Специалисты Университета Райс (Rice University) создали прибор, который способен спекать электропроводящие чернила прямо на живых тканях, костях и хирургических имплантах, не повреждая их поверхность. Устройство Meta✴-NFS передаёт в материал 79,5 % микроволновой энергии, тогда как стандартные зонды — лишь 8,5 %, при этом оно фокусирует энергию в области размером менее 200 микрометров.
Источник изображений: rice.edu
Название Meta✴-NFS расшифровывается как «структура электромагнитного ближнего поля, вдохновлённая метаматериалами». Это устройство объединяет разрезной кольцевой резонатор с коническим наконечником: резонатор улавливает и усиливает электромагнитную энергию, а наконечник сжимает её до зоны менее 200 микрометров (0,008 дюйма). В итоге нанесённый материал нагревается свыше 160 °C, а подложка остаётся холодной.
Посредником в этом процессе выступает графен, который поглощает до 50 % микроволновой энергии, тогда как инфракрасный лазер обеспечивает поглощение лишь на уровне 2,3 %. Регулируя мощность в реальном времени, учёные могут изменять кристаллическую структуру наночастиц прямо во время печати — без необходимости менять материалы. Удельное сопротивление чернил на основе наночастиц серебра варьируется более чем на три порядка, достигая значений, близких к проводимости чистого серебра.
До настоящего момента печатная электроника сталкивалась с серьёзным препятствием: печь или лазер нагревают всё в зоне действия, что разрушает живые ткани и большинство медицинских материалов. Лазерное спекание требовало, чтобы поверхность поглощала излучение строго определённой длины волны — это изначально исключало большинство биологических и медицинских материалов.
Микроэкструзионное сопло наносит токопроводящие чернила, пока соседний зонд Meta✴-NFS одновременно фокусирует микроволновую энергию на свежеотпечатанный материал, спекая его наночастицы в рабочие электрические цепи в режиме реального времени
Группе исследователей удалось создать токопроводящие микроструктуры на живом листе растения, пластике, силиконе, бумаге и даже непосредственно на бедренной кости крупного рогатого скота. На костной ткани был установлен беспроводной деформационный датчик, способный регистрировать незначительные механические изменения. Схема, заключённая в силиконовую оболочку, сохраняла электропроводность более пяти минут под водой, тогда как незащищённый аналог выходил из строя за 2,5 секунды.
Наиболее перспективное практическое применение — датчики износа для ортопедических имплантов. Учёные уже напечатали беспроводные сенсоры на сверхвысокомолекулярном полиэтилене, из которого изготавливается большинство искусственных тазобедренных и коленных суставов. Эти датчики в реальном времени контролируют степень износа и механические нагрузки, не повреждая структуру импланта и не требуя дополнительных хирургических вмешательств. Следующими направлениями станут проглатываемые диагностические системы, устройства для прямого взаимодействия с органами и роботы с электроникой, интегрированной непосредственно в их корпус.
Объёмные электропроводящие конструкции, напечатанные послойным методом с применением Meta✴-NFS: устройство спекает каждый слой наночастиц серебра непосредственно в ходе печати, формируя свободностоящие трёхмерные структуры без термического воздействия на окружающую поверхность
«Возможность избирательного нагрева печатаемых материалов даёт нам контроль над их функциональными характеристиками в конкретных точках пространства, даже если они окружены термочувствительными веществами, — отметил руководитель исследования, младший профессор кафедры машиностроения Школы инженерии и вычислительных наук имени Джорджа Р. Брауна при Университете Райс Йон Линь Кон (Yong Lin Kong). — Это позволяет размещать электронику любой конфигурации на самых разных основах, включая биополимеры и живые ткани, используя лишь настольный принтер — без необходимости в сложных производственных условиях и трудоёмких ручных операциях».
