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Jun 23, 2023

유연한 배터리

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12356(2022) 이 기사 인용

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이 연구에서는 유연한 비생물적 포도당 하이브리드 연료전지와 인터페이스된 저전력 마이크로컨트롤러 기반 근거리 통신(NFC)이 배터리가 없는 포도당 센서로 기능하도록 설계되었습니다. 비생물적 포도당 연료전지는 양극 영역에 콜로이드 백금(co-Pt)을 증착하고 음극 영역에 산화은 나노입자-다중벽 탄소 나노튜브(Ag2O-MWCNT) 복합체를 증착하여 제작됩니다. 전기화학적 거동은 순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry) 및 시간전류법(Chronoamperometry)을 사용하여 특성화됩니다. 이 포도당 하이브리드 연료전지는 7mM 생리적 포도당 존재 하에서 0.26V에서 0.46V의 개방전압, 0.444mA/cm2의 단락전류밀도, 0.062mW/cm2의 최대 전력밀도를 생성했다. NFC 모듈과 비생물적 포도당 하이브리드 연료전지의 장치 통합 시, 포도당 모니터링 시스템의 데이터는 사용자 인터페이스에서 시각화를 위해 안드로이드 애플리케이션으로 성공적으로 전송됩니다. 세포 전압(r2 = 0.989)은 13.9mV/mM·cm2의 감도로 포도당 농도(최대 19mM)와 상관관계가 있었습니다.

지속적인 혈당 모니터링은 체내 혈당 수치 상승으로 인해 발생할 수 있는 합병증을 줄이는 가장 효과적인 전략입니다. 당뇨병 환자는 손가락 찌르기 테스트 및/또는 연속 혈당 모니터(CGM)를 사용하여 혈당 수치를 자주 확인해야 합니다. 체내 포도당을 모니터링하는 이상적인 센서는 장기적인 안정성을 보여야 하며 환자나 간병인에게 포도당 수준의 일시적인 변화를 무선으로 전달해야 합니다. 전기화학적 변환기는 포도당 기반 바이오센서개발에서 지난 수십 년 동안 많은 관심을 받아왔습니다. 전기화학적 변환기는 분석 물질 농도 및 전체 구성과 같은 화학적 또는 생물학적 정보를 유용한 전기 신호로 변환합니다. 또한 구성이 간단하고 검출 한계가 높아 빠른 반응 시간, 선택성 및 감도를 나타내는 등 다른 기술에 비해 광범위한 이점을 가지고 있습니다4,5,6.

전기화학적 바이오센서의 감도는 전기활성 영역의 설계에 사용되는 전도성 재료에 의해 크게 향상되며 나노재료는 전기화학적 바이오센서의 감도와 선형 범위를 향상시키는 감지 재료로 광범위하게 연구되었습니다. 대부분의 전기화학적 바이오센서는 광범위한 분석물질을 검출하도록 설계되었으며 일반적으로 효소, 항체 또는 압타머와 같은 생체인식 요소 또는 생체수용체로 변형된 전극 감지 물질로 구성됩니다8, 9. 다중벽 및 단일벽 탄소나노튜브6, 9, 반도체 금속 산화물7, 10, 전도성 폴리머11,12,13 및 그래핀14은 가장 많이 사용되는 감지 재료 중 일부입니다. 백금, 금, 은과 같은 나노입자 또는 나노구조의 적용은 바이오수용체에서 집전체로의 직접적이고 빠른 전자 전달과 바이오센서 효율을 향상시키는 뛰어난 전기화학적 특성으로 인해 계속해서 주목을 받고 있습니다. 매개체의 부재17, 18. 이러한 물질은 높은 부피 대 표면 비율과 우수한 생체 적합성을 나타내므로 웨어러블 건강 모니터링 장치1, 19,20,21용 바이오 센서 개발을 위한 바이오 수용체에 대한 매력적인 대안입니다.

웨어러블 헬스케어 기기는 주로 기기 소형화 및 무선 작동(예: 블루투스, 근거리 통신(NFC))에 중점을 두었습니다.22, 23 웨어러블 기기는 대부분 블루투스 기술을 사용했지만 크기와 무게가 크면 착용성에 영향을 미칠 수 있습니다22. Aliet al. 블루투스 저에너지(BLE)를 이용한 이식형 혈당 모니터링 장치 개발에 대해 보고했습니다. 시스템의 혈당 데이터는 BLE를 통해 PDA(스마트폰 또는 iPad)로 전송되어 데이터를 텍스트 형식으로 표시합니다. 이 기술은 외부 전원 장치와 이식 장치의 전력 소비를 낮추는 데 어느 정도 성공했습니다. 마찬가지로 혈당 측정기, Arduino Uno 및 Zigbee 모듈을 활용하여 무선 신체 영역 네트워크 기반 혈당 수준 모니터링 시스템을 구축했으며 웹 사이트를 사용하여 원격 혈당 모니터링을 구현했습니다. 그러나 Arduino Uno 보드와 Zigbee 모듈의 높은 전력 소비로 인해 시스템은 에너지 효율적이지 않습니다. 이러한 제한을 해결하기 위해 다른 사람들은 외부 송신기를 사용하여 Bluetooth 기능 및 스마트폰 애플리케이션을 사용하여 포도당 센서에 무선으로 연결하고 충전했습니다. 또한, NFC 기반 장치는 배터리가 필요 없고 무선이라는 장점으로 인해 신체 편안함을 향상시키기 위해 제안되었습니다27, 28. 비색 땀 감지26, "피부와 같은" 심장 모니터링 장치를 비롯한 다양한 NFC 기반 애플리케이션이 시연되었습니다. 속도 변동성(HRV)27, 표피 자외선 선량계28, 맥박 산소 측정29, 스마트 콘택트 렌즈30 및 무선 전자 문신18.