关键词:
柔性应变传感器
液态金属
半自动化制作
传感器阵列
力传播
摘要:
心血管疾病(CVD)死亡人数占全球死亡人数的40%左右,其中大多数死亡是由于心肌细胞间通讯异常导致心脏泵血功能异常,从而引发心肌梗塞(MI)或心率失常等疾病。通过检测心肌细胞收缩力大小、频率等关键指标,可以完成心肌药物的筛选。心肌细胞的收缩力是收缩力的大小、力传播方向和速度协同作用下的结果。因此,对心肌细胞整体收缩状态的检测非常重要。由于空间分辨率方面的限制,传统的柔性传感装置往往只能完成心肌细胞收缩力的大小、频率等信息的检测,而无法完成细胞收缩力动态传播方向的测试。通过对单层心肌细胞多个点位收缩力的检测,能够完成单层心肌细胞收缩力场图绘制及动态检测,在心肌药物筛选及病理探究中中是一种有效的工具。但是,随着传感单元的增加,导致传感器尺寸减小和导电通路的减少,且在传感器之间导线的制作中存在一定的困难。基于上述背景,本课题通过优化的导线和高灵敏度柔性传感器,使用自制的自动化组装设备。设计并制作了一种基于超薄悬浮膜的柔性传感阵列。具体内容如下:
为了制作高密度传感器导线,通过镍颗粒掺杂的方式增加了铟镓合金的气孔和氧化面积,降低了铟镓合金的表面张力并提升了液态金属在柔性基底上的粘附性,制备了宽度为50μm的液态金属导线完成了64通路传感器阵列的连接。
为了制备同时具备高应变灵敏度和稳定性的柔性传感器阵列,制作了一种自动化点涂平台,通过搭载高流动性的导电墨水(正己烷优化的CNT-PDMS)对银裂纹传感器阵列进行了高密度点涂。在CNT的桥连作用下,银裂纹岛屿之间形成了新的导电通路和连接稳定性。在循环稳定测试中(5%应变),CNT桥连银裂纹传感器在8万次的循环应变下响应变化<0.01%,相比银裂纹传感器(应变响应变化>0.6%)稳定增加了两个数量级。
通过制作的柔性传感器阵列,完成了单层心肌细胞多点位收缩力的实时监测,发现收缩力以力场波的形式在单层心肌细胞间各项异性传播(如第六天时,横向传播速度为9 cm/s、纵向传播速度为5 cm/s)。此外,传感器阵列能够完成心肌细胞生长周期内(9天)的收缩力的长期动态检测。