印刷电子产品为纹身和个性化生物传感器提供开放性途径

近日,杜克大学的电气工程师已经为电子设备设计了一种现场印刷的技术,这种技术足够柔和,可以在纸张和包括人体皮肤在内的脆弱表面上使用,从而为开发具有高附着力的嵌入式电子纹身和带有针对患者的生物传感器的绷带铺平了道路。

  据外媒报道,近日,杜克大学的电气工程师已经为电子设备设计了一种现场印刷的技术,这种技术足够柔和,可以在纸张和包括人体皮肤在内的脆弱表面上使用,从而为开发具有高附着力的嵌入式电子纹身和带有针对患者的生物传感器的绷带铺平了道路。

  据悉,在Nanoscale杂志和ACS Nano杂志中发表的一系列论文中介绍了该技术。

印刷电子产品为纹身和个性化生物传感器提供开放性途径

  直接在杜克大学研究生尼克·威廉姆斯(Nick Williams)的小指的下面印有两条电子有源引线,当施加电压时,它们成功点亮了LED。图片:杜克大学尼克·威廉姆斯)

  “当人们听到'印刷电子设备'一词时,人们期望将基板和电子电路的设计装载到打印机中,并在合理的一段时间后,将功能齐全的电子电路拆除,” Aaron Franklin,杜克大学电气与计算机工程副教授说。

  “多年来,有大量的研究论文对这类“完全印刷的电子产品”作出了承诺,但现实情况却是,该过程实际上涉及多次取出样品以进行烘烤、洗涤或旋涂材料到样品上。 ”富兰克林说。“我们是第一个将现实与公众的看法相匹配的国家。”

  所谓的电子纹身的概念最早是由John A. Rogers在伊利诺伊大学于2000年代后期提出的,John A. Rogers现在是路易斯·辛普森(Louis Simpson)和西北大学材料科学与工程学的金伯利·奎里(Kimberly Querrey)教授。Rogers的电子纹身不是将永久性的纹身永久注入皮肤,而是由薄而柔软的橡胶块组成,其中包含同样柔软的电子组件。

  薄膜像临时纹身一样粘在皮肤上,而早期的柔性电子设备被制成包含心脏和大脑活动监测器以及肌肉刺激器。尽管这些类型的设备正朝着商业化和大规模生产的方向发展,但在某些领域它们并不十分适合,例如当需要通过添加定制电子设备直接对表面进行修改时。

  富兰克林说:“要使直接打印或增补打印真正有用,需要能够一步完成所有打印内容的打印设备。一些更奇特的应用包括可以用于生物标记或独特检测机制的紧密连接的电子纹身,用于即时定制电子设备的快速原型制作以及可以轻松集成到定制绷带中的纸质诊断。”

印刷电子产品为纹身和个性化生物传感器提供开放性途径

  杜克大学的研究生尼克·威廉姆斯(Nick Williams)在小指的下面打印了两个电子有源引线,在它们之间放置了小的LED灯,并施加了电压以显示即使弯曲手指也能保持电路完好无损。图片:杜克大学尼克·威廉姆斯)

  在纳米纸上,富兰克林的实验室和杜克大学化学教授本杰明·威利的实验室开发了一种新型的含有银纳米线的墨水,该墨水可以通过气溶胶打印机在低温下打印到任何基材上。它产生了无需进一步处理即可保持其导电性的薄膜。印刷后,油墨在不到两分钟的时间内干燥,即使在承受50%的弯曲应变一千次后仍保持其高电气性能。

  在第一篇论文随附的视频中,研究生尼克·威廉姆斯(Nick Williams)在他的小指下侧打印了两条电子激活的导线。在他的手指末端,他将导线连接到一个小的LED灯。然后,他向两条印刷引线的底部施加电压,即使弯曲和移动手指,LED仍保持点亮状态。

  在ACS Nano论文中,富兰克林(Franklin)和研究生卢世恒(Shiheng Lu)进一步将导电墨水与其他两个可打印的组件组合在一起,以创建功能晶体管。首先,在打印机上放置碳纳米管的半导体条,一旦墨水干燥,并且没有从打印机上移除塑料或纸质基材,将打印两条从任一侧延伸几厘米的银纳米线导线。然后,将二维材料的非导电介电层(六方氮化硼)印刷在原始半导体条的顶部,最后印刷最终的银纳米线栅电极。

  使用当今的技术,这些步骤中的至少一个步骤将需要除去基板以进行其他处理,例如化学浴以冲洗掉不想要的材料、硬化过程以确保各层不混合、或者进行长时间烘烤以除去痕迹,这些步骤都会干扰电场的有机材料。

  但是富兰克林的现场印刷不需要以上步骤,并且尽管需要将每一层完全干燥以避免混合材料,但仍可以在迄今为止报道的最低总体加工温度下完成。

  富兰克林说:“没有人认为雾化油墨,特别是氮化硼,可以提供制造功能性电子产品所需的性能,而无需烘烤至少一个半小时。但是我们不仅使它能够正常工作,而且还显示出在打印后烘烤两个小时并不能改善其性能。这与仅使用完全原位打印过程所能获得的效果一样好。”

  目前,富兰克林认为他的印刷方法无法替代可穿戴电子产品的大规模制造工艺,但是他确实看到了其应用的潜在价值,例如快速原型设计一种尺寸无法完全适用的情况。

  富兰克林说:“考虑创建包含生物传感器等电子产品的定制绷带,护士可以走到工作站并确定特定患者需要哪些功能。这种类型的定制打印功能可以帮助实现这一目标。”

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