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

來(lái)源：摩方精密

近年來(lái)，柔性電子在可穿戴設(shè)備、電子皮膚等眾多應(yīng)用中扮演著越來(lái)越重要的角色，以水凝膠為基質(zhì)設(shè)計(jì)的柔性電子由于其良好的導(dǎo)電性、柔性以及生物相容性等特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注，在柔性傳感器、柔性能源器件及人機(jī)接口等方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（PμSL）可快速制造并成型任意形狀和定制設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，為以水凝膠基質(zhì)設(shè)計(jì)的柔性電子器件的制造提供了靈活性和簡(jiǎn)便性。結(jié)合3D打印技術(shù)，并對(duì)水凝膠進(jìn)行諸如超抗凍、超拉伸、導(dǎo)電等性能設(shè)計(jì)，在一定程度上拓寬了水凝膠的功能和應(yīng)用范圍。

近日，湖南大學(xué)王兆龍助理教授、段輝高教授與上海交通大學(xué)鄭平院士等人合作，該團(tuán)隊(duì)基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印機(jī)nanoArch S/P140，開(kāi)發(fā)了一種能夠耐受-115℃極高導(dǎo)電能力的水凝膠體系，實(shí)現(xiàn)了極低溫條件下的可穿戴設(shè)備運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)及腦電信號(hào)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(shù)制造水凝膠結(jié)構(gòu)，首先，作者通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（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(shù)字圖像，然后，這些切出來(lái)的2D圖案被傳輸?shù)紻MD芯片上，DMD芯片通過(guò)2D圖案的形狀調(diào)節(jié)其上照射的紫外光（LED，405nm）。具有相應(yīng)定義的2D圖案的成形紫外光通過(guò)一個(gè)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(huì)使水凝膠前體溶液在相應(yīng)區(qū)域發(fā)生局部聚合反應(yīng)并成型附著在打印平臺(tái)上。再控制降低打印平臺(tái)，紫外光投影照射繼續(xù)打印下一層。這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到整個(gè)水凝膠結(jié)構(gòu)被制造出來(lái)（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(jié)合光固化3D打印nanoArchS/P140設(shè)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(qiáng)烈的物理作用，從而提高3D打印水凝膠的拉伸性（2500%），并進(jìn)一步提高其機(jī)械強(qiáng)度；三元醇和高濃度離子鹽的協(xié)同作用賦予了水凝膠極佳的導(dǎo)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(zhuǎn)的動(dòng)作，并具有一定的低溫導(dǎo)電性（圖2）。

圖1 基于面投影微立體光刻技術(shù)的水凝膠加工過(guò)程

圖2 水凝膠的力學(xué)、電學(xué)和抗凍性能設(shè)計(jì)

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

圖3 柔性應(yīng)變傳感器應(yīng)用

圖4 水凝膠柔性電極腦機(jī)接口應(yīng)用

總而言之，本研究基于面投影微立體光刻技術(shù)，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(jié)合高濃度的離子鹽和三元醇作為導(dǎo)電介質(zhì)和抗凍劑，使得所開(kāi)發(fā)的水凝膠體系具有優(yōu)異機(jī)械、導(dǎo)電和抗凍性能，并且可作為柔性應(yīng)變傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)和微弱信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可進(jìn)一步用作腦機(jī)接口，準(zhǔn)確采集大腦中的腦電信號(hào)，包括α、β波以反映大腦活動(dòng)的整體信息。本文提出的水凝膠在電子皮膚、人機(jī)交互甚至極低溫情況下的可穿戴設(shè)備中具有良好的應(yīng)用前景。未來(lái)，微尺度3D打印技術(shù)的加入使得復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)多功能柔性電子和復(fù)雜腦機(jī)接口的快速制造成為可能。

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