3D打印制造出比人類頭發(fā)還細(xì)100倍的電子纖維

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：從捕捉呼吸到指揮生物細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)，3D打印的小型透明導(dǎo)電纖維可用于制造“嗅覺、聽覺和觸覺”的設(shè)備，使其特別適用于物聯(lián)網(wǎng)、健康監(jiān)測(cè)和生物傳感應(yīng)用。纖維印刷技術(shù)可用于制造便攜式、可穿戴、非接觸式呼吸傳感器。這種印刷傳感器經(jīng)濟(jì)、高靈敏度，可以固定在手機(jī)上同時(shí)獲取聲音、圖像和呼吸模式數(shù)據(jù)。來自劍橋大學(xué)的科學(xué)家們利用3D打印的方法制造出電子纖維，每根纖維的直徑比人類頭發(fā)小100倍，制造出的傳感器的性能超出了傳統(tǒng)薄膜器件。

小直徑導(dǎo)電纖維具有獨(dú)特的形態(tài)、機(jī)械和光學(xué)特性，例如高長(zhǎng)寬比、低彎曲剛度、方向性和透明度，這使其與其他基于薄膜的微/納米結(jié)構(gòu)類型的導(dǎo)電纖維區(qū)分開來。將細(xì)的導(dǎo)電纖維有序地組裝成陣列/三維（3D）結(jié)構(gòu)可提高其用于設(shè)備耦合的功能性能。開發(fā)新的策略來控制這些導(dǎo)電元件的快速合成、圖案化和集成到器件架構(gòu)中，可能標(biāo)志著實(shí)現(xiàn)新的器件功能和電子設(shè)計(jì)的重要一步。迄今為止，已經(jīng)以多種方式生產(chǎn)和組裝導(dǎo)電微/納米級(jí)纖維，從轉(zhuǎn)移化學(xué)生長(zhǎng)的納米纖維/金屬絲、編寫電液動(dòng)力學(xué)沉積線到拉伸超長(zhǎng)纖維、纖維濕法紡絲和2D / 3D直接印刷。這些獨(dú)特的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多應(yīng)用，包括透明和柔性電極、導(dǎo)電紗、組織工程支架和生物電子設(shè)備。

盡管取得了這些進(jìn)展，但是現(xiàn)有的制造技術(shù)仍無法輕易地將纖維結(jié)構(gòu)組裝到具有方向性、高表面積-體積比、允許性、透明性和導(dǎo)電性功能的設(shè)備中。可擴(kuò)展性和設(shè)備集成一直是小直徑導(dǎo)電纖維應(yīng)用面臨的主要問題。2020年9月30日，由來自英國(guó)劍橋大學(xué)Yan Yan Shery Huang領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在Science Advances期刊上發(fā)表了一文，報(bào)道了將導(dǎo)電纖維生產(chǎn)和纖維到電路連接集成在一起的一步過程，即機(jī)載纖維印刷（iFP）。它可以產(chǎn)生并原位粘合懸浮或表面上的薄導(dǎo)電纖維陣列，而不需要任何后處理。

ABOUT機(jī)載纖維印刷（iFP）

圖1A中示意性地顯示了iFP過程。銀（Ag）和PEDOT：PSS被用作纖維材料，其中Ag是一種廣泛使用的導(dǎo)電金屬，而PEDOT：PSS是一種生物相容性導(dǎo)電聚合物，其應(yīng)用范圍從紡織、印刷電子到生物界面結(jié)構(gòu)。為了反映該過程的普遍性，研究人員從易于獲得的低粘度（約10至60 mPa·s）水溶液中提取纖維。要注意的是，也可以通過iFP處理較高粘度的水溶液，即粘度約為104 mPa.s的水溶液（例如22% (w/w)明膠溶液）。對(duì)于銀，研究人員展示了由含有銀鹽和還原劑的改良Tollens溶液反應(yīng)合成纖維。這與纖維生產(chǎn)過程中通常使用的基于金屬納米顆粒的導(dǎo)電油墨不同，纖維生產(chǎn)過程通常通過將金屬納米顆粒與聚合物混合而制備。對(duì)于PEDOT：PSS纖維，使用市售的膠體水溶液。

圖1. 用原位粘合制備懸浮纖維結(jié)構(gòu)的iFP。

▲圖解：（A）Ag和PEDOT：PSS纖維的iFP工藝示意圖。（B）示意圖顯示了iFP纖維引發(fā)的近距離視圖。（C）單銀纖維的TEM和EDX。（D）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像從頂視圖顯示纖維結(jié)合。（E）纖維粘合的橫截面示意圖。（F）Ag纖維粘結(jié)上的XPS深度剖析。（G和I）典型的懸浮，對(duì)齊的光纖陣列的SEM圖像。（J和K）SEM圖像顯示了單獨(dú)的Ag和PEDOT：PSS纖維。（L）懸掛式PEDOT：PSS光纖陣列頂部的LED照明燈和蒲公英種子的圖像，種子穿過光纖陣列（照片來源：劍橋大學(xué)，王文宇）。（M和N）非連接和連接的光纖網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖。（O）懸掛的iFP光纖網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)圖像。

NINGABOUT可穿戴/便攜式呼吸濕度傳感器

利用iFP，可以實(shí)現(xiàn)在電路上制造纖維，纖維陣列的透射率超過95％（350至750nm）。光纖陣列的高表面積體積比，寬容性和透明性被用于構(gòu)建傳感和光電體系結(jié)構(gòu)。研究人員成功展示了利用PEDOT：PSS纖維作為單元界面阻抗傳感器、三維(3D)濕氣流量傳感器以及非接觸式、可穿戴/便攜式呼吸傳感器。

在新冠病毒、流行性感冒和鼻病毒等急性呼吸道疾病的全球爆發(fā)中，有關(guān)戴口罩的指南可以幫助減輕疾病傳播的風(fēng)險(xiǎn)�；�于人類呼吸中含有高度加濕的氣體（相對(duì)濕度為89％至97％）的事實(shí)，我們使用iFP PEDOT：PSS制造了兩種配置的高靈敏度，低成本和可穿戴/便攜式呼吸濕度傳感器光纖陣列（圖2）。在第一種光纖傳感器配置中，單層PEDOT：PSS光纖陣列被打印在3D打印的塑料框架上。該光纖傳感器可以很容易地連接到一次性口罩的外部，作為可穿戴的、非接觸式和非侵入性的傳感器，用于監(jiān)測(cè)呼吸頻率（圖2A和電影S2）。如圖2B所示，與商用濕度傳感器（HIH-5031-001，Honeywell）相比，iFP纖維呼吸濕度傳感器顯示出卓越的響應(yīng)能力。正常呼吸后不到3 s（相對(duì)于商用傳感器約10 s），光纖陣列的電阻恢復(fù)到基線水平。這種效果在諸如快速呼吸檢測(cè)（每個(gè)呼吸周期約1.2 s，在劇烈運(yùn)動(dòng)或呼吸急促下模擬快速呼吸）等應(yīng)用中尤為明顯，其中商用傳感器無法區(qū)分單個(gè)呼吸事件（圖2C）。

圖2. 基于纖維的非接觸式呼吸濕度傳感器。

▲圖解：（A）顯示連接到一次性口罩的單層可穿戴式纖維呼吸傳感器的示意圖。（B）商業(yè)濕度傳感器與iFP PEDOT：PSS光纖陣列相比，可響應(yīng)單次呼吸和連續(xù)快速呼吸（C）。（D）示意圖顯示了便攜式三層光纖傳感器，該傳感器安裝在手機(jī)的前置攝像頭上，單層光纖傳感器位于鼻子上方。（E）三層光纖傳感器的光纖層布置的放大示意圖。PVDF，聚偏二氟乙烯。（F）在“無面部遮蓋物”中的嘴部區(qū)域照片。（F1）長(zhǎng)呼氣和咳嗽（F2）的標(biāo)準(zhǔn)化纖維電阻變化（ΔR/ R0），插圖顯示中間壓電纖維層檢測(cè)到的咳嗽聲。（G）顯示外科口罩佩戴者的照片，在長(zhǎng)時(shí)間呼氣（G1）和咳嗽（G2）期間具有纖維傳感器記錄。（H）呼吸面罩佩戴者的照片，帶有長(zhǎng)時(shí)間呼氣（H1）和咳嗽（H2）期間的纖維傳感器記錄。要注意的是，（F），（G）和（H）的照片都是通過三層光纖傳感器由手機(jī)攝像頭捕獲的（照片來源：劍橋大學(xué)）。

研究人員發(fā)現(xiàn)，外科口罩或織物口罩的大部分滲漏來自前部，尤其是在咳嗽時(shí)，而N95口罩的大部分滲漏來自側(cè)面和頂部，并配有緊封的裝置。不過，這兩種面罩，如果正確佩戴，都有助于減少呼出的氣流。與傳統(tǒng)的薄膜技術(shù)相比，由小的導(dǎo)電纖維制成的傳感器特別適用于三維流體和氣體的體積傳感，但到目前為止，將它們打印并整合到設(shè)備中，并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

英國(guó)劍橋大學(xué)工程系主任研究員Yan Yan Shery Huang博士還和她的團(tuán)隊(duì)3D打印了由銀和/或半導(dǎo)體聚合物制成的復(fù)合纖維（如圖3）。這種纖維印刷方法產(chǎn)生了一種芯-殼纖維結(jié)構(gòu)，高純度的導(dǎo)電纖維芯被一層保護(hù)聚合物的薄護(hù)套覆蓋，就像標(biāo)準(zhǔn)電線的結(jié)構(gòu)一樣，但直徑只有幾微米。

圖3. 使用iFP光纖創(chuàng)建電路架構(gòu)

他們研發(fā)的光纖傳感器重量輕、價(jià)格便宜、體積小、易于使用，因此它們有可能被改造成家庭測(cè)試設(shè)備，允許公眾進(jìn)行自我管理的測(cè)試，以獲取有關(guān)其環(huán)境的信息。研究人員正期待著開發(fā)基于這種纖維印刷方法的多功能傳感器，這種方法可能會(huì)檢測(cè)出更多的呼吸種類，用于生物機(jī)器接口或移動(dòng)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

本文Wenyu Wang, et al, Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures, Sci. Adv. 2020
DOI: 10.1126/sciadv.aba0931