印刷电子产品使带电纹身和个性化生物传感器成为可能

时间:2020-01-03 17:00 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

印刷电子产品使带电纹身和个性化生物传感器成为可能

第一次演示的完全打印电子技术是温和的,足以工作在像人类皮肤和纸张一样精致的表面。

 

杜克大学(Duke University)的电气工程师设计出了一种电子设备的完全就地打印技术,这种技术非常温和,可以在纸张和人体皮肤等脆弱的表面上工作。这一进展可能使一些技术成为可能,如高附着性、嵌入式电子纹身和用病人专用生物传感器制成的绷带。

2019年7月9日,《纳米尺度》杂志和2019年10月3日,《ACS Nano》杂志在网上发表了一系列论文,对这些技术进行了描述。

“当人们听到‘印刷电子产品’这个词时,我们期望的是,一个人把一个基片和电子电路的设计装入打印机,过一段合理的时间后,去掉一个功能齐全的电子电路。”艾伦·富兰克林说,他是杜克大学电子和计算机工程学院的詹姆斯·l·和伊丽莎白·m·文森特副教授。

“一些更新奇的应用包括紧密连接的电子纹身,可以用于生物标记或独特的检测机制,快速原型定制电子设备,以及基于纸张的诊断,可以很容易地集成到定制绷带。”

“多年来,有大量的研究论文承诺这种‘全印刷电子产品’,但事实是,这个过程实际上包括多次取出样品,烘烤、清洗或在上面纺丝。”富兰克林说。“我们是第一个符合公众认知的地方。”

所谓的电子纹身的概念是在2000年代末由约翰·a·罗杰斯(John A. Rogers)首先在伊利诺伊大学(University of Illinois)提出的,罗杰斯现在是西北大学(Northwestern University)材料科学与工程教授路易斯·辛普森(Louis Simpson)和金伯利·奎雷(Kimberly Querrey)。rogers的电子纹身不是真正的永久性皮肤纹身,而是一种薄而有弹性的橡胶贴片,内含同样有弹性的电子元件。

这种薄膜贴在皮肤上,很像一个临时的纹身,早期的柔性电子产品被制成包含心脏和大脑活动监测仪和肌肉刺激器。虽然这类设备正在走向商业化和大规模制造,但在某些领域它们并不适合,比如需要通过添加定制电子设备直接修改表面。

“为了让直接打印或添加式打印真正有用,你需要能够一步打印出你要打印的全部内容,”富兰克林说。“一些更新奇的应用包括紧密连接的电子纹身,可以用于生物标记或独特的检测机制,快速原型定制电子设备,以及基于纸张的诊断,可以很容易地集成到定制绷带。”

在7月份的论文中,富兰克林实验室和杜克大学化学教授本杰明·威利(Benjamin Wiley)的实验室开发了一种新型墨水,这种墨水含有银纳米线,可以用气溶胶打印机在低温下打印到任何基质上。它产生了一层薄膜,不需要进一步处理就能保持其导电性。打印后,墨水在不到两分钟内就干了,即使在承受超过1000倍的50%的弯曲应变后,仍能保持其高电气性能。

在第一篇论文的视频中,研究生Nick Williams在他小指的下方打印了两个电子激活引线。在他手指的末端,他把导线连接到一个小的LED灯上。然后,他在两个打印的引线底部施加电压,即使他弯曲和移动手指,LED也能保持点亮状态。

在第二篇论文中,富兰克林和他的研究生陆世衡(音译)进一步将导电墨水与其他两种可打印元件结合起来,创造出功能晶体管。这台打印机首先制造出一条半导电的碳纳米管。一旦它干了,不需要从打印机上取下塑料或纸基板,两条从两边延伸几厘米的银色纳米线就可以打印出来。一个二维材料的非导电介电层,六角形氮化硼,然后打印在原来的半导体带的顶部,然后是一个最终的银纳米线栅电极。

与今天的技术,至少有一个这些步骤需要被删除的衬底额外处理,如化学浴冲掉多余的材料,硬化过程,确保层don’ t混合,或延长烘烤去除有机物质,可以干扰电场的痕迹。

但富兰克林的现场打印不需要这些步骤,尽管每一层都需要完全干燥以避免混合材料,但可以在迄今为止报道的最低整体处理温度下完成。

没人想到雾化油墨,尤其是氮化硼,在不经过至少一个半小时烘烤的情况下,就能提供制造功能性电子产品所需的性能。富兰克林说。“但我们不仅让它开始工作,我们还证明打印后烘烤两个小时并不能改善它的性能。”这是它能得到的最好的只是使用我们的完全打印到位的过程。”

富兰克林并不认为他的印刷方法会取代大规模的可穿戴电子产品制造过程。但他确实看到了快速原型制作等应用的潜在价值,或者在某些情况下,一种模式无法适用于所有情况。

“设想一下,制作一种包含生物传感器等电子设备的定制绷带,护士只需走到工作站,输入特定病人需要的功能,”富兰克林说。“这是一种按需印刷能力,可能有助于推动这一趋势。”

引用:

“直写式电子纹身用银纳米线油墨”尼古拉斯·x·威廉姆斯、史蒂文·诺伊斯、乔治·a·卡德纳斯、马修·卡特纳奇、本杰明·j·威利和亚伦·d·富兰克林,2019年8月14日,纳米尺度。

DOI: 10.1039 / c9nr03378e

使用气溶胶喷墨打印的柔性、原位打印的一维-二维薄膜晶体管卢士恒、乔治·a·卡德纳斯、罗宾·沃斯利、尼古拉斯·x·威廉姆斯、约瑟夫·b·安德鲁斯、辛齐亚·卡西拉吉和艾伦·d·富兰克林,2019年10月3日,ACS Nano。

DOI: 10.1021 / acsnano.9b04337

这项工作得到了国防部国会指导的医学研究项目(W81XWH-17-2-0045)、国家卫生研究院(1R21HL141028)和国家科学基金会(ECCS-1542015)的支持。

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