[논문 리뷰] Organic Electronics in Biosensing: A Promising Frontier for Medical and Environmental Applications

Jyoti Kaushal, Pratima Raut외 1명|PubMed|2023. 09. 27.

Conducting polymers and applications참고 문헌 179인용 수 6

한 줄 요약

이 리뷰는 유기 전자공학이 생물학적 분자 및 환경 오염물질의 민감하고 실시간, 레이블 프리 감지를 가능하게 하는 전환적 플랫폼으로서의 잠재력을 탐구한다. 도핑 가능한 고분자와 유연한 장치를 활용하여, 개인 맞춤 의료 및 환경 모니터링을 위한 생체 적합성, 재료 조절 가능성, 대량 공정 가능성을 강조한다.

ABSTRACT

The promising field of organic electronics has ushered in a new era of biosensing technology, thus offering a promising frontier for applications in both medical diagnostics and environmental monitoring. This review paper provides a comprehensive overview of organic electronics' remarkable progress and potential in biosensing applications. It explores the multifaceted aspects of organic materials and devices, thereby highlighting their unique advantages, such as flexibility, biocompatibility, and low-cost fabrication. The paper delves into the diverse range of biosensors enabled by organic electronics, including electrochemical, optical, piezoelectric, and thermal sensors, thus showcasing their versatility in detecting biomolecules, pathogens, and environmental pollutants. Furthermore, integrating organic biosensors into wearable devices and the Internet of Things (IoT) ecosystem is discussed, wherein they offer real-time, remote, and personalized monitoring solutions. The review also addresses the current challenges and future prospects of organic biosensing, thus emphasizing the potential for breakthroughs in personalized medicine, environmental sustainability, and the advancement of human health and well-being.

연구 동기 및 목표

• 의료 및 환경 적용을 위한 생체 센서에서의 유기 전자공학에 대한 종합적인 개요 제공.
• 기존의 무기 센서와 비교하여 도핑 가능한 고분자, 탄성, 생체 적합성, 저비용 공정화 등의 특징을 갖춘 유기 재료의 고유한 이점 분석.
• 유기 생체 센서를 웨어러블 기기 및 인터넷 오브 테이츠(IoT) 생태계에 통합하여 실시간 원격 건강 및 환경 모니터링을 가능하게 하는 방법 탐구.
• 생체 적합성, 안정성, 대량 생산 가능성, 데이터 보안 등의 주요 과제를 특정하고, 이를 극복하기 위한 새로운 전략 평가.
• 미래 방향성 예측, 예를 들어 AI 통합 스마트 센서, 자가 校정 시스템, 지속 가능한 에너지 수확 설계 포함.

제안 방법

• 도핑 가능한 고분자, 유기장효과트랜지스터(OFTs), 유기전기화학트랜지스터(OECTs), 유기광감지기(OPDs)를 포함한 최신 유기 생체전자 재료의 체계적 리뷰.
• 생물학적 분자 및 오염물질 감지를 위한 전기화학적, 광학적, 압전, 열반응성 유기 장치에서의 감지 메커니즘 분석.
• 잉크젯 프린팅, 스피닝 코팅, 롤 투 롤 공정 등을 통한 대량 저비용 생산을 위한 유연한 생체 센서 제조 기술 평가.
• 무선 통신 모듈 및 IoT 플랫폼과의 유기 생체 센서 통합을 통한 실시간 원격 데이터 전송 및 모니터링 기능 확보.
• 동적 샘플링, 자가 校정, 다중 모달 센서 융합, 환경 에너지 수확 기술 등 신개념 탐색.
• 지속 가능성 트렌드 평가, 생분해성 재료 사용 및 센서 설계 및 제조 과정에서의 환경 영향 최소화 전략 분석.

Figure 1: Chemical structure of commonly used conducting polymers: polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), polythiophene(PTs), polyacetylene, polyphenylene, and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생체 적합성, 탄성, 조절 가능한 전도성 등의 유기 재료의 내재적 특성이 무기 대체재와 비교해 생체 센서 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 생물학적 및 화학 분석물의 민감하고 레이블 프리 감지를 가능하게 하는 주요 장치 아키텍처(예: OFETs, OECTs, OPDs)는 무엇인가?
• RQ3 유기 생체 센서를 어떻게 웨어러블 플랫폼과 IoT 생태계에 효과적으로 통합하여 지속적이고 실시간으로 건강 및 환경 모니터링을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 장기 안정성, 대량 생산 가능성, 데이터 프라이버시 등의 주요 기술적 및 시스템적 과제가 유기 생체 센서의 임상적 및 환경 적용을 제한하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 AI 기반 의사결정, 자가 校정, 에너지 수확 기술 등 미래 혁신은 어떤 방식으로 차세대 지능형 생체 센서 플랫폼을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 도핑 가능한 고분자는 화학적 또는 전기화학적 도핑를 통해 전도성을 조절 가능하며, 전하 운반자 조절을 통한 생물학적 분자의 고감도 감지 가능.
• 유기장효과트랜지스터(OFETs)와 유기전기화학트랜지스터(OECTs)는 복잡한 생물학적 체액 내 이온, 대사산물, 단백질 감지에서 빠른 반응 시간과 높은 감도를 보임.
• 탄성 및 적응형 유기 생체 센서는 피부 및 조직에 자연스럽게 통합 가능하여 장기적인 체내 및 웨어러블 건강 모니터링 응용 가능.
• 유기 생체 센서를 IoT 플랫폼과 통합함으로써 생리적 및 환경 파ameters의 실시간 원격 개인 맞춤 모니터링이 가능해져 원격의료 및 예방의료 향상.
• 자기 보정 센서, 동적 샘플링, 다중 모달 센서 융합 등의 신개념 트렌드가 생체 센서 시스템의 정확도, 신뢰성, 에너지 효율성 향상에 기여.
• 생분해성 재료 및 에너지 수확 기술을 활용한 지속 가능한 설계 접근법이 환경 영향 감소 및 자원이 제한된 환경에서의 적용 가능성을 보여줌.

Figure 2: Chemical structures of organic semiconductors (a) $\pi$ -conjugated small molecular families based semiconductors, and (b) polymer-based semiconductors.