3D打印制造出比人类头发还细100倍的电子纤维

来源：江苏激光联盟

导读：从捕捉呼吸到指挥生物细胞的运动，3D打印的小型透明导电纤维可用于制造“嗅觉、听觉和触觉”的设备，使其特别适用于物联网、健康监测和生物传感应用。纤维印刷技术可用于制造便携式、可穿戴、非接触式呼吸传感器。这种印刷传感器经济、高灵敏度，可以固定在手机上同时获取声音、图像和呼吸模式数据。来自剑桥大学的科学家们利用3D打印的方法制造出电子纤维，每根纤维的直径比人类头发小100倍，制造出的传感器的性能超出了传统薄膜器件。

小直径导电纤维具有独特的形态、机械和光学特性，例如高长宽比、低弯曲刚度、方向性和透明度，这使其与其他基于薄膜的微/纳米结构类型的导电纤维区分开来。将细的导电纤维有序地组装成阵列/三维（3D）结构可提高其用于设备耦合的功能性能。开发新的策略来控制这些导电元件的快速合成、图案化和集成到器件架构中，可能标志着实现新的器件功能和电子设计的重要一步。迄今为止，已经以多种方式生产和组装导电微/纳米级纤维，从转移化学生长的纳米纤维/金属丝、编写电液动力学沉积线到拉伸超长纤维、纤维湿法纺丝和2D / 3D直接印刷。这些独特的导电结构已经实现了许多应用，包括透明和柔性电极、导电纱、组织工程支架和生物电子设备。

尽管取得了这些进展，但是现有的制造技术仍无法轻易地将纤维结构组装到具有方向性、高表面积-体积比、允许性、透明性和导电性功能的设备中。可扩展性和设备集成一直是小直径导电纤维应用面临的主要问题。2020年9月30日，由来自英国剑桥大学Yan Yan Shery Huang领导的研究团队在Science Advances期刊上发表了一文，报道了将导电纤维生产和纤维到电路连接集成在一起的一步过程，即机载纤维印刷（iFP）。它可以产生并原位粘合悬浮或表面上的薄导电纤维阵列，而不需要任何后处理。

ABOUT机载纤维印刷（iFP）

图1A中示意性地显示了iFP过程。银（Ag）和PEDOT：PSS被用作纤维材料，其中Ag是一种广泛使用的导电金属，而PEDOT：PSS是一种生物相容性导电聚合物，其应用范围从纺织、印刷电子到生物界面结构。为了反映该过程的普遍性，研究人员从易于获得的低粘度（约10至60 mPa·s）水溶液中提取纤维。要注意的是，也可以通过iFP处理较高粘度的水溶液，即粘度约为104 mPa.s的水溶液（例如22% (w/w)明胶溶液）。对于银，研究人员展示了由含有银盐和还原剂的改良Tollens溶液反应合成纤维。这与纤维生产过程中通常使用的基于金属纳米颗粒的导电油墨不同，纤维生产过程通常通过将金属纳米颗粒与聚合物混合而制备。对于PEDOT：PSS纤维，使用市售的胶体水溶液。

图1. 用原位粘合制备悬浮纤维结构的iFP。

▲图解：（A）Ag和PEDOT：PSS纤维的iFP工艺示意图。（B）示意图显示了iFP纤维引发的近距离视图。（C）单银纤维的TEM和EDX。（D）扫描电子显微镜（SEM）图像从顶视图显示纤维结合。（E）纤维粘合的横截面示意图。（F）Ag纤维粘结上的XPS深度剖析。（G和I）典型的悬浮，对齐的光纤阵列的SEM图像。（J和K）SEM图像显示了单独的Ag和PEDOT：PSS纤维。（L）悬挂式PEDOT：PSS光纤阵列顶部的LED照明灯和蒲公英种子的图像，种子穿过光纤阵列（照片来源：剑桥大学，王文宇）。（M和N）非连接和连接的光纤网格结构示意图。（O）悬挂的iFP光纤网络的光学图像。

NINGABOUT可穿戴/便携式呼吸湿度传感器

利用iFP，可以实现在电路上制造纤维，纤维阵列的透射率超过95％（350至750nm）。光纤阵列的高表面积体积比，宽容性和透明性被用于构建传感和光电体系结构。研究人员成功展示了利用PEDOT：PSS纤维作为单元界面阻抗传感器、三维(3D)湿气流量传感器以及非接触式、可穿戴/便携式呼吸传感器。

在新冠病毒、流行性感冒和鼻病毒等急性呼吸道疾病的全球爆发中，有关戴口罩的指南可以帮助减轻疾病传播的风险。基于人类呼吸中含有高度加湿的气体（相对湿度为89％至97％）的事实，我们使用iFP PEDOT：PSS制造了两种配置的高灵敏度，低成本和可穿戴/便携式呼吸湿度传感器光纤阵列（图2）。在第一种光纤传感器配置中，单层PEDOT：PSS光纤阵列被打印在3D打印的塑料框架上。该光纤传感器可以很容易地连接到一次性口罩的外部，作为可穿戴的、非接触式和非侵入性的传感器，用于监测呼吸频率（图2A和电影S2）。如图2B所示，与商用湿度传感器（HIH-5031-001，Honeywell）相比，iFP纤维呼吸湿度传感器显示出卓越的响应能力。正常呼吸后不到3 s（相对于商用传感器约10 s），光纤阵列的电阻恢复到基线水平。这种效果在诸如快速呼吸检测（每个呼吸周期约1.2 s，在剧烈运动或呼吸急促下模拟快速呼吸）等应用中尤为明显，其中商用传感器无法区分单个呼吸事件（图2C）。

图2. 基于纤维的非接触式呼吸湿度传感器。

▲图解：（A）显示连接到一次性口罩的单层可穿戴式纤维呼吸传感器的示意图。（B）商业湿度传感器与iFP PEDOT：PSS光纤阵列相比，可响应单次呼吸和连续快速呼吸（C）。（D）示意图显示了便携式三层光纤传感器，该传感器安装在手机的前置摄像头上，单层光纤传感器位于鼻子上方。（E）三层光纤传感器的光纤层布置的放大示意图。PVDF，聚偏二氟乙烯。（F）在“无面部遮盖物”中的嘴部区域照片。（F1）长呼气和咳嗽（F2）的标准化纤维电阻变化（ΔR/ R0），插图显示中间压电纤维层检测到的咳嗽声。（G）显示外科口罩佩戴者的照片，在长时间呼气（G1）和咳嗽（G2）期间具有纤维传感器记录。（H）呼吸面罩佩戴者的照片，带有长时间呼气（H1）和咳嗽（H2）期间的纤维传感器记录。要注意的是，（F），（G）和（H）的照片都是通过三层光纤传感器由手机摄像头捕获的（照片来源：剑桥大学）。

研究人员发现，外科口罩或织物口罩的大部分渗漏来自前部，尤其是在咳嗽时，而N95口罩的大部分渗漏来自侧面和顶部，并配有紧封的装置。不过，这两种面罩，如果正确佩戴，都有助于减少呼出的气流。与传统的薄膜技术相比，由小的导电纤维制成的传感器特别适用于三维流体和气体的体积传感，但到目前为止，将它们打印并整合到设备中，并进行大规模生产一直是一个挑战。

英国剑桥大学工程系主任研究员Yan Yan Shery Huang博士还和她的团队3D打印了由银和/或半导体聚合物制成的复合纤维（如图3）。这种纤维印刷方法产生了一种芯-壳纤维结构，高纯度的导电纤维芯被一层保护聚合物的薄护套覆盖，就像标准电线的结构一样，但直径只有几微米。

图3. 使用iFP光纤创建电路架构

他们研发的光纤传感器重量轻、价格便宜、体积小、易于使用，因此它们有可能被改造成家庭测试设备，允许公众进行自我管理的测试，以获取有关其环境的信息。研究人员正期待着开发基于这种纤维印刷方法的多功能传感器，这种方法可能会检测出更多的呼吸种类，用于生物机器接口或移动健康监测应用。

本文Wenyu Wang, et al, Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures, Sci. Adv. 2020
DOI: 10.1126/sciadv.aba0931