中国和美国的研究人员开发出一种无需加热、可在室温下直接将传感器打印到人体皮肤上的方法。
这一工艺使用一种新型辅助层，帮助传感器的金属部件结合，从而使传感器能够直接贴附于人体皮肤。
这种传感器有望成为更精准、更舒适的可穿戴技术替代品。
研究人员开发出一种无需加热、可直接将传感器打印到人体皮肤上的方法。
可穿戴传感器正从手表和电极发展为可弯曲设备，为用户提供精度高得多的生物识别测量和更舒适的体验。
“在这篇文章中，我们报告了一种简单且普遍适用的制造技术，通过使用一种新型烧结助剂层，实现体表传感器的直接打印。”中国哈尔滨工业大学研究人员、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系胡安宇（“Larry”）程实验室成员张玲表示。张玲是这项研究的第一作者。研究发表于《ACS应用材料与界面》。
降低可穿戴传感器的制造温度
研究人员此前开发了用于可穿戴传感器的柔性印刷电路板，但传感器金属部件的结合工艺一直妨碍着直接打印在皮肤上。这一工艺称为烧结，通常需要约572华氏度（300摄氏度）的高温，才能使传感器中的银纳米颗粒结合在一起。
“显然，皮肤表面无法承受这么高的温度，”程说。“为克服这一限制，我们提出使用一层烧结助剂——这种材料不会伤害皮肤，还能帮助材料在较低温度下烧结结合。”
在混合物中加入一种纳米颗粒后，银颗粒可在较低温度下烧结，温度约为212华氏度（100摄氏度）。
“这可以用于在衣物和纸张上打印传感器，很有用，但温度仍高于皮肤所能承受的范围。”程说。他指出，约104华氏度（40摄氏度）仍可能灼伤皮肤组织。“我们改变了助剂层的配方，也改变了打印材料，发现可以在室温下烧结。”
室温烧结助剂层由聚乙烯醇浆料（可剥离面膜的主要成分）和碳酸钙（构成蛋壳的成分）组成。该层可降低打印表面的粗糙度，并使超薄金属图案层得以形成；这种图案层可以弯曲和折叠，同时保持机电性能。打印传感器时，研究人员使用鼓风机（例如调至冷风档的吹风机）去除墨水中用作溶剂的水。
“这一成果意义重大，”程说。“我们不再需要依靠加热来进行烧结。”
用于健康监测的体表传感器
程表示，这些传感器能够精准、连续地采集温度、湿度、血氧水平和心脏活动信号。
研究人员还将体表传感器接入具有无线传输能力的网络，以监测这些信号组合随时间的变化。
程表示，这一工艺也有利于环境。传感器在温水中能保持完好数天，但洗个热水澡就能轻松将其去除。
“由于移除时不会损坏设备，因此它可以回收利用，”程说。“而且重要的是，移除时也不会损伤皮肤。这对皮肤敏感的人尤其重要，例如老年人和婴儿。这种设备既能发挥作用，又不会给使用者或环境带来额外负担。”
接下来，研究人员计划根据需要调整这项技术，使其适用于特定应用，例如部署精准的体表传感器网络，以监测与COVID-19相关的特定症状。
其他参与者来自哈尔滨工业大学、北京理工大学以及宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系。
这项研究获得了宾夕法尼亚州立大学、美国国家科学基金会、美国化学学会石油研究基金、深圳市科技计划、深圳市工业和信息化局以及中国国家自然科学基金的支持。
来源：宾夕法尼亚州立大学
