面向陣列和3D光電和生物傳感的導電纖維3D列印技術

面向陣列和3D光電和傳感架構的導電纖維3D列印技術

小直徑導電纖維具有獨特的形態，機械和光學性能如高縱橫比，低的彎曲剛度，方向性，和透明度它們不同於其他類基於膜的微米/納米結構。將細的導電纖維有序地組裝成陣列或三維（3D）結構可提高其用於設備耦合的功能性能。迄今為止，導電微/納米級纖維的製備和形態從轉印化學生長的納米纖維/絲，直寫繪製超長纖維，和2D / 3D直接列印。這些獨特的導電結構已經啟用了許多的應用，包括透明和柔性電極，導電紗線，組織工程支架和生物電子設備。

從呼吸到引導生物細胞運動，微小的透明導電纖維的3D列印可用於製造可"聞，聽和觸摸"的設備，這使其特別適用於健康監測，物聯網和生物傳感應用。

劍橋大學的研究人員使用了3D列印技術來製造比人的頭髮細100倍的電子纖維，從而創造出了超越傳統薄膜設備的傳感器。採用的技術原理是機上纖維印刷（iFP），這是一個將導電纖維生產和纖維到電路連接集成在一起的一步過程。

在《科學進展》雜誌上報導的纖維印刷技術可用於製造非接觸式，可穿戴的可攜式呼吸傳感器。這些列印的傳感器靈敏度高，成本低，可以連接到行動電話以同時收集呼吸模式信息，聲音和圖像。

1、機上纖維印刷（iFP）：

在低於100°C的溫度下進行的一步式工藝，該過程可在懸空或表面上形成並就地粘合薄的導電纖維陣列，而無需任何後處理。通過優化纖維尺寸，我們證明了iFP是一種用於在電路上快速創建性質迥異的小直徑（約1至3μm厚）導電纖維的通用技術。作為示例，作者從基於溶液的反應合成和有機導電PEDOT：PSS [聚（3,4-乙撐二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽]纖維中生產無機金屬銀纖維。考慮到難以生產直徑低於典型泡孔尺寸（幾微米）的PEDOT：PSS纖維，PEDOT：PSS纖維在生物學領域特別受關注，因為PEDOT的低粘度特性：PSS解決方案適用於以基材為支撐的薄膜生產，這妨礙了微/納米纖維的生產。憑藉iFP的能力，可以在電路上製造纖維，利用了纖維陣列的獨特而通用的功能優勢，即寬容性，方向性以及高的表面積/體積比，適用於流量允許的溼氣感應，非接觸式呼吸溼氣感應和生物阻抗感應。

原位粘合製備懸浮纖維結構的iFP。

（A）Ag和PEDOT：PSS纖維的iFP工藝示意圖。（B）示意圖顯示了iFP纖維引發的近距離視圖。（C）單根Ag纖維的TEM和EDX。（D）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像從頂視圖顯示纖維結合。（E）纖維粘合的橫截面示意圖。（F）在銀纖維粘合上的XPS深度剖析。（G和I）典型的懸掛式，對齊的光纖陣列的SEM圖像。（J和K）SEM圖像顯示了單獨的Ag和PEDOT：PSS纖維。（L）在懸掛的PEDOT：PSS光纖陣列上的有源LED燈和蒲公英種子的圖像，種子穿過光纖陣列（照片來源：劍橋大學，王文宇）。（M和N）非接合和接合的纖維網格結構示意圖。（O）懸掛的iFP光纖網絡的光學圖像。

第一作者王迪（Andy Wang），博士學位。來自劍橋大學工程系的一名學生使用該纖維傳感器測試了通過面部覆蓋物洩漏的呼吸溼氣量，以檢測呼吸情況，例如正常呼吸，快速呼吸和模擬咳嗽。光纖傳感器的性能明顯優於同等的商用傳感器，尤其是在監測快速呼吸方面，尤其是在重複呼吸短促方面。

基於纖維的非接觸式呼吸溼度傳感器。

（A）示意圖顯示附著在一次性口罩上的單層可穿戴式纖維呼吸傳感器。（B）商業溼度傳感器與iFP PEDOT：PSS光纖陣列相比，可響應單次呼吸和連續快速呼吸（C）。（D）示意圖顯示了可攜式三層光纖傳感器，該傳感器安裝在手機的前置攝像頭上，單層光纖傳感器位於鼻子上方。（E）三層光纖傳感器的光纖層布置的放大示意圖。PVDF，聚偏二氟乙烯。（F）"沒有遮蓋臉部"的嘴巴區域的照片。[ F 1）歸一化纖維電阻變化（ΔR / R0）長時間呼氣和咳嗽（F 2），插圖顯示由中間壓電纖維層檢測到的咳嗽聲。（G）顯示外科口罩佩戴者的照片，在長時間呼氣（G 1）和咳嗽（G 2）期間記錄纖維傳感器。（H）呼吸面罩佩戴者的照片，帶有長時間呼氣（H 1）和咳嗽（H 2）期間的纖維傳感器記錄。要注意的是，（F），（G）和（H）的照片都是通過三層光纖傳感器由手機相機捕獲的（照片來源：劍橋大學的王文宇）。

儘管光纖傳感器尚未設計成可檢測病毒顆粒，但由於科學證據越來越多地表明，諸如冠狀病毒之類的病毒顆粒可通過呼吸道飛沫和氣溶膠傳播，從而測量了通過不同類型的呼吸道洩漏的呼吸水分的數量和方向。面罩可以作為保護"弱點"的指標。

附在面罩上的iFP光纖傳感器以高靈敏度和響應性檢測人的呼吸。

研究小組發現，織物或手術口罩的大部分洩漏來自正面，尤其是在咳嗽時，而N95口罩的大部分洩漏來自頂部和側面並帶有緊身配件。但是，兩種類型的口罩在正確佩戴時均有助於減弱呼氣氣流。

與傳統的薄膜技術相比，由小型導電纖維製成的傳感器對於3D流體和氣體的體積感測尤其有用，但到目前為止，將其印刷並結合到設備中並在製造時進行製造一直是一個挑戰。規模"，領導這項研究的劍橋工程系的Yan Yan Shery Huang博士說。

2、使用iFP光纖創建電路架構

iFP懸掛式導電纖維陣列的自由形式特性使非常規架構能夠利用其獨特的光電機械特性。作為概念的證明，我們製造了3D層的"浮動電子器件"和懸掛的交叉（同質和異質）接合纖維，而這是現有纖維製造或印刷技術無法輕易實現的。

例如，LED燈可直接通過透明纖維電極供電，而無需焊接。由於PEO上漿劑僅以薄皮形式存在且擊穿電位低，因此纖維陣列可輕鬆用作電導管。

使用iFP光纖創建電路架構。

（I）3D層浮動電路的體系結構。（A到C）示意圖，顯示了將LED連接到懸掛的透明Ag光纖陣列上的連續步驟。（D 1和D 2）照片顯示的是懸浮纖維陣列相對於標準ITO / PET膜的傾斜光響應。（E 1和E 2）浮動電路的俯視圖，LED光線聚焦和聚焦。（F）通過結合3D列印來創建3D層電路架構，插圖顯示了在單個PEDOT：PSS光纖陣列上的多個LED連接。（照片來源：劍橋大學謝俊宇）（二）懸浮交叉結纖維的體系結構。（G）顯示第一纖維層的印刷的示意圖。（H）示意圖，框架旋轉了90°以列印第二層光纖。（I 1和I 2）示意圖，顯示通過施加的電壓（I 2）輔助的非結狀光纖網絡（I 1）和結狀光纖網絡的製造。（J和K）懸浮的Ag和PEDOT：PSS交接光纖網絡的光學和SEM全局視圖。（L和M）SEM顯微照片顯示未結纖維交叉。（N和O）SEM圖像顯示了Ag或PEDOT：PSS纖維的均歐姆接觸以及相關的EDX映射，分別顯示了在連接處的銀（Ag）和碳（C）分布。（P）SEM圖像顯示了Ag和PEDOT：PSS纖維之間的異歐姆接觸以及相關的EDX映射。

Huang和她的同事們3-D印刷了由銀和/或半導體聚合物製成的複合纖維。這種纖維印刷技術可形成芯-殼纖維結構，其高純度的導電纖維芯被薄的保護性聚合物護套包裹，類似於普通電線​的結構，但直徑為幾微米。

3、PEDOT：基於PSS光纖的生物接口設備

除呼吸傳感器外，印刷技術還可用於製造尺寸與生物細胞相似的生物相容性纖維，從而使它們能夠引導細胞運動並將這種動態過程"感知"為電信號。而且，纖維是如此之細，以至於肉眼看不見，因此當它們用於連接3D小型電子元件時，似乎電子在空中"漂浮"。

PEDOT：PSS纖維生物阻抗傳感器。

（A到C）螢光圖像（紅色，核;綠色，F-肌動蛋白）顯示了引導細胞方向的纖維陣列，如方向直方圖所確認。（D）阻抗傳感器的示意圖。（E）隨時間推移的原位阻抗測量與頻率的關係。（F）10 kHz阻抗與時間（細胞沉澱後）的關係圖，以與（G）中的細胞纖維相互作用的延時成像進行比較。比例尺150μm。

生物相容性微纖維可引導細胞排列並感應細胞附著過程。

Huang說："我們的光纖傳感器重量輕，價格便宜，體積小且易於使用，因此有可能將其轉變為家庭測試設備，以使公眾能夠進行自我管理的測試以獲取有關其環境的信息。"

該團隊希望為多種多功能傳感器開發這種纖維印刷技術，這些傳感器可能會檢測更多的呼吸物種，以用於移動健康監測或生物機界面應用。