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《Materials Horizons》:3D打印高灵敏微凝胶传感器

《Materials Horizons》:3D打印高灵敏微凝胶传感器

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-03-20 16:03
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【概要描述】提供了一种通过可固化微凝胶3D打印来制备具有高灵敏度和力学稳定性的微结构水凝胶传感器的方法。

《Materials Horizons》:3D打印高灵敏微凝胶传感器

【概要描述】提供了一种通过可固化微凝胶3D打印来制备具有高灵敏度和力学稳定性的微结构水凝胶传感器的方法。

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2023年7月25日,中山大学付俊教授团队在《Materials Horizons》上发表题为3D printed microstructured ultra-sensitive pressure sensors based on microgel-reinforced double network hydrogels for biomechanical applications研究论文,提供了一种通过可固化微凝胶3D打印来制备具有高灵敏度和力学稳定性的微结构水凝胶传感器的方法。

原文链接:

https://doi.org/ 10.1039/d3mh00718a

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 研究简介 

 

水凝胶柔性传感器在健康和运动监测方面具有广阔的应用前景。水凝胶传感器灵敏度较低,是制约其发展和应用的关键问题。设计和构筑仿生微结构是提高柔性传感器灵敏度、降低检测限的重要思路。微凝胶3D打印是构筑微结构的有效手段,但存在结构稳定性较差,打印效率低等问题。研究和开发快速、直接打印的微凝胶墨水,提高其机械性能,是解决水凝胶3D打印技术瓶颈,推动其在柔性可穿戴设备、组织工程等领域广泛应用的关键。本文展示了通过3D打印微凝胶增强双网络(MRDN)水凝胶来制造分层结构的水凝胶传感器,以实现非常高的灵敏度和机械韧性。聚电解质微凝胶被用作构建块,与第二网络相互渗透,以构建超坚韧的水凝胶。制备的水凝胶抗拉强度为1.61MPa,高含水率的断裂韧性为5.08MJ/m3。MRDN水凝胶前体具有可逆的凝胶-溶胶过渡,是高保真度和精度的3D打印微结构传感器阵列的理想墨水。微结构水凝胶传感器的灵敏度高达0.925kPa-1,是普通水凝胶传感器的50倍以上。水凝胶传感器作为一个阵列组装在一个鞋垫上,以监测步行过程中的足部生物力学。此外,制作了具有不同微结构和灵敏度的传感器像素空间分布良好的传感器阵列,用于跟踪爬行乌龟的轨迹。这种水凝胶传感器在柔性可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景。

 

 

图1 基于微凝胶增强双网络水凝胶的3D打印微结构

 

 

 

图2 微凝胶增强双网络(MRDN)水凝胶的力学性能

 

 

 

图3 MRDN水凝胶用于生物力学及足部健康监测

 

 

 

图4 3D打印微结构传感器阵列应用于轨迹跟踪

 

 

 研究结论 

 

本文开发了一种用于3D打印的微凝胶增强双网络(MRDN)水凝胶系统,用于设计高灵敏度和高韧性的微结构柔性传感器以及人体运动监测和跟踪应用。聚电解质微凝胶通过第二网络互穿,作为构建超坚韧水凝胶的基石。制备的水凝胶抗拉强度为1.61MPa,高含水率的断裂韧性为5.08MJ/m3。MRDN水凝胶前体具有可逆的凝胶-溶胶过渡,是高保真度和精度的微结构传感器阵列3D打印的理想墨水。因此,分层结构的制造可以将压力敏感性提高50倍,并具有出色的抗循环载荷结构稳定性。水凝胶传感器被组装成一个可穿戴的鞋垫,带有8通道压力传感器,用于监测人体步态。此外,我们证明了灵敏度对微观结构的依赖。MRDN水凝胶被打印成具有精心设计的金字塔、半球和立方体平面内分布的柔性传感器阵列。显微结构灵敏度的差异被用来帮助跟踪表面上移动的动物(如乌龟)。本研究为利用可固化微凝胶油墨3D打印制备高灵敏度、高稳定性的微结构水凝胶传感器提供了一种有前景的方法。高性能水凝胶压力传感器在可穿戴设备、软机器人、电子皮肤等领域的应用前景广阔。

 

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