中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

高灵敏度GelMA水凝胶医用可穿戴触觉传感器

2021-03-01

在高速发展的医疗健康领域,由于可穿戴触觉传感器可用于对人体实施实时、低成本和长期地检测生命体征(血压、呼吸频率等),其在个性化医疗保健、人机交互和物联网等方面已经得到了广泛应用。目前,已开发出多种可穿戴触觉传感器,包括监测压力、应力、振动和温湿度等。其中,基于压力传感器能够感知人类的身体和生理信号,如轻柔的触摸(<10 kPa)、腕部脉搏、血压、心率和呼吸率,压力传感器得到了广泛的研究。然而,到目前为止,已开发的压力传感器大多是基于弹性体的传感器,如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨酯(PU)等,这些弹性体(1M Pa – 1G Pa)与人体组织(~10kPa)的力学匹配性差,且不具备一定的生物相容性,限制了其未来的实际应用。为了解决以上问题,研究者业已开发出基于水凝胶的灵敏度高的可穿戴生物传感器,如聚丙烯酰胺(PAAm)、聚乙烯醇(PVA)及聚丙烯酸(PAA)与海藻酸钠复合凝胶等。但是基于水凝胶的可穿戴生物传感器还存在着一些尚未解决的问题,如凝胶水分易蒸发、界面粘接性能差弱及不易大规模生产等。

GelMA水凝胶与人体组织具有相似的杨氏模量,有助于其在电子-组织界面上实现优异的生物机械性匹配。近期,研究者开发制备了一种基于GelMA水凝胶的可穿戴式电容触觉传感器,用于监测人体生理信号。西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室赵立波团队和美国加利福尼亚大学生物工程系Ali Khademhosseini团队在Advanced Functional materials上发表题为“Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables”的文章,如图1所示,研究者以PDMS为电绝缘层,同时避免GelMA凝胶的水分蒸发。导电聚合物PEDOT:PSS作为导电电极层,构建了监测人体生理信号的电容触觉传感器。

图1 GelMA基水凝胶型电容触觉传感器及其在医疗穿戴上的应用示意图
对于GelMA水凝胶,影响凝胶的机械强度和相对介电常数的变量有GelMA的取代度,GelMA的浓度和引发剂的含量,UV光强和紫外交联时间。实验表明,在其他确定条件下,相对介电常随着接枝率的增加变化不大,但随着凝胶浓度的增加而减小,这可能是由于高交联凝胶的含水量较低所致(图2)。

图2 不同变量下GelMA水凝胶的力学和电学性能
研究者采用层层自组装的方式,构建了电容式压力传感器。在0-17kPa压力范围内,堆叠式凝胶基压力传感器的压力灵敏度为6.5×10-3 kPa-1,比以PDMS作为介电层的压力传感器高一个数量级。在25-84kPa压力范围内,凝胶基压力传感器的压力灵敏度有所下降,这是由于凝胶在较高压力下形变能力差所致。此外GelMA凝胶压力传感器的灵敏度可通过调整GelMA的接枝率和前驱液浓度而改变,实验表明,传感器的灵敏度随接枝率的降低和GelMA浓度的增加而升高(图3)。

图3 叠加电容式压力传感器的原理图和不同GelMA接枝率和浓度下的压力灵敏度评价
如图4所示,为了提高GelMA凝胶介电层的灵敏度,研究者将GelMA凝胶设计为锥体结构。其中,PDMS层插入到GelMA 和PEDOT:PSS层有三个作用:1)作为绝缘层防止电极与GelMA水凝胶层之间的离子传导;2)作为封装层,避免GelMA水凝胶的水分流失;3)经二苯甲酮溶液预处理后,PDMS和GelMA之间具有较强的界面粘合力。 图4 基于微结构GelMA的压力传感器构建示意图
为了检测人体生理信号的微小变化,如脉搏跳动和声带振动等,在0-5kPa范围内,研究者探究了GelMA水凝胶压力传感器的压力灵敏实验。实验表明,在0-1.2kPa范围内,微结构GelMA水凝胶压力传感器的压力灵敏度为0.19kPa-1,比平面型GelMA水凝胶压力传感器高19倍,且检测下限可达到0.1Pa。迟滞现象是影响压力传感器精密度的主要因素之一,这与介质材料的粘弹性相关。由于GelMA凝胶具有较低的损耗模量,所制备的传感器的滞后差仅为4%,且在加压和松弛阶段的响应时间仅为161ms。为了探究该传感器的长时间稳定性,研究者将所制备的微结构GelMA凝胶传感器暴漏于空气中3天,实验表明严厉灵敏度的变化仅为12%(图5)。

图5 基于微结构GelMA的压力传感器的性能评价
为了展示GelMA触觉传感器在实际应用中的潜力,研究者进行了吹气压力测试和手指触摸测试。测试表明,传感器对0.1kPa的气体压力及1kPa的轻触压力均有较好的响应。随后,研究者将传感器分别置于实验者脉搏及颈动脉区域去检测传感器的灵敏性。测试表明,传感器对实验者的脉搏跳动均有较好的响应。最后,研究者将传感器置于实验者咽喉部位,用于测试传感器对实验人员吞咽和发声动作的记录反馈。吞咽试验中,传感器的电容变化迅速且稳定性良好。发声实验中,传感器对不同单词的发声能做出差异性的响应。综上的实验结果表明,基于GelMA凝胶的可穿戴压力传感器在实时监测生理信号的医疗保健领域中具有较好的应用前景(图6)。

图6 基于微结构GelMA的压力传感器在人体生理信号监测中的应用
综上所述,研究者制备得到了高灵敏度的微结构GelMA凝胶压力传感器,其检测下限可达0.1Pa。基于较强的界面粘合力,该传感器的耐用性可超过3000次循环。这种基于GelMA水凝胶的可穿戴式电容触觉传感器,可有效应用于监测人体生理信号的医疗设备领域。

文章及图片来源:EngineeringForLife