http://phys.org/news/2012-09-transient-electronics-biocompatible-electronic-devices.html
September 27, 2012
微小、完全生物相容、能在運作一段時間後，無害地「溶入」其周遭環境的電子裝置已在 Tufts 大學生醫工程師與伊利諾大學香檳分校的研究者的合作下被創造出來。
命名為「暫態電子學（transient electronics）」，這種新型的 silk-silicon（絲--矽）裝置，允諾新一代不再需要動手術移除的醫學移植物、環境監測器，以及能成為堆肥而非垃圾的消費性電子產品。
"這些裝置與傳統電子裝置南轅北轍，傳統電子裝置的積體電路被設計成具備長期的物理與電氣穩定性，" Fiorenzo Omenetto 說， Tufts 工學院的生醫工程教授，以及一篇論文的資深暨通訊作者，該論文題為「A Physically Transient Form of Silicon Electronics」，於 2012/09/28 發表在當期的 Science 上。
"相較於目前的裝置，暫態電子學提供強健的效能，不過在預先規定的時間內，其環境能將它們完全再吸收（resorb） -- 從幾分鐘到幾年，視應用而定，" Omenetto 解釋。 "想想看環境優勢：如果手機能夠分解，而非埋在掩埋場內好幾年。"
這種未來裝置結合了傳統積體電路的東西 -- 矽與鎂 -- 但屬於超薄形態，那接著被封裝到絲蛋白內。
"雖然矽看起來不透水，但它最終將溶於水，" Omenetto 說。他提到，挑戰在於製造能在數分鐘內分解，而非永久的，電子元件。
由 UIUC 的 John Rogers（另一位資深暨通訊作者）所領導的研究者們是設計製造超薄彈性電子元件的先驅。只有數十奈米厚，這些微小電路，從電晶體到互連線（interconnects），都能輕易地在少量的水或體液內分解，且被無害地再吸收。在這些尺度下控制材料，使得這些裝置的分解時間得以微調。
裝置分解進一步由一層層的絲蛋白所控制，電子裝置均由其支持與封裝。取自蠶繭，絲蛋白為已知最強韌的材料之一。它也具備完全生物分解性同時對生物友善（biofriendly），且已用於某些醫療應用中。 Omenetto 等人發現如何調整絲的特性，故它能在很廣泛的時間間隔內分解。
研究者透過某種熱裝置的測試，成功地示範這個新平台。該裝置被設計用來監控與防止術後感染（在大鼠模型中示範），同時也創造一部 64 像素的數位相機。
在 Tufts 大學與 Omenetto 合作的包括生醫工程系的研究助理教授與論文共同第一作者 Hu Tao；博士生 Mark A. Brenckle；計畫管理者 Bruce Panilaitis；博士生 Miaomiao Yang 以及 Stern Family 工程教授暨系主任 David L. Kaplan。除了 Tufts 與 UIUC 之外，本論文共同作者也來自首爾大學、西北大學、大連理工大學、Nano Terra（波士頓）以及亞歷桑納大學。
在未來，研究者們展望更複雜的裝置，那能被即時調整，或回應其環境的改變，例如化學物質、光或壓力。
● 想知道更多？
暫態電子學是一種新技術，其關鍵特色是它們能被設計成，在受控制的或是可程式的（programmable）情況下，不留痕跡地完全消失。暫態裝置有前途的應用是醫療移植、可分解的環境監控、可堆肥（compostable）消費性裝置等等。
暫態電子裝置由伊利諾大學、Tufts 大學以及西北大學的研究者所示範，把鎂電極與互連線、氧化鎂閘極與層間介電質（interlayer dielectrics），以及非常薄的矽片，稱為奈米膜，當半導體用。
矽溶解於生物液體中，不過速率如此之緩慢，以至於傳統的矽晶圓要花數百年才能分解。相較之下，奈米膜薄到足以在幾日或幾週內，端視其厚度，於幾滴水內分解。然而，其厚度足以成為高品質的半導體裝置，例如電晶體、二極體等。
矽與鎂都在環境中自然產生，且已在各種醫學移植、藥物傳遞系統中被探索過，然而都是在巨大的結構化形態下。在暫態電子系統中，每種材料的數量遠小於所建議的每日允許量 -- 鎂甚至少於綜合維他命裡面的量 -- 或甚至少於正常生理濃度。但它足供精密的、具整合功能的電子裝置所用。
"這些等級的材料已在血管內支架、用於傳遞藥物的多孔體（porous bodies）、縫線與其它非電子性醫療應用中被探索過，" John A. Rogers 表示，一位機械科學家以及 U. of I. 工程教授，他領導此研究。"我們設想如何將這些相同的材料以不同方式放在一起，能產生高品質的電子裝置、感應器與電力傳遞系統。"
這些裝置被封裝在成層的絲蛋白（從蠶繭收集而來）中，溶解並再結晶。透過仔細控制絲蛋白的結晶構造，研究者能夠控制溶解率，故他們能為特定應用，調整暫態裝置的壽命。分解的時間尺度可從幾分鐘到幾天、幾週、幾月，或著有可能，幾年，全看絲的封裝。
※ 相關報導：
＊ A Physically Transient Form of Silicon Electronics
http://www.sciencemag.org/content/337/6102/1640
Suk-Won Hwang, Hu Tao, Dae-Hyeong Kim, Huanyu Cheng,＊ 以蠶絲製成「可食用的」光學元件
Jun-Kyul Song, Elliott Rill, Mark A. Brenckle,
Bruce Panilaitis, Sang Min Won, Yun-Soung Kim,
Young Min Song, Ki Jun Yu, Abid Ameen, Rui Li, Yewang Su,
Miaomiao Yang, David L. Kaplan, Mitchell R. Zakin,
Marvin J. Slepian, Yonggang Huang, Fiorenzo G. Omenetto,
John A. Rogers.
Science 28 September 2012: Vol. 337 no. 6102 pp. 1640-1644
doi: 10.1126/science.1226325
...We report a set of materials, manufacturing schemes, device components, and theoretical design tools for a silicon-based complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology that has this type of transient behavior, together with integrated sensors, actuators, power supply systems, and wireless control strategies. An implantable transient device that acts as a programmable nonantibiotic bacteriocide provides a system-level example.
＊ 細菌產生的奈米線具新傳導特性
＊ 基於質子的電晶體能使機器與生物溝通
＊ 究發現氮化鎵無毒、具生物相容性
＊ 生物相容的石墨烯電晶體陣列可讀取細胞訊號
＊ Cyborg 首部曲：培養內嵌奈米感應器的人造組織
沒有留言:
張貼留言