用于植物监测的可自修复印刷电子冷冻凝胶


发布时间:

2023-05-16

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

在这项工作中提出了一种新的方法,将印刷电子材料与生物相容性的冷冻材料结合起来,形成稳定的、可植入的水凝胶基生物电子器件,该器件在植物组织内长期稳定运行。凝胶可以定制,以提供各种电子功能,包括电极和有机电化学晶体管(organic electrochemical transistors,OECT)。这些喷墨打印的基于低温的器件在嵌入式导电聚合物走线中具有高导电性(高达350 S/cm),在OECT中具有高跨导性(在mS范围内),并且在电容结构中具有高电容(高达4.2 mF.g-1)。这些装置还显示出高拉伸性(高达330%的应变)和自修复性能。

生物相容性功能化凝胶电极和晶体管成功植入植物组织。在两个多月的时间里,研究人员收集了番茄植株的离子活性,在此期间观察到的疤痕组织形成最少,这使得这些基于低温的电子设备成为连续、现场监测植物和环境状况及健康的绝佳选择。

 

图1 电子凝胶的制备工艺。a(低温)电子凝胶的制备步骤示意图。首先,电子痕迹被喷墨打印在玻璃载玻片上。在第一层水凝胶沉积在导电痕迹的顶部并风干一夜之后,凝胶从玻片上剥离。接下来,将第二层湿水凝胶滴铸在传感区域上方的第一层风干凝胶的顶部。最后,将样品置于-20°C的冰箱中过夜。经过几次冻融循环后,电子凝胶就可以放入番茄茎中进行检测了。b可拉伸凝胶基oect的数码照片。c, d晶体管(OECT)结构中PEDOT:PSS导电层电致变色特性的照片。e可拉伸凝胶基电容器和f由一个OECT和两个电容器组成的凝胶基电子电路的照片。

 

图2 电子凝胶:介质稳定性。a风干电子凝胶和b电子凝胶。将风干的和冷冻的产品浸入去离子水中15分钟,然后从水介质中提取风干的和冷冻的产品。

 

图3 电子凝胶的机械和电气性能。a不同应变(0 ~ 300%)下电子凝胶的应力(kPa)。凝胶经过风干和冻融。b、c、线状电子干凝胶(印刷线状(5 × 0.2 cm2))与冷冻凝胶和弹簧状冷冻凝胶的电阻比。e电子凝胶在10%应变下循环100次时的电阻比R/R0。f打印低温电容器的照片(比例尺为5毫米)。g执行循环伏安法时拉伸的印刷电容器的数字照片h在印刷电容器的施加电压窗口范围内从0到1V的循环伏安循环,同时在50 mV.s-1的扫描速率下施加不同的拉伸。i在0 ~ 1V电压窗范围内,电容器凝胶在不同电流密度(1µA、10µA、100µA)(充电电流密度固定为100µA)下的恒流充放电曲线。

 

图4 电子凝胶的自我修复和恢复。自愈冷冻凝胶的照片。b应用于自愈低温凝胶的机械变形。c与参考(未切割)传感器相比,在不同愈合时间(4小时,24小时,48小时)下施加不同应变的冷冻材料(冷冻时间为30分钟)的负载。d不同冷冻时间(30 min, 1 h, 2 h)下不同应变下的切口冷冻剂愈合48 h后的应力(kPa)。e连接到源计的弹簧形迹线。电阻最初是9 kΩ,然后被切割和分离,并重新放在一起。15min后,传感器的电阻恢复到13 kΩ。

 

图5 茎的组织学。植入或切割后1、14、30和120天,未植入a和植入b茎的横切光学显微图(比尺为500µm)。(在图b中,植入物在图像中并不总是可见的,因为它们有时在茎的薄片制备过程中被移除)。

 

图6  x射线计算机断层扫描图像。1周后番茄茎中仅切割的a和植入物b的x射线计算机断层图像。c种植体1周后的x线计算机断层图像。d和e植入番茄茎1个月后的x线计算机断层图像(比例尺为1mm)。

 

图7 凝胶基电极植入番茄的特性。在水溶液中加入营养物质前后植入番茄茎中的两个凝胶电极示意图。将低温凝胶电极植入脑干,获得电化学阻抗谱。在植入后第7天测量阻抗。将茎杆从第一种水溶液转移到第二种水溶液b和从水浴转移到300 mM氯化钾溶液c后,以不同的频率记录信号。d奈奎斯特图植入茎杆并浸泡在300 mM溶液中。e电极在水溶液和300mm氯化钾溶液中电化学阻抗变化的比较。f低温凝胶电极在干旱条件下植入茎中44 h,对照茎在水中保存,得到电化学阻抗谱。在植入后第14天测量阻抗。gNyquist图将冷冻凝胶电极植入干细胞中,待其干燥44小时。h茎在水溶液中与干燥44小时的茎的电化学阻抗变化比较。

图片

图8 凝胶基OECTs植入番茄的表征。2个月OECT植入番茄茎的跨导曲线和转移曲线。c番茄茎中两个低温传感器的数码照片。顶部植入物为栅极,底部植入物为通道。在不同栅极脉冲(分别为0 V、0.1 V、0.2 V、0.3 V、0.4 V、0.5 V)作用于水中时,番茄茎中低温传感器的漏电流。一个周期由60秒开和60秒关组成。e当阀杆浸入水中(蓝色区域)和浸入氯化钾(黄色区域)时,响应不同栅极脉冲的闸和漏电流。f植物根部浸泡在水(蓝色区域)和氯化钾(黄色区域)中,外加0.5 V时栅极漏极电流的变化。

 

 

来 源

Gregory Whiting, Eloise Bihar, Elliot Strand et al. Self-healable Printed Electronic Cryogels for Plant Monitoring, 21 April 2023, PREPRINT (Version 1) available at Research Square [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2753352/v1]

 

编辑

王春颖
 

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