A Study of Photo-Patternable Soft Materials for Bioelectronics

Abstract

This thesis presents the development of functional soft materials that can be patterned on bioelectronics devices through the photolithographic process. Widely used materials in the industry and laboratories, such as elastomers, gels, and adhesives, were modified to maintain their inherent properties and functionalities while being made responsive to ultraviolet light through the incorporation of photo-reactive substances. Furthermore, this thesis includes the application of the developed photo-reactive materials in bioelectronic devices, enabling special functionalities through easy photolithography-based application methods.

In Chapter 1, we discuss various types of functional soft materials extensively utilized in bioelectronics, including elastomers, gels, adhesives, and biodegradable polymers. These soft materials are applied in appropriately sized and shaped forms for bio- implantable and skin-adhesive biomedical devices through patterning processes that suit the material's unique characteristics and the intended device shape. However, these materials often face challenges due to their low Young's modulus, making them difficult to handle, prone to breaking or sticking, and unsuitable for transfer methods. This has limited their patterning to methods like replica molding, screen printing, and inkjet printing, which require stringent conditions, low process compatibility, and skilled techniques. To overcome these limitations and apply soft materials to various biomedical devices more effectively, I sought to utilize photolithography, a process that allows for efficient pattern creation on various substrates using light.

Chapter 2 focuses on the development of photo-patternable polydimethylsiloxane (PDMS) and its application in creating intrinsically stretchable organic electrochemical transistors (OECTs). By modifying the thermocurable PDMS Sylgard 184 to undergo thiol-ene reaction for photo-curing, and developing a new patterning method called oxygen inhibition photolithography, I synthesized thiol-ene crosslinked PDMS that maintains the low Young's modulus and high elasticity characteristic of PDMS while possessing superior photo-patterning capabilities. Utilizing this PDMS, stretchable OECTs were fabricated and ultimately applied as electrophysiological sensors.

In Chapter 3, the development of photo-patternable gel electrolytes and skin adhesives is discussed, alongside their application in creating a microneedle glucose sensor that is electrically and physically integrated with the skin. We used oxygen inhibition photolithography to pattern the gel electrolyte and modified a thermocurable adhesive to be photo-reactive for positive photolithography. The created gel, using glycerol as a solvent, was nonvolatile, stable, and possessed low electrochemical impedance, while the adhesive demonstrated strong adhesion to the skin. These materials were precisely and directly applied to the microneedle substrate through photolithography, resulting in a microneedle sensor that established a stable electrical and physical interface with the skin and was capable of detecting a wide range of glucose concentrations. Ultimately, the microneedle sensor was successfully used to monitor glucose levels in anesthetized rats.

이 학위 논문은 포토리소그래피 공정을 통해 생체 전자소자에 패턴화할 수 있는 기능성 연성 소재의 개발을 소개한다. 이 연구에서는 산업 및 실험실에서 널리 사용되는 엘라스토머, 젤, 접착제와 같은 재료를 본래의 성질과 기능을 유지하면서 자외선에 반응하는 광반응성 물질로 개조하였다. 또한, 본 논문에서는 손쉬운 포토리소그래피 기반 공정 방법을 통해 개발된 광반응 물질을 활용하여 특별한 기능을 가진 생체 전자소자를 구현하는 방법을 다룬다.

제1장에서는 엘라스토머, 젤, 접착제, 생분해성 폴리머 등 생체 전자공학에서 광범위하게 활용되는 다양한 유형의 기능성 연성 소재에 대해 논의한다. 이 재료들은 소재의 고유한 특성과 의도한 장치 형태에 맞도록 패터닝 공정을 통해 생체 이식형 및 피부 접착형 생체 의학 소자에 적합한 크기와 형태로 적용된다. 그러나 이러한 연성 재료들은 낮은 영률로 인해 다루기 어렵고 부서지거나 달라붙기 쉬워 전사 방법에 적합하지 않으며, 특정한 유변학적 조건이 요구되어 공정 호환성이 낮으며 숙련된 기술을 필요로 하는 레플리카 몰딩, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅과 같은 방법으로 패턴화가 제한되었다. 이러한 한계를 극복하고 부드러운 소재를 다양한 생체의료기기에 보다 효과적으로 적용하기 위해 빛을 이용하여 다양한 기판에 효율적인 패턴을 생성할 수 있는 공정인 포토리소그래피를 활용하였다.

제2장에서는 광 패턴화 가능한 폴리디메틸실록산(PDMS)의 개발과 본질적으로 신축성이 있는 유기 전기화학 트랜지스터(OECT) 제작에 대한 과정을 중점적으로 다룬다. 열경화성 PDMS인 Sylgard 184를 싸이올-엔 반응을 통해 광경화되도록 변형하고, 산소 억제 포토리소그래피라는 새로운 패터닝 방법을 개발하여 PDMS의 낮은 영률과 높은 신축성을 유지하면서 우수한 광패턴 능력을 가진 싸이올-엔 결합 PDMS를 합성하였다. 이 PDMS를 사용하여 신축성 있는 OECT를 제작하고, 최종적으로는 생리적 신호 센서로 적용하였다.

제3장에서는 광패턴 가능한 젤 전해질과 피부 접착제의 개발과 이를 사용하여 피부와 전기적, 물리적으로 통합된 마이크로니들 포도당 센서를 만드는 과정에 대해 설명한다. 산소 억제 포토리소그래피를 사용하여 젤 전해질을 패턴화하고, 열경화성 접착제를 포지티브 포토리소그래피 공정이 적용되도록 광반응성 물질로 개조하였다. 제작된 젤은 비휘발성 용매인 글리세롤을 사용하여 안정적이며 낮은 전기화학적 임피던스를 가졌으며, 접착제는 피부에 강한 접착력을 보였다. 이 재료들은 포토리소그래피를 통해 정밀한 패턴으로 마이크로니들 기판 위에 적용되어, 포도당 농도를 넓은 범위에서 감지할 수 있는 피부 통합형 마이크로니들 센서를 구현하였다. 최종적으로, 마이크로니들 센서는 마취된 쥐의 포도당 농도를 모니터링하는 데 성공적으로 사용되었다.