Инженери разработиха устройство за печат на електроника върху живи тъкани и хирургически импланти

Инженерите от Университета Райс разработиха устройство, което е способно да печата проводимо мастило директно върху живи тъкани, кости и хирургически импланти – без да уврежда повърхностите. Устройството, наречено Meta-NFS (Metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure) предава в материала 79,5% от микровълновата мощност, срещу 8,5% при стандартните сонди, като концентрира енергията в зона по-малка от 200 микрометра.

Устройството съчетава разряден пръстенен резонатор с конусовиден накрайник: резонаторът улавя и усилва електромагнитната енергия, а накрайникът я концентрира в зона с размер по-малък от 200 микрометра (0,008 инча). В резултат на това нанесеният материал се нагрява до над 160°C, а носещата повърхност остава студена.

Графенът изпълнява ролята на посредник, който поглъща до 50% от микровълновата енергия, докато инфрачервеният лазер осигурява поглъщане само на ниво 2,3%. Регулирайки мощността в реално време, изследователите променят кристалната структура на наночастиците директно по време на печатането – без смяна на материалите. Специфичното съпротивление на мастилото на базата на наночастици от сребро варира с повече от три порядъка, достигайки стойности, близки до проводимостта на чистото сребро.

Досега печатната електроника се сблъскваше с една пречка: пещта или лазерът нагряват всичко в обхвата си, което унищожаваше живите тъкани и повечето медицински материали. Лазерното синтезиране изискваше повърхността да абсорбира лъчение с точно определена дължина на вълната – това от самото начало изключваше повечето биологични и медицински материали.

Екипът отпечата проводими микроструктури върху жив растителен лист, пластмаса, силикон, хартия и директно върху бедрената кост на бик. На костта беше отпечатан безжичен сензор за деформация, който регистрираше малки механични отклонения. Сензорът в силиконова обвивка запази електропроводимостта си повече от 300 секунди под вода, докато в незащитен вариант се разруши за 2,5 секунди.

Най-близкото до практиката приложение са сензорите за износване в ортопедичните импланти. Екипът вече е отпечатал безжични сензори върху свръхвисокомолекулярен полиетилен — материалът, от който са изработени повечето изкуствени тазобедрени и коленни стави. Сензорите проследяват износването и механичните напрежения в реално време, без да нарушават структурата на импланта и без да изискват допълнителни операции. Следващите направления са поглъщаеми диагностични системи, устройства за директно свързване с органи и роботи с вградена в конструкцията електроника.