Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 3 – vyšlo 22. ledna, ročník 19 (2021) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

3/2021

Poživatelná elektronika – možná budoucnost nejen moderní medicíny

Pavel Galář

Každoroční celosvětový nárust prodeje technického spotřebního zboží s sebou nese mnoho negativních důsledků. Jedním z hlavních je problém spojený s recyklací těchto zažízení, které jsou v naprosté většině případů chemicky či mechanicky odolné, jsou složeny z mnoha komplexních součástek a mohou dokonce obsahovat nebezpečné látky. To činí jejich bezezbytkové odstranění a znovuvyužití použitých materiálů velmi obtížným, ne-li nemožným. Východisko z této situace by mohla nabídnout tzv. přechodná (anglicky transient) elektronika. Hlavní myšlenka této technologie je zachycena na obr. 1a, kde můžeme vidět životní cyklus jednoduchého zařízení založeného na bázi biodegradabilního polymeru [1]. Přechodná elektronika má být konstruována z biodegradibilních, rozpustných a netoxických látek, jejichž životnost by byla omezená a po ukončení využívání by došlo k jejich bezezbytkovému „návratu do přírody“. V ideálním případě by měla být tato zařízení složena jen z látek, které jsou poživatelné. Dala by se tedy snadno odbourat v trávicím traktu a mohla by i částečně sloužit jako nutriční zdroj. Tento typ elektroniky bývá označován jako tzv. poživatelná (anglicky edible) elektronika. Vědní obor zabývající se touto tematikou je aktuálně v plenkách, a tak se nedá očekávat, že by se v dohledné době na trhu objevila běžná elektronika se zmíněnými vlastnostmi. Nicméně výzkum vhodných materiálu je již v plném proudu a pomalu se začínají objevovat první jednoduchá zařízení určená především pro biomedicínské aplikace (obr. 1b). Směřování současných prototypů k biomedicíně má hned několik důvodů: i) diagnostika lidského těla s sebou často nese invazivní zákroky, které by aplikace miniaturní samovstřebatelné elektroniky značně omezila; ii) pro diagnostiku základních zdravotních parametrů stačí velmi jednoduchá zařízení; iii) v rámci lidského těla se dá velmi efektivně testovat toxicita a vstřebatelnost látek určených pro tento typ elektroniky (obr. 1c); iv) svou roli hraje také ekonomické hledisko. Medicínský průmysl má finanční možnosti spolufinancovat nákladný rozvoj této technologie.

Obr. 1: a) Životní cyklus přechodné ekologické elektroniky založené na bio­degra­da­bil­ním polymeru. b) Přesnost jednoduchého zařízení založeného na CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. obvodech na model lidského mozku. Škála odpovídá 5 mm. c) Fotografie jednotlivých fází roz­kla­du jednoduchého zařízení ve vodním prostředí. Zdroj: [1].

CMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. FET – Field-Effect Transistor, tranzistor řízený elektrickým polem. Tvar a vodivost kanálu mohou být ovlivněny napětím přiloženým k řídící elektrodě. Součástku patentoval v roce 1930 Julius Edgar Lilienfeld, americký inženýr rakousko-uherského původu. OFET – Organic Field-Effect Transistor, tranzistor řízený elektrickým polem, který využívá organický polovodič. Technologie přípravy jsou různé, často jde o organickou vrstvu nanesenou na podklad. OFET tranzistory se využívají v biologicky odbouratelné elektronice. DNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.

Přestože o současném stavu přechodné, respektive poživatelné elektroniky by se dalo napsat mnohé, v následujícím textu se zaměříme na aktuálně nejzajímavější směr její využití, a to konstrukce zařízení, která mají být použita přímo v zažívacím traktu (obr. 2) [2]. Tato elektronika by v budoucnosti mohla diagnostikovat a případně i neinvazivně a cíleně léčit nepřebernou řadu neduhů sahajících od refluxu žaludečních tekutin, rakoviny, rozšíření žilních cév, zánětlivá onemocnění střev, zácpu, syndrom dřáždivého tračníku až po Crohnovu chorobu. V první části tohoto textu si ukážeme, které látky jsou vhodné pro konstrukci poživatelné elektroniky. Následovat bude popis konstrukce jednotlivých součástek, které jsou nutné pro stavbu kompletních zařízení (odpor, cívka, kondenzátor atd.) a na závěr budou uvedeny nejzajímavější funkčí prototypy. Pro zájemce, kteří by se chtěli dozvědět více o dalších aktuálních aplikačních směrech přechodné elektroniky, doporučuji rešerši [3].

Materiály pro poživatelnou elektroniku

Materiály vhodné pro poživatelnou elektroniku můžeme dle jejich funkce rozdělit do dvou skupin: i) funkční materiály a ii) materiály pro substráty a obaly.

Látky vhodné pro první skupinu musí vykazovat vhodné elektrické vlastnosti, aby mohly fungovat jako vodiče, izolátory atd. Tyto látky byly primárně hledány mezi dobře stravitelnými materiály. Bylo prokázáno, že velmi dobré izolační vlastnosti vykazuje například sušená zelenina, ovoce, maso nebo i chléb/mouka (měrná elektrická vodivost ~ 10⁻¹¹ – 10⁻¹² S/m, relativní permitivita ~ 5–20) [4]. Vhodný pro elektronické aplikace se ukázal být také sýr (izolační materiál s dobrou prostupností iontů). Žádná z běžných potravin však přirozeně nevykazuje dobré vodivé vlastnosti. Významného zlepšení vodivosti lze u běžných látek nicméně dosáhnout jejich karbonizací (tepelná úprava bez přístupu vzduchu). Hodnot měrné elektrické vodivosti na úrovni ~ 10 S/m bylo pozorováno například u aktivního uhlí, karbonizovaného hedvábí nebo bavlny a také u cukrové vaty [4]. Zajímavé aplikační vlastnosti byly prokázány také u různých organických biopigmentů a jim podobných látek. Přestože až na výjimky nevykazují významnou hodnotu vodivosti, byla na nich měřena vysoká hodnota pohyblivosti volných nosičů náboje, a jsou tedy vhodné pro konstrukci tranzistorů (plní funkci polovodiče), senzorů a kondenzátorů. Mezi tyto látky patří především chlorofil, ß-karoten, indigo nebo různé typy melaninuMelanin – skupina biologických pigmentů, zodpovídajících například za barvu kůže, vlasů a očí. Díky svým fotochemickým vlastnostem zajišťuje ochranu organizmů před poškozením zejména ultrafialovým zářením. Rozlišujeme hnědý až černý eumelanin, podmiňující například zbarvení hnědých či černých vlasů, žlutý až červenohnědý feomelanin, zodpovědný za zbarvení rtů či prsních bradavek u bělochů a zrzavých vlasů, a neuromelanin, vyskytující se ve specializovaných strukturách mozku. Relativní nadbytek feomelaninu u žen vysvětluje odlišný odstín kůže oproti mužům z téže populace. Tvorba melaninu v organizmu je stimulována ozářením UVB zářením.. Poslední jmenované mohou navíc po tepelné úpravě vykazovat vodivost přesahující 10⁴ S/m [5], což je jen o tři řády méně, než mají běžné kovy. I přesto se stále nedá při konstrukci poživatelné elektroniky vyhnout použití anorganických látek. Jedná se především o materiály k vytvoření vodivých spojů a vhodných elektrod. K těmto látkám řadíme především poživatelné Au, Zn, MgO, ZnO, Fe a Si. Jejich množství však musí být minimální, protože jejich rozpustnost je velmi omezená a navíc se často musí jednat o nanostrukturní formy dané látky. Rychlost rozpustnosti těchto materiálů se ve vodním prostředí pohybuje od 1 do 100 nm/h [5].

Obr. 2: Seznam součástek sloužících ke konstrukci poživatelné elektroniky
a aplikace výsledných zařízení v zažívacím traktu. Zdroj: [2].

Mnoho výše zmíněných látek není schopno samostatně udržet vhodný tvar pro konstrukci součástek, a tak musí být pro správnou funkčnost podpořeny vhodným pojivovým materiálem. Celé zařízení musí být navíc naneseno na substrát a obaleno ochranným materiálem. Vlastnosti a tloušťka tohoto obalu často navíc definují životnost dané součástky. Po jejím kompletním natrávení totiž většinou končí i její funkčnost. Mezi nejperspektivnější strukturní materiály poživatelné elektroniky patří polypeptidy, polysacharidy nebo lipidy. Do první zmíněné kategorie můžeme zahrnout například hedvábí a kolagen. Hedvábí se v medicíně využívá již dlouhou dobu a kolagen má dobré chemické i mechanické vlastností. Dá se snadno připravit a jeho složením se dá dobře regulovat rozpustnost ochranné vrstvy, která se běžně v trávicím traktu pohybuje mezi pěti a sedmi hodinami [5]. Ze skupiny polysacharidů patří mezi velmi dobrá pojiva především škrob a cukry z ovocných šťáv. Škrob může být navíc použit i jako obalový materiál, je výživný a dle přípravy se doba jeho rozpuštění v trávicím traktu pohybuje od dvou do devíti hodin. Do poslední zmíněné skupiny patří především přírodní vosky, které jsou odolnější vůči degradaci než předešlé materiály a jako obalový materiál mohou v těle pacienta vydržet i několik dní. Mimo tyto velké skupiny vhodných látek se také osvědčily mléčné a sojové proteiny a vaječný bílek, který slouží jako organické lepidlo. Rigorozní seznam všech testovaných látek můžete spolu s jejich elektrickými a mechanickými vlastnostmi najít v odkazu [5]. Pro přehlednost jsou ty nejzajímavější zástupci všech zmíněných skupin seřazeny v následující tabulce.

součástka	funkční složka	strukturní složka
vodič	zlato, melanin, karoten, karbonizovaná bavlna	rýže, cukr, mouka, rýžový papír
odpor	aktivní uhlí, karbonizovaná bavlna, hedvábí, cukrová vata, zlato	bramborový škrob, mouka, sušené ovoce a zelenina
cívka	aktivní uhlí, karbonizovaná bavlna, hedvábí, cukrová vata, zlato	bramborový škrob, mouka, sušené ovoce a zelenina
kondenzátor	zlato, melanin a jiný biopigment, karbonizované materiály	želatina, sušené ovoce a zelenina
tranzistor	zlato, ß-karoten, poživatelné polymery, adenin a guanin	želatina a rýže
anténa	aktivní uhlí, zlato, karbonizovaná bavln, melanin	cukrový prášek, mouka, vaječný bílek, rýžový papír
baterie	ovocný výtažek, aktivní uhlí, glukóza	olivový, kukuřičný a sezamový olej
senzor	zlato, oxid zinečnatý, brokolicový prášek	želatina

Seznam základních součástek pro konstrukci poživatelné elektroniky a popis vhod­ných materiálů pro jejich přípravu. Rozlišeny jsou materiály používané pro jejich elektrické a strukturní vlastnosti. Zdroj: [4, 5].

Konstrukce jednotlivých součástek poživatelné elektroniky

K úspěšné konstrukci elektronických zařízení plnících různé úkoly uvnitř lidského těla je nutné zvládnout přípravu některých základních elektronických prvků. Jedná se o vodivé kontakty, odpory, cívky, kondenzátory, antény, senzory a pro komplikovanější zařízení je nutné zařadit i baterie (viz obr. 3a). V této části si uvedeme nejzdařilejší realizace daných komponent.

Vodiče, odpory a cívky. U samostatných vodičů není v současné době mezi použitými materiály příliš velká konkurence. Přestože již byla prokázána dobrá vodivost tepelně upraveného melaninuMelanin – skupina biologických pigmentů, zodpovídajících například za barvu kůže, vlasů a očí. Díky svým fotochemickým vlastnostem zajišťuje ochranu organizmů před poškozením zejména ultrafialovým zářením. Rozlišujeme hnědý až černý eumelanin, podmiňující například zbarvení hnědých či černých vlasů, žlutý až červenohnědý feomelanin, zodpovědný za zbarvení rtů či prsních bradavek u bělochů a zrzavých vlasů, a neuromelanin, vyskytující se ve specializovaných strukturách mozku. Relativní nadbytek feomelaninu u žen vysvětluje odlišný odstín kůže oproti mužům z téže populace. Tvorba melaninu v organizmu je stimulována ozářením UVB zářením., primárně se využívá jedlé zlato v kombinaci se strukturní látkou, jako například rýžovým papírem, moukou nebo samotnou rýží. Z důvodů dobré poživatelnosti však tloušťka zlata nesmí přesahovat ~ 100 nm (obr. 3b). Pro přípravu odporů již není vysoká vodivost nutností, a tak byly úspěšně připraveny poživatelné odpory na bázi jedlého zlata (odpor R ~ 5–20 ?), aktivního uhlí, škobu a cukrové vaty (obr. 3c, R ~ 500–2000 ?), melaninu/karotenu a vhodného polymeru nebo dokonce nanoodpory využívající jedné molekuly DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. a želatiny (R ~ 10 G?). Obdobné materiály se využívají i na konstrukci cívek, zde se musí pouze dosáhnout spirálovitého tvaru vodiče. Z tohoto důvodu se často využívá karbonizované hedvábí.

Kondenzátory. Kondenzátory našly v běžné elektronice mnoho uplatnění. U poživatelné elektroniky plní především roli zásobárny energie. Bylo vytvořeno velké množství funkčních kondenzátorů, jejichž specifická kapacita sahá od 1 do 10³ F·g⁻¹ a jejichž hustoty energie přesahují 10 mW·cm⁻¹, čímž se mohou srovnávat s klasickými součástkami. Jsou často založeny na aktivním uhlí, různých biopigmentech, poživatelném zlatě, celulóze a široké škále iontových zdrojů, jako je například ionty dopovaný agar. Konstrukce jednoho z nejzdařilejších a plně poživatelných kondenzátorů je zobrazena na obr. 3d [6]. Kondenzátor využívá jako elektrody aktivní uhlí, proudové kolektory jsou z poživatelného zlata. Jako dielektrikum, které vykazuje současně dobrou prostupnost iontů a vysoký elektrický odpor, je použita mořská řasa. Jako elektrolyt je použit iontový nápoj Gatorade. Při konstrukci kondenzátoru byly testovány i další typy energetických a iontových nápojů, ale žádný jiný nevykazoval tak vhodné složení iontů. Celá součástka je obalena v želatině. Pro zvýšení životnosti kondenzátoru byly navíc mezi želatinu a kolektory umístěny plátky sýra, které zabraňují úniku elektrolytu do želatiny. Součástka vykazovala specifickou kapacitu 80 F·g⁻¹, hustotu proudu 1 A·g⁻¹. K jejímu naprostému rozložení v destilované vodě došlo za 2,5 hodiny.

Obr. 3: a) Konstrukce běžného zařízení poživatelné elektroniky. b) Fotografie a mi­k­ro­skopický snímek vodiče (zlato/rýžový papír). c) Fotografie a mikroskopický sní­mek rezistoru (aktivní uhlí/škob/cukrová vata). d) Konstrukce poživatelného kon­den­zá­toru. e) Fotografie poživatelné antény a graf závislosti výstupního a detekovaného napětí. Zdroj: [4, 5, 6].

Tranzistory. Mezi základní logické součástky každé elektroniky patří tranzistory, které mohou sloužit k detekci, zesilování, napěťové stabilizaci a dalším funkcím (diody, triody, tranzistory zesilované elektrickým polem – FETFET – Field-Effect Transistor, tranzistor řízený elektrickým polem. Tvar a vodivost kanálu mohou být ovlivněny napětím přiloženým k řídící elektrodě. Součástku patentoval v roce 1930 Julius Edgar Lilienfeld, americký inženýr rakousko-uherského původu.). Z pochopitelných důvodů se v rámci poživatelné technologie navázalo na konstrukci organických FET, tzv. OFETOFET – Organic Field-Effect Transistor, tranzistor řízený elektrickým polem, který využívá organický polovodič. Technologie přípravy jsou různé, často jde o organickou vrstvu nanesenou na podklad. OFET tranzistory se využívají v biologicky odbouratelné elektronice.. První funkční tranzistory byly složeny ze zlata (vodič), adeninu a guaninu (izolátory) a ß-karotenu a indanthrenových barviv (polovodiče). Několik funkčních OFET bylo také vytvořeno z poživatelných polymerů, nicméně jejich výčet je omezený a rozsah fungování má velké mezery. Jako perspektivní se pro další rozvoj této technologie jeví využití melaninuMelanin – skupina biologických pigmentů, zodpovídajících například za barvu kůže, vlasů a očí. Díky svým fotochemickým vlastnostem zajišťuje ochranu organizmů před poškozením zejména ultrafialovým zářením. Rozlišujeme hnědý až černý eumelanin, podmiňující například zbarvení hnědých či černých vlasů, žlutý až červenohnědý feomelanin, zodpovědný za zbarvení rtů či prsních bradavek u bělochů a zrzavých vlasů, a neuromelanin, vyskytující se ve specializovaných strukturách mozku. Relativní nadbytek feomelaninu u žen vysvětluje odlišný odstín kůže oproti mužům z téže populace. Tvorba melaninu v organizmu je stimulována ozářením UVB zářením., indiga a podobných látek jako poživatelných polovodičů [5].

Senzory. Pokud má být součástka schopna sledovat chemické, fyzikální nebo fyziologické změny v lidském těle, musí mít funkční složku, která tyto změny převede na elektrický signál. Mezi nejjednoduší cesty patří zařazení prvku s piezoelektrickýmiPiezoelektrický jev – vznik napětí při deformaci určitých druhů krystalů. Piezoelektrický jev se využívá ke konstrukci různých snímačů vibrací. V domácnosti ho známe z piezoelektrického zapalovače plynu, ve kterém deformace krystalu způsobí přeskočení elektrické jiskry. vlastnostmi, který v závislosti na mechanické změně generuje elektrický proud. Toho může být využito například k měření tlaku nebo ke konstrukci mikrofonu. Dobré piezovlastnosti vykazuje celulóza. Jako vhodný materiál pro piezosenzory se jeví brokolice nebo růžičková kapusta. Piezozařízení složené z prášku z brokolice a želatiny vykazovalo jen o řád nižší piezo signál než běžně používaný oxid ZnO s obdobnou konstrukcí. Ke snímání pHpH – záporně vzatý dekadický logaritmus koncentrace hydroxoniových iontů H₃O⁺: pH = –log[c(H₃O⁺)]. Chemicky čistá voda má pH = 7, kyseliny od 0 do 7, zásady od 7 do 14. se dá využít i kondenzátor, který v závislosti na pH mění hodnotu kapacity, čímž se ve spojení s cívkou mění rezonanční frekvence obvodu. Jednoduché součástky vykazující polovodivé vlastnosti se dají použít na měření teploty, případně na zjištění složení okolních plynů [4].

Antény. Jelikož není možné získávat detekované informace přes připojený kabel, každé zařízení musí obsahovat anténu, která přenese naměřená data mimo trávící trakt. Přestože byly navrženy i komplikované systémy, konstrukčně se často jedná o velmi jednoduchá zařízení, složená z vodivé složky a obalu ve tvaru cívky. To, že přenos signálu z lidského těla do přijímacího zařízení je možný, je znázorněno na obr. 3e.

Baterie. Zařízení určená k monitorování jednoduchého parametru nemusí být opatřena dodatečnou baterií. Opačná situace nastává u komplikovanější konstrukcí. V současnosti populární lithium je nejen nepoživatelné, ale i toxické, a tak i tato součástka musí být připravena z výše zmíněných materiálů. Jeden z prvních prototypů byl vytvořen na bázi polymeru, stříbrných nanovláken a sodíkových iontů (napětí U = 0,6 V). Další prototyp založený na spotřebovávání cukrů vykazoval sice nízkou hustotu proudu, ale v vzhledem ke své hmostnosti měl vyšší hustotu uskladněné energie než lithiová Li-ion baterie. Mezi nejnovější a nejzajímavější poživatelné baterie patří součástka založená na bioanodě (etanol/O₂+ a extrakt ze žampionů) a katodě složené z extraktu z jablka, švestek a banánové hmoty (obr. 4). Zbytek baterie byl vytvořen z aktivního uhlí a olivového, kukuřičného a sezamového oleje, které byly použity pro vytvoření nosné matrice. Během fungování přecházejí elektrony ze žampionové do jablečné elektrody. Při běžné zátěži je baterie schopna dávat energii až 4 hodiny.

Obr. 4: Konstrukce a princip fungování poživatelné baterie založené
na žampionovém a jablečném extraktu. Zdroj: [5].

Příklady prvních funkčních prototypů

Do dnešního dne byla úspěšně testována jen hrstka plně funkčních poživatelných zařízení. Jedním z prvních bylo již dříve zmíněné zařízení na měření pH v žaludku založené na změně rezonanční frekvence v RC obvodu (obr. 5a). Výrazně komplexnější zařízení založené na aktivním uhlí a olivovém oleji taktéž měří změnu pH v žaludku a ve střevech, ovšem využívá tyto hodnoty k určení hodnoty cukru (obr 5b). Doposud byl také prezentován plně funkční mikrofon založený především na piezo senzoru (brokolice/želatina) schopný efektivně monitorovat zvuky spojené s trávením. Pomocí nich je následně možno určovat některé zažívací problémy pacienta (obr. 5c). Jedním z nejnovější prototypů je zařízení sledující teplotu v žaludku pomocí polovodivých vlastností poživatelných látek. Výjimečností tohoto zařízení je, že je obaleno v hydrogelu, který v žaludku vstřebá velké množství vody, čímž dojde k jeho významnému nabobtnání. Zařízení tedy tělo nemůže posunout dále v trávicím traktu, a proto může docházet k dlouhodobějšímu monitorování teploty žaludku (v horizontu dnů), než je hydrogel natráven. Z průběhu teploty se dá určit například množství přijaté potravy [4, 5].

Jak je vidět, technologie spojená s poživatelnou elektronikou je teprve v plenkách. Mezi hlavní současné výzvy patří především nahrazení anorganických složek pro vodivé kontakty dobře stravitelnou složkou a rozšíření spektra plně funkčních prototypů.

Obr. 5: a) Konstrukce funkčního zařízení na měření pH na bázi změny rezonanční frekvence RC obvodu. b) Princip fungování poživatelného pH detektoru založeného na aktivním uhlí a olivovém oleji určeného k detekci množství cukru v žaludku a ve střevech. c) Konstrukce a zvukový záznam poživatelného mikrofonu založeného na piezoelektrickém jevu v brokolicovo-želatinové vrstvě. Zdroj: [4, 5].

Odkazy