Инженеры разработали устройство для печати электроники на живых тканях и хирургических имплантатах

Инженеры Университета Райса разработали устройство, способное печатать проводящими чернилами непосредственно на живых тканях, костях и хирургических имплантатах, не повреждая поверхности. Устройство под названием Meta-NFS (Электромагнитная структура ближнего поля, вдохновленная метаматериалом) передает 79,5% микроволновой мощности в материал по сравнению с 8,5% для стандартных датчиков, концентрируя энергию на площади менее 200 микрометров.

Устройство сочетает в себе разрядный кольцевой резонатор с конусообразным наконечником: резонатор улавливает и усиливает электромагнитную энергию, а наконечник концентрирует ее в области размером менее 200 микрометров (0,008 дюйма). В результате наплавленный материал нагревается до температуры более 160°C, а поверхность подшипника остается холодной.

Графен выступает в роли медиатора, поглощающего до 50% микроволновой энергии, тогда как инфракрасный лазер обеспечивает поглощение лишь на уровне 2,3%. Регулируя мощность в реальном времени, исследователи меняют кристаллическую структуру наночастиц непосредственно во время печати – без изменения материалов. Удельное сопротивление чернил на основе наночастиц серебра варьируется более чем на три порядка, достигая значений, близких к проводимости чистого серебра.

До сих пор печатная электроника сталкивалась с одним препятствием: печь или лазер нагревали все в своем диапазоне, что разрушало живые ткани и большинство медицинских материалов. Лазерный синтез требовал, чтобы поверхность поглощала излучение точно определенной длины волны — это с самого начала исключало использование большинства биологических и медицинских материалов.

Команда напечатала проводящие микроструктуры на живом листе растения, пластике, силиконе, бумаге и непосредственно на бедренной кости быка. На кости был напечатан беспроводной датчик деформации, который регистрировал небольшие механические отклонения. Датчик в кремниевом корпусе сохранял свою электропроводность под водой более 300 секунд, тогда как незащищенная версия вышла из строя через 2,5 секунды.

Наиболее близкое практическое применение — датчики износа в ортопедических имплантатах. Команда уже напечатала беспроводные датчики на сверхвысокомолекулярном полиэтилене — материале, из которого изготовлено большинство искусственных бедер и коленей. Датчики отслеживают износ и механические напряжения в режиме реального времени, не нарушая структуру имплантата и не требуя дополнительных операций. Следующие направления — глотаемые диагностические системы, устройства для прямого подключения к органам и роботы со встроенной электроникой.