劍橋大學(xué)Science子刊：組合3D打印微納纖維作為呼吸傳感器

來(lái)源： EngineeringForLife  

2020年初，全球集中爆發(fā)了新型冠狀病毒、流行性感冒等急性呼吸道疾病。在此背景下，對(duì)于普通民眾有關(guān)口罩種類(lèi)選擇和正確佩戴的指導(dǎo)可以幫助減輕疾病傳播的風(fēng)險(xiǎn)。基于此，英國(guó)劍橋大學(xué)黃艷燕教授Biointerface課題組研發(fā)了一種組合3D打印的微小透明導(dǎo)電纖維，該纖維可以制作成低成本和可穿戴便攜式呼吸濕度傳感器，傳感器可以靈敏的檢測(cè)人們佩戴不同種類(lèi)口罩時(shí)呼吸氣體的擴(kuò)散情況。相關(guān)研究成果于9月30日以“Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures”為題發(fā)表于Science旗艦子刊Science Advances，論文第一作者為課題組博士生王文宇。

同時(shí)，這項(xiàng)研究成果也登上了劍橋大學(xué)主頁(yè)9月30日的熱點(diǎn)新聞。

圖1 劍橋大學(xué)新聞報(bào)道3D打印微納米纖維作為呼吸傳感器

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)組合3D打印制備了復(fù)合維納纖維，這種復(fù)合纖維具有雙層結(jié)構(gòu)、高純度導(dǎo)電內(nèi)芯可由金屬（銀）或?qū)щ姼叻肿樱≒EDOT:PSS）制成，外層是保護(hù)性聚合物包裹，類(lèi)似于普通電線的雙層結(jié)構(gòu)，但直徑只有1-3微米。該纖維在打印出的同時(shí)就可以很好的集成到電路中，在不需要任何后期處理的情況下可以實(shí)現(xiàn)極低的接觸電阻。下圖2展示了纖維的制作過(guò)程。

圖2 導(dǎo)電微納纖維的制備過(guò)程示意圖

這種非接觸式、可穿戴的便攜式呼吸傳感器由多層懸空纖維制成，可以同時(shí)收集人們呼出氣體的分布和呼吸咳嗽的聲音。本纖維傳感器和傳統(tǒng)的傳感器相比，具有高靈敏度、高透明度和透氣性的特點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)使用這種纖維傳感器測(cè)試了佩戴不同口罩時(shí)，人們呼出氣體的特點(diǎn)、重點(diǎn)，比較了正常呼吸、快速呼吸和咳嗽等不同條件下的呼吸狀況。

圖3 非接觸式的可穿戴呼吸傳感器檢測(cè)不同情況下人們呼出氣體的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的薄膜技術(shù)相比，微納導(dǎo)電纖維制成的傳感器對(duì)于空間中氣體的變化尤其靈敏。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)組合3D打印的技術(shù)，快速且精確地將這些高靈敏度的微納米導(dǎo)電纖維打印出來(lái)并集成到便攜的傳感器設(shè)備中。

除呼吸傳感器外，這項(xiàng)組合3D纖維打印技術(shù)還可用于制造尺寸與生物細(xì)胞相似的生物相容性導(dǎo)電高分子纖維，從而使它們能夠引導(dǎo)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)并將這種動(dòng)態(tài)過(guò)程以電信號(hào)的方式輸出，這將對(duì)于今后的生物電子設(shè)備的發(fā)展和三維細(xì)胞檢測(cè)提供極為有用的研究指導(dǎo)（或參考）

圖4 微納導(dǎo)電纖維作為細(xì)胞傳感器

論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eaba0931