Inkjet printing technology is driving the innovation of sensors for point-of-care Devices

Abstract

La tecnologia "a inkjet-Printing" està cridada a liderar la propera generació d'electrònica flexible capaç de realitzar funcions a què només es podia accedir amb tecnologies de microfabricació d'última generació. El inkjet-Printing és un mètode de fabricació additiva que es basa en imprimir sense contacte microgotes d'un material funcional amb precisió micromètrica en l'àrea de l'substrat desitjat, a través d'un disseny digital. A més, és capaç de modificar el disseny d'impressió en temps real. En conseqüència, es permet crear dissenys personalitzats amb característiques úniques. Avui en dia, el inkjet-Printing a nivell industrial ha assolit alts estàndards de rendiment, flexibilitat, robustesa i confiança.

Es preveu és que el inkjet-Printing facilitarà la producció de productes electrònics flexibles de forma rendible, basant-se conceptes d'economia circular i reduint el malbaratament, el que permetrà el desenvolupament de dispositius portàtils i d'un sol ús no disponibles actualment. Aquest és el punt en el qual els dispositius de Point-of-Care (PoC) entren en l'equació causa de la seva importància en les proves mèdiques. Aquests dispositius es defineixen com a proves de diagnòstic mèdic en el pacient o prop d'ell mateix. Els dispositius PoC es basen en una mesura ràpida i precisa basada en sensors que ofereixen a el metge dades importants per realitzar un diagnòstic. No obstant això, les principals limitacions d'aquests dispositius, fins i tot avui dia, són el cost, la disponibilitat, la biodegradabilitat i la fiabilitat. El inkjet-Printing ofereix solucions per abordar aquests problemes on els seus grans promeses són la fabricació ràpida de prototips, de baix cost, utilitzant una gran varietat de materials i una àmplia gamma de substrats. No obstant això, la nostra comprensió de la tecnologia i les seves capacitats roman en una etapa prometedora, i cal adquirir més experiència per facilitar el desenvolupament de dispositius PoC complets i totalment impresos.

Identificant aquests problemes i possibles solucions, aquesta tesi se centra en mostrar el potencial de l'inkjet Printing per desenvolupar sensors sobre substrats de plàstic flexible i paper porós, desafiant la tecnologia fins al seu límit actual. En una primera part s'aborda la formulació, impressió i caracterització de noves tintes funcionals que permetin obtenir noves tintes conductores per a ser usades en l'àrea de l'sensat d'analits d'interès. Sobre plàstic flexible, s'han desenvolupat dos sensors de pH potenciomètrics. El primer mostra la importància de la propietat de rugositat intrínseca d'una nova tinta de platí en base a nanopartícules per dotar d'estabilitat mecànica a l'òxid d'iridi, material sensible a l'pH, crescut electroquímicament sobre ell. Per a aquest propòsit, es va desenvolupar un sensor de pH en PEN utilitzant la nova tinta de Pt i es va estudiar l'estabilitat al llarg d'un any d'aquesta capa d'òxid d'iridi, que va mostrar una clara millora del seu rendiment. El segon sensor de pH va un pas més i és totalment imprès per a inkjet-Printing. Per complir aquest objectiu, es va formular una nova tinta polimèrica sensible a el pH. En una segona part es va abordar el repte de la impressió d'un sensor sobre un substrat més ecosostenible com és el paper, factor important per als PoC sol ús. En un primer treball es va abordar el desafiament d'imprimir tintes funcionals conductores com l'or o la plata, i dielèctriques com el SU8 sobre el substrat de manera eficient i fàcil de reproduir per a l'obtenció d'un sensor electroquímic. Finalment, en un segon treball es va implementar un immunosensor de cortisol sobre aquests sensors impresos sobre substrat de paper i es va caracteritzar i comparar la seva resposta respecte d'altres sensors reportats, demostrant el bon rendiment d'aquesta tecnologia en la detecció de molècules biològiques.

La tecnología "Inkjet-Printing" está llamada a liderar la próxima generación de electrónica flexible capaz de realizar funciones a las que sólo se podía acceder con tecnologías de microfabricación de última generación. El Inkjet-Printing es un método de fabricación aditiva que se basa en imprimir sin contacto microgotas de un material funcional con precisión micrométrica en el área del sustrato deseado, a través de un diseño digital. Además, es capaz de modificar el diseño de impresión en tiempo real. En consecuencia, se permite crear diseños personalizados con características únicas. Hoy en día, el Inkjet-Printing a nivel industrial ha alcanzado altos estándares de rendimiento, flexibilidad, robustez y confianza.

Se prevé es que el Inkjet-Printing facilitará la producción de productos electrónicos flexibles de forma rentable, en base a conceptos de economía circular y reduciendo el desperdicio, lo que permitirá el desarrollo de dispositivos portátiles y desechables no disponibles actualmente. Este es el punto en el que los dispositivos de Point-of-Care (PoC) entran en la ecuación debido a su importancia en las pruebas médicas. Estos dispositivos se definen como pruebas de diagnóstico médico en el paciente o cerca del mismo. Los dispositivos PoC se basan en una medición rápida y precisa basada en sensores que ofrecen al médico datos importantes para realizar un diagnóstico. Sin embargo, las principales limitaciones de estos dispositivos, incluso hoy en día, son el coste, la disponibilidad, la biodegradabilidad y la fiabilidad. El Inkjet-Printing ofrece soluciones para abordar estos problemas donde sus grandes promesas son la fabricación rápida de prototipos, de bajo coste, usando una gran variedad de materiales y una amplia gama de sustratos. Sin embargo, nuestra comprensión de la tecnología y sus capacidades permanece en una etapa prometedora, y es necesario adquirir más experiencia para facilitar el desarrollo de dispositivos PoC completos y totalmente impresos.

Identificando estos problemas y posibles soluciones, esta tesis se centra en mostrar el potencial del Inkjet Printing para desarrollar sensores sobre sustratos de plástico flexible y papel poroso, desafiando la tecnología hasta su límite actual. En una primera parte se aborda la formulación, impresión y caracterización de nuevas tintas funcionales que permitan obtener nuevas tintas conductoras para ser usadas en el área del sensado de analitos de interés. Sobre plástico flexible, se han desarrollado dos sensores de pH potenciométricos. El primero muestra la importancia de la propiedad de rugosidad intrínseca de una nueva tinta de platino en base a nanopartículas para dotar de estabilidad mecánica al óxido de iridio, material sensible al pH, crecido electroquímicamente sobre él. Para este propósito, se desarrolló un sensor de pH en PEN utilizando la nueva tinta de Pt y se estudió la estabilidad a lo largo de un año de esta capa de óxido de iridio, que mostró una clara mejora de su rendimiento. El segundo sensor de pH va un paso más y es totalmente impreso por Inkjet-Printing. Para cumplir este objetivo, se formuló una nueva tinta polimérica sensible al pH. En una segunda parte se abordó el reto de la impresión de un sensor sobre un sustrato más ecosostenible como es el papel, factor importante para los PoC desechables. En un primer trabajo se abordó el desafío de imprimir tintas funcionales conductoras como el oro o la plata, y dieléctricas como el SU8 sobre el sustrato de manera eficiente y fácil de reproducir para la obtención de un sensor electroquímico. Finalmente, en un segundo trabajo se implementó un immunosensor de cortisol sobre estos sensores impresos sobre sustrato de papel y se caracterizó y comparó su respuesta respecto a otros sensores reportados, demostrando el buen rendimiento de esta tecnología en la detección de moléculas biológicas en matrices fisiológicas.