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基於PμSL3D列印超拉伸抗凍導電水凝膠用於柔性感測及腦電訊號採集

釋出時間✘↟:2022-07-20      點選次數✘↟:51

近年來│▩☁↟,柔性電子在可穿戴裝置☁☁☁☁╃、電子皮膚等眾多應用中扮演著越來越重要的角色│▩☁↟,以水凝膠為基質設計的柔性電子由於其良好的導電性☁☁☁☁╃、柔性以及生物相容性等特點受到廣泛的關注│▩☁↟,在柔性感測器☁☁☁☁╃、柔效能源器件及人機介面等方面表現出廣闊的應用前景◕•。面投影微立體光刻3D列印技術(PμSL)可快速製造併成型任意形狀和定製設計的結構│▩☁↟,為以水凝膠基質設計的柔性電子器件的製造提供了靈活性和簡便性◕•。結合3D列印技術│▩☁↟,並對水凝膠進行諸如超抗凍☁☁☁☁╃、超拉伸☁☁☁☁╃、導電等效能設計│▩☁↟,在一定程度上拓寬了水凝膠的功能和應用範圍◕•。


近日│▩☁↟,湖南大學王兆龍助理教授☁☁☁☁╃、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士等人合作│▩☁↟,該團隊基於摩方精密(BMF)超高精度光固化3D印表機nanoArch S/P140│▩☁↟,開發了一種能夠耐受-115℃*導電能力的水凝膠體系│▩☁↟,實現了極低溫條件下的可穿戴裝置運動訊號檢測及腦電訊號高精度採集◕•。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogelfor Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring"為題發表在Research(Volume 2020 |Article ID 1426078)上◕•。其中│▩☁↟,王兆龍助理教授及碩士研究生陳雷為共同一作◕•。


基於面投影微立體光刻技術製造水凝膠結構│▩☁↟,首先│▩☁↟,作者透過計算機輔助設計(CAD)軟體生成的3D模型按照特定層厚切片為一系列平行的二維數字影象│▩☁↟,然後│▩☁↟,這些切出來的2D圖案被傳輸到DMD晶片上│▩☁↟,DMD晶片透過2D圖案的形狀調節其上照射的紫外光(LED│▩☁↟,405nm)◕•。具有相應定義的2D圖案的成形紫外光透過一個縮小透鏡│▩☁↟,該透鏡將2D影象投影到具有縮小特徵尺寸的水凝膠前體溶液上◕•。圖案化的紫外光照射將會使水凝膠前體溶液在相應區域發生區域性聚合反應併成型附著在列印平臺上◕•。再控制降低列印平臺│▩☁↟,紫外光投影照射繼續列印下一層◕•。這個過程反覆進行│▩☁↟,直到整個水凝膠結構被製造出來(圖1)◕•。研究者引入親水性的三元醇作為光引發劑TPO-L的良性溶劑│▩☁↟,將不溶於水的TPO-L均勻分散在水中│▩☁↟,提高光引發劑引發效率│▩☁↟,結合光固化3D列印nanoArchS/P140裝置的離型膜的快速離型│▩☁↟,大大提高水凝膠的光固化速度;利用奈米羥基磷灰石與水凝膠高分子鏈之間形成強烈的物理作用│▩☁↟,從而提高3D列印水凝膠的拉伸性(2500%)│▩☁↟,並進一步提高其機械強度;三元醇和高濃度離子鹽的協同作用賦予了水凝膠極.佳的導電性和抗凍性(-115℃左右)│▩☁↟,3D列印水凝膠在極低溫情況下仍然能夠完成拉伸☁☁☁☁╃、彎曲和扭轉的動作│▩☁↟,並具有一定的低溫導電性(圖2)◕•。


圖1 基於面投影微立體光刻技術的水凝膠加工過程


圖2 水凝膠的力學☁☁☁☁╃、電學和抗凍效能設計


優異的機械效能和良好的導電效能使其3D列印水凝膠能夠作為應變感測器用於識別包括手指彎曲☁☁☁☁╃、發聲及吞嚥等人體運動訊號(圖3);水凝膠還可作為柔性電極檢測和採集諸如人睜☁☁☁☁╃、閉眼時的腦/眼電訊號(EEG/ EOG)│▩☁↟,當志願者在閉上眼睛並放鬆時│▩☁↟,腦電訊號顯示出明顯的α波(8~13Hz)│▩☁↟,當志願者睜開眼睛並積極思考時│▩☁↟,腦電α波即刻消失並逐漸向β波(14~30Hz)方向移動◕•。與當前最.精.確的傳統腦電訊號採集裝置對比實驗表明│▩☁↟,新體系水凝膠可以準確採集大腦中的腦電訊號│▩☁↟,反映大腦活動的整體資訊│▩☁↟,顯示出在人機互動│▩☁↟,特別是低溫領域的腦機介面等方面的應用潛力(圖4)◕•。


圖3 柔性應變感測器應用


圖4 水凝膠柔性電極腦機介面應用


總而言之│▩☁↟,本研究基於面投影微立體光刻技術│▩☁↟,引入親水性的三元醇作為光引發劑TPO-L的良性溶劑│▩☁↟,利用奈米羥基磷灰石提高拉伸性│▩☁↟,並結合高濃度的離子鹽和三元醇作為導電介質和抗凍劑│▩☁↟,使得所開發的水凝膠體系具有優異機械☁☁☁☁╃、導電和抗凍效能│▩☁↟,並且可作為柔性應變感測器實現對人體運動和微弱訊號的實時監控│▩☁↟,同時可進一步用作腦機介面│▩☁↟,準確採集大腦中的腦電訊號│▩☁↟,包括α☁☁☁☁╃、β波以反映大腦活動的整體資訊◕•。本文提出的水凝膠在電子皮膚☁☁☁☁╃、人機互動甚至.極低溫情況下的可穿戴裝置中具有良好的應用前景◕•。未來│▩☁↟,微尺度3D列印技術的加入使得複雜3D結構多功能柔性電子和複雜腦機介面的快速製造成為可能◕•。


原文連結✘↟:
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1426078/




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