Eine große Herausforderung bei selbst betriebenen tragbaren Sensoren für die Überwachung der Gesundheitsversorgung besteht darin, verschiedene Signale zu unterscheiden, wenn sie gleichzeitig auftreten. Forscher von Penn State und Chinas Technik der Hebei haben dieses Problem angesprochen, indem sie eine neue Eigenschaft eines Sensormaterials aufdeckten, sodass das Team eine neue Art flexibler Sensor entwickeln kann, der sowohl die Temperatur als auch die physische Belastung gleichzeitig messen kann, aber getrennt, um genauer zu bestimmen Verschiedene Signale.
„Dieses einzigartige Sensormaterial, das wir entwickelt haben, hat potenziell wichtige Anwendungen bei der Überwachung des Gesundheitswesens“ entsprechender Autor der Studie veröffentlicht in Naturkommunikation. „Durch genaues Messen sowohl Temperaturänderungen als auch physikalischer Verformung oder Belastung, die durch eine Heilungswunde erzeugt werden, und zu messen, dass durch die Trennung der beiden Signale die Verfolgung der Wundheilung revolutionieren könnte Entzündung früh. „
Die Forscher wollten die Temperatur- und Dehnungssignale ohne Cross-Gespräch mithilfe von Laser-induziertem Graphen, einem zweidimensionalen (2D) -Material, genau messen. Wie bei allen 2D-Materialien, einschließlich regulärem Graphen, ist Laser-induziertes Graphen eins zu einigen Atomen dick mit einzigartigen Eigenschaften, jedoch mit einer Wendung. Laserinduzierte Graphen (LIG) bildet sich, wenn ein Laser bestimmte kohlenstoffreiche Materialien wie Kunststoff oder Holz auf eine Weise erwärmt, die ihre Oberfläche in eine Graphenstruktur umwandelt. Der Laser „schreibt“ das Graphen im Wesentlichen direkt auf das Material und macht es zu einer einfachen und skalierbaren Möglichkeit, Graphenmuster für Elektronik, Sensoren und Energiegeräte zu erstellen.
Lig wurde bereits in verschiedenen Anwendungen verwendet. Zuvor haben Cheng und sein Team LIG für Gassensoren, elektrochemische Detektoren für die Schweißanalyse, Superkondensatoren und mehr verwendet. Die Forscher glaubten jedoch, sie hätten zum ersten Mal eine neue Eigenschaft von Lig entdeckt, die es ideal für einen Mehrzweck- und Genauigkeitssensor macht.
„In dieser speziellen Studie sind wir auf die Tatsache gestoßen, dass dieses Material auch thermoelektrische Eigenschaften hat“, sagte Cheng. „Wir glauben, dass dies das erste Mal ist, dass jemand laserinduziertes Graphen mit thermoelektrischen Fähigkeiten berichtet hat. Und das ist wirklich wichtig für das, was wir hier tun wollen, nämlich sowohl die Temperaturänderungen als auch die physische Belastung oder Verformung separat zu messen.“
Die thermoelektrischen Eigenschaften in einem Material beziehen sich auf die Fähigkeit, Temperaturunterschiede in die elektrische Spannung umzuwandeln und umgekehrt, sodass solche Materialien für Anwendungen wie Energieernten und Temperatursenkung verwendet werden können. Laut Cheng erleichtert diese neu identifizierte thermoelektrische Eigenschaft der Lig die beiden Sensormessungen und ideal für Gesundheitsanwendungen wie einen in einen Verband eingebetteten Sensor.
„Wenn Sie Materialien haben, die sowohl auf Temperatur als auch für Dehnung empfindlich sind, kann es schwierig sein zu sagen, welches Signal Änderungen des Materials verursacht“, sagte Cheng. „Aber durch die Verwendung dieses thermoelektrischen Effekts im Laser-induzierten Graphen können wir diese beiden Messungen im Wesentlichen entkoppeln Ärzte könnten es verwenden, um sowohl Temperaturschwankungen als auch physikalische Veränderungen in der Wundstelle zu verfolgen und ein viel klareres Bild davon zu geben, wie die Heilung Fortschritte macht. „
Er bemerkte auch, dass der Sensor hochempfindlich ist und Temperaturänderungen von nur 0,5 Grad Celsius erfasst. Das Design des Materials nutzt die Art und Weise, wie poröse Graphen- und thermoelektrische Komponenten zusammenarbeiten, was es fast viermal beim Umwandeln von Wärme in Strom umwandelt. Der Sensor kann auch bis zu 45%dehnen und sich an verschiedene Formen und Oberflächen entsprechen, ohne die Funktion zu verlieren.
„Die poröse Struktur dieses Materials erzeugt viele winzige Räume und Kanäle, die es ihm ermöglichen, auf sehr empfindliche Weise mit seiner Umgebung zu interagieren“, sagte Cheng. „Dies macht es gut geeignet, sich mit menschlichen Weichteilen zu verbinden, im Gegensatz zu starre thermoelektrischen Materialien wie z. B. auf Keramikbasis.“
Da der thermoelektrische Aspekt der LIG auch bedeutet, dass er bei einem Temperaturdifferenz elektrische Leistung erzeugen kann, sind LIG-Sensoren selbst betrieben. Laut Cheng könnte dies besonders nützlich für die kontinuierliche Überwachung in klinischen Umgebungen und für andere Anwendungen sein, z. B. bei der Erkennung von Bränden an abgelegenen Standorten.
Neben der Verfeinerung des Sensors entwickelt das Team ein drahtloses System, mit dem Menschen die Daten aus dem Sensor aus der Ferne überwachen können. Dies ermöglicht es, wichtige Informationen wie Temperatur oder Dehnung in Echtzeit mit Smartphones oder anderen Geräten zu verfolgen.
„Zum Beispiel könnte ein Arzt den Zustand eines Patienten aus der Ferne überwachen, oder Rettungskräfte könnten Warnungen über gefährliche Temperaturänderungen erhalten“, sagte Cheng. „Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Technologie zugänglicher und effektiver zu gestalten, was zur Verbesserung der Gesundheitsüberwachung und Sicherheit in alltäglichen Situationen beiträgt.“
Zusammen mit Cheng sind Ankan Dutta, Doktorandin für Ingenieurwissenschaft und Mechanik bei Penn State, Doktorand; und Li Yang, Xue Chen, Hui Zhang, Zihan Wang, Mingyang Zin, Shuaijie DU und Guizhi Xu, alle von der Hebei University of Technology.
Die National Institutes of Health und die US National Science Foundation unterstützten diese Arbeit.
