同濟(jì)大學(xué)：研究基于雙極性駐極體的全生物可降解、高靈敏度壓力傳感器及體內(nèi)/外生物力學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

01 研究背景

電子垃圾的增長(zhǎng)促使人們?cè)絹碓街匾晜鞲胁牧虾驮O(shè)備的范式轉(zhuǎn)變，迫切需要具有生物降解性和吸收性的新型傳感電子器件。因此，開發(fā)基于天然生物原材料的“綠色”柔性電子設(shè)備是未來可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

02 研究概述

基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測(cè)和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測(cè)心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電活動(dòng)（1）本研究基于多孔聚乳酸（PLA）駐極體薄膜開發(fā)了一種全可生物降解的壓力傳感器，并展示了其在生物力學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力。得益于鋸齒狀波紋結(jié)構(gòu)PLA駐極體膜的優(yōu)異壓縮變形特性、良好的回彈性及雙極性電荷儲(chǔ)存能力，所制備的傳感器的壓力靈敏度高達(dá)10 V/kPa，壓強(qiáng)檢測(cè)范圍為0.03-62.4 kPa，壓力分辨率為0.91%，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（~17 ms），并在30,000 次的壓縮循環(huán)后保持性能穩(wěn)定。此外，傳感器的所有組成材料都表現(xiàn)出良好的生物相容性，通過調(diào)整封裝層的厚度，成功實(shí)現(xiàn)壓力傳感器在生理環(huán)境中的壽命調(diào)控。本研究設(shè)計(jì)制備的環(huán)境友好型傳感器在可穿戴設(shè)備和植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中具有重要的應(yīng)用潛力。

（1）本研究基于多孔聚乳酸（PLA）駐極體薄膜開發(fā)了一種全可生物降解的壓力傳感器，并展示了其在生物力學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力。得益于鋸齒狀波紋結(jié)構(gòu)PLA駐極體膜的優(yōu)異壓縮變形特性、良好的回彈性及雙極性電荷儲(chǔ)存能力，所制備的傳感器的壓力靈敏度高達(dá)10 V/kPa，壓強(qiáng)檢測(cè)范圍為0.03-62.4 kPa，壓力分辨率為0.91%，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（~17 ms），并在30,000 次的壓縮循環(huán)后保持性能穩(wěn)定。此外，傳感器的所有組成材料都表現(xiàn)出良好的生物相容性，通過調(diào)整封裝層的厚度，成功實(shí)現(xiàn)壓力傳感器在生理環(huán)境中的壽命調(diào)控。本研究設(shè)計(jì)制備的環(huán)境友好型傳感器在可穿戴設(shè)備和植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中具有重要的應(yīng)用潛力。

圖1：全可降解型壓力傳感器在“以人為中心”的生物電子器件中的應(yīng)用潛力及生態(tài)友好性

（圖片來自原文）

（2）駐極體中“真實(shí)”電荷的存在是目標(biāo)傳感器正常工作的基本條件，其存儲(chǔ)電荷量的多少直接影響傳感器的輸出性能。本研究首先采用正、負(fù)電暈極化裝置對(duì)多孔PLA進(jìn)行極化處理。接著，測(cè)試了正/負(fù)電暈極化后，樣品表面電位在室溫環(huán)境下的時(shí)間衰減特性曲線。結(jié)果表明，樣品表面電位在最初5天內(nèi)有一個(gè)明顯的衰減，但隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，表面電位趨于穩(wěn)定，160天后，穩(wěn)定后的表面電位絕對(duì)值仍在1 kV以上，為初始值的40%。與此同時(shí)，在室溫環(huán)境下儲(chǔ)存180天后，致密PLA薄膜僅保留了約10%的初始表面電位值，表明多孔微結(jié)構(gòu)在改善PLA駐極體電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性上的有效性。

圖2：多孔PLA駐極體的電暈極化工藝示意圖及電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性

（表格來自原文）

（3）明確多孔PLA駐極體的電荷儲(chǔ)存性能后，設(shè)計(jì)制備了基于該薄膜的壓力傳感器。首先采用折紙工藝折疊多孔PLA薄膜，制成鋸齒狀波紋結(jié)構(gòu)薄膜。接著采用針-板電暈極化裝置對(duì)波紋結(jié)構(gòu)PLA薄膜進(jìn)行極化處理，當(dāng)電暈針與材料之間的電壓超過空氣氣隙的Paschen 閾值電壓時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致空氣的電離產(chǎn)生大量的帶電離子。最后，將極化好的雙極性波紋狀PLA薄膜層嵌入兩片金屬鉬（Mo）電極中間，制成基于雙極性駐極體的全生物可降解壓力傳感器。整個(gè)制作過程無需借助復(fù)雜的工藝技術(shù)，材料處理簡(jiǎn)單，易于低成本、大規(guī)模制備。

駐極體基壓力傳感器是一種自供電有源傳感器，工作機(jī)制主要基于靜電效應(yīng)。極化后的鋸齒狀波紋結(jié)構(gòu)PLA駐極體薄膜上下表面帶相反極性的電荷，其分別在上電極和下電極上感應(yīng)與薄膜相對(duì)面相反極性的電荷，當(dāng)受到外部壓力作用時(shí)，波紋結(jié)構(gòu)PLA駐極體薄膜受壓變形，氣隙層厚度發(fā)生改變，使得上下電極上的感應(yīng)電荷量發(fā)生改變，從而在外電路中檢測(cè)到電學(xué)輸出信號(hào)。類似地，當(dāng)外力撤去后，波紋結(jié)構(gòu)PLA駐極體薄膜恢復(fù)到初始狀態(tài)，在外電路中檢測(cè)到相反方向的電流信號(hào)。感應(yīng)電荷將通過外部電路來回流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)與駐極體膜和電極之間的氣隙厚度變化的電位平衡，從而產(chǎn)生交替的電學(xué)輸出信號(hào)。

圖3：生物可降解型壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝及工作機(jī)理

（圖片來自原文）

（4）本研究中PLA薄膜上下兩面帶相反極性的電荷，與相同結(jié)構(gòu)的單面帶極性電荷的PLA薄膜來說，器件在電學(xué)輸出方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)镻LA駐極體薄膜儲(chǔ)存正/負(fù)電荷的能力是相似的，雙極性駐極體的等效電荷密度是單極性駐極體的2倍，并且兩個(gè)氣隙層厚度在外力作用下都會(huì)發(fā)生改變，所以雙極性駐極體器件在電學(xué)輸出方面更有優(yōu)勢(shì)。我們測(cè)試了單極性和雙極性器件在不同外加壓強(qiáng)下的輸出電壓，結(jié)果顯示，在相同的外部壓強(qiáng)下，雙極性器件的輸出電壓約為單極性器件的2倍，具有更優(yōu)異的壓力傳感靈敏度。

圖4：基于雙極性駐極體壓力傳感器的性能優(yōu)越性

（圖片來自原文）

（5）本研究對(duì)雙極性駐極體壓力傳感器的機(jī)電傳感特性進(jìn)行了系統(tǒng)表征，包括靈敏度、壓強(qiáng)檢測(cè)范圍、預(yù)加載壓強(qiáng)依賴性、壓力分辨率、頻率特性和響應(yīng)時(shí)間等。結(jié)果表明，壓力傳感器的壓力靈敏度可高達(dá)10 V/kPa，壓強(qiáng)響應(yīng)范圍為0.03-62.4 kPa，壓力分辨率為0.91%，相應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間為17 ms，并且具有穩(wěn)定的頻率以及加速度響應(yīng)能力。

圖5：壓力傳感器的機(jī)電傳感特性

（圖片來自原文）

（6）評(píng)估傳感器在不同環(huán)境下的機(jī)電傳感穩(wěn)定性。新制備的壓力傳感器初始“等效”壓電d33系數(shù)可達(dá)~30,000 pC/N，遠(yuǎn)高于相應(yīng)的多孔PLA鐵電駐極體，在室溫環(huán)境下儲(chǔ)存200天后，穩(wěn)定的壓電d33系數(shù)在5,000-10,000 pC/N之間。此外，傳感器呈現(xiàn)出令人滿意的耐熱性以及優(yōu)異的機(jī)械耐久性。

圖6：壓力傳感器的電學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性

（圖片來自原文）

（7）得益于上述性能評(píng)估，團(tuán)隊(duì)展示了壓力傳感器感知手部運(yùn)動(dòng)的一系列嘗試，包括不同形式的觸摸、抓握、動(dòng)態(tài)稱重以及手掌的開合運(yùn)動(dòng)，證實(shí)了傳感器可以采集高質(zhì)量的體外生物力學(xué)信號(hào)。

圖7：體外生物力學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

（圖片來自原文）

（8）為了進(jìn)一步擴(kuò)展生物可降解型壓力傳感器的潛在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，構(gòu)建了PLA/PBAT封裝的器件，并在SD大鼠體內(nèi)測(cè)試了其生物力學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)能力。結(jié)果表明，傳感器具有良好生物安全性以及優(yōu)異的體內(nèi)生物力學(xué)信號(hào)探測(cè)能力，在植入式醫(yī)療設(shè)備中具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖8：體內(nèi)生物力學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

（圖片來自原文）

03 研究意義

本研究在生物電子低碳和可持續(xù)發(fā)展的背景下，文中報(bào)道的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了多性能集成，提供了生物可降解材料可控制備和傳感器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新方案，有望推動(dòng)面向?qū)嶋H應(yīng)用的可持續(xù)電子設(shè)備研究。

來源：BME康復(fù)工程分會(huì)

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