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香港大学徐立之:高性能微型传感器与纳米纤维基底的混合集成用于构建透气类皮肤电子设备

学术动态    2022-06-21 15:08

DOI: 10.1002/adfm.202202792

 

皮肤集成软电子产品因其在健康监测、疾病管理、人机界面和其他应用中的潜在效用而备受关注。尽管为构建皮肤集成系统,研究人员对许多材料和设备组件进行了探索,但在皮肤上实现兼具良好透气性和适应性的多功能传感器平台仍然很困难。这一挑战的部分原因是平面工艺制造的微电子元件和生物相容性多孔基板之间的加工不相容性。在此,本文报告了一种能够克服这一局限性的制造策略,从而产生具有可穿戴应用所需透气性和舒适性的大面积多功能皮肤电子产品。在该方案中,通过印章转移技术结合静电纺丝法,使高性能微型传感器和纳米纤维软基板的混合集成成为可能。由此产生的膜装置表现出类似组织的力学性能,具有较高的蒸汽传输渗透性。此外,可以将kirigami结构引入这些膜中,为皮肤上的大面积集成提供高拉伸性和3D适形性。多功能传感器阵列可对生物电信号、温度、皮肤水合作用和潜在的许多其他生理参数进行时空测量。这些多功能皮肤电子产品提供的强大性能和制造可扩展性有望为开发先进的可穿戴系统创造进一步机会。

 

图1.透气保形电子膜(BCEMs)。a)显示包含印章转移技术、静电纺丝和kirigami图案化的制造过程示意图。b)贴在志愿者背部的BCEM显示出大面积皮肤集成。比例尺:5cm。c)显示纳米纤维基材顶部(左)和与皮肤表面保形接触(右)的蛇形电子器件的照片。比例尺:10mm。d)显示BCEM可渗透纳米纤维结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。比例尺:5µm。e)BCEM中内置的各种微传感器的光学显微镜图像。比例尺:2mm。

 

图2.BCEMs的力学行为。a)表征微加工部件(PI)和SEBS基材之间的界面韧性。b)BCEM在张力下的应力-应变曲线。(c)与没有kirigami图案的类似膜相比,BCEM中连接线的电阻随拉伸应变发生变化。d,e)当扭转高达720°时(d)或在80%伸长率下进行10000次循环期间(e)BCEM中连接线的电阻变化。f)剪纸设计的改变导致电连接具有更高的可拉伸性。g)与没有剪纸切割的设备相比,在25%伸长率下,BCEM中应力分布的有限元分析(FEA)。

 

图3.BCEMs的透气性和生物相容性。a)致密SEBS膜、纳米纤维SEBS膜、PDMS膜和空白对照的水蒸气透过率随时间的推移发生变化。b)BCEM上的水滴,显示纳米纤维SEBS具有疏水性。比例尺:1mm。c)在BCEM上培养的成纤维细胞的荧光图像显示出良好的细胞活力和正常形态。d)MTT测定显示在BCEM上孵育3天的细胞增殖情况。e)贴在前臂上的三种不同样品的照片(左),以及跑步运动之前(中)和之后(右)的红外热图像,显示出纳米纤维SEBS与致密SEBS和PDMS薄膜相比的透气性。

 

图4.使用BCEMs进行多模式生理传感。a)显示测量方案的示意图。b)商用凝胶电极(上)和BCEM(下)检测到的ECG信号的比较。c)使用BCEM测量施用在皮肤上与冷敷相关的温度变化。d)电阻抗与皮肤水合的函数关系,在不同频率下用BCEM上的同轴电极测量。e)使用保湿乳液后皮肤水合作用的衰减,使用BCEM传感器和市售传感器测量。

 

图5.使用BCEM进行EMG记录和手势识别。a)由手部运动模式产生的EMG信号。b)安装在前臂上的三对EMG电极的位置,形成三个独立的数据采集通道。c,d)五种不同手势的照片(c),以及三个EMG通道记录的不同模式(d)。