劍橋大學Science子刊：組合3D打印微納纖維作為呼吸傳感器

來源： EngineeringForLife  

2020年初，全球集中爆發(fā)了新型冠狀病毒、流行性感冒等急性呼吸道疾病。在此背景下，對于普通民眾有關口罩種類選擇和正確佩戴的指導可以幫助減輕疾病傳播的風險。基于此，英國劍橋大學黃艷燕教授Biointerface課題組研發(fā)了一種組合3D打印的微小透明導電纖維，該纖維可以制作成低成本和可穿戴便攜式呼吸濕度傳感器，傳感器可以靈敏的檢測人們佩戴不同種類口罩時呼吸氣體的擴散情況。相關研究成果于9月30日以“Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures”為題發(fā)表于Science旗艦子刊Science Advances，論文第一作者為課題組博士生王文宇。

同時，這項研究成果也登上了劍橋大學主頁9月30日的熱點新聞。

圖1 劍橋大學新聞報道3D打印微納米纖維作為呼吸傳感器

研究團隊通過組合3D打印制備了復合維納纖維，這種復合纖維具有雙層結構、高純度導電內芯可由金屬（銀）或導電高分子（PEDOT:PSS）制成，外層是保護性聚合物包裹，類似于普通電線的雙層結構，但直徑只有1-3微米。該纖維在打印出的同時就可以很好的集成到電路中，在不需要任何后期處理的情況下可以實現極低的接觸電阻。下圖2展示了纖維的制作過程。

圖2 導電微納纖維的制備過程示意圖

這種非接觸式、可穿戴的便攜式呼吸傳感器由多層懸空纖維制成，可以同時收集人們呼出氣體的分布和呼吸咳嗽的聲音。本纖維傳感器和傳統的傳感器相比，具有高靈敏度、高透明度和透氣性的特點。研究團隊使用這種纖維傳感器測試了佩戴不同口罩時，人們呼出氣體的特點、重點，比較了正常呼吸、快速呼吸和咳嗽等不同條件下的呼吸狀況。

圖3 非接觸式的可穿戴呼吸傳感器檢測不同情況下人們呼出氣體的特點

與傳統的薄膜技術相比，微納導電纖維制成的傳感器對于空間中氣體的變化尤其靈敏。研究團隊通過組合3D打印的技術，快速且精確地將這些高靈敏度的微納米導電纖維打印出來并集成到便攜的傳感器設備中。

除呼吸傳感器外，這項組合3D纖維打印技術還可用于制造尺寸與生物細胞相似的生物相容性導電高分子纖維，從而使它們能夠引導細胞運動并將這種動態(tài)過程以電信號的方式輸出，這將對于今后的生物電子設備的發(fā)展和三維細胞檢測提供極為有用的研究指導（或參考）

圖4 微納導電纖維作為細胞傳感器

論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eaba0931