DISPOSITIVO ELECTROQUÍMICO BASADO EN GRAFENO CON MICROAGUJAS TERMOSENSIBLES

UN DISPOSITIVO ELECTROQUÍMICO BASADO EN GRAFENO CON MICROAGUJAS TERMOSENSIBLES PARA EL SEGUIMIENTO Y TRATAMIENTO DE LA DIABETES

Hyunjae Lee1,2 †, Tae Kyu Choi1,2 †, † joven Bum Lee1,2, HyeRimCho1,3, Roozbeh Ghaffari4, LiuWang5, Hyung Jin Choi6, Taek Dong Chung7,8, NanshuLu5, TaeghwanHyeon1,2, SeungHongChoi1,3and Dae hyeong Kim1,2 *

Debido a su alta movilidad de portador, la conductividad, la flexibilidad y la transparencia óptica, el grafeno es un material versátil en micro y macroelectronicos. Sin embargo, la baja densidad de defectos electroquímicamente activos en grafeno sintetizado por deposición de vapor químico limita su aplicación en biosensores. Aquí, se muestra que el grafeno dopado con oro y combinado con una malla de oro ha mejorado la actividad electroquímica sobre el grafeno desnudo, suficiente para formar un parche portable para el control de la diabetes a base de sudor y la terapia de retroalimentación. El dispositivo cuenta con un estirable bicapa de serpiente de la malla de oro y grafeno oro dopado que forma una interfaz electroquímica eficiente para la transferencia estable de las señales eléctricas. El parche consiste en un calentador, temperatura, humedad, de glucosa y pH sensores y micro agujas poliméricas que pueden ser activados térmicamente para administrar fármacos por vía transcutánea. Se demuestra que el parche puede ser accionado térmicamente para entregar metformina y reducir los niveles de glucosa en sangre en ratones diabéticos.

El grafeno de gran superficie y de alta calidad, sintetizado por un proceso de deposición química (CVD), constituye un material sumamente útil para la aparición de la electrónica transparente y deformable. El grafeno exhibe excelentes propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas, en virtud de su naturaleza suave basada en carbono, alta movilidad del portador y factor de forma ultra fino. La capacidad de procesamiento y biocompatibilidad a gran escala del grafeno facilita aún más sus numerosas aplicaciones de consumo y asistencia sanitaria. Sin embargo, la baja densidad de defectos del grafeno CVD en comparación con los óxidos de grafeno reducidos resulta en una actividad electroquímica deficiente. Los defectos tienen una alta actividad electroquímica y son útiles para sensores electroquímicos variados. Aunque el grafeno de CVD de alta calidad tiene ventajas en configuraciones en banda de gran área, tiene usos limitados en dispositivos electroquímicos para la detección de marcadores bioquímicos tales como pH, iones y biomoléculas.

Mientras tanto, el monitoreo continuo del punto de atención de los bio-marcadores basados ​​en la detección electroquímica, junto con la detección física y la actuación en tiempo real, proporcionan soluciones únicas para el tratamiento de enfermedades crónicas relacionadas con la homeostasis, tales como diabetes mellitus. Existe una necesidad significativa de monitorización no invasiva de marcadores importantes de tales enfermedades usando matrices de dispositivos portátiles multifuncionales / portátiles. Un sistema terapéutico de retroalimentación que complete el ciclo de detección y terapia podría mejorar significativamente la calidad del manejo de la atención. En este trabajo se describe el desarrollo de aparatos de grafeno híbrido (GP-híbridos) capaces de monitorizar la glucosa y el pH con base en el sudor en conjunto con una capa de control del sudor, pero también controlar la administración transcutánea de fármacos a través de la respuesta bioresorbible sensible a la temperatura Microagujas Las mediciones precisas de glucoseconcentraciones de sudor pueden usarse para estimar los niveles de glucosa en la sangre basándose en correlaciones previamente reportadas. Además, los sensores integrados para la detección de temblores en condiciones hipoglucémicas y la monitorización de la temperatura de la piel durante las actuaciones térmicas inducidas por la administración de fármacos podrían ayudar a prevenir la sobredosificación de fármacos y quemaduras a baja temperatura, respectivamente. Finalmente, la conexión de los dispositivos portátiles híbridos GP a una unidad de suministro de energía portátil e inalámbrica y transmisión de datos permitiría el tratamiento de la diabetes a nivel de punto de contacto.

El sistema integrado consta de los siguientes módulos: componentes de control del sudor (una capa de absorción de sudor y una película impermeable), componentes de detección (sensores de humedad, glucosa, pH y temblor) y componentes terapéuticos (microagujas, Un calentador y un sensor de temperatura), como se muestra en la Fig. 1a, b. La bicapa de una malla serpentina y el grafeno CVD dopado con oro (figura 1c, fondo) garantiza una alta conductividad, fiabilidad mecánica y transparencia óptica para la transferencia de señales eléctricas inestables así como una apariencia semitransparente similar a la piel en el conjunto de dispositivos deformables de gran área configuración. La funcionalización selectiva y modelada del grafeno CVD dopado con oro con materiales blandos electroquímicamente activos (Fig. 1a, b, izquierda y Fig. 1c, parte superior) establece sensores GP híbridos con actividad electroquímica mejorada y sensibilidad / selectividad bioquímica, manteniendo al mismo tiempo La suavidad intrínseca del grafeno. En contraste con los contraelectrodos voluminosos convencionales de tipo líquido usados ​​para la detección electroquímica, los electrodos contadores Ag / AgCl de estado sólido.

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(Incluidos en los componentes del sensor, la figura 1a, b) proporciona portabilidad y usabilidad del sistema electroquímico. Las microagujas basadas en polímeros bioresorbibles recubiertas con el material de cambio de fase (PCM) 28 liberan el fármaco en el torrente sanguíneo cuando se sobrepasa la temperatura umbral programada (figura 1a, derecha y figura 1b, inserto). Los actuadores térmicos multicanal (Fig. 1b, derecha) controlan la cantidad / velocidad de liberación del fármaco de una manera escalonada. Los materiales blandos con diseños estirables proporcionan conformaciones extremadamente conformes a la piel humana bajo deformación (figura 1d). Esta interfaz cómoda e íntima permite una detección estable y un suministro eficaz de fármacos. Si el parche está delaminado, la detección y el suministro de fármacos no son eficaces. Se describen más detalles de la integración del sistema y de las operaciones combinadas incluyendo unidades portátiles / inalámbricas y capas de control del sudor en las Figuras 1-3.Caracterización del híbrido GP Las propiedades electroquímicas del híbrido GP se caracterizan y comparan con los controles Aufil y Au mesh). Las imágenes ópticas (izquierda) y de microscopía electrónica de barrido (SEM, derecha) de los electrodos individuales con la funcionalización de poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) por electrodeposición galvanostatica se muestran en la Fig. 2a. Las vistas a gran escala se incluyen en la Fig. 4. La cantidad de materiales funcionales depositados en la malla de Au (Figura 2a, centro) es mucho menor que la de los electrodos de Aufil (Figura 2a, superior) o GP híbrida (Fig. Cuadradas de la malla. Las partículas de Au forman grupos de materiales funcionales sobre la superficie GP-híbrida. Por lo tanto, el GP-híbrido presenta mejores características de rendimiento electroquímico debido a su gran superficie electroquímicamente activa bajo condiciones de electrodo desnudo (Fig. 2b-d), así como durante (Fig. 2e-g) J) la funcionalización.

Los voltamogramas cíclicos (CV, Fig. 2b y Fig. 5a) y mediciones de impedancia de corriente alterna (ac) (Nyquistplots en la Fig. 2c y Fig. 5b complementario, Gráficos de Bode en la Fig. 2d) para Fe (CN) 63- / 4 -redox demostrar la mayor capacidad de carga de carga (CSC) y menor impedancia interfacial de la electrodo del GP-híbrido que los controles (véase la sección 1.1 para más detalles). La malla Au muestra la mayor resistencia a la transferencia de carga (Rct) y su pico CV se desplaza a potenciales más altos debido al área pequeña activa y baja actividad electroquímica. El electrodo del GP-híbrido, bicapa de grafeno CVD dopado con oro y malla de Au, sin embargo, compensa las regiones no conductoras de la malla de Au por el grafeno dopado, lo que amplía la superficie de superficie electroquímicamente activa a un tamaño ligeramente mayor que el de la lámina de Au. Las áreas superficiales electroquímicamente activas estimadas de estos electrodos se resumen en la Tabla Suplementaria 1. Las discusiones relacionadas se describen en la Sección Suplementaria 1.1. La estabilidad / fiabilidad electroquímica del electrodo híbrido GP se demuestra además a través de mediciones de impedancia dependientes de la temperatura y múltiples operaciones CV

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(Figura 5c, d suplementaria). Esta gran área de superficie electroquímicamente activa del electrodo GP-híbrido es consistente con la topografía nanoestructurada en observaciones visuales (imágenes ópticas y SEM), lo que confirma sus excelentes características. Por el contrario, la caracterización electroquímica del grafeno CVD no dopado muestra reacciones negligibleredox y altas impedancias debido a su baja actividad electroquímica (Figura 6a-c suplementaria). Estas propiedades electroquímicas del electrodo híbrido GP se destacan adicionalmente mediante la funcionalización, la cual es soportada por actividades electroquímicas mejoradas durante Y después de la elec- trodeposición de materiales funcionales. La Figura 2e-g muestra amplitudes de corriente eléctrica más amplias y picos característicos más acusados ​​del híbrido GP durante el proceso de electrodeposición controlada de PEDOT, Prussian Blue (PB) y polianilina (PANi). El electrodo del híbrido GP exhibe excelentes interacciones electroquímicas con cada monómero. El resultado de la película GP-híbrido muestra mejores resultados electroquímicos, incluyendo la imitación inferior de la interfase PEDOT / GP híbrido (Fig. 2h y SupplementaryFig-7a) y más prominentes picos redox característica de laPB / GP híbrido (Fig. 2i y complementario Fig. 7b) en comparación con otros. Sin embargo, el potencial de circuito abierto dependiente del pH (OCP) del híbrido PANi / GP muestra tendencias comparables a las de la malla de Aufil y Au (figura 2j y figura 7c suplementaria). El híbrido GP mejora claramente las actividades electroquímicas basadas en impedancia (PEDOT) y de transferencia de carga (PB), para las que se producen reacciones en la superficie. Sin embargo, el OCP depende de las propiedades en masa del PANi en lugar de las propiedades superficiales y, por lo tanto, se observan resultados similares. La alta conductividad y la robustez mecánica son una importante carga / inyección de señal en y células electroquímicas.

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