센서 기술, 로봇, 혈관 내 임플란트의 소형화가 빠르게 진행되고 있다. 그러나 그것은 또한 연구에 대한 큰 도전을 제기한다. 가장 큰 것 중 하나는 작지만 에너지 효율적인 저장 장치의 개발이다. 이들은 점점 더 작은 규모에서 자율적으로 작동하는 마이크로시스템의 작동을 가능하게 하는 데 필요하다. 또한 이러한 에너지 저장 장치는 신체에 사용하려면 생체 적합성이 있어야 한다.

밀리미터 이하 범위의 장치(소위 "나노 슈퍼커패시터")를 사용하면 전자 부품을 작은 치수로 축소할 수 있다. 그러나 그들은 생산하기 어렵고 일반적으로 생체 적합성 물질을 통합하지 않는다. 예를 들어 부식성 전해질은 결함 및 오염이 발생한 경우 빠르게 방전될 수 있다.

소위 "바이오슈퍼커패시터"(BSC)가 솔루션을 제공한다. 이들은 혈액과 같은 체액에서 사용할 수 있음을 의미하는 완전한 생체 적합성과 생체 전기화학 반응을 통한 자가 방전 행동의 보상이라는 두 가지 뛰어난 특성을 가지고 있다. 다시 말해서, 그들은 실제로 신체의 자체 반응으로부터 이익을 얻을 수 있다. 슈퍼커패시터의 전형적인 전하저장 반응 외에 혈액에 자연적으로 존재하는 산화환원 효소 반응과 살아있는 세포가 소자의 성능을 40%까지 높일 수 있기 때문이다.

완전한 생체 적합성을 유지하면서 이러한 장치를 밀리미터 이하 크기로 축소하는 것은 엄청나게 어려운 일이었다. 이제 과학자들은 두 가지 필수 속성을 결합한 프로토타입을 만들었다.

지금까지 이러한 에너지 저장 장치 중 가장 작은 것은 최소 3mm³였다. 그러나 독일 Chemnitz 대학의 나노 전자 공학을 위한 재료 시스템 교수인 Oliver Schmidt가 이끄는 팀은 0.001mm³(1나노리터)의 "나노 바이오슈퍼커패시터"(nBSC)를 성공적으로 구축했다. 이는 이전의 노력보다 3,000배 작은 크기로 먼지 한 점에 해당하는 양이다. 그러나 마이크로 전자 센서에 최대 1.6V의 공급 전압을 제공한다.

새로운 저장 장치는 인체 깊숙한 곳의 협소하거나 접근하기 어려운 공간에서 작동할 수 있는 차세대 생물 의학을 위한 혈관 내 임플란트 및 마이크로 로봇 시스템의 가능성을 열어준다. 이러한 nBSC는 예를 들어 혈액 pH를 실시간으로 감지하고 조기 종양 성장을 예측하는 데 도움이 될 수 있다.

팀은 다양한 크기의 혈관을 모방하기 위해 직경이 120~150μm(0.12~0.15mm)인 소위 미세유체 채널(풍동과 유사한)에서 nBSC의 성능을 연구했다. 이 채널에서 그들은 서로 다른 흐름 및 압력 조건에서 에너지 저장 장치의 동작을 시뮬레이션하고 테스트했다. 그들은 나노 바이오 슈퍼커패시터가 생리학적으로 관련된 조건에서 안정적이고 잘 전력을 제공한다는 것을 발견했다.

"이 나노 바이오슈퍼커패시터의 관형 구조는 맥동하는 혈액이나 근육 수축으로 인한 외부 힘에 대한 효율적인 자기 보호를 제공한다."고 연구 저자는 쓴다.

그런 다음 연구원들은 나노 바이오슈퍼커패시터에 의해 에너지를 공급받는 pH 센서를 개발했다. 그들은 5μm 박막 트랜지스터(TFT) 기술을 사용하여 전해질의 pH에 따라 출력 주파수가 약간 변화하면서 탁월한 기계적 유연성을 갖춘 링 발진기를 만들었다. 이 완전히 통합된 초소형 에너지 저장 및 센서 시스템은 정확하고 효율적인 혈액 pH 측정을 제공했다.

Schmidt 교수는 "새롭고 극도로 유연하며 적응력이 뛰어난 마이크로일렉트로닉스가 생물학적 시스템의 소형화된 세계로 들어가는 것을 보는 것은 매우 고무적이다."고 말했다.

공동 저자인 Dr. Vineeth Kumar는 다음과 같이 말했다: "우리의 나노 바이오슈퍼커패시터의 아키텍처는 가장 큰 문제 중 하나인 다기능 마이크로시스템의 자급자족 작동을 가능하게 하는 작은 통합 에너지 저장 장치에 대한 첫 번째 잠재적인 솔루션을 제공한다."

이번 주 Nature Communications 저널에 이 혁신에 대한 공개 액세스 논문이 실렸다.

이미지 출처: 연구 그룹 교수 Oliver G. Schmidt 박사