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中科院納米能源所李舟研究員團(tuán)隊等:一種基于壓電和摩擦電復(fù)合效應(yīng)的柔性自成拱生物傳感器
2020-06-06  來源:高分子科技

  目前,心血管疾病已經(jīng)逐漸成為威脅全世界人類健康的最主要因素之一,慢性心血管疾病由于病發(fā)時間較短,病人大多數(shù)時間都是健康狀態(tài),常規(guī)心電檢測很難捕獲心血管突發(fā)性的異常,因此很難做到入院監(jiān)護(hù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息化的不斷進(jìn)步,發(fā)展基于遠(yuǎn)程醫(yī)療的家庭和個人監(jiān)護(hù),降低入院監(jiān)護(hù)治療的成本,具有重要的社會意義。在遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中,能夠起到實時生理監(jiān)測作用的可穿戴式電子設(shè)備是將人體健康狀態(tài)可視化的關(guān)鍵部分,研發(fā)具有高靈敏度,高穩(wěn)定性,高便捷性與長時效性的實時生理健康監(jiān)測裝置也是推動遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展的關(guān)鍵所在。


  中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員的科研團(tuán)隊致力于自驅(qū)動遠(yuǎn)程實時健康監(jiān)測的相關(guān)研究,在前期系列研究成果的基礎(chǔ)上(Semiconductor Science and Technology, 2017, 32(6): 064004.; Advanced Materials, 2017, 29(40): 1703456.; Journal of Materials Chemistry B, 2020, 8(16): 3647-3654.),近期在該研究方向取得了新進(jìn)展,開發(fā)了一種基于壓電和摩擦電復(fù)合效應(yīng)的柔性自成拱貼片式生物傳感器(SANG),相關(guān)成果以“A flexible self-arched biosensor based on combination of piezoelectric and triboelectric effects”為題發(fā)表在Applied Materials Today(DOI: 10.1016/j.apmt.2020.100699)上。


柔性自成拱生物傳感器的結(jié)構(gòu)及制備原理示意圖


  納米發(fā)電機(jī)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,無需外部電源,可作為主動式傳感器,特別適合用于檢測人體的生理信號,如脈搏等。傳統(tǒng)的帶有支撐結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī),大多使用墊片或者彈簧作為支撐結(jié)構(gòu),這可能會增加器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與制造難度,影響器件的穩(wěn)定性和耐久性。該工作中,巧妙地利用了工業(yè)制造中常見的復(fù)合材料間的應(yīng)力不匹配現(xiàn)象,將其用于形成天然的拱形結(jié)構(gòu),來替代傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)中的支撐結(jié)構(gòu),大大簡化了制備工藝,并一定程度上提高了器件的穩(wěn)定性與耐久性。這種自成拱結(jié)構(gòu)的形貌可以通過調(diào)節(jié)兩種高分子材料(聚二甲基硅氧烷PDMS與鉑催化硅橡膠Ecoflex)的質(zhì)量比來輕松調(diào)控,以適配相應(yīng)的傳感器結(jié)構(gòu)。在與摩擦電單元和壓電單元相結(jié)合后,這種復(fù)合式的柔性自成拱貼片式生物傳感器SANG被證明可用于人體的脈搏生理信號監(jiān)測,所獲取的脈搏信號具有良好的穩(wěn)定性與足夠的強(qiáng)度,可以清晰地分辨出男女脈搏信號間的差異。


  該工作為生理信號傳感器,特別是微機(jī)械信號傳感器的制備提供了一種新思路,大大簡化了傳統(tǒng)的加工制備工藝,為批量化生產(chǎn)生理信號傳感器帶來了可能,有望推動遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)的進(jìn)一步發(fā)展。本文第一作者為中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生鄒洋和上海電力大學(xué)碩士生廖靜文;通訊作者為中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員、上海電力大學(xué)鄭莉教授和北京航空航天大學(xué)石波璟特聘副研究員。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100699

  原文下載:A flexible self-arched biosensor based on combination of piezoelectric and triboelectric effects

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