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「暫態電子學」:生物相容電子裝置可在體內分解

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,已由 Tufts 大學生醫工程師與伊利諾大學香檳分校的研究者合作研發。

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 說到。他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,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 還提到,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)所領導的研究團隊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),目前已應用於某些醫療用途中。 Omenetto 等人發現如何調整絲的特性,故裝置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,像是能被即時調整,或回應其環境-例如化學物質、光或壓力的改變。

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,他是一位機械科學家以及 U. of I. 工程教授,主持這項研究。「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。

資料來源:‘Transient electronics’: Biocompatible electronic devices dissolve in body, environment. Phys.org [September 27, 2012]

轉載自 only perception

關於作者

妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D