalasia ilman haitallisia liuottimia tai suurialaisia orgaanisia elektroniikkapiirejä, jotka valmistetaan yksinkertaisemmilla työkaluilla ja prosesseilla. Vaarallisten kemikaalien poissaolo ja näkyvän valon käyttö UV- tai teholaserien sijaan vähentävät sekä turvallisuusriskejä että teknisiä esteitä teollisen käyttöönoton tiellä.

Tutkimustiimi — yhteistyössä Linköpingin yliopiston, Lundin yliopiston ja New Jerseyn kumppanien kanssa — korostaa tekniikan joustavuutta. Kohtuullinen LED-lamppu riittää käynnistämään polymerisaation, mikä tarkoittaa, ettei kalliita optisia järjestelmiä tarvita moniin käyttötapauksiin. Tämä saavutettavuus voisi nopeuttaa teknologian käyttöönottoa myös resurssirajoitteisissa ympäristöissä ja tuoda markkinoille uusia puettavia terveysteknologioita nopeammin.

Tekstiilien ja vaatetuksen integraatio edellyttää kuitenkin materiaalien ja kuviointiprosessien optimointia. Esimerkiksi tekstiilien huokoisuus, pinnan karheus ja venyvyys vaikuttavat siihen, miten polymeeri tarttuu ja säilyttää johtavuutensa toistuvassa käytössä ja pesussa. Tämä tarkoittaa lisätutkimusta pintakemian, liuosten viskositeetin ja valotuksen parametrien yhdistämiseksi käytännölliseen tuotantoon.

Mitä haasteita vielä on ratkaistavana?

Vaikka alkuvaiheen tulokset ovat lupaavia, ennen kliinistä tai kaupallista käyttöönottoa on ratkaistava useita esteitä. Pitkäaikainen bioyhteensopivuus — päivien tai viikkojen jatkuvan käytön aikana — täytyy todentaa, samoin tarttuvuus ja kestävyys liikkuvalla iholla sekä sähköisen suorituskyvyn standardisointi hikoilun ja liikkeen alla. Lisäksi lääkinnällisten laitteiden sääntelyhyväksyntä vaatii perusteellista testausta, dokumentaatiota ja turvallisuusnäyttöä.

Materiaali- ja prosessikehitys tulee myös kohdentaa standardien ja tuotantovaatimusten mukaisesti: toistettavuus, sähköinen vakaus ja pitkäikäisyys ovat kriittisiä vaatimuksia sekä tutkimusasetuksissa että kliinisissä sovelluksissa. Lisäksi ympäristö- ja elinkaarinäkökohdat ovat tärkeitä — vaikka menetelmä poistaa myrkylliset liuottimet, on varmistettava, että käytetyt monomeerit ja polymerit ovat turvallisia myös hävityksen ja kierrätyksen näkökulmasta.

Siitä huolimatta näkyvän valon avulla tapahtuva polymerisaatio vesiliuoksessa tarjoaa lupaavan reitin alentaa tuotantokustannuksia ja laajentaa orgaanisten elektronisten laitteiden valmistettavuutta suurempiin mittakaavoihin ilman aiempia turvallisuushuolia.

Asiantuntijan näkemys

Tohtori Maya Lin, biolääketieteellinen insinööri, joka on erikoistunut puettavaan neuroteknologiaan, kommentoi: ”Tämä lähestymistapa on kiinnostava, koska se yhdistää materiaalien yhteensopivuuden ja matala-teknisen valmistusreitistön. Paikallisesti tulostetut, pehmeät ja ionijohtavat elektrodipinnat voivat vähentää impedanssia ja parantaa käyttömukavuutta pitkäaikaisessa monitoroinnissa. Seuraava askel on osoittaa toimintavarmuus todellisissa käyttöolosuhteissa — hiki, liike ja toistuva käyttö — mutta konsepti on vahva ja käytännöllinen.”

Tutkimus — julkaistu Angewandte Chemie -lehdessä — esittää vakuuttavan proof-of-concept -näytön siitä, että näkyvä valo ja huolellisesti suunnitellut vesiliukoiset monomeerit voivat tuottaa bioyhteensopivia, joustavia elektrodeja herkkiin biologisiin mittauksiin. Mikäli jatkotutkimukset vahvistavat kestävyyden ja turvallisuuden, tämä tekniikka voi muuttaa tapaa, jolla valmistamme puettavia lääketieteellisiä laitteita ja orgaanisia piirejä.

Lisäksi menetelmän soveltuvuus farmaseuttisiin sensoreihin, sähköiseen ihonmittaukseen (electrodermal activity, EDA), sydänmonitorointiin (EKG) ja neurologiseen tutkimukseen tekee siitä monikäyttöisen alustan jatkokehitykselle. Yhdistämällä tämä polymerisaatiotekniikka joustaviin piirikomponentteihin ja langattomiin lähettimiin voidaan kehittää kokonaisia järjestelmiä, jotka tarjoavat reaaliaikaista biologista dataa kliinisessä seurannassa ja etäterveydenhuollossa.