Инженеры Университета Райс (Rice University) разработали уникальное устройство для печати электроники непосредственно на живых тканях, костях и медицинских имплантатах. Система позволяет спекать токопроводящие чернила, не повреждая при этом чувствительную поверхность основания. Новое устройство, получившее название Meta-NFS, передает в материал 79,5% микроволновой мощности, тогда как стандартные зонды достигают лишь 8,5%, концентрируя энергию в сверхмалой зоне диаметром менее 200 микрометров.
Технология Meta-NFS: как это работает
Название технологии Meta-NFS расшифровывается как «структура электромагнитного ближнего поля на основе метаматериалов» (metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure). Конструктивно устройство объединяет в себе разрезной кольцевой резонатор и конусообразный наконечник. Резонатор улавливает и многократно усиливает электромагнитную энергию, а наконечник сжимает её в узкий пучок. В результате нанесенный материал нагревается до температуры свыше 160 °C, при этом несущая поверхность остается холодной и не получает термических повреждений.
Ключевую роль в процессе играет графен: он поглощает до 50% направленной микроволновой энергии (для сравнения, инфракрасный лазер обеспечивает поглощение лишь на 2,3%). Динамическая регулировка мощности позволяет исследователям менять кристаллическую структуру наночастиц в реальном времени прямо в процессе печати. Удельное сопротивление серебряных чернил при этом варьируется в широком диапазоне, достигая показателей, практически идентичных проводимости чистого серебра.
До внедрения этой разработки печатная электроника сталкивалась с серьезным ограничением: печи или лазеры нагревали область вокруг печати, что приводило к разрушению биологических тканей и многих полимеров. Лазерное спекание также требовало от материалов специфических показателей поглощения излучения, что сильно сужало возможности использования технологии в медицине.
Практическое применение и будущее медицины
Исследователи уже успешно напечатали токопроводящие структуры на различных поверхностях: от живых растительных листьев до пластика, силикона и бедренной кости быка. На кость был нанесен беспроводной датчик деформации, успешно фиксирующий микромеханические отклонения. Кроме того, схемы, заключенные в силиконовую оболочку, стабильно работали под водой более 300 секунд, в то время как незащищенные образцы выходили из строя всего за 2,5 секунды.
Особый интерес представляет создание датчиков износа для ортопедических имплантатов. Команда протестировала печать на сверхвысокомолекулярном полиэтилене, который повсеместно применяется в искусственных суставах. Такие датчики способны отслеживать механическое напряжение в реальном времени, не нарушая целостности импланта. В перспективе технология позволит создавать проглатываемые диагностические системы, приборы для прямого сопряжения с внутренними органами и даже роботов с интегрированной электроникой.
Руководитель исследования, младший профессор машиностроения Школы инженерии имени Джорджа Р. Брауна при Университете Райс Йон Линь Кон отметил: «Возможность избирательно нагревать материалы позволяет задавать их свойства в нужных точках, даже если они окружены термочувствительными структурами. Это открывает путь к созданию электроники любой конфигурации на биополимерах и живых тканях с помощью обычного настольного принтера, без необходимости в сложных заводских условиях».
