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(zhì)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(guān)注，在柔性傳感器、柔性能源器件及人機接口等方面表現(xiàn)出廣闊的應用前景。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計的結(jié)構(gòu)，為以水凝膠基質(zhì)設計的柔性電子器件的制造提供了靈活性和簡便性。結(jié)合3D打印技術(shù)，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(xiàn)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(shù)制造水凝膠結(jié)構(gòu)，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(shù)字圖像，然后，這些切出來的2D圖案被傳輸?shù)紻MD芯片上，DMD芯片通過2D圖案的形狀調(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)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(xié)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(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)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(lǐng)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(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電介質(zhì)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(xiàn)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(shù)的加入使得復雜3D結(jié)構(gòu)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/