剑桥大学Science子刊：组合3D打印微纳纤维作为呼吸传感器

来源： EngineeringForLife  

2020年初，全球集中爆发了新型冠状病毒、流行性感冒等急性呼吸道疾病。在此背景下，对于普通民众有关口罩种类选择和正确佩戴的指导可以帮助减轻疾病传播的风险。基于此，英国剑桥大学黄艳燕教授Biointerface课题组研发了一种组合3D打印的微小透明导电纤维，该纤维可以制作成低成本和可穿戴便携式呼吸湿度传感器，传感器可以灵敏的检测人们佩戴不同种类口罩时呼吸气体的扩散情况。相关研究成果于9月30日以“Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures”为题发表于Science旗舰子刊Science Advances，论文第一作者为课题组博士生王文宇。

同时，这项研究成果也登上了剑桥大学主页9月30日的热点新闻。

图1 剑桥大学新闻报道3D打印微纳米纤维作为呼吸传感器

研究团队通过组合3D打印制备了复合维纳纤维，这种复合纤维具有双层结构、高纯度导电内芯可由金属（银）或导电高分子（PEDOT:PSS）制成，外层是保护性聚合物包裹，类似于普通电线的双层结构，但直径只有1-3微米。该纤维在打印出的同时就可以很好的集成到电路中，在不需要任何后期处理的情况下可以实现极低的接触电阻。下图2展示了纤维的制作过程。

图2 导电微纳纤维的制备过程示意图

这种非接触式、可穿戴的便携式呼吸传感器由多层悬空纤维制成，可以同时收集人们呼出气体的分布和呼吸咳嗽的声音。本纤维传感器和传统的传感器相比，具有高灵敏度、高透明度和透气性的特点。研究团队使用这种纤维传感器测试了佩戴不同口罩时，人们呼出气体的特点、重点，比较了正常呼吸、快速呼吸和咳嗽等不同条件下的呼吸状况。

图3 非接触式的可穿戴呼吸传感器检测不同情况下人们呼出气体的特点

与传统的薄膜技术相比，微纳导电纤维制成的传感器对于空间中气体的变化尤其灵敏。研究团队通过组合3D打印的技术，快速且精确地将这些高灵敏度的微纳米导电纤维打印出来并集成到便携的传感器设备中。

除呼吸传感器外，这项组合3D纤维打印技术还可用于制造尺寸与生物细胞相似的生物相容性导电高分子纤维，从而使它们能够引导细胞运动并将这种动态过程以电信号的方式输出，这将对于今后的生物电子设备的发展和三维细胞检测提供极为有用的研究指导（或参考）

图4 微纳导电纤维作为细胞传感器

论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eaba0931