Food-based printed integrated logic circuits

With the growing interest in ingestible devices, developing a solution with safe and sustainable materials would enable deeper permeation of this technology into everyday healthcare applications. Edible electronics leverages the electronic properties of food additives and derivatives to realize safe-to-eat devices. Transistors using these materials have been reported, but a thorough study on the realization of integrated edible logic circuits is still missing. This thesis proposes two approaches for the fabrication of edible logic circuits that operate at low voltage. The experimental section is divided into three chapters: the first two are related to the fabrication of a unipolar logic, while the third is about complementary circuits. At first, the design and fabrication of a fully printed potentially edible transistor were optimized for operation at low voltage (0.7 V) and for low leakage. This was made possible by a coplanar gate design and the formulation of an edible inkjet-printable passivation layer, lacking in the current state of the art. Inkjet printing was chosen as a deposition technique because it is additive, scalable, and requires low temperatures. A benchmark p-type biocompatible semiconductor was selected, and preliminary toxicity tests were conducted upon simulated digestion of the device, revealing no adverse effects on the intestinal cells and suggesting its potential edibility. The next step involved the design, fabrication, and characterization of an edible resistive load to implement in a unipolar configuration with the fabricated transistor. Integrated logic gates and the first simple integrated logic circuits operating at 0.7 V were successfully demonstrated. The compatibility with an edible rechargeable battery was verified, effectively proving the first integration between edible energy sources and partially edible electronic circuits. While these results are cutting-edge, unipolar logic has inherent limitations that could be addressed by transitioning to a complementary configuration, which is the most commonly used in modern electronics for its great efficiency. The last part of this work describes the realization of edible complementary logic circuits starting from fully edible transistors exploiting two types of copper phthalocyanines, used as cosmetic pigments, as p- and n-type semiconductors. Integrated edible logic gates and circuits operating at voltages between 0.5 V and 1 V were demonstrated. This work represents the first step toward realizing food-based integrated logic circuits that can be safely used in devices in contact with food, within the human body, or integrated into more complex systems such as edible robots and robotic food that would revolutionize the way we approach healthcare and food monitoring.

L’interesse per i dispositivi ingeribili è in continua crescita, e alcuni di essi sono già disponibili sul mercato. Tuttavia, la loro diffusione su larga scala, soprattutto in ambito point-of-care, è ancora ostacolata dall’uso di materiali non digeribili e non completamente biocompatibili, che ne limitano la sicurezza. Per questo motivo, è fondamentale sviluppare tecnologie basate su materiali sicuri e sostenibili, aprendo così la strada a dispositivi medici innovativi per lo studio, la diagnosi e il trattamento delle patologie del tratto gastrointestinale. L'elettronica edibile sfrutta le proprietà elettroniche degli additivi alimentari e dei derivati del cibo per realizzare dispositivi sicuri da ingerire. Nonostante alcuni transistor basati su questi materiali siano stati recentemente riportati in letteratura, manca ancora uno studio approfondito sulla realizzazione di circuiti logici edibili integrati. Questa tesi propone due approcci per la fabbricazione di circuiti logici edibili che operano a bassa tensione. La sezione sperimentale è suddivisa in tre capitoli: i primi due affrontano la realizzazione di una logica unipolare di tipo p, mentre il terzo si concentra sulla realizzazione e caratterizzazione di circuiti complementari. Nei primi due capitoli sperimentali sono state ottimizzate sia la progettazione che la fabbricazione di un transistor interamente stampato e potenzialmente edibile che opera a bassa tensione (0.7 V) e con basse perdite di corrente. Questi risultati sono stati possibili grazie alla formulazione di un inchiostro per inkjet printing che usi materiali edibili e svolga funzione isolante, che risulta assente nello stato dell’arte attuale, e a un design con gate coplanare. La scelta dell’inkjet printing è stata guidata dalla sua natura di tecnica di deposizione additiva, facilmente scalabile e che richiede basse temperature di processo, che la rende quindi compatibile con i materiali edibili. Per la realizzazione di questi dispositivi è stato scelto un polimero biocompatibile p-type come semiconduttore di riferimento. I test preliminari di tossicità del dispositivo attraverso digestione simulata non hanno rivelato effetti negativi sulle cellule intestinali, suggerendone la potenziale edibilità. Il passo successivo ha riguardato la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di un resistore edibile da implementare in una configurazione unipolare con il transistor appena descritto. Grazie all’integrazione tra resistore e transistor sono stati dimostrate con successo sia porte logiche integrate che i primi semplici circuiti logici integrati operanti a una tensione di 0.7 V. Infine, i circuiti sono stati connessi ad una batteria edibile e ricaricabile, dimostrando concretamente la prima integrazione tra fonti di energia edibili e circuiti elettronici parzialmente edibili. Sebbene questi risultati siano all’avanguardia, la logica unipolare presenta limitazioni intrinseche che potrebbero essere superate passando a una configurazione complementare, la più utilizzata nell’elettronica moderna per la sua alta efficienza. L’ultima parte di questo lavoro descrive la realizzazione di circuiti logici complementari edibili a partire da transistor interamente edibili, sfruttando due tipi di ftalocianine di rame, utilizzate come pigmenti cosmetici, come semiconduttori p-type e e n-type. Con questi dispositivi è stato possibile dimostrate il funzionamento di circuiti e porte logiche integrate edibili operanti a tensioni comprese tra 0.5 V e 1 V, e anche in questo caso è stato dimostrato la buona compatibilità tra circuiti edibili e batteria edibile. Questo lavoro rappresenta il primo passo concreto verso la realizzazione di circuiti logici integrati interamente a base alimentare, che possano essere utilizzati in sicurezza in dispositivi a contatto con il cibo, all'interno del corpo umano o integrati in sistemi più complessi, come robot edibili e cibo robotico, e che lavorano in sinergia con fonti di energia edibili. Con questo approccio, sarà possibile in un futuro ottenere una tecnologia medica altamente pervasiva, che possa effettivamente essere utilizzata al point-of-care senza bisogno di supervisione medica, e allo stesso tempo sviluppare una piattaforma commestibile che possa monitorare in modo economico e sicuro gli alimenti.