En holdbar nanomesh-sensor på huden til at overvåge hudens naturlige bevægelser

Komfortable belastningsmålere kan placeres direkte på menneskelig hud for at overvåge kontinuerlig bevægelsesaktivitet med udbredte anvendelser inden for robotteknologi, menneskelig bevægelsesdetektion, og personlig sundhedspleje. Imidlertid, det er udfordrende at udvikle en belastningsmåler på huden til at overvåge langsigtede menneskelige kropsbevægelser uden at forstyrre hudens naturlige bevægelse. I en ny rapport nu på Videnskabens fremskridt , Yan Wang, og et team af forskere i elektroteknik ved University of Tokyo og Center for Emergent Matter Science i Japan præsenterede en ultratynd og holdbar nanomesh strain gage. Enheden tillod kontinuerlig bevægelsesaktivitet for at minimere de mekaniske begrænsninger på naturlig hudbevægelse. De konstruerede enheden ved hjælp af forstærkede polyurethan-polydimethylsiloxane (PU-PDMS) nanomeshes for fremragende bæredygtighed og holdbarhed. Enhedens geometri og blødhed gav minimal mekanisk interferens for naturlige huddeformationer. Under taleprøver, for eksempel, det nanomesh-fastgjorte ansigt viste kortlægning af hudbelastninger svarende til naturlig hud uden nanomeshes. Wang et al. demonstreret langsigtet ansigtskortlægning for at detektere realtid, stabile kropsbevægelser med overfladebundne nanomesh-sensorer.

Engineering en nanomesh

Bærbar elektronik til applikationer på huden er designet til at være tynd, blød og holdbar til at integrere med menneskelig hud til kontinuerlige langsigtede applikationer. Strain-gages har tiltrukket sig betydelig interesse for bioteknik på grund af deres anvendelser i menneske-maskine-grænseflader til sundhedsdiagnostik. Bløde og højpræcisions strain gauges kan anvendes til kontinuerligt at måle den biologiske organfunktion. Imidlertid, de har enklere mekanismer til at generere gentagne elektriske ændringer efter mekanisk deformation, til applikationer, der forbinder biologiske systemer. Enhederne kræver kun høj mekanisk overensstemmelse, fleksibilitet, følsomhed og biokompatibilitet for optimal funktion. I dette arbejde, Wang et al. udviklet en ultratynd og holdbar nanomesh strain gage til at registrere menneskelig bevægelse og samtidig minimere mekaniske begrænsninger på naturlig hud. De brugte PU-PDMS (polyurethan-polydimethylsiloxan) til at konstruere nanomeshes med en ultralet vægt på 0,12 mg/cm ² og ekstraordinær mekanisk holdbarhed til high-cycle stretching og release applikationer. Holdet brugte opsætningen til med succes at kortlægge ansigtets hudbelastning under tale i op til 3,5 timer med minimal mekanisk interferens efter langvarig brug.

Under forsøgene, holdets første elektrospundne PU (polyurethan) nanofibre til at skabe lange, hårlignende fibre til at danne rygraden i den permeable nanomesh-sensor. I næste trin, de dyppede PU-nanofiberarket i en fortyndet PDMS (polydimethylsiloxan) opløsning for at nanofibrene dannede tilfældige bundter omkranset af PDMS. Wang et al. udsat materialet for mild ultraviolet (UV) ozoneksponering for at hærde overfladen og lette overfladens hydrofilicitet (vandelskende natur) for biokompatibilitet. De færdiggjorde enheden ved hjælp af guldaflejring på begge sider og observerede den resulterende PU-PDMS-kerneskede ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM). PDMS-belægningen forbedrede sammenkoblingen mellem nanofibrene for forbedret strukturel integritet af konstruktionerne. Den resulterende mekaniske styrke af den fritstående PU-PDMS nanomesh forbedredes meget med større strækbarhed sammenlignet med det nøgne nanofiberark, og holdet undersøgte også dets gaspermeabilitet.

Programmerbar strækbarhed og følsomhed

Wang et al. effektivt designet forskellige nanomesh-strukturer ved at variere PDMS-koncentrationen for at opnå nanomesh-strain gages med forskellige følsomheder og strækevner. Imidlertid, alle anordninger bibeholdt ens porestørrelsesfordelinger i forhold til deres porøse struktur. Forskerne definerede gage-faktoren (GF) eller belastningsfølsomhed som forholdet mellem fraktioneret ændring i elektrisk modstand og fraktioneret ændring i længden. Forskellige mesh-strukturer viste forskellige strækevner og gage-faktorer. Under enakset strækning, modstanden af ​​hver enhed steg med forskellige hastigheder. Ved at fortynde PDMS-opløsningen, de programmerede effektivt nanomesh-strain gages med forskellige strækevner og følsomheder. Ved højere belastninger ud over toleranceområdet, PU-PDMS-maskerne afbrudt for at forårsage nanomesh-nedbrud, mens nanomesh-strukturen kunne bibeholdes ved at frigøre stammen.

Elektromekanisk bæredygtighed, pålidelighed og holdbarhed af PU-PDMS nanomesh-sensorer

For at forstå enhedens bæredygtighed, forskerholdet påførte en 40 % belastning på enheden i 12 timer. De udførte derefter cykliske tests for at undersøge den mekaniske holdbarhed af konstruktionen og noterede en let hysterese i modstand i de første par hundrede cyklusser på grund af de mekaniske egenskaber af PDMS. Plademodstanden af ​​PU-PDMS nanomesh var stabil under 100 dages opbevaring under omgivende forhold på grund af dens inerte guldoverflade, indikerer en lang holdbarhed, velegnet til praktiske anvendelser. Forskerne udførte holdbarhedstest for nanomesh-sensorerne ved hjælp af konstruktioner konstrueret med forskellige nanofiber-stilladser, herunder polyvinylalkohol (PVA), polyurethan (PU) alene og PU med parylenbelægning. Sammenlignet med de tre andre nanomeshes, der ikke fungerede så effektivt, PU-PDMS nanomeshes viste ensartet cyklisk belastning i løbet af 100 cyklusser.

Efter at have fastgjort nanomesh-enheden til menneskelig hud, holdet sprøjtede overfladen med vandtåge for stabil vedhæftning. Kontakten var knap mærkbar for forsøgspersonen, der bar nanomesh-sensorerne under eksperimentet. Wang et al. fastgjort nanomesh-sensorer på højre side af ansigtet og placeret sorte rektangelmarkører på venstre side som reference. Da testpersonen formulerede bogstaverne "a, " "o" og "u, "de højeste belastninger registreret for sorte markører varierede mellem 17,5 til 25 %, mens de registrerede for nanomesh-sensorer var 18,3 til 23,6 %. Strain mapping-resultaterne viste derfor symmetrisk hudbelastningsfordeling på højre og venstre side af ansigtet, fremhæve minimale mekaniske begrænsninger af enheder i nanoskala på huden under tale. De formbare nanomeshes kunne bæres i 3,5 timer uden ubehag.

Holdet udvidede derefter eksperimenterne for at opdage subtile huddeformationer på det menneskelige håndled fremkaldt af puls. De trykkede forsigtigt på den radiale arterie i det menneskelige håndled fastgjort med en nanomesh-sensor og valgte amplituden og frekvensen i realtid, enheden kan bruges til at overvåge signaler før og efter fysisk træning. Konstruktionen bibeholdt højere lineær strækbarhed for at detektere store ledbøjningsbevægelser med fremragende compliance for at forhindre brud eller løsrivelse fra huden. Belastningssensoren bibeholdt effektiv funktionalitet selv efter 10, 000 bøjnings-/afspændingscyklusser for at demonstrere dens strukturelle integritet og tilpasningsevne mellem huden og enheden.

På denne måde PU-PDMS (polyurethan-polydimethylsiloxan) baseret ultra-blød, flerlagede nanomeshes udviklet i dette arbejde var tyndere og mere strækbare sammenlignet med tidligere arbejde udført af det samme team. Konstruktionerne viste bemærkelsesværdig holdbarhed og bæredygtighed under cykliske stræktests. Den mekaniske holdbarhed var en nøglefunktion for langsigtede hudovervågningstests med høj præcision i realtid. Nanomesh-sensorerne er velegnede til en række praktiske anvendelser, herunder fjernovervågning af personlig helbred, sporing af udholdenhedssportspræstationer og som hud-maskine interface-proteser. Wang et al. foreslå at erstatte guldoverfladebelægningen med mere omkostningseffektive ledende nanomaterialer for at konstruere nanomesh-elektronik i fremtiden. Forskerne forestiller sig, at disse konstruktioner vil blive anvendelige som futuristisk on-hud/implanterbar elektronik til daglige sundhedsovervågningsaktiviteter.

© 2020 Science X Network