基于微凝膠增強雙網絡水凝膠的超靈敏3D打印微結構壓力傳感器
時間：2023-08-15 21:20 來源： EngineeringForLife 作者：admin 閱讀：次
基于水凝膠的可穿戴柔性壓力傳感器在人類健康和運動監測方面具有廣闊的前景。然而，顯著提高水凝膠傳感器的韌性、靈敏度和穩定性仍然是一個巨大的挑戰。近日，來自中山大學的付俊教授團隊通過3D打印微凝膠增強雙網絡（MRDN）水凝膠制造分層結構水凝膠傳感器，以實現非常高的靈敏度和機械韌性。聚電解質微凝膠用作構建塊，與第二個網絡互滲透，以構建超強韌的水凝膠。MRDN水凝膠前體表現出可逆的凝膠-溶膠轉變，可作為3D打印高保真度和高精度微結構傳感器陣列的理想油墨。微結構水凝膠傳感器具有0.925
kPa-1的超高靈敏度，是普通水凝膠傳感器的50倍以上。水凝膠傳感器以陣列形式組裝到鞋墊上，以監測步態期間的足部生物力學。此外，還制作了一種具有不同微觀結構和靈敏度的傳感器像素空間分布良好的傳感器陣列，以跟蹤爬行陸龜的軌跡。
相關論文“3D Printed Microstructured Ultra-Sensitive Pressure Sensors Based on Microgel-Reinforced Double Network Hydrogels for Biomechanical Applications”于2023年7月26日在線發表于雜志《Materials Horizons》上。
1. 微凝膠油墨和MRDN水凝膠的合成
通過反相乳液聚合制備聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸)(PAMPS)微凝膠、聚(丙烯酰氧基乙基三甲基氯化銨)(PDAC)微凝膠和聚(丙烯酰胺)(PAAm)微凝膠（圖1a）。隨后將冷凍干燥的微凝膠添加到丙烯酸（AAc）、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA）和I-2959的水溶液中以吸收溶液過夜以達到足夠的腫脹，以獲得堵塞的微凝膠前體溶液（圖1b），其呈現為具有剪切稀化和自支撐特性的類固體狀態。它可以通過直徑210微米的針擠出，直接打印成各種結構，無需逐層光固化（圖1c），極大提高了打印效率。打印后，將結構暴露在紫外線下，引發AAc單體的自由基聚合，形成貫穿整個微凝膠的第二個網絡（圖1d）。
2. 微凝膠油墨的流變測量
圖2a顯示，堵塞的微凝膠的粘度隨著微凝膠濃度的增加而增加，堵塞的微凝膠在約10%應變下顯示出剪切誘導的凝膠-流體轉變（圖2b）。含有5wt%微凝膠的水凝膠在100%應變下循環剪切時表現出快速可逆的凝膠-流體轉變，然后墨水在低應變下立即從液態恢復到固態（1%，圖2c）。剪切引起的可逆凝膠-流體轉變和快速自修復使微凝膠成為基于擠出的3D打印的理想候選墨水。
抗蠕測試顯示：具有較高微凝膠濃度的堵塞油墨表現出更好的抗蠕變性（圖2d）。具有不同微凝膠濃度的印刷網格的代表性圖像直觀地表明，較高的微凝膠濃度有利于更好的自支撐，從而提高印刷結構的分辨率和保真度（圖2e）。基于上述結果，選擇含有5 wt%微凝膠和30 wt% AAc的水凝膠前體作為墨水來打印各種水凝膠結構（圖2f）。
3. MRDN水凝膠的機械性能
之后，對不同微凝膠和AAc單體含量的MRDN水凝膠進行了拉伸和壓縮測試（圖3a）。隨著PAMPS微凝膠含量的增加，MRDN水凝膠的斷裂強度、楊氏模量和韌性顯著提高，但由于微凝膠的剛性略有提高，斷裂應變下降（圖3b和3d）。此外，觀察到在100%應變下，微凝膠沿拉伸方向從球體變形為橢球體（圖3g、3h）。凍干MRDN凝膠的SEM圖像顯示具有廣泛連接的微凝膠的代表性多孔結構（圖3i）。
4. MRDN水凝膠傳感器
基于PAMPS微凝膠的MRDN水凝膠具有離子傳導性，表現出高應變敏感性（圖4a-b）、穩定的傳感性能（圖c-d）和循環穩定性（圖4i）。此外，MRDN水凝膠對外部壓力敏感。MRDN水凝膠的壓力靈敏度在0-5 kPa時為0.018 kPa-1（圖4e），對低壓（600 Pa）的響應時間為960-1840 ms（圖4f）。MRDN水凝膠在600次壓縮循環下顯示出完全重復且穩定的傳感信號（圖4j），這對于柔性電子設備的應用具有重要意義。
5. 在人體運動監測中的應用
離子導電MRDN水凝膠具有出色的感官性能和出色的機械性能，可作為可穿戴傳感器應用，用于實時監測細微的人類活動和步態等高負荷活動，例如監控手指彎曲（圖5a）、喉結振動（圖5b）等。此外，研究者在鞋底上安裝了一個圓柱形水凝膠傳感器，以監測步態過程中的生物力學（圖5c-j）。MRDN水凝膠出色的機械性能使傳感器陣列能夠在行走過程中可靠穩定地工作。MRDN水凝膠傳感器在高壓下具有很高的靈敏度，可以很容易地從信號的波形和強度上區分不同的運動模式。
6. 具有超高靈敏度的微結構壓力傳感器
最后，研究者演示了通過3D打印制造具有各種分層微結構的MRDN水凝膠傳感器，以研究結構-敏感性關系。測試結果表明，尖銳的結構有利于高靈敏度和低檢測限，因為它能夠在低壓負載下顯著增加接觸面積并表現出應力集中（圖6a-d）。利用微結構水凝膠傳感器的極高靈敏度，研究者制造了一種靈活的傳感器陣列，其具有精心設計的不同微結構和靈敏度的面內分布（圖6e）。研究者使用這種精心設計的高靈敏度傳感器陣列來跟蹤活體動物的運動。實驗證明了應用這種水凝膠傳感器陣列來跟蹤小型活體動物運動的可行性（圖6g-i）。
綜上，本文開發了一種用于3D打印的微凝膠增強雙網絡(MRDN)水凝膠系統，用于設計用于人體運動監測和跟蹤應用的高靈敏度和堅韌的微結構柔性傳感器。制造的分層結構可將壓力靈敏度提高50倍，并具有針對循環載荷的出色結構穩定性。水凝膠傳感器被組裝成帶有八通道壓力傳感器的可穿戴鞋墊，用于監測人體步態。此外，MRDN水凝膠被打印成靈活的傳感器陣列，具有精心設計的金字塔、半球和立方體的平面內分布。利用微結構靈敏度的差異可以跟蹤表面上移動的動物（例如烏龜）。這項研究提供了一種通過3D打印可固化微凝膠油墨來制造具有高靈敏度和穩定性的微結構水凝膠傳感器的有前景的方法。
文章來源：
https://doi.org/10.1039/D3MH00718A
相關論文“3D Printed Microstructured Ultra-Sensitive Pressure Sensors Based on Microgel-Reinforced Double Network Hydrogels for Biomechanical Applications”于2023年7月26日在線發表于雜志《Materials Horizons》上。
1. 微凝膠油墨和MRDN水凝膠的合成
通過反相乳液聚合制備聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸)(PAMPS)微凝膠、聚(丙烯酰氧基乙基三甲基氯化銨)(PDAC)微凝膠和聚(丙烯酰胺)(PAAm)微凝膠（圖1a）。隨后將冷凍干燥的微凝膠添加到丙烯酸（AAc）、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA）和I-2959的水溶液中以吸收溶液過夜以達到足夠的腫脹，以獲得堵塞的微凝膠前體溶液（圖1b），其呈現為具有剪切稀化和自支撐特性的類固體狀態。它可以通過直徑210微米的針擠出，直接打印成各種結構，無需逐層光固化（圖1c），極大提高了打印效率。打印后，將結構暴露在紫外線下，引發AAc單體的自由基聚合，形成貫穿整個微凝膠的第二個網絡（圖1d）。
圖1 用于3D打印的PAMPS微凝膠
2. 微凝膠油墨的流變測量
圖2a顯示，堵塞的微凝膠的粘度隨著微凝膠濃度的增加而增加，堵塞的微凝膠在約10%應變下顯示出剪切誘導的凝膠-流體轉變（圖2b）。含有5wt%微凝膠的水凝膠在100%應變下循環剪切時表現出快速可逆的凝膠-流體轉變，然后墨水在低應變下立即從液態恢復到固態（1%，圖2c）。剪切引起的可逆凝膠-流體轉變和快速自修復使微凝膠成為基于擠出的3D打印的理想候選墨水。
抗蠕測試顯示：具有較高微凝膠濃度的堵塞油墨表現出更好的抗蠕變性（圖2d）。具有不同微凝膠濃度的印刷網格的代表性圖像直觀地表明，較高的微凝膠濃度有利于更好的自支撐，從而提高印刷結構的分辨率和保真度（圖2e）。基于上述結果，選擇含有5 wt%微凝膠和30 wt% AAc的水凝膠前體作為墨水來打印各種水凝膠結構（圖2f）。
圖2 用于3D打印的堵塞微凝膠
3. MRDN水凝膠的機械性能
之后，對不同微凝膠和AAc單體含量的MRDN水凝膠進行了拉伸和壓縮測試（圖3a）。隨著PAMPS微凝膠含量的增加，MRDN水凝膠的斷裂強度、楊氏模量和韌性顯著提高，但由于微凝膠的剛性略有提高，斷裂應變下降（圖3b和3d）。此外，觀察到在100%應變下，微凝膠沿拉伸方向從球體變形為橢球體（圖3g、3h）。凍干MRDN凝膠的SEM圖像顯示具有廣泛連接的微凝膠的代表性多孔結構（圖3i）。
圖3 機械性能
4. MRDN水凝膠傳感器
基于PAMPS微凝膠的MRDN水凝膠具有離子傳導性，表現出高應變敏感性（圖4a-b）、穩定的傳感性能（圖c-d）和循環穩定性（圖4i）。此外，MRDN水凝膠對外部壓力敏感。MRDN水凝膠的壓力靈敏度在0-5 kPa時為0.018 kPa-1（圖4e），對低壓（600 Pa）的響應時間為960-1840 ms（圖4f）。MRDN水凝膠在600次壓縮循環下顯示出完全重復且穩定的傳感信號（圖4j），這對于柔性電子設備的應用具有重要意義。
圖4 傳感性能
5. 在人體運動監測中的應用
離子導電MRDN水凝膠具有出色的感官性能和出色的機械性能，可作為可穿戴傳感器應用，用于實時監測細微的人類活動和步態等高負荷活動，例如監控手指彎曲（圖5a）、喉結振動（圖5b）等。此外，研究者在鞋底上安裝了一個圓柱形水凝膠傳感器，以監測步態過程中的生物力學（圖5c-j）。MRDN水凝膠出色的機械性能使傳感器陣列能夠在行走過程中可靠穩定地工作。MRDN水凝膠傳感器在高壓下具有很高的靈敏度，可以很容易地從信號的波形和強度上區分不同的運動模式。
圖5 人體運動監測
6. 具有超高靈敏度的微結構壓力傳感器
最后，研究者演示了通過3D打印制造具有各種分層微結構的MRDN水凝膠傳感器，以研究結構-敏感性關系。測試結果表明，尖銳的結構有利于高靈敏度和低檢測限，因為它能夠在低壓負載下顯著增加接觸面積并表現出應力集中（圖6a-d）。利用微結構水凝膠傳感器的極高靈敏度，研究者制造了一種靈活的傳感器陣列，其具有精心設計的不同微結構和靈敏度的面內分布（圖6e）。研究者使用這種精心設計的高靈敏度傳感器陣列來跟蹤活體動物的運動。實驗證明了應用這種水凝膠傳感器陣列來跟蹤小型活體動物運動的可行性（圖6g-i）。
圖6 用于軌跡跟蹤的印刷微結構壓力傳感器
綜上，本文開發了一種用于3D打印的微凝膠增強雙網絡(MRDN)水凝膠系統，用于設計用于人體運動監測和跟蹤應用的高靈敏度和堅韌的微結構柔性傳感器。制造的分層結構可將壓力靈敏度提高50倍，并具有針對循環載荷的出色結構穩定性。水凝膠傳感器被組裝成帶有八通道壓力傳感器的可穿戴鞋墊，用于監測人體步態。此外，MRDN水凝膠被打印成靈活的傳感器陣列，具有精心設計的金字塔、半球和立方體的平面內分布。利用微結構靈敏度的差異可以跟蹤表面上移動的動物（例如烏龜）。這項研究提供了一種通過3D打印可固化微凝膠油墨來制造具有高靈敏度和穩定性的微結構水凝膠傳感器的有前景的方法。
文章來源：
https://doi.org/10.1039/D3MH00718A
(責任編輯：admin)
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