La miniaturisation de la technologie des capteurs microélectroniques, les robots microélectroniques ou les implants intravasculaires progressent rapidement. Cependant, elle pose également des défis majeurs pour la recherche. L'un des plus importants est le développement de dispositifs de stockage d'énergie minuscules mais efficaces qui permettent le fonctionnement de microsystèmes fonctionnant de manière autonome, dans des zones de plus en plus petites du corps humain, par exemple. En outre, ces dispositifs de stockage d'énergie doivent être biocompatibles s'ils doivent être utilisés dans le corps. Il existe maintenant un prototype qui combine ces propriétés essentielles. La percée a été réalisée par une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Dr. Oliver G. Schmidt, Professeur des systèmes de matériaux pour la nanoélectronique à l'Université de technologie de Chemnitz, initiateur du Centre des Matériaux, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN) à l'Université de technologie de Chemnitz et directeur de l'Institut Leibniz pour la recherche sur l'état solide et les matériaux (IFW) de Dresde. L'Institut Leibniz de recherche sur les polymères de Dresde (IPF) a également participé à l'étude en tant que partenaire de coopération.

Dans le numéro actuel de Communication Nature , les chercheurs font état des plus petits microsupercondensateurs à ce jour, qui fonctionne déjà dans les vaisseaux sanguins (artificiels) et peut être utilisé comme source d'énergie pour un petit système de capteurs pour mesurer le pH.

Ce système de stockage ouvre des possibilités pour les implants intravasculaires et les systèmes microrobotiques pour la biomédecine de nouvelle génération qui pourraient fonctionner dans de petits espaces difficiles à atteindre au plus profond du corps humain. Par exemple, la détection en temps réel du pH sanguin peut aider à prédire la croissance tumorale précoce. « Il est extrêmement encourageant de voir à quel point extrêmement souple, et la microélectronique adaptative fait son entrée dans le monde miniaturisé des systèmes biologiques, " déclare le chef du groupe de recherche, le professeur Oliver G. Schmidt, qui est extrêmement satisfait de ce succès de recherche.

La fabrication des échantillons et l'étude du biosupercondensateur ont été en grande partie réalisées au Centre de recherche MAIN de l'Université de technologie de Chemnitz.

« L'architecture de nos supercondensateurs nano-bio offre la première solution potentielle à l'un des plus grands défis :de minuscules dispositifs intégrés de stockage d'énergie qui permettent le fonctionnement autonome de microsystèmes multifonctionnels, " dit le Dr Vineeth Kumar, chercheur dans l'équipe du Prof. Schmidt et chercheur associé au centre de recherche MAIN.

Plus petit qu'un grain de poussière - tension comparable à une pile AAA

Des dispositifs de stockage d'énergie de plus en plus petits dans la gamme submillimétrique, appelés "nano-supercondensateurs" (nBSC), pour des composants microélectroniques encore plus petits ne sont pas seulement un défi technique majeur, toutefois. Ceci est dû au fait, comme règle, ces supercondensateurs n'utilisent pas de matériaux biocompatibles mais, par exemple, électrolytes corrosifs et se déchargent rapidement en cas de défauts et de contamination. Ces deux aspects les rendent impropres aux applications biomédicales dans le corps. Les "biosupercapacités (BSC)" offrent une solution. Ils ont deux propriétés remarquables :ils sont entièrement biocompatibles, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés dans les fluides corporels tels que le sang et peuvent être utilisés pour d'autres études médicales.

En outre, les biosupercondensateurs peuvent compenser le comportement d'autodécharge par des réactions bioélectrochimiques. Ce faisant, ils bénéficient même des propres réactions du corps. Ceci est dû au fait, en plus des réactions typiques de stockage de charge d'un supercondensateur, les réactions enzymatiques redox et les cellules vivantes naturellement présentes dans le sang augmentent les performances de l'appareil de 40 %.

Actuellement, les plus petits de ces dispositifs de stockage d'énergie sont supérieurs à 3 mm3. L'équipe du professeur Oliver Schmidt a maintenant réussi à produire un 3, nBSC tubulaire 000 fois plus petit, lequel, avec un volume de 0,001 mm3 (1 nanolitre), occupe moins de place qu'un grain de poussière tout en fournissant une tension d'alimentation jusqu'à 1,6 V pour les capteurs microélectroniques. Cette énergie peut être utilisée pour un système de capteurs dans le sang, par exemple. Le niveau de puissance est également à peu près équivalent à la tension d'une pile AAA standard, bien que le flux de courant réel sur ces plus petites échelles soit bien sûr nettement inférieur. La géométrie tubulaire flexible du nano-biosupercondensateur offre une autoprotection efficace contre les déformations causées par la pulsation du sang ou la contraction musculaire. A pleine capacité, le nano-biosupercondensateur présenté peut faire fonctionner un système de capteur complexe entièrement intégré pour mesurer la valeur du pH dans le sang.

Grâce à la technologie de structure d'origami :Flexible, robuste, minuscule

La technologie de la structure en origami consiste à placer les matériaux requis pour les composants nBSC sur une surface ultrafine sous haute tension mécanique. Lorsque les couches de matériau sont ensuite détachées de la surface de manière contrôlée, l'énergie de déformation est libérée et les couches s'enroulent dans des dispositifs 3D compacts avec une précision et un rendement élevés (95 %). Les nano-biosupercapacités ainsi produites ont été testées dans trois solutions appelées électrolytes :Saline, plasma sanguin, et du sang. Dans les trois électrolytes, le stockage d'énergie a été suffisamment efficace, mais avec une efficacité variable. En sang, le nano-biosupercondensateur a montré une excellente durée de vie, jusqu'à 70 % de sa capacité initiale même après 16 heures. Un séparateur d'échange de protons (PES) a été utilisé pour supprimer l'autodécharge rapide.

Stabilité des performances même dans des conditions réalistes

Afin de maintenir les fonctions naturelles du corps dans différentes situations, les caractéristiques d'écoulement du sang et la pression dans les vaisseaux sont en constante évolution. Le débit sanguin est pulsé et varie en fonction du diamètre du vaisseau et de la pression artérielle. Tout système implantable dans le système circulatoire doit résister à ces conditions physiologiques tout en maintenant des performances stables.

L'équipe a donc étudié les performances de leur développement, à la manière d'une soufflerie, dans des canaux dits microfluidiques d'un diamètre de 120 à 150 µm (0,12 à 0,15 mm) pour mimer des vaisseaux sanguins de différentes tailles. Dans ces canaux, les chercheurs ont simulé et testé le comportement de leurs dispositifs de stockage d'énergie dans différentes conditions de débit et de pression. Ils ont découvert que les nano-biosupercondensateurs peuvent fournir leur puissance de manière stable et stable dans des conditions physiologiquement pertinentes.

La technologie de capteur autonome peut prendre en charge les diagnostics, tels que les diagnostics tumoraux

Le potentiel hydrogène (pH) du sang est sujet à des fluctuations. La mesure continue du pH peut ainsi aider à la détection précoce des tumeurs, par exemple. Dans ce but, les chercheurs ont développé un capteur de pH alimenté en énergie par le nano-biosupercondensateur.

La technologie des transistors à couches minces (TFT) de 5 µm précédemment établie dans l'équipe de recherche du professeur Oliver Schmidt pourrait être utilisée pour développer un oscillateur en anneau avec une flexibilité mécanique exceptionnelle, fonctionnant à basse puissance (nW à µW) et à hautes fréquences (jusqu'à 100MHz).

Pour le projet en cours, l'équipe a utilisé un oscillateur en anneau basé sur le nBSC. L'équipe a intégré un BSC sensible au pH dans l'oscillateur en anneau afin qu'il y ait un changement de fréquence de sortie en fonction du pH de l'électrolyte. Cet oscillateur annulaire sensible au pH a également été façonné en une géométrie 3D tubulaire en utilisant la technique Origami "Swiss-roll", créant un système entièrement intégré et ultra-compact de stockage d'énergie et de capteur.

Le noyau interne creux de ce système de microcapteurs sert de canal pour le plasma sanguin. En outre, trois nBSC connectés en série avec le capteur permettent une mesure du pH particulièrement efficace et autonome.

Ces propriétés ouvrent un large éventail d'applications possibles, par exemple dans les diagnostics et les médicaments.