Advanced Science: 用于可穿戴和植入式电子的超弹、高灵敏、核-鞘纤维状应变传感器

近年来材料科学和制造技术的快速进步极大促进了柔性可延展传感电子器件的发展。尽管通过一系列的结构设计(如:波浪、蛇形结构等)可以赋予传统刚性材料和硅基器件一定程度的形变能力,但是这些材料依旧难以承受显著的机械形变。当这些电子器件穿戴在人体皮肤或者弯曲表面时,器件和柔软的人体组织之间的机械不匹配是该领域需要解决的关键科学问题之一。因此,能用于可穿戴和植入式电子器件的超弹、高灵敏的柔性传感器需求迫切。

为此,中科院苏州纳米所张珽课题组和第三军医大学大坪医院赵辉、熊雁研究团队合作,针对上述需求和关键科学问题,采用预拉伸-包裹-释放的策略得到了一种新型表面具有均匀褶皱结构的核-鞘纤维状超弹应变传感器,并证明了其在大应变、全工作范围内有出色的传感性能。在该工作中,研究者首先制备了超轻薄的碳纳米管复合薄膜(˜800 nm),进一步地通过旋转包裹的方式将其组装于预拉伸为1600%的超弹热塑性弹性体(TPE)上,最后释放应力得到最大应变范围可以达到1135%的纤维状超延展应变传感器。该超弹纤维应变传感器具有接近皮肤的弹性模量(~140 kPa),由于器件鞘层周期性褶皱结构相互接触形成了大量接触导电通路,在形变过程中会引起电阻值的显著变化,从而既可以对微弱应变又可以对大应变有良好的响应,因此在整个工作范围内具有高的灵敏度(0-150%应变范围内灵敏度(GF)为21.3,200%-1135%应变范围内GF为34.22)。

该工作为从材料、结构与界面角度设计和制造超延展柔性电子器件提供了新思路,可以有效地消除器件与柔软组织之间的模量差异带来的性能损耗,并成功地演示了其对人体微小肌肉运动以及大范围的关节运动实时监测能力,以及作为可植入式器件用于数字化医疗来评估术后肌腱修复情况的潜力。相关工作以“Ultrastretchable Fiber Sensor with High Sensitivity in Whole Workable Range for Wearable Electronics and Implantable Medicine”为题,发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201800558)上,第一作者为李连辉博士,通讯作者为张珽研究员。请点击https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.201800558 阅读全文。

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