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清华大学冯雪教授团队:静电纺构建类皮肤柔性生物传感器实现人体健康监测

已有 1024 次阅读 2019-4-2 16:18 |系统分类:科普集锦| 生物医用, 静电纺丝

清华大学冯雪教授团队结合多年的可延展柔性电子器件研究经验,发展了基于力学-化学耦合原理的电化学双通道无创血糖测量方法,利用可以与人体自然共型贴附的柔性电子器件,对皮肤表面施加不会引起皮肤不良反应的电场,通过离子导入的方式改变组织液渗透压,调控血液与组织液渗透和重吸收平衡关系,驱使血管中的葡萄糖按照设计路径主动、定向地渗流到皮肤表面。基于力学原理在1.2微米厚的薄膜上制备了具有四层功能层的类皮肤生物传感器。通过制备器件表面微结构实现了纳米级厚度的电子介体电化学沉积,利用基于液体表面张力和蒸发毛细力的仿生液滴转印方法,将多层超薄生物传感器从制备基底上无损地剥离下来,实现整体厚度只有3.8微米的类皮肤柔性生物传感器的制备。本研究介绍了基于力学-化学耦合原理设计的电化学双通道法,实现在皮肤表面施加电场的方式调控皮下组织液的渗透压,无创地驱动血液中葡萄糖外流并被提取到皮肤表面,利用类皮肤柔性电子生物传感器进行共型贴合和精准测量,实现了医疗级的血糖监测精度。相关研究成果以“Skin-like biosensor system via electrochemical channels for noninvasive blood glucose monitoring”为题目发表于Sci. Adv. (Sci. Adv., 2017, DOI:10.1126/sciadv.1701629)。

      近日,冯雪教授团队通过静电纺丝和热处理制备出具有优异压敏性的多功能三维碳纳米纤维网络(CNFNs)构筑成类皮肤传感器用于监测人体生理信号。作者将PAN与二甲基甲酰胺(DMF)混合后加入AlCl3制得前驱体溶液,经电纺和热处理后得到CNFNs,其压力敏感性为1.41kPa−1,远高于类似的三维多孔材料。与传统的碳质材料不同,由于氧化铝的纳米增强,CNFNs具有良好的柔韧性、稳定的回弹能力和超压缩性(>95%)。CNFNs在三维多孔压阻海绵和气凝胶中灵敏度最高,这保证了其对人体关节运动、脉搏、呼吸和运动的强大监测能力。将器件与人体贴合测量温度、脉搏、呼吸等参数;将器件与心血管系统贴合,可以测量心脏生理参数等。此外,CNFNs还具有其他特点,包括超轻密度、疏水性、低导热性和低红外发射率。低红外发射率也可以使CNFN传感器设计的人工电子皮肤增加红外隐身性能。这些综合性能可以拓展CNFN传感器设计的人工电子皮肤的应用,表明CNFN作为轻质保温材料或具有疏水性的红外隐身材料具有广阔的应用前景和有效性。因此,CNFNs具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Fabrication of highly pressure-sensitive, hydrophobic, and flexible 3D carbon nanofiber networks by electrospinning for human physiological signal monitoring”为题目发表于Nanoscale上。

  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c8nr08341j#!divAbstrac

  作者简介:

  冯雪,男,1977年出生,清华大学教授、博导,973首席科学家、国家优秀青年基金获得者、全国优博。1998年在重庆大学获得工程力学/自动控制双学士学位,2003年1月在清华大学获博士学位,2004-2007年在伊利诺伊大学香槟城分校(UIUC)从事博士后研究,2005-2006年同时双聘于加州理工学院(Caltech)从事访问博士后研究。现任应用力学教育部重点实验室副主任,美国机械工程师协会(ASME)会刊之一Journal of Applied Mechanics副主编,中国力学学会实验力学专业委员会委员、学科交叉与复杂环境实验方法专业组组长等。

  冯雪致力于研究非常规环境下的微器件与实验力学,发展超柔性环境下可与人体贴合的可延展柔性光子/电子器件,以及高温/超高温环境下热防护地面考核试验方法与科学仪器。至今已正式发表或接收SCI论文近80篇,英文书章1篇,SCI他引600余次;目前已授权国防专利2项、国家发明专利12项、自主软件著作权4项。先后主持了973项目、国家科技重大专项、国防863、基金委国际重大合作项目、基金委重大研究计划项目、总装预研项目等。

链接地址:http://www.espun.cn/news/detail-764.html

文章来源:易丝帮



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