นักวิจัยที่ทำงานในอิตาลีได้พัฒนาทรานซิสเตอร์ที่กินได้เต็มที่จากสารเติมแต่งที่ใช้ยาสีฟันธรรมดาๆ การกลืนทำได้อย่างปลอดภัยอย่างยิ่ง และสามารถใช้สำหรับการวินิจฉัยทางการแพทย์แบบไม่รุกราน เช่น การตรวจสอบระบบทางเดินอาหาร หรือสำหรับระบบนำส่งยาอัจฉริยะที่ให้ข้อมูลสุขภาพแบบเรียลไทม์จากภายในร่างกาย
แนวคิดเกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กินได้ไม่ใช่เรื่องใหม่อย่างที่คุณคิด ลองจินตนาการถึงสถานการณ์ที่คุณสามารถกลืนเซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบสุขภาพภายในโดยไม่ต้องมีขั้นตอนที่รุกราน หรือในกรณีที่คุณสามารถส่งยาที่กำหนดเป้าหมายเฉพาะในสภาวะที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถปฏิวัติการตรวจติดตามระบบทางเดินอาหารและการวินิจฉัยโรคต่างๆ ได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่นักวิจัยได้พิจารณาสิ่งเหล่านี้มาหลายปีแล้ว
อย่างไรก็ตาม การสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่คุณสามารถใช้ได้อย่างปลอดภัยนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเลย
ความท้าทายที่สำคัญคือการขาดเซมิคอนดักเตอร์ที่กินได้เช่นทรานซิสเตอร์ที่เสถียรและมีประสิทธิภาพ แม้ว่าวัสดุเกรดอาหารบางชนิดจะมีการสำรวจ แต่โดยทั่วไปแล้ววัสดุเหล่านั้นยังขาดประสิทธิภาพที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง นี่คือที่มาของนวัตกรรมใหม่
นักวิจัยนำโดย Elena Feltri และ Mario Caironi จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งอิตาลี ได้ออกแบบทรานซิสเตอร์ที่มีรั้วรอบขอบชิดด้วยอิเล็กโทรไลต์แรงดันต่ำโดยใช้ Copper(II) Phthalocyanine (CuPc) ซึ่งเป็นเม็ดสีที่ใช้ในการฟอกสีฟันในยาสีฟัน
ทำไมต้องเป็นเม็ดสียาสีฟัน?
เราทุกคนรู้ดีว่าคุณไม่ควรกินยาสีฟัน คุณควรจะคายมันออกมา แต่เรามักจะกลืนส่วนหนึ่งของมันไปโดยไม่ได้ตั้งใจ และนั่นไม่ใช่ปัญหา ยาสีฟันหลายชนิดใช้ผลึกคอปเปอร์ธาโลไซยานีน ซึ่งเป็นเม็ดสีฟ้าที่ทำหน้าที่เป็นสารฟอกสีฟันด้วย เม็ดสีนี้ได้รับการอนุมัติและใช้กันอย่างแพร่หลายแล้ว และเรากลืนมันมาหลายปีโดยไม่มีผลข้างเคียงที่ตรวจพบได้
นักวิจัยเริ่มต้นด้วยการประเมินปริมาณ CuPc ที่รับประทานผ่านการใช้ยาสีฟันในแต่ละวัน ปริมาณการบริโภคในแต่ละวันคาดว่าจะอยู่ระหว่าง 0.5 ถึง 2 มิลลิกรัม ซึ่งเป็นค่าที่เกินกว่าปริมาณ CuPc ที่จำเป็นในการสร้างทรานซิสเตอร์ที่กินได้ ทำให้เป็นวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กินเข้าไปได้
“ด้วยปริมาณทองแดง phthalocyanine ที่เรากินเข้าไปในแต่ละวัน ในทางทฤษฎีแล้ว เราสามารถผลิตทรานซิสเตอร์ที่กินได้ประมาณ 10,000 ตัว” Elena Feltri ผู้เขียนรายงานวิจัยและนักศึกษาปริญญาเอกจาก CNST ของ IIT ในมิลาน กล่าว
วัสดุนี้ไม่เพียงแต่ปลอดภัยสำหรับใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กินได้เท่านั้น แต่โครงสร้างทางเคมีของวัสดุยังเหมาะมากสำหรับการใช้งานประเภทนี้อีกด้วย โครงสร้างผลึกเอื้อต่อการนำประจุ ทำให้เป็นตัวเลือกทรานซิสเตอร์ที่ดีเยี่ยม
การสร้างทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์ที่กินได้นั้นมีพื้นฐานมาจากสถาปัตยกรรมทรานซิสเตอร์ที่มีอยู่ โดยใช้ CuPc เป็นวัสดุแอคทีฟ ส่วนประกอบสำคัญ OFET (EGOFET) ที่มีรั้วรอบขอบชิดด้วยอิเล็กโทรไลต์ ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ (
วงจรนี้สร้างขึ้นจากอนุพันธ์ของเซลลูโลสที่มีการพิมพ์หน้าสัมผัสทางไฟฟ้าโดยใช้เทคโนโลยีอิงค์เจ็ทและสารละลายของอนุภาคทองคำ (ซึ่งมักใช้ในอุตสาหกรรมอาหารเพื่อการตกแต่ง) “เกต” ของทรานซิสเตอร์ก็เป็นเกรดอาหารเช่นกัน ส่วนประกอบนี้ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างแหล่งกำเนิดและขั้วท่อระบายน้ำ โดยทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือเครื่องขยายสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประตูนี้ทำจากเจลที่มีไคโตซานเป็นส่วนประกอบเกรดอาหารอีกชนิดหนึ่งที่ใช้เป็นสารก่อเจล
ทีมวิจัยยังได้สำรวจคุณสมบัติทางแสงและสัณฐานวิทยาของฟิล์มบาง CuPc พวกเขาพบว่าความหนาของชั้น CuPc มีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ ฟิล์มที่บางกว่าแสดงคุณสมบัติการขนส่งประจุที่ดีกว่า ซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างอุปกรณ์แรงดันไฟฟ้าต่ำประสิทธิภาพสูง ความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุนี้ทำให้ทีมงานสามารถปรับการออกแบบทรานซิสเตอร์ให้เหมาะสมเพื่อใช้ในการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง
แล้วมันจะใช้ทำอะไรล่ะ?
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กินได้สามารถปฏิวัติการดูแลสุขภาพได้หลายวิธี อุปกรณ์เช่นทรานซิสเตอร์เหล่านี้สามารถรวมเข้ากับ “ยาอัจฉริยะ” ได้ ยาเม็ดเหล่านี้สามารถตรวจสอบสภาพภายในของร่างกาย ติดตามการนำส่งยา หรือแม้แต่ตรวจพบสัญญาณเริ่มต้นของโรค เช่น มะเร็งหรือแผลในกระเพาะอาหาร เนื่องจากคุณจะนำเข้าอุปกรณ์เหล่านี้ จึงไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนที่รุกราน และสามารถให้ข้อมูลแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับอาการของผู้ป่วย ขณะเดียวกันก็ทำให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์จะละลายหรือออกจากร่างกายอย่างปลอดภัยเมื่องานเสร็จสิ้น
เทคโนโลยีนี้อาจมีความสำคัญในอุตสาหกรรมอาหารด้วย ลองนึกภาพแท็กอาหารอัจฉริยะที่ไม่เพียงแต่ตรวจสอบความสดของอาหาร แต่ยังติดตามปริมาณสารอาหารหรือตรวจจับสารที่เป็นอันตรายอีกด้วย ความสามารถในการรวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานได้เข้ากับบรรจุภัณฑ์อาหารในชีวิตประจำวันสามารถช่วยให้ผู้บริโภคเข้าใจสิ่งที่พวกเขากินได้ดีขึ้น และเพิ่มความปลอดภัยของอาหารตลอดห่วงโซ่อุปทาน
แม้จะมีความก้าวหน้าที่สำคัญ แต่ก็ยังมีความท้าทายที่ต้องแก้ไข แม้ว่าโดยทั่วไป CuPc และวัสดุอื่นๆ ที่ใช้ในทรานซิสเตอร์เหล่านี้จะได้รับการยอมรับว่าปลอดภัย แต่ก็ยังจำเป็นต้องมีการศึกษาความเป็นพิษอย่างครอบคลุม เราต้องยืนยันว่าในระดับนาโน ไม่มีผลกระทบที่ซ่อนอยู่ ผลกระทบระยะยาวของการกินอนุภาคนาโน แม้จะในปริมาณเล็กน้อยก็ยังไม่ชัดเจน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่บริโภคได้มีความปลอดภัยอย่างกว้างขวาง
นอกจากนี้ การรวมทรานซิสเตอร์เหล่านี้เข้ากับระบบที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ไมโครโปรเซสเซอร์ที่กินได้ทั้งหมด จะต้องมีความก้าวหน้าเพิ่มเติมในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุที่กินได้ อย่างไรก็ตาม งานของทีมถือเป็นก้าวสำคัญในการทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กินได้และใช้งานได้จริงเป็นจริง
อ้างอิงวารสาร: Elena Feltri และคณะ ทรานซิสเตอร์ที่กินได้เต็มที่โดยใช้เม็ดสียาสีฟัน วิทยาศาสตร์ขั้นสูง (2024) ดอย: 10.1002/advs.202404658