Hvordan fleksible enheter muliggjør avansert helseovervåkning og sensorteknologi

Fleksible elektroniske enheter representerer et betydelig fremskritt i utviklingen av bærbare helseovervåkningssystemer, med stor potensial for å forbedre både diagnostikk og daglig helseovervåkning. Et bemerkelsesverdig eksempel på denne teknologien er sensor-integrerte, fargeskiftende OLED-skjermer, som visualiserer informasjon basert på endringer i farger i samsvar med signaler hentet fra kroppen. Den bærbare enheten fungerer som et sanntids overvåkingssystem som er i stand til å detektere og vise EKG-signaler, der fargene endres i henhold til formene på de innhentede signalene. En viktig egenskap ved denne teknologien er at både sensoren og forsterkerkomponentene er ekstremt tynne, og gir dermed en svært tett og komfortabel passform til huden. EKG-sensoren er utformet med et strekkbart mønster som minner om et slangelignende mønster, og gir en løsning som er ideell for bærbar helseovervåkning (Bai et al., 2022).

Utviklingen av bærbare enheter som benytter fleksible og tynne materialer gir mange fordeler, men stiller samtidig store krav til materialenes mekaniske robusthet og deres evne til å håndtere både harde og myke grensesnitt. En stor utfordring for fleksible sensorer er deres motstand mot ytre og indre påkjenninger. For å møte disse utfordringene har forskere utviklet løsninger som inkluderer materialer med høy elastisitet og holdbarhet, som for eksempel PDMS-MPU-IU, som har høy strekkstyrke og mekanisk motstandskraft (Cui, 2019). Slike materialer bidrar til å beskytte enhetene mot fysisk slitasje og deformasjon, og øker levetiden for disse bærbare sensorene.

Stabiliteten og nøyaktigheten til signalene som samles inn av bærbare sensorer er avgjørende for deres bruk i helseovervåkning. Langvarig bruk og komplekse miljøer kan føre til signalavdrift og forringelse av datakvaliteten. En strategi for å forbedre signalstabiliteten er å bruke miljøstabile materialer og teknologier som er motstandsdyktige mot temperatur- og fuktighetsvariasjoner (Davoodi et al., 2020). I tillegg kan kompensasjonsteknikker, som å bruke termistorer for å kompensere for temperaturendringer, bidra til å opprettholde signalnøyaktigheten over tid (Wang et al., 2020). En annen viktig faktor for å forbedre signalstabiliteten er bruk av fleksible filmmaterialer for innkapsling, som beskytter de sensitive komponentene og reduserer støy og signaldrift.

Utviklingen av fleksible, bærbare elektroniske enheter har åpnet nye muligheter for kontinuerlig helseovervåkning og personlig tilpassede helsetjenester. Teknologier som integrerer sensorer, skjermer og optiske enheter gir en dynamisk og interaktiv tilnærming til å samle inn og analysere fysiologiske data i sanntid. Med fortsatt innovasjon vil vi sannsynligvis se flere fremskritt som forbedrer både brukeropplevelse og teknologiske evner i bærbare helseovervåkningssystemer.

Hvordan nanocellulosebaserte hydrogeler dannes og deres potensial

Nanocellulosebaserte hydrogeler har blitt et populært forskningsfelt på grunn av deres unike fysikalsk-kjemiske egenskaper, som har betydelige potensialer innenfor medisinske, industrielle og miljømessige anvendelser. Et viktig aspekt ved utviklingen av slike materialer er forståelsen av hvordan nanocellulose kan manipuleres på forskjellige nivåer for å oppnå ønskede strukturer og egenskaper. Forskning på nanocellulose har gitt viktige innsikter i prosesser som involverer både “bottom-up” og “top-down” metoder, hvor hver tilnærming har sine egne fordeler og utfordringer.

Et av de mest lovende områdene for nanocellulosehydrogeler er molekylær crowding, som etterligner de intracellulære miljøene i biologiske systemer. Her påvirker høye konsentrasjoner av makromolekyler diffraksjonshastigheter og fremmer selvmontering. Dette har ført til utviklingen av stabile hydrogeler basert på cello-oligomerer som er syntetisert fra α-D-Glc-1P og D-glukose, og som danner krystallinske nanoribbebaserte nettverk, uavhengig av tilstedeværelsen av vannløselige polymerer som dextrose og PEG. Når disse polymerene ikke er til stede, dannes det derimot bare rektangulære, ark-lignende presipitat.

Temperatur og organiske løsemidler har også en betydelig innvirkning på selvmontering. Når temperaturen reduseres fra 40–60 °C til 20–30 °C, reduseres graden av polymerisering (DP) og krystalliniteten øker, noe som fremmer dannelsen av nanoribbebaserte nettverk i stedet for nanosheet-formasjoner. I tillegg har organiske løsemidler som etanol og dimetylsulfoksid vist seg å ytterligere fremme dannelsen av velstrukturerte nanoribbebaserte nettverk.

En annen interessant tilnærming er substitusjonen av D-glukose med D-cellobiose, noe som påvirker selvmonteringen og resulterer i cellulosa II-hydrogeler med nanoribbebaserte nettverk. Denne innsikten bidrar til videre utvikling av cellulosa-basert nanomaterialer for forskjellige teknologiske applikasjoner.

Nanocellulose kan fremstilles på flere måter, men de mest vanlige prosessene er enten via "bottom-up" eller "top-down"-metoder. De forskjellige metodene for å oppnå nanocellulosebyggesteiner som CNC (cellulose nanokrystaller), CNF (cellulose nanofibriller) og CNS (cellulose nanokuler) gir et bredt spekter av muligheter for tilpasning til spesifikke applikasjoner. En annen fremgangsmåte innebærer nedbrytning av bakteriecellulose (BNC), som resulterer i nanoribbe-dannende cellulose.

Cellulose nanokrystaller (CNC) er en av de mest betydningsfulle typene nanocellulose. De kan brukes i ulike felt som sensing, emballasje, separasjon, vevsteknologi og til og med i sikkerhets- og anti-forfalskningsapplikasjoner på grunn av deres fotoniske egenskaper. CNC-partikler har høy krystallinitet, som vanligvis varierer fra 54 % til 88 %, og deres dimensjoner faller mellom 5 til 15 nm i bredde og 77 til 503 nm i lengde. CNC-partikler har både hydrofobe og hydrofile bindingssteder, noe som gjør at de kan interagere med et bredt spekter av forbindelser.

En interessant egenskap ved CNC er deres evne til å danne venstre-håndede, chiral-nematiske selvorganiserte strukturer som kan reflektere sirkulært polarisert lys. Dette gir iriserende effekter, spesielt når helningen på strukturene nærmer seg bølgelengdene til synlig lys. Denne konfigurasjonen kan kontrolleres ved å manipulere faktorer som CNC-lengde, overflate ladningstetthet, ionstyrke og mekaniske krefter som påføres på gelen eller aerogelen, og har ført til utvikling av ulike sensorteknologier. Spesielt CNC-basert aerogel har fått stor oppmerksomhet på grunn av dets stimuli-responsivitet.

Cellulose nanofibriller (CNF) har en høyere aspekt-ratio sammenlignet med CNC, og deres dimensjoner varierer vanligvis mellom 2 til 3 nm i bredde og 300 til 1000 nm i lengde. Denne økte aspekt-ratioen gir dem større hydrofisitet og fleksibilitet, som kan være fordelaktig for bruk i applikasjoner som krever tilpasning av materialets mekaniske egenskaper.

For videre utvikling av nanocellulose-basert teknologi er det essensielt å finne løsninger på både kostnads- og produksjonsutfordringene som er nevnt. Mens forskningen på nanocellulose og dens anvendelser er på fremmarsj, er det fortsatt flere tekniske og økonomiske hindringer som må overvinnes for å realisere det fulle potensialet til disse materialene i industrielle applikasjoner.