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Minimally invasive bioelectronics

What happens if biomedical device and instruments are absorbed into the body after medical treatment? This eliminates the need for risky secondary surgery, which can potentially cause infection and hemorrhage, reduces patient cost and time, and improves the patient experience. Biodegradable, minimally invasive implants perform a series of research in design and fabrication  of biomedical devices with fully biodegradable and resorbable materials, and in demonstrations in biological systems. The specific areas are understanding the mechanism of bioresorption of electronics, hybridizing soft substrate to inorganic electronics, and applying the developed electronics to demonstration biological systems.

Here we give recent examples of biodegradable, minimally invasive implants. More examples and studies are listed in what follows.

Minimally Invasive Injectable and Biodegradable Electronics

Large-area brain-interface electronic components can monitor physiological states in real-time from multiple points, providing extensive brain information for precise Brain-Machine Interface (BMI). However, inserting large-area components into the brain requires a craniotomy procedure, which can be associated with complications such as chronic headaches or brain hemorrhage. A deployable and biodegradable brain-interface electronic component which can be packaged within a catheter, minimizes the surgical burden by creating only small openings in the skull. The packaged electronic component can then be unfolded widely through the catheter, easing the insertion procedure. Furthermore, after usage, the component self-dissolves, eliminating the need for removal surgery.

Minimally Invasive Injectable and Biodegradable Electronics

3D Electronic Printing

Traditional 2D lithography-based technology faces challenges when applied to advanced implantable devices with complex three-dimensional structures. Moreover, integrating interfacing modules, such as cuffs and electrodes, introduces lead and connection-related issues. 3D electronic printing technology ensures the fabrication of components with intricate structures, allowing for personalized designs in specific applications. It is possible to display a variety of biodegradable inks including conductors, semiconductors, dielectrics, frame materials, and more. Moreover, multiple materials for essential circuit components can also be combined into a single printing technique. Our demonstration involved fabricating tube-shaped wireless stimulators tailored to specific tissues using 3D electronic printing and validating their functionality, efficacy in nerve recovery therapy, and biodegradability across multiple body tissues. This affirms the capability of printing functional electronic components through an all-in-one process.

3D Electronic Printing

References

  • Bae, J.-Y, et al. “A biodegradable and self-deployable electronic tent electrode for brain cortex interfacing”, Nature Electronics 7.9 (2024).
  • Kang, S.-K. et al. "Bioresorbable Silicon Electronic Sensors for the Intracranial Space and the Deep Brain", Nature 530, 71-76 (2016).
  • G. Lee et al. "Fully Biodegradable Microsupercapacitors for Power Storage in Transient Electronic Systems", Advanced Energy Materials (2017).
  • Kang, S.-K. et al. “Dissolution behaviors and applications of silicon oxides and nitrides in transient electronics”, Advanced Functional Materials 24, 4427–4434 (2014).
  • Bae, J.-Y. et al. “Biodegradable metallic glass for stretchable transient electronics”, Advanced. Sci. 8, 2004029 (2021).
  • Shim, J.-S., Rogers, J. A. & Kang, S.-K. “Physically transient electronic materials and devices”, Materials Science and Engineering: R: Reports 145, 100624 (2021).

의료기기와 소자가 우리 몸을 치료한 다음에 스스로 사라져 버린다면 우리의 의료시스템에 어떤 혁신을 가져올까요? 몸에 삽입된 전자기기를 회수할 필요가 없기 때문에 제거수술의 필요성이 사라질 것이며 제거수술로 인해 발생할 수 있는 2차 감염 및 의료사고 예방이 가능해집니다. 또한, “Personal” 및 “Remote” 치료를 지향하는 미래 의료기술의 일환으로 2차 수술로 인해 발생되는 시간적/물적/인적 자원소모를 줄일 수 있습니다. “Biodegradable, minimally invasive implants” 연구파트는 이와 같은 의료혁신을 목표로, 의료용 전자센서 및 치료기기를 체내에서 안전하게 분해되고 흡수되는 물질로 디자인하고 가공, 검증하는 일련의 연구를 수행하고 있습니다. 전자소자의 체내분해 매커니즘 연구, 소프트 일렉트로닉스를 융합한 의료전자소자 개발, 생체적용을 통한 검증 연구 등으로 세부적인 연구분야로 이해할 수 있습니다.

아래 그림은 최신 연구결과의 일부 소개자료입니다.

최소 침습 주입형 및 생분해성 전자 소자

대면적 뇌-인터페이스 전자 소자는 여러 지점에서 실시간으로 생리학적 상태를 모니터링하여 정밀한 뇌-기계 인터페이스(BMI)에 필요한 방대한 뇌 정보를 제공합니다. 그러나 대면적 소자를 뇌에 삽입하기 위해서는 개두술이 필요하며, 이는 만성 두통이나 뇌출혈과 같은 합병증을 초래할 수 있습니다.
전개 가능하고 생분해가 가능한 뇌-인터페이스 전자 소자는 카테터에 포장되어 작은 두개골 절개만으로 삽입이 가능하여 수술 부담을 최소화합니다. 포장된 전자 소자는 카테터를 통해 넓게 전개될 수 있어 삽입 과정을 용이하게 합니다. 또한, 사용 후에는 소자가 자가 분해되어 제거 수술이 필요 없다는 추가적인 장점을 제공합니다.

최소 침습 주입형 및 생분해성 전자 소자

3D 전자소자 인쇄

기존의 2D 리소그래피 기반 기술은 복잡한 3차원 구조를 가진 첨단 이식형 소자에 적용될 때 여러 한계가 존재합니다. 특히, 커프(cuff)와 전극과 같은 인터페이싱 모듈을 통합하는 과정에서 리드 및 연결과 관련된 문제가 발생할 수 있습니다. 3D 전자 프린팅 기술은 복잡한 구조를 가진 부품을 제작할 수 있는 동시에, 특정 응용 분야에 맞춘 맞춤형 설계를 가능하게 합니다. 이 기술은 전도체, 반도체, 유전체, 프레임 소재 등 다양한 생체분해성 잉크를 구현할 수 있으며, 핵심 회로 구성 요소에 필요한 여러 소재를 단일 프린팅 공정으로 결합할 수도 있습니다. 우리는 3D 전자 프린팅 기술을 활용하여 특정 조직에 맞춘 관 형태의 무선 자극기를 제작하고, 이를 신경 회복 치료에서의 기능성, 효능 및 여러 신체 조직에서의 생분해성을 검증하였습니다. 이러한 연구는 기능성 전자 부품을 통합된 단일 공정을 통해 구현할 수 있는 가능성을 입증합니다.

3D 전자소자 인쇄

참고문헌

  • Bae, J.-Y, et al. “A biodegradable and self-deployable electronic tent electrode for brain cortex interfacing”, Nature Electronics 7.9 (2024).
  • Kang, S.-K. et al. "Bioresorbable Silicon Electronic Sensors for the Intracranial Space and the Deep Brain", Nature 530, 71-76 (2016).
  • G. Lee et al. "Fully Biodegradable Microsupercapacitors for Power Storage in Transient Electronic Systems", Advanced Energy Materials (2017).
  • Kang, S.-K. et al. “Dissolution behaviors and applications of silicon oxides and nitrides in transient electronics”, Advanced Functional Materials 24, 4427–4434 (2014).
  • Bae, J.-Y. et al. “Biodegradable metallic glass for stretchable transient electronics”, Advanced. Sci. 8, 2004029 (2021).
  • Shim, J.-S., Rogers, J. A. & Kang, S.-K. “Physically transient electronic materials and devices”, Materials Science and Engineering: R: Reports 145, 100624 (2021).