Long-term Implantable Electronics Focused on Energy Harvesting and Continuous Glucose Monitoring

Abstract

Along with advancements in cutting-edge technologies, research on implantable electronics has been actively progressing, covering a wide range of applications from physiological signal monitoring and disease treatment to human augmentation. These technologies play a significant role not only in medical and healthcare fields but also in future-oriented applications such as humanoid robots and cyborg systems. Despite recent advances, conventional implantable electronics face limitations in long-term use, particularly due to their dependence on external power sources and the frequent need for component replacement. Furthermore, biological environments inside the body, such as continuous exposure to fluids and mechanical stress, accelerate the degradation of components, complicating the long-term stability of these devices. These combined factors not only limit device performance but also increase maintenance frequency, presenting significant challenges for critical applications. Therefore, achieving a self-sustained power supply and ensuring the long-term stability of components are essential for advancing these devices. This dissertation explores two key technological strategies aimed at overcoming these challenges, focusing on the development of implantable nanogenerators for sustainable power generation and the creation of systems for long-term continuous glucose monitoring. The first research enhances the energy efficiency of an implantable nanogenerator to ensure a sustainable power supply, while the second research develops biosensors that enable long-term monitoring. To improve the energy efficiency of a stretchable nanogenerator, an electrode structure was designed to be compatible with three-dimensional architectures and inorganic piezoelectric materials, maximizing energy conversion efficiency and enhancing applicability in diverse biological environments. This development mitigates inefficiencies in existing electrodes, enabling continuous energy harvesting. A biosensor system for long-term continuous glucose monitoring was developed by integrating a bioresorbable polymer layer into the working electrodes. This polymer layer, designed for controlled degradation, sequentially exposes multiple electrodes, thereby maintaining enzyme stability initially and activating it when needed. The system’s long-term stability and functionality were validated through in-vitro studies and in-vivo experiments, demonstrating the potential for practical long-term use.

|최첨단 기술의 발전과 함께, 이식형 전자기기에 대한 연구는 생리 신호 모니터링, 질병 치료, 인간 기능 증강 등 다양한 응용 분야에서 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 기술들은 의료 및 헬스케어 분야뿐만 아니라 휴머노이드 로봇, 사이보그 시스템과 같은 미래 지향적 응용에도 중요한 역할을 합니다. 그러나 기존의 이식형 전자기기는 외부 전력 공급에 의존하고, 부품 교체가 빈번하게 이루어져 장기적인 사용에 한계를 겪고 있습니다. 또한, 체내의 생체 환경에서 지속적인 체액 노출과 기계적 스트레스는 부품 열화를 가속화하여 장기적 안정성을 저해합니다. 이러한 요인들은 장치의 성능을 제한할 뿐만 아니라 유지 보수 빈도를 증가시켜 중요한 응용 분야에서 상당한 도전을 야기합니다. 따라서 자가 전력 공급을 달성하고, 부품의 장기적인 안정성을 보장하는 것이 이러한 장치를 발전시키는 데 필수적입니다. 이 논문은 이러한 문제를 해결하기 위한 두 가지 주요 기술 전략을 탐구하며, 지속 가능한 전력 생성을 위한 이식형 나노발전기 개발과 장기 연속 혈당 모니터링 시스템 구축에 중점을 둡니다. 첫 번째 연구는 이식형 나노발전기의 에너지 효율을 향상시켜 지속 가능한 전력 공급을 보장하는 것이며, 두 번째 연구는 장기 모니터링을 가능하게 하는 바이오센서를 개발하는 것입니다. 신축성이 있는 나노발전기의 에너지 효율을 개선하기 위해, 전극 구조는 3차원 구조와 무기 압전 물질에 적합하게 설계되어 에너지 변환 효율을 극대화하고 다양한 생물학적 환경에서의 적용 가능성을 높였습니다. 이 개발은 기존 전극의 비효율성을 완화하여 지속적인 에너지 수확을 가능하게 합니다. 장기 연속 혈당 모니터링을 위한 바이오센서 시스템은 생분해성 고분자층을 작업 전극에 통합하여 개발되었습니다. 이 고분자층은 제어된 분해를 통해 다수의 전극을 순차적으로 노출하여, 초기에 효소의 안정성을 유지하고 필요한 경우 효소를 활성화합니다. 시스템의 장기 안정성과 기능성은 철저한 검증 실험과 돼지를 활용한 생체 내 실험을 통해 검증되었으며, 실용적인 장기 사용 가능성을 입증했습니다.