【导读】

传统基于金属或半导体的应力传感器，存在硬度高和检测范围有限（＜5%）等不足，限制了应力传感器在医疗领域的应用。所以从电子皮肤、穿戴式设备到医院的体征监护，都需要开发新一代具有柔韧性，高伸缩性和高灵敏性的应力传感器，实现人体脉搏、呼吸声振动，手臂弯曲等运动监测。

复旦大学的陈炜/卢红斌团队在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上发表了一项研究，利用3D打印技术构建了一种有自我补偿功能及二阶结构的应力传感器，该传感器具有良好的柔韧性、灵敏度和工作量程。研究结果显示，传感器在0-350%的拉力范围内表现出高应变系数，可实现脉搏、呼吸声振动和肘部弯曲等运动监测。如图1。

图1 应力传感器的应用

该传感器的工作机制是利用3D打印技术构建传导性多聚体合成开放网格，使用石墨烯片材浸润网格以组成具有形变能力的传导通路，并且通过石墨烯片材包被的涂层和内部网格提供额外的传导通路，以补偿在拉力作用下浸润网格传导性的降低。论文中的制备方法为：将1g石墨烯片层材料加入到100mL乙酸乙酯；用超声波混匀2h，然后将10g PDMS聚合物加入到悬浮液中，再用磁力搅拌器搅拌2h；然后将混合物转入到80℃的加热平台，保持6h，将乙酸乙酯蒸发去除；最后将1g 的PDMS的固化剂加入到组合物中，搅拌10min获得PDMS-石墨烯墨水。将打印墨水装入到捷诺飞的生物3D打印机中(3D Bio-Architec WS)，使用400µm针头进行打印，在80℃下处理3h以获得G-PDMS应力传感器的结构，如图2的c-d，再经过O2离子化，以及PEI或GO包被和HI处理。应力感应器形变能力可达400%，如图2。

图2 应力传感器的制作

对应力、电阻，以及在不同拉力下传感器传感性能的测试结果显示（如图3）。基于3D打印技术和离子化处理所制作的G-PMDS/RGO应力传感器，具有高灵敏性和大应力检测范围，能在0-350%的拉力下的保持高灵敏性，形变量程可达350%，远超其他研究的报道。这种具有独特设计结构的传感器，可实现人全身运动监测如：脉搏、呼吸声振动，手臂弯曲等，为开发新一代可穿戴式设备提供了可能。

图3 传感器在不同拉力下伸展-收缩时，电阻率的变化情况

本文采用捷诺飞研发生产的生物3D打印工作站Bio-Architect^® WS。Bio-Architect^® WS兼容、微滴、光固化等多种打印喷头和成型平台，为每个打印步骤提供最佳条件，拓宽打印材料范围。可打印材料包括：细胞系和细胞株、天然生物材料、高分子材料、生物无机材料等。
 
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