柔性传感器的新应用

标签:传感器
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       如今,传感器的应用已经融入到了各个阶层各个行业之中。你或许在任何地方都能看到各式各样功能繁多的传感器。因为随着信息时代,信息的重要性使得传感器的需求量越来越大。信息的测量就不说了,精确度一直是需要有所考量的。由此,传感器的地位可以称得上是奠定信息时代的基石。

 

       用一块特殊的力-电转换生物材料,制成一个厚度200微米的柔性传感器(正常血管厚度的十分之一),包裹在血管或者心脏周围,就能在手机等外围设备上清晰记录心血管系统在血栓形成初期、中期和末期的全身血液压力的细微变化,同时更精确、实时地反映病变位置在发病初期由于组织和细胞异化所造成的心血管壁外压力的微小差异。

 

       柔性材料是与刚性材料相对应的概念,一般,柔性材料具有柔软 、低模量 、易变形等属性 。常见的柔性材料有:聚乙烯醇( P V A ) 、聚酯 ( P E T ) 、聚酰亚 胺 ( P I ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( P E N ) 、纸片 、纺织材料等 。

 

       而柔性传感器则是指采用柔性材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠,而且结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对复杂被测量进行检测。新型柔性传感器在电子皮肤 、医疗保健 、电子、电工 、运动器材 、纺织品 、航天航空 、环境监测等领域受到广泛应用。

 

       柔性传感器种类较多,分类方式也多样化 。为了满足柔性电子器件的要求,轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质成为了柔性基底的关键指标。

 

       在众多柔性基底的选择中,聚二甲基硅氧烷(PDMS)成为了人们的首选。它的优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等。尤其在紫外光下粘附区和非粘附区分明的特性使其表面可以很容易的粘附电子材料。很多柔性电子设备通过降低基底的厚度来获得显著的弯曲性;然而,这种方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下,可拉伸的电子设备可以完全粘附在复杂和凹凸不平的表面上。

 

       目前,通常有两种策略来实现可穿戴传感器的拉伸性。第一种方法是在柔性基底上直接键合低杨氏模量的薄导电材料。第二种方法是使用本身可拉伸的导体组装器件。通常是由导电物质混合到弹性基体中制备。

 

       按照用途分类,柔性传感器包括柔性压力传感器 、柔性气体传感器 、柔性湿度传感器 、柔性温度传感器 、柔性 应变传感器 、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等;

 

       按照感知机理分类,柔性传感器包括柔性电阻式传感器 、柔性电容式传感器 、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等 。

 

       近日从南京理工大学获悉,该校冯章启教授课题组创造了一种通过监测心血管壁外微应力变化构建的心血管疾病超前预测和术后实时追踪的新方法。目前,该课题组取得阶段性技术突破,并已完成动物临床医学评价。相关研究近期发表在国际纳米技术和纳米器件领域顶级期刊《美国化学学会-纳米材料与器件》上。

 

       新型纳米材料实现高效生物力-电转换。心血管疾病是威胁人类健康的“头号杀手”,血管是否通畅关系到整个心血管系统能否正常运作。血栓是血流在血管内面剥落处或修补处的表面所形成的小块。在可变的流体依赖型中,血栓由不溶性纤维蛋白、沉积的血小板、积聚的白细胞和陷入的红细胞组成。

 

       专家称,心血管疾病的“超前预测”和“术后实时追踪”是临床有效诊断此类疾病的关键所在,特别是针对需要血管肿瘤切除、心脏内支架、瓣膜、血管置换和血管内支架等重症心血管疾病患者。然而,现行的各类分子筛查和影像学技术由于缺乏精准的特异性识别功能,使心血管疾病的超前预测和实时追踪成为临床诊疗的世界性技术难题。

 

       冯章启课题组长期致力于生物电子材料与纳米器件的开发,试图通过监测心血管壁外微应力的变化构建心血管疾病超前预测和实时追踪的新方法。

 

       据论文第一作者李通博士介绍,此次他们首创了一种具有高效生物力-电转换性能的柔性纳米纤维材料,它的厚度仅有200微米,并能够精确感受压强变化,再以电压形式表现出来。

 

       该材料含有丰富的力-电转换偶极子,在仅1000帕斯卡的微压强作用下即可产生每立方厘米1154伏的电压,并具备优异的稳定性、敏感性以及生物相容性。

 

       植入体内后可通过手机实时监测心血管。基于此,该课题组设计制造了一种柔性的植入式压力传感器。他们将该传感器植入到实验动物(成年猪)体内的外周血管和心脏部位,其不仅清晰记录了心血管系统在血栓形成初期、中期和末期的全身血液压力的细微变化,同时输出的压力信号更精确,实时地反映了病变位置在发病初期由于组织和细胞异化所造成的心血管壁外压力的微小差异。

 

       “正常人的血压是有频率性的跳动,但是当血管出现了一些组织或者细胞异化的时候,那么探测仪上就会产生一个波动的信号,无论它是变大或变小,都是紊乱的,我们一旦探测到这个紊乱的信号,与内部存储的信号不匹配的话,就会发出一些警告,表明血管可能出现问题。”冯章启介绍说。

 

       未来,该柔性传感器可伴随心血管手术一同植入体内,通过无线信号发射器的引入,医护人员即可在手机等客户端对患者的心血管系统的病变情况进行实时追踪和诊断。

 

       冯章启解释说:“我们把它转换成可以遥感输出的一个电信号,可以在未来的技术中,把它改造成用手机接收的信号,手机接收到信号后,可以把这个信号分享给医院,这样就可以做到实时远程监控。”

 

       同时,这一超灵敏柔性植入式压力传感器的成功研制也为体内微应力的精准检测提供了可参考的新方法,对临床实时、精准测量脑颅压、肾脏压、眼压等具有极大的技术推动作用。

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