コンブチャエレクトロニクス: コンブチャマット上の電子回路

Nov 17, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9367 (2023) この記事を引用

8 オルトメトリック

メトリクスの詳細

コンブチャは、お茶と砂糖を60種類以上の酵母や細菌によって発酵させたものです。この共生コミュニティは、セルロースベースのヒドロゲルであるコンブチャマットを生成します。コンブチャマットは、乾燥して硬化すると、産業やファッションにおいて動物皮革の代替品として使用できます。この研究に先立って、我々は生きたコンブチャマットが動的な電気活動と明確な刺激反応を示すことを実証しました。有機繊維に使用する場合、コンブチャの硬化マットは不活性です。コンブチャウェアラブルを機能させるには、電気回路を組み込む必要があります。私たちは、コンブチャマット上に電気導体を作成することが可能であることを実証します。屈伸を繰り返した後でも、回路はその機能を維持します。さらに、従来の電子システムよりも軽く、安価で、柔軟性が高いなど、提案されたコンブチャの能力と電子的特性により、さまざまな用途での使用への道が開かれます。

コンブチャは、細菌と酵母の共生コミュニティによって発酵されます1、2、3、4、5。細菌と酵母の共生培養により、バクテリアセルロース、バイオフィルム、共生バイオマス、チャキクラゲ、スコビー、ズーグレアとしても知られるセルロースベースのヒドロゲルが生成されます。共生コミュニティによって発酵されたお茶は、さまざまな健康に有益な特性を示すと言われています 2,6,7 が、これらについては本研究では議論しません。

コンブチャマットは、60 種を超える酵母と細菌が協力するユニークな共生システムです1。コンブチャは、原多細胞性、つまり複数の種が結合した生物の一例であり、各種が集合的な生物の寿命を延ばすという共通の目標を追求しています。コンブチャマットの電気的特性は、8 年に初めて明らかにされ、電気に基づく統合、そしておそらくは共生生物の原始認識に関するアイデアをさらに前進させる可能性があります 9、10、11、12。たとえば、Acetobacter aceti コロニーによって生産される同様のバクテリアセルロースマットは、興味深い電気特性と圧力感知能力を特徴とすることが示されています 13。

Kombucha マットは、適切に硬化すると繊維製品と同様の特性を示し 14、15、16、17、18、19 となり、真菌皮革やウェアラブル製品の競争力のある代替品となる可能性があります 20、21。

コンブチャで作られたウェアラブルは、一般的に知られている概念ではありませんが、潜在的にいくつかの利点を提供する可能性があります。コンブチャは表面にセルロースベースのマットを形成します。このセルロース素材は、ウェアラブル技術の有望な候補となるユニークな特性を備えています。コンブチャで作られたウェアラブルが重要である理由は次のとおりです。

持続可能性: Kombucha ウェアラブルは、従来のウェアラブル素材と比較して、より持続可能である可能性があります。セルロースベースの素材は生分解性、再生可能で、お茶や砂糖などのシンプルな材料を使って栽培できます。これにより、合成素材で作られた従来のウェアラブル製品の製造と廃棄に伴う環境への影響を軽減できる可能性があります。

生体適合性: コンブチャ由来のセルロース材料は一般に生体適合性があり、人間の皮膚と接触したときに有害反応を引き起こす可能性が低いことを意味します。そのため、敏感肌やアレルギーを持つ人にとっても適した素材となる可能性があります。

カスタマイズ性: コンブチャ素材は成長過程でさまざまな形状やサイズに成形できるため、個々の体型やニーズに合わせてカスタマイズされたウェアラブルが可能になります。この柔軟性により、快適性とパフォーマンスの向上につながる可能性があります。

通気性と水分管理: Kombucha ベースのウェアラブルは通気性が高く、空気の循環を可能にし、皮膚への湿気の蓄積を軽減する可能性があります。この特性は、湿気管理が重要なスポーツウェアやその他の用途に有益となる可能性があります。さらに、コンブチャの水分摂取は、コンブチャの体積導電率の増加に影響します。吸汗後の皮膚への密着性も高まり、植物性素材の自己貼付剤が可能になります。

センサーの統合: Kombucha ウェアラブルは、素材自体にセンサーや電子機器を組み込む可能性があり、テクノロジーと人体とのシームレスで目立たない統合を実現します。これにより、健康指標のモニタリング、動きの追跡、または触覚フィードバックの提供に関する新たな可能性が開かれる可能性があります。

コンブチャで作られたウェアラブルのコンセプトには将来性があるものの、まだ研究開発の新興分野であることは注目に値します。このようなウェアラブルが一般的になる前に、耐久性、拡張性、大量生産に関する課題に対処する必要があります。しかし、持続可能性とユニークな素材特性の可能性により、コンブチャウェアラブルは将来への興味深い展望となっています。

生体ウェアラブルに組み込まれたセンシングおよびコンピューティング機構に関する進行中の研究 22,23,24,25 を踏まえて、私たちは、コンブチャズーグリールマットを、非線形かつ非自明な電気特性を備えた埋め込み可能なサイバーフィジカルウェアラブルデバイスとして評価することを目指しています。この目的を達成するために、電気回路の基本的なコンポーネントが乾燥したコンブチャマット上で作成できるかどうかをテストします。

現代の電気回路では、その構築と継続的な動作のために、電子コンポーネント (センサーを含む) と外部信号との間に信頼性の高い電気接続が必要です。プリント回路基板 (PCB) は通常、シルクスクリーン、はんだマスク、銅、および基板から構築されます29、30。材料の選択は、プリント基板の正常な動作、特に熱挙動にとって重要です。 PCB 基板の大部分は、ハード/リジッドまたはソフト/フレキシブルの 2 つのカテゴリのいずれかに分類されます。セラミックベースの材料は、通常、優れた熱伝導率、良好な誘電特性、高い動作温度、および低い膨張係数を備えています。最も一般的な硬質材料は FR-4 で、安価で汎用性の高いガラス強化エポキシラミネートです 31,32。数 GHz を超えると、FR-4 の誘電損失 (散逸率) が大きくなるため、高速デジタル回路や高周波アナログ回路には不向きになります 33、34。

ウェアラブル用の PCB は機械的に柔軟で、防水性、耐衝撃性があり、デフォルトでは軽量である必要があります35、36、37、38、39。伝統的にそれらはプラスチックベースですが、通常は持続可能性と費用対効果に欠けています。高分子の柔らかい素材は、伸縮、曲げ、洗濯サイクルに対して優れた耐性を備えています40。さらに、ウェアラブル製品は着用者と密接に相互作用することを目的としているため、生体適合性、または少なくとも人間の皮膚が提供する活性化学環境に対する耐性が有利です。したがって、バイオベースの PCB と生分解性コンポーネント (IC を含む) の組み合わせは、ウェアラブルにとって特に有利です。

コンブチャマットは引き裂きに強く、数日間水に浸しても壊れないことが証明されています。マットはオーブン温度 200℃までは耐えられますが、裸火にさらされると燃えます。我々は、(1) コンブチャマットをレーザーで正確に切断する、(2) エアロゾルジェットでコンブチャマット上に PODOT:PSS 回路をプリントする、(3) コンブチャマット上に TPU および金属ポリマー複合材料を 3D プリントする、(4) 描画が可能であることを実証しました。導電性トラックを配置し、導電性塗料で機能要素を配置します。

レーザーカッターでカットされたコンブチャマット (a) さまざまなサイズの文字と穴、(b) \(\sim\)25 W のレーザー出力で公称 1 mm の穴を \(\sim\)1.1 mm の直径にカット、(c) 公称\(\sim\)18 W のレーザー出力で \(\sim\)1.0 mm の直径に切断された 1 mm の穴、(d) \( \sim\)10 W レーザー出力。

レーザー切断は問題のない手順であることが判明しました。レーザーカッターで切断したコンブチャマットの例を図1に示します。正確な切断には、レーザー設定（動作速度、ビーム出力、1インチあたりのレーザーパルス数など）が重要であることがわかりました。図 1c に示すように、厚さ 0.45 ± 0.1 mm の最適設定は、毎秒 80 インチ、\(\sim\)18 W、および 1 インチあたり 500 パルスであることがわかりました。ビームパワーが最適レベルを超えて上昇すると、図 1b に示すように、カットは望ましい幅よりも広くなります。逆に、ビーム出力が最適レベルよりも低い場合、図 1d に示すように、マットは部分的にのみ切断されます。最適化された設定により、コンブチャマットは煙を最小限に抑えながらよく切れることがわかりました。一部の切断部分は、除去するために自由に撹拌する必要がありました。

有機導電体は、ウェアラブルエレクトロニクスの潜在的な基板として利用されるコンブチャマット上に回路を作成することを目的として、エアロゾルジェット印刷（AJP）によって印刷されています。コンブチャ上の回路は、ワイヤレスデータ通信やクラウドへの保存のためのプリントアンテナと組み合わせて、センサーまたはバイオセンサーとして機能することができます。ここでは、コンブチャの表面に印刷された痕跡の基本的な特性を調べます。

エアロゾルジェットプリンティングは、基材から固定距離で非接触モードで動作するため、凹凸のある表面、天然素材 (バイオポリマー) で作られた柔軟および/または伸縮性のある基材への印刷に特に適しています。 AJP テクニックの基本原理とメカニズムは、文献 41、42、43、44 で議論されています。この技術は積層造形分野に属し、インクジェット印刷 (通常、サーマルノズルまたは圧電ノズルを使用して噴射される液体インクを指します 45) など、広く普及している他のよく知られた技術に対して利点を提供します。

導電性の高い PEDOT:PSS 配合をインクとして使用しました。アトマイザーとシースガスのガス流量をそれぞれ 30 sccm と 25 sccm に設定して、2 mL のインクを AJP 200 の超音波アトマイザーにアップロードしました。 200 um サイズのノズルがプリントヘッドに取り付けられました。コンブチャが熱処理にさらされるのを避けるため、印刷作業は低温条件で行われました。まず、インピーダンス電気化学分光法 (EIS) 分析による電極とコンブチャの界面のインピーダンスの評価のために、作用電極、対電極、参照電極として機能する 3 つの円形電極 (直径 2 mm) を一定の距離に配置した基本回路要素を印刷しました。。

PEDOT:PSS 回路の堆積と電気的特性の測定の例 (a) PEDOT:PSS 円形パッドを互いに一定の距離に配置し、相互接続トラックを配置 (b) エアロゾルジェットプリンティングノズル (c) トラック間に定義されたギャップ (d) バネ荷重PEDOT:PSS パッド上の電極 (e) コンブチャ表面上のバネ負荷電極 (f) PEDOT:PSS の水和。

PEDOT:PSS 回路を使用した場合と使用しない場合のコンブチャマットの電気的特性 (a) 周波数に対するインピーダンス (b) 分光設定。

PEDOT:PSS 回路の堆積と電気的特性の測定の例を図 2 に示します。この図は、(1) コンブチャ表面上の 3 つの自由点にわたって取得された EIS のデータを示しています。 (2) 3 つの PEDOT:PSS 電極を作用電極 (RE)、対電極 (CE)、参照電極 (RE) として使用し、(1) の自由点と同じ固定距離に配置します。 (3) 水和後の (2) と同じ測定。コンブチャの表面上の電極の周囲に 20 \(\upmu L\) の水滴を置くことで水和を実行しました。コンブチャはセルロースベースの素材であるため、吸水に非常に敏感で、コンブチャの主鎖に水を取り込むことでコンブチャフォイルの導電性が高まります。インピーダンス測定値は、水が滴下するとほぼ瞬時に増加し、すぐに安定します。水滴を落としてから 30 分後の測定では、より安定した信号が示されています。 PEDOT:PSS回路がある場合とない場合のコンブチャマットの電気的特性を図3に示します。

柔軟な TPU (15% カーボン充填) トラックをコンブチャマット上に 3D プリントします。

コンブチャマット上に 3D プリントされた TPU (15% カーボン充填) のトラックの例を図 4 に示します。TPU (15% カーボン充填) と Electrifi (金属ポリマー複合体 - 生分解性ポリエステルと銅) のトラック抵抗が確認されました。表 1 にまとめたように、幅と厚さによって変化します。長さ 100 mm のトラックは、LCR メーター (891、BK Precision、UK) で測定されました。トラックの柔軟性は厚さによって変化することが判明した。各製造方法の性能は、使用される構成材料の能力に関連しています。たとえば、TPU は、高い機械的強度、優れた耐薬品性、優れた耐摩耗性を備えた柔軟なエラストマーです。さらに、TPU はさまざまな基材に強力に接着するため、射出成形や押出成形などのさまざまな技術を利用して容易に加工できます。カーボンと混ぜることで導電性が得られます。しかし、TPU の電気伝導率は、炭素が充填されているにもかかわらず、依然として望ましい値よりも低いままです。逆に、Electrifi は導電性は良好ですが、機械的特性は劣ります。銀配合インクは、一部の用途に許容できる導電性、さまざまな基材への優れた接着性、および適度なコストを提供します。ただし、銀配合インクの使用には、空気にさらされると酸化する傾向があり、時間の経過とともに導電率が低下するなど、いくつかの欠点があります。これらの欠点にもかかわらず、銀配合インクは、処理と印刷が容易であるため、プリンテッドエレクトロニクスでは依然として人気のある選択肢です。さらに、バイオセンサーや伸縮性エレクトロニクスなどのさまざまな用途に使用できる、導電性が向上した銀ナノ粒子ベースのインクの開発も進んでいます。

TPU と Electrifi の両方のトラックは、数日間水に浸した後もコンブチャに付着したままでした。液体（溶融）ポリマーがコンブチャの表面に効果的に「注入」され、表面の凹凸を効果的に埋め、トラックを所定の位置に保持する「グリップ」として機能するため、それらの付着は化学的というよりはむしろ「機械的」である可能性があります。柔軟で伸縮性のあるインクの配合は活発な研究分野であり、多くの取り組みが進行中です。最近、伸縮性と柔軟性を備えた新しい実験用金属インク配合物が提案され、インクジェットおよびエアロゾルジェット印刷に適用されています。これらの新しいインクで印刷されたトラックは、下にある基板の伸びや曲がりに適応して追従する可能性があります。私たちはこれらの新しい配合のいくつかをテストし、自家製インクの製造も進めています。

導電性ペイント、Bare Conductive (英国) のデータセット。

導電性塗料に関しては、「Bare Conductive」46 がコンブチャマットによく密着し、ある程度の柔軟性を維持することが実験により実証されました。トラックの一般的な導電率を図 5 に示します。コンブチャマット上の導電性ペイントトラックのトラック抵抗は、20 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) から 200 \(\Omega \hbox { cm}^{-1}\)。これらの値は、「厚い」トラックを備えた「裸の導電性」データシート 46 とほぼ一致しています。コンブチャマット上の XD-120 導電性銀インクのトラック抵抗も変化することがわかりました。一般的な範囲は 1.5 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) ～ 10 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)

コンブチャベースの PCB を製造するための 4 つのテクノロジー (PODOT:PSS のエアロゾルジェットプリンティング、TPU および金属ポリマー複合材料の 3D プリンティング、導電性フィラーを含むインクの追加、およびレーザー切断) が調査されました。それぞれのテクノロジーには、他のテクノロジーと比較して長所と短所がありました。

図6に示すように、コンブチャマット上に電気回路を構築することが可能です。 2 つのトラック幅 (\(\sim\)3 および \(\sim\)5 mm) と表面実装デバイス (SMD) の 2 つのパッケージ (3020 および 5050) が表示されます。銀を充填した導電性の 2 液型エポキシ (Chemtronics CW240047) を手動で塗布して、SMD をポリマートラックに機械的に取り付け、電気的に接続しました。大量生産の場合、SMD はピックアンドプレース機を使用して自動的に取り付けられ、導電性エポキシがインラインディスペンサーで正確に自動的に塗布されます。

コンブチャマット上の金属ポリマー複合材 (Electrifi) トラックの例 (a) \(\sim\) SMD LED (3020 パッケージ) を備えた 3 mm 幅のトラック (b) SMD を備えた \(\sim\) 5 mm 幅のトラックLED (5050 パッケージ) 白色 (定規の目盛は mm)。

導電性材料の 3D 印刷によってコンブチャマット上に交差接続を形成する 2 つの潜在的な方法 (片面クロスオーバーブリッジとレーザーホールカットによるスルーホール両面) を図 7 に示します。

コンブチャマット上での相互接続の方法 (a) 間に絶縁体を備えた片面クロスオーバーブリッジ (b) レーザー穴切断による両面スルーホール。

コンブチャマットは、潜在的および将来のコンブチャベースのデバイスを構想するために活用できる特性を示します。コンブチャの水和依存性の電気伝導により、コンブチャマット上の表面電極の潜在的な動作周波数範囲を拡張できるだけでなく、平面電気化学セルの抵抗スイッチングデバイスとしてコンブチャマットを利用することも可能になります。高品質のコンブチャマットの生産には、純度と一貫性を確保するための品質管理措置が必要です。バクテリアセルロース生産における最も重要な品質管理手段の 1 つは、生産に使用される培地に汚染物質が含まれていないことを確認することです。汚染物質はバクテリアセルロースの品質に重大な影響を及ぼし、一貫性のない結果をもたらす可能性があります。もう 1 つの重要な品質管理手段は、バクテリアセルロースの回収と精製に標準化されたプロトコルを使用することです。これには、製造プロセス中の pH、温度、細菌の増殖の監視が含まれます。製造されるコンブチャマットの品質は、公開されているプロトコルに従って、液体の温度と栄養素の濃度を調整することで制御できます48、49、50。

将来の研究は、機械的、光学的、化学的刺激を検出および認識できる高度な機能回路の印刷、感覚融合および分散情報処理の実装に関するものとなるでしょう。

(a) 液体培養物の表面にコンブチャライブマットを置いた容器。 (b) 乾燥したマット。

コンブチャズーグレアは、現場でコンブチャのマットを成長させるために商業的に調達されました (Freshly Fermented Ltd、英国)。輸液は次のように調製されました。 2% 紅茶 (PG Tips、英国)、5% 砂糖 (Silver Spoon、英国)、および 1 L の沸騰した本水。コンブチャの入った容器 (図 8) は、周囲温度 (20 ～ 23\(\,^{\circ }\)C) で暗所に保管されました。溶液は毎週更新されました。コンブチャマットを培養容器から取り出し、プラスチックまたは紙の上で周囲温度で空気乾燥させた（いくつかの技術が試みられた）。

導電性トラックの追加、電子部品の取り付け、コンブチャマットのプロファイルの切断に関する 4 つの製造技術が検討されました。

PODOT:PSS のエアロゾルジェット印刷は次のように実行されました。有機ベースの電極と相互接続線は、PEDOT:PSS (Clevios P JET N V2、Heraeus、US52) の高導電性インクジェット配合物を使用して、エアロゾルジェットプリンティング (AJP200、Optomec、US51) によって印刷されました。印刷パラメータは、基材として使用されるコンブチャマットの表面上に導電性トレースを実現するために最適化されました。電気化学測定は、ポテンショスタット (PalmSens4、PalmSens BV、NL53) によって実行されました。

15% カーボン充填材と金属ポリマー複合材 (生分解性ポリエステルと銅) を含む TPU を 3D プリントするために、2 つの組成のフィラメント (直径 2.85 mm) を 3D プリンター (S5、Ultimaker、UK54) の 0.4 mm ノズルを介してコンブチャマット上に熱押し出しました。組成フィラメントは、「導電性フィラフレックスブラック」の評価が 3.9 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)55、「Electrifi 導電性フィラメント」の評価が 0.006 \(\Omega \hbox {cm}^{-1} でした。 \)56。

導電性経路は、50 \({\upmu }\hbox {m} で 55 \(\Omega \hbox {sq}^{-1}\) と評価された「Bare Conductive」を含む 2 つの導電性インク組成物を使用してコンブチャマット上に描画されました。 \) 厚さ 57、「XD-120 導電性銀インク」の定格は 0.00003 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)58 です。

成形が必要な場合は、\(0.45{\pm 0.1}\) mm の厚さのコンブチャマットを 75 W CNC レーザーカッター (Legend 36EXT、Epiloglasers、米国、59) でパラメータ (運動速度、ビーム出力、あたりのパルス数) を使用して切断しました。インチ）を調整して、最適な設定を決定しました。

この研究で得られた生のデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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コンブチャマットのレーザーカットについては、Geoff Sims に感謝します。 Ultimaker S5 での印刷設定の最適化について指導していただいた Ultimaker/MakerBot テクニカルサポートに感謝します。 3D プリンティング Electrifi フィラメントに関する指導をしていただいた Shengrong Ye 博士 (Multi3D) に感謝します。

英国ブリストル、西イングランド大学、Unconventional Computing Laboratory

アンドリュー・アダマツキー、ニール・フィリップス、アレッサンドロ・キオレリオ、アンナ・ニコライドゥ、ジョージ・C. シラクーリス

電子磁気材料研究所、国立研究評議会 (IMEM-CNR)、パルマ、イタリア

ジュゼッペ・タラベラ & パスクアーレ・ダンジェロ

イタリア工科大学、融合テクノロジーセンター、ソフトバイオインスパイアードロボティクス、Via Morego 30、16165、ジェノヴァ、イタリア

アレッサンドロ・キオレリオ

トラキアのデモクリトス大学、電気およびコンピュータ工学科、クサンティ、ギリシャ

アンドリュー・アダマッツキー & ジョージ・C. シラクーリス

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アンドリュー・アダマツキーへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

アダマツキー、A.、タラベラ、G.、フィリップス、N. 他コンブチャエレクトロニクス: コンブチャマット上の電子回路。 Sci Rep 13、9367 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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受信日: 2023 年 2 月 8 日

受理日: 2023 年 5 月 31 日

公開日: 2023 年 6 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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