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        生物3D打印電子皮膚感應脈搏、呼吸和運動
        2020-02-20  來源:捷諾飛  作者:捷諾飛

        【導讀】

        傳統基于金屬或半導體的應力傳感器,存在硬度高和檢測范圍有限(<5%)等不足,限制了應力傳感器在醫療領域的應用。所以從電子皮膚、穿戴式設備到醫院的體征監護,都需要開發新一代具有柔韌性,高伸縮性和高靈敏性的應力傳感器,實現人體脈搏、呼吸聲振動,手臂彎曲等運動監測。


        復旦大學的陳煒/盧紅斌團隊在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上發表了一項研究,利用3D打印技術構建了一種有自我補償功能及二階結構的應力傳感器,該傳感器具有良好的柔韌性、靈敏度和工作量程。研究結果顯示,傳感器在0-350%的拉力范圍內表現出高應變系數,可實現脈搏、呼吸聲振動和肘部彎曲等運動監測。如圖1。

        圖1 應力傳感器的應用


        該傳感器的工作機制是利用3D打印技術構建傳導性多聚體合成開放網格,使用石墨烯片材浸潤網格以組成具有形變能力的傳導通路,并且通過石墨烯片材包被的涂層和內部網格提供額外的傳導通路,以補償在拉力作用下浸潤網格傳導性的降低。論文中的制備方法為:將1g石墨烯片層材料加入到100mL乙酸乙酯;用超聲波混勻2h,然后將10g PDMS聚合物加入到懸浮液中,再用磁力攪拌器攪拌2h;然后將混合物轉入到80℃的加熱平臺,保持6h,將乙酸乙酯蒸發去除;最后將1g 的PDMS的固化劑加入到組合物中,攪拌10min獲得PDMS-石墨烯墨水。將打印墨水裝入到捷諾飛的生物3D打印機中(3D Bio-Architec WS),使用400μm針頭進行打印,在80℃下處理3h以獲得G-PDMS應力傳感器的結構,如圖2的c-d,再經過O2離子化,以及PEI或GO包被和HI處理。應力感應器形變能力可達400%,如圖2。

        圖2 應力傳感器的制作


        對應力、電阻,以及在不同拉力下傳感器傳感性能的測試結果顯示(如圖3)?;?D打印技術和離子化處理所制作的G-PMDS/RGO應力傳感器,具有高靈敏性和大應力檢測范圍,能在0-350%的拉力下的保持高靈敏性,形變量程可達350%,遠超其他研究的報道。這種具有獨特設計結構的傳感器,可實現人全身運動監測如:脈搏、呼吸聲振動,手臂彎曲等,為開發新一代可穿戴式設備提供了可能。

        圖3 傳感器在不同拉力下伸展-收縮時,電阻率的變化情況


        本文采用捷諾飛研發生產的生物3D打印工作站Bio-Architect® WS。Bio-Architect® WS兼容、微滴、光固化等多種打印噴頭和成型平臺,為每個打印步驟提供最佳條件,拓寬打印材料范圍??纱蛴〔牧习ǎ杭毎岛图毎?、天然生物材料、高分子材料、生物無機材料等。
         
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