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太原理工大学《ACS AMI》:基于纳米材料层间协同效应的柔性应变传感器,用于连续无创血压监测
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-06-13  点击数:396

  1成果简介
  连续无创血压监测对于心脑血管疾病病人具有重要意义。柔性应变传感器凭借其信号易采集、易于集成等优势在连续无创血压监测领域有着良好的应用前景。利用柔性应变传感器实现血压连续监测的过程如下,将柔性应变传感器贴附于受试者皮肤表面,通过分析受试者脉搏波波形可以得到脉搏波传导时间,进而可得到受试者血压信息。该过程对柔性应变传感器的灵敏度有着较高的要求。因此,开发高灵敏度的柔性应变传感器对于实现血压的连续无创监测具有重要意义。
  近日,太原理工大学生物医学工程学院生物医学精准检测与仪器研究所李晓春教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Flexible Strain Sensors Based on an Interlayer Synergistic Effect of Nanomaterials for Continuous and Noninvasive Blood Pressure Monitoring”的论文。太原理工大学为第一署名单位,第一作者为太原理工大学硕士研究生袁琳,共同通讯作者为高晓光博士、李晓春教授和美国德州大学埃尔帕索分校李秀军教授。太原理工大学生物医学工程学院生物医学精准检测与仪器研究所张校亮副教授、孟雪娟副教授及硕士研究生康冉冉参与了该项研究。
  研究者分别在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上滴涂和干燥银纳米线和石墨烯薄膜,制备了一种基于层间耦合效应的柔性应变传感器。该应变传感器展现出了极高的灵敏度(GF = 34357.2),较快的响应速度(85 ms),以及出色的稳定性(1000次循环)。通过表征不同应变条件下石墨烯和银纳米线薄膜的形貌,论文提出了一种层间断裂机制来说明传感器的工作原理。最后,该应变传感器被用于对20名受试者进行超过60分钟的连续血压监测。与传统的心电图-光电容积描记法测量的血压值相比,该应变传感器测得的收缩压、舒张压和平均动脉压的平均绝对误差分别为2.33,2.16和1.8 mmHg,这证明了该应变传感器测量血压的准确性。基于层间耦合效应的柔性应变传感器为连续无创的血压监测提供了新的途径。
  2图文导读 


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  图1.(A)柔性应变传感器的制造流程示意图。(B) 柔性应变传感器的实物图像。


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  图2. (A)采用高温还原法制备的石墨烯在不同放大倍率下的SEM图像。(B)不同放大倍率下AgNWs/石墨烯层状结构的SEM图像。(C) 石墨烯 (I)、AgNWs (II) 和 AgNWs/石墨烯层状结构 (III) 的 AFM 图像。(D) 高温还原法制备的石墨烯拉曼光谱。(E) 石墨烯和AgNWs薄膜的XRD图谱。(F)石墨烯和AgNWs薄膜的XPS光谱。


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  图3. (A) 不同石墨烯和AgNWs质量比的应变传感器的相对电阻变化与应变曲线的关系。(B)基于层间协同效应的应变传感器与文献报道的其他应变传感器的性能比较。(C) 应变传感器在1%应变、2%应变、3%应变、4%应变和5%应变下的性能。(D) 在0–5%应变下加载和释放期间的相对阻力变化。(E) 1%、2%和5%菌株的动态加载和释放循环响应。(F) 应变传感器在 12% 应变下 1000 次加载和释放循环的相对电阻变化。(插图显示了应变传感器的响应时间)。


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  图4.(A) 当应变传感器连接到桡动脉和肱动脉时,获得实时信号响应。插图显示了用于实时 PTT 测量的信号的放大视图。(B)心电图和PPG的实时信号响应。用于实时 PTT 测量的信号放大视图。(C) 实时应变传感器监测与实时监测 SBP 的方法与通过获得 ECG-PPG 的 PTT 实现的人类受试者 DBP 之间的比较。(D) 从 ECG-PPG 和应变传感器获得的平均 SBP 和 DBP 在 5 分钟内与由基于商用袖带的设备测量的平均 SBP 和 DBP 之间的比较。
  3小结
  通过在PDMS基底上滴涂和干燥AgNWs和石墨烯薄膜,制备了一种基于层间耦合效应的柔性应变传感器,该传感器具有高灵敏度(GF = 34357.2)、快速响应(∼85 ms)、稳定性好(1000次循环)和宽应变范围(∼12%)的特点。通过表征不同应变条件下石墨烯和银纳米线薄膜的形貌,研究者提出了一种层间断裂机制来阐释传感器的工作原理。最后,该应变传感器被用于对20名受试者进行超过60分钟的连续血压监测。与传统的心电图-光电容积描记法测量的血压值相比,柔性应变传感器测得的收缩压、舒张压和平均动脉压的平均绝对误差分别为2.33,2.16和1.8 mmHg。基于层间耦合效应的柔性应变传感器在连续无创血压监测领域有着良好的应用前景。
  文献:


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