可生物降解電子元件的優(yōu)勢和挑戰

2021-01-08

可生物降解的電子組件在從生物醫學(xué)工程到農業(yè)的各種應用中得到利用，并為電子市場(chǎng)及其他領(lǐng)域提供了令人興奮的新機遇。

可生物降解電子元件的優(yōu)勢

以下是可生物降解的電子組件的一些更有利的屬性：

柔軟性和柔韌性

可生物降解的電子產(chǎn)品通常稱(chēng)為軟電子產(chǎn)品，可以接觸人體的軟組織，而幾乎不會(huì )引起刺激。此外，軟電子產(chǎn)品還具有極高的柔軟性和柔韌性，可以使設備適應不同的形狀。 

可控制的時(shí)限

可生物降解的電子產(chǎn)品可以具有可控制的時(shí)間限制。研究表明，用于生物醫學(xué)目的的軟電子設備在預期的設備使用壽命后，將以受控的速率溶解，重新吸收或消失。結果，這些裝置作為不需要額外手術(shù)即可去除的臨時(shí)醫療植入物而變得有價(jià)值。 

由于這些獨特的特性，可生物降解的電子組件通常用于生物醫學(xué)設備中。  

可生物降解電子元件的生物醫學(xué)用途  SHAPE  \* MERGEFORMAT

可以刺激愈合并協(xié)助組織再生的可生物降解電子產(chǎn)品的可能性可能會(huì )帶來(lái)新的醫學(xué)突破。微型/納米制造技術(shù)的發(fā)展使研究人員能夠創(chuàng )建由軟聚合物，可生物降解的金屬，薄硅和有機材料組成的可植入設備。 

生物傳感器

生物傳感器可以監測人體中的壓力，流量，應變和化學(xué)物質(zhì)，并協(xié)助醫生診斷生理狀況。除了不再需要時(shí)可溶解在體液中的能力外，這些設備還具有出色的電氣特性。 

例如，某些類(lèi)型的有機硅彈性體具有高介電強度，并用作用于測量血管中壓力和氧氣水平的高靈敏度電容傳感器的介電層。其他類(lèi)型具有出色的屈光特性，可以測量角膜壓力。

除醫療應用外，可生物降解的電子組件也已進(jìn)入消費電子市場(chǎng)。 

市場(chǎng)上的可生物降解電子

可生物降解的電子部件的有利性能使其成為許多電子設備所需要的。新型聚酰胺柔性薄膜可提供下一代可穿戴傳感器所需的機械強度，光學(xué)特性和耐溫性-用于可折疊電子設備的超薄觸摸屏。生物可降解電子學(xué)的以下發(fā)展特別有希望：

聚酰胺薄膜

新一波的天然聚酰胺薄膜為薄型，透明的電子設備提供了未來(lái)，這些設備將在使用壽命終止時(shí)進(jìn)行生物降解。對于PCB設計，新型聚酰胺柔性薄膜的特性可以消除當前電路板常見(jiàn)的典型環(huán)氧/丙烯酸粘合劑層，從而形成非常柔性，薄的電路板。

水溶性電子設備

其他研究表明，水溶性材料可以用作集成電路以及用于環(huán)境傳感器，醫療傳感器或一次性手機的其他組件。稱(chēng)為瞬態(tài)電子設備的水溶性電子設備接受編程，以使功能在設備降解為水，生物流體或土壤廢物之前的特定時(shí)間段內發(fā)生。IC內使用的硅薄層溶解形成環(huán)保硅酸。 

場(chǎng)效應晶體管和環(huán)形振蕩器

除了與薄硅一起工作之外，研究團隊還利用二氧化硅和鎢組成的化合物開(kāi)發(fā)了場(chǎng)效應晶體管和環(huán)形振蕩器。研究團隊發(fā)現，他們可以通過(guò)材料的厚度，離子類(lèi)型，離子濃度和二氧化硅沉積方法來(lái)控制設備溶解的速率。

可生物降解的絲綢 

一種用于在蠶絲蛋白中包裹硅和鎂的超薄層的技術(shù)始于從蠶繭中提取出可生物降解的強蠶絲蛋白。然后，該過(guò)程通過(guò)調整蠶絲蛋白的性質(zhì)以隨時(shí)間間隔改變降解量而繼續進(jìn)行。由鎂互連，硅薄層和氧化鎂柵極組成的納米膜可作為高質(zhì)量的半導體，可控制功率或感應絲蛋白中條件的變化。由于瞬態(tài)電子設備僅使用少量的硅和鎂，因此這些天然存在的材料的溶解不會(huì )影響人類(lèi)健康或環(huán)境。

光波導

可生物降解電子組件的其他應用包括光波導和其他類(lèi)型的環(huán)境兼容光子組件。光波導允許控制和傳輸光?；诮z綢的聚合物波導具有生物調制和感應光的能力。 

可生物降解的光學(xué)電子設備的一種應用涉及使用嵌入農產(chǎn)品中的可食用光學(xué)傳感器。無(wú)毒的光學(xué)傳感器可以檢測有害細菌，然后與食物一起食用后溶解。

研究人員還使用了蜘蛛絲來(lái)引導光通過(guò)光子設備。該技術(shù)的不斷發(fā)展表明，光流過(guò)絲線(xiàn)的方式類(lèi)似于光流過(guò)玻璃纖維的方式。鑒于絲綢的光學(xué)特性，研究團隊已將絲綢集成到集成電路中，并使用絲綢將光傳播并引導到電路的不同部分。由絲綢制成的光學(xué)傳感器可以溶解而對環(huán)境無(wú)害。

可生物降解電子面臨的挑戰 

盡管可生物降解的醫療器械有望實(shí)現，但研究團隊將繼續努力，以確保先進(jìn)的聚合物和可生物降解的成分完全溶解，不會(huì )留下有毒化學(xué)物質(zhì)的痕跡。 

其他挑戰包括擴大軟性，瞬態(tài)電子元件和電路的開(kāi)發(fā)規模以實(shí)現批量生產(chǎn)。這些挑戰與設計具有出色電子特性并滿(mǎn)足設計要求的電路的挑戰相吻合，然后再分解為對環(huán)境或醫學(xué)有益的化合物。

可生物降解電子的未來(lái) 

盡管存在上述挑戰，但生物可降解電子的潛力似乎無(wú)限。農業(yè)傳感器可以感應實(shí)時(shí)生長(cháng)條件，將信息傳輸給農民，然后分解到土壤中。納米尺寸的醫療設備可以靶向單個(gè)癌細胞并減少化學(xué)療法的需求。消費娛樂(lè )設備可以在使用壽命結束時(shí)溶解，而不會(huì )向電子垃圾中釋放有毒化學(xué)物質(zhì)。國防應用的示例包括已編程可生物降解的報廢程序的無(wú)人機或機器人設備。這些只是可生物降解電子技術(shù)可能改變行業(yè)的一些例子，無(wú)可否認，可生物降解電子技術(shù)的未來(lái)是光明的。