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新研发:利用“食材”打造健康监测仪

www.creaders.net | 2023-07-11 16:07:02  大纪元 | 0条评论 | 查看/发表评论

     关注健康,许多人或家庭都必备一些小型仪器以监测身体的健康指数。不久前,英国发明了一种以石墨烯和海藻为制作材料的健康监测仪器,可用来记录肌肉、呼吸、脉搏和血压等。 

新研发:利用“食材”打造健康监测仪

  图为丹麦的餐厅最近推出了利用海藻制作的创意菜肴

  石墨烯纳米复合材料具有柔性的电敏感特性,使其有潜力用于制作可穿戴的电子皮肤设备,以实现高精度、生物力学和生命体征测量。但是,多数石墨烯纳米复合材料在制作过程中,都需要用到化学溶剂,而这些溶剂对人体有害,这导致有些产品无法应用于医疗或人体上。此外,用于人体的石墨烯纳米复合材料,还需满足高灵敏度、低刚度的要求。

  为此,英国伦敦玛丽女王大学(Queen Mary University of London)和苏塞克斯大学(University of Sussex)共同开发一款符合这些要求的石墨烯纳米复合材料。该种材料由石墨烯、海藻和海盐组成,具有能够生物降解的特点。

  这一研发的灵感来自于米其林餐厅美食胶囊果冻,这种美食在食品和酒店行业被称之“食品鱼子酱”。胶囊果冻的外面是含有固体海藻的覆盆子层,里面是液体果酱芯。

  受这种果冻的启发,研究人员将石墨烯添加到棕色海藻衍生物中进行球化。其内馅是液体石墨烯芯,被一层固体海藻-石墨烯凝胶包裹,最终获得了这种可食用且可生物降解的胶囊。

  制作这种胶囊首先需要将石墨分离成长度约290纳米(nm)、厚度只有1至6层原子大小的石墨烯,再将海藻酸钠混合到石墨烯悬浮液中。

  随后,研究人员透过逐滴法,快速将这些材料滴进含有氯化钙的溶液当中进行固化,让它的外壳含有一层凝胶涂层,最终形成直径约2.5毫米(mm)的独立球形的胶囊材料,它们的外表均匀、光滑。

  在对胶囊进行机械和导电性能测试时,研究人员发现,胶囊能够导电,而导电性强弱与胶囊外壳中的石墨烯含量有关,但差异不大。此外,胶囊在承受不同压力时会产生不同的电阻,压力增大,电阻也会增加,这种现象使得这种材料变成一种潜在的应变传感器。

  研究发现,这与液体中的纳米石墨烯之间的堆迭有关,压力越大堆迭越多,导致电阻增加,压力小则电阻下降。另外,胶囊的直径大小和外壳厚度会影响其电阻性能。当直径小于2.5mm且外壳厚度650µm时,其电阻大约在2.6MΩ;若直径在4.5mm左右,外壳厚度300µm时,电阻则降至1MΩ。

  以上这些特性,凸显出胶囊对于压力非常灵敏,当它们受到挤压或压缩时,电性会发生巨大变化,这也意味着它们可以用做高效应变传感器。

  研究人员制作出不同大小和外壳厚度的胶囊,将其放置在特殊的基板上后进行封装,最终形成电子皮肤结构。

  他们将该设备贴在人体上进行实验,发现这种设备不仅是一种高度灵敏的诊断工具,还能够精准测量和记录人体的肌肉运动、呼吸和脉搏变化。甚至能透过电阻变化,测量出人体血压的变化,与当初他们设想的一样。

  除此之外,这种电子皮肤只需将外部的板层用温水清洁,就能轻易分离出里面的银金属线和胶囊,进行回收再利用。

  上述研究成果今年6月底正式发表在《先进功能材料》杂志上。

  伦敦玛丽女王大学材料博士迪米特里奥斯‧帕帕吉奥(Dimitrios Papageorgiou)对该校的新闻社表示:“我们通过将烹饪艺术与尖端纳米技术进行突破性融合,创造出海藻-石墨烯微胶囊的非凡特性,还提供一个用于高精度健康诊断的纳米复合材料可穿戴技术,同时该产品可被回收和生物降解。”

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