Самопитающийся монитор сердца на коже

Ученые создали биосовместимый, сверхгибкий органический сенсор, работающий на солнечном свете, который действует как самопитающийся монитор сердца. Ранее они разработали гибкую фотоэлектрическую ячейку, которую можно было встраивать в текстиль. В этом исследовании они напрямую интегрировали сенсорное устройство — органический электрохимический транзистор (тип электронного устройства для измерения биологических функций) — в гибкую органическую солнечную батарею. С его помощью им удалось измерить сердцебиение крыс и людей в условиях яркого освещения.

Самопитающиеся устройства, которые можно размещать прямо на коже или тканях человека, имеют большой потенциал для медицинского применения. Они могут использоваться как физиологические сенсоры для мониторинга работы сердца или мозга в реальном времени. Однако их практическая реализация была затруднена из-за громоздкости батарей, недостаточного энергоснабжения или помех от электрической сети, что мешало удобству и долгосрочной работе.

Ключевое требование для таких устройств — стабильное и достаточное энергоснабжение. Важным достижением этого исследования, опубликованного в Nature, стало использование наногребешковой поверхности на светопоглотителях солнечного элемента, что обеспечило высокую эффективность фотоэлектрического преобразования (PCE) и независимость от угла падения света. Благодаря этому исследователи достигли PCE в 10,5% и высокого соотношения мощности к весу в 11,46 Вт на грамм, приближаясь к «магическому числу» в 15%, которое сделает органическую фотовольтаику конкурентоспособной с кремниевой. Они показали снижение PCE всего на 25% (с 9,82% до 7,33%) при повторяющемся тесте на сжатие (900 циклов) и прирост PCE на 45% по сравнению с устройствами без гребенки при угле освещения в 60 градусов.

Для демонстрации практического применения органические электрохимические транзисторы были интегрированы с органическими солнечными элементами на ультратонкой подложке (1 мкм). Это позволило осуществлять самопитающуюся регистрацию сердцебиения на коже или записывать сигналы электрокардиограммы (ЭКГ) непосредственно на сердце крысы. Устройство хорошо работало при уровне освещенности 10 000 люкс (эквивалентно свету в тени в ясный солнечный день) и создавало меньше шумов, чем аналогичные устройства на батарее, вероятно, из-за отсутствия проводов.

По словам Кенджиро Фукуды из RIKEN Center for Emergent Matter Science: «Это значительный шаг вперед в создании самопитающихся медицинских устройств для мониторинга, которые можно размещать на тканях человека. Остаются важные задачи, такие как разработка гибких устройств хранения энергии, и мы продолжим сотрудничество с другими группами для создания практичных устройств. Важно, что в текущих экспериментах мы работали над аналоговой частью устройства, которая питает его и проводит измерения. Также есть цифровая часть на основе кремния для передачи данных, и дальнейшая работа в этой области также поможет сделать такие устройства практичными». Исследование было проведено RIKEN в сотрудничестве с исследователями из Токийского университета.