湖南大學：基于PμSL 3D打印的超拉伸抗凍導電水凝膠用于柔性傳感及腦電信號的采集

來源：摩方精密

近年來，柔性電子在可穿戴設備、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于其良好的導電性、柔性以及生物相容性等特點受到廣泛的關注，在柔性傳感器、柔性能源器件及人機接口等方面表現出廣闊的應用前景。面投影微立體光刻3D打印技術（PμSL）可快速制造并成型任意形狀和定制設計的結構，為以水凝膠基質設計的柔性電子器件的制造提供了靈活性和簡便性。結合3D打印技術，并對水凝膠進行諸如超抗凍、超拉伸、導電等性能設計，在一定程度上拓寬了水凝膠的功能和應用范圍。

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，該團隊基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印機nanoArch S/P140，開發(fā)了一種能夠耐受-115℃極高導電能力的水凝膠體系，實現了極低溫條件下的可穿戴設備運動信號檢測及腦電信號高精度采集。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogelfor Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring”為題發(fā)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。

基于面投影微立體光刻技術制造水凝膠結構，首先，作者通過計算機輔助設計（CAD）軟件生成的3D模型按照特定層厚切片為一系列平行的二維數字圖像，然后，這些切出來的2D圖案被傳輸到DMD芯片上，DMD芯片通過2D圖案的形狀調節(jié)其上照射的紫外光（LED，405nm）。具有相應定義的2D圖案的成形紫外光通過一個縮小透鏡，該透鏡將2D圖像投影到具有縮小特征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(qū)域發(fā)生局部聚合反應并成型附著在打印平臺上。再控制降低打印平臺，紫外光投影照射繼續(xù)打印下一層。這個過程反復進行，直到整個水凝膠結構被制造出來（圖1）。研究者引入親水性的三元醇作為光引發(fā)劑TPO-L的良性溶劑，將不溶于水的TPO-L均勻分散在水中，提高光引發(fā)劑引發(fā)效率，結合光固化3D打印nanoArchS/P140設備的離型膜的快速離型，大大提高水凝膠的光固化速度；利用納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打印水凝膠的拉伸性（2500%），并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打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，并具有一定的低溫導電性（圖2）。

圖1 基于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、電學和抗凍性能設計

優(yōu)異的機械性能和良好的導電性能使其3D打印水凝膠能夠作為應變傳感器用于識別包括手指彎曲、發(fā)聲及吞咽等人體運動信號（圖3）；水凝膠還可作為柔性電極檢測和采集諸如人睜、閉眼時的腦/眼電信號（EEG/ EOG），當志愿者在閉上眼睛并放松時，腦電信號顯示出明顯的α波（8~13Hz），當志愿者睜開眼睛并積極思考時，腦電α波即刻消失并逐漸向β波（14~30Hz）方向移動。與當前最精確的傳統腦電信號采集裝置對比實驗表明，新體系水凝膠可以準確采集大腦中的腦電信號，反映大腦活動的整體信息，顯示出在人機交互，特別是低溫領域的腦機接口等方面的應用潛力（圖4）。

圖3 柔性應變傳感器應用

圖4 水凝膠柔性電極腦機接口應用

總而言之，本研究基于面投影微立體光刻技術，引入親水性的三元醇作為光引發(fā)劑TPO-L的良性溶劑，利用納米羥基磷灰石提高拉伸性，并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(fā)的水凝膠體系具有優(yōu)異機械、導電和抗凍性能，并且可作為柔性應變傳感器實現對人體運動和微弱信號的實時監(jiān)控，同時可進一步用作腦機接口，準確采集大腦中的腦電信號，包括α、β波以反映大腦活動的整體信息。本文提出的水凝膠在電子皮膚、人機交互甚至極低溫情況下的可穿戴設備中具有良好的應用前景。未來，微尺度3D打印技術的加入使得復雜3D結構多功能柔性電子和復雜腦機接口的快速制造成為可能。

原文鏈接：
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1426078/