利用可穿戴設備對前交叉韌帶 (ACL) 損傷進行早期篩查，可以及時干預并降低慢性并發癥的風險。然而，ACL 的細微生物力學信號對可穿戴設備的基線穩定性、靈敏度和皮膚粘附性提出了挑戰。在這里，我們提出了一種基于 MXene/PVDF-HFP 復合纖維的 TENG，用于 ACL 自我診斷，利用 TENG 在基線穩定性方面的固有優勢。通過靜電紡絲制備的纖維網絡結構確保 TENG 超薄且佩戴靈活。MXene 的加入顯著增加了電極材料的相對介電常數，并重新調節了結晶相 (± 和 ²)。因此，在 10 N 的壓力下，TENG 的峰峰值開路電壓達到 160 V。它可以響應低至 0.01 N 的壓力，使其能夠區分脛骨和膝蓋之間細微的相對位移。我們已經開發出一種能夠檢測不同程度 ACL 損傷的自我診斷系統，該系統與移動應用程序相結合。我們希望這種期刊預檢方法能夠促進 ACL 損傷的早期發現和及時治療。
圖 1. 實驗總體流程。（a）靜電紡絲溶液制備。（b）靜電紡絲制備摩擦電正負層。（c）MC-TENG雙電極模式結構示意圖。（d）應用及ACL診斷系統。
圖 2. (a-b) 純 PVDF-HFP 薄膜和 MXene/PVDF-HFP 2.5 wt% 濃度 SEM 圖像。 (c) MXene/PVDF-HFP 3.5 wt% 濃度薄膜帶有液滴的 SEM 圖像。 (d-e) MXene/PVDF-HFP 2.5 wt% 濃度薄膜單根纖維的 TEM 和 EDS 映射圖像。 (f) 相對介電常數 (µ/µair) 隨 MXene 濃度變化。 (g) 通過靜電紡絲和旋涂制備的 PVDF-HFP 薄膜的 XRD 比較。 (h) 具有不同 MXene 濃度的復合薄膜的 XRD 比較。(i) 具有不同 MXene 濃度的復合薄膜的 FTIR 結果。(j-k) O 1 s 的 XPS 光譜。(l) F 1 s 的 XPS 光譜。
圖3. (a) 2.5 wt% MXene 濃度下 TENG 的 COMSOL 模擬。(b-e) 1 N、3 N、5 N 和 10 N 下 TENG 的輸出性能。(f) 不同壓力下 2.5 wt% MC-TENG 的輸出性能。(g) 小重量下 MC-TENG 的靈敏度測試。(h) 5 N 壓力下 2.5 wt% MC-TENG 在不同頻率下的輸出性能。(i) 不同壓力下 2.5 wt% MC-TENG 的充電電子。(j) 3 N 壓力下 2.5 wt% MC-TENG 的 12000 次循環耐久性測試。
圖 4. 將TENG用于各種應用或檢測各種身體運動信號。(a)U-I-Power密度曲線。(b)MC-TENG充電能力測試。(c)用MC-TENG驅動發光二極管。(d)用于身體信號檢測的MC-TENG圖像。(e)器件輸出性能測試。(f)器件靈敏度測試。(g)不同溫度下的器件輸出。(h)不同濕度情況下器件的輸出性能。(i)手腕旋轉信號。(j)肘部彎曲信號。(k)不同手指彎曲角度的MC-TENG信號。(l)不同的喉部運動。
圖 5. ACL 損傷診斷系統設計。（a）MC-TENG 用于 ACL 損傷診斷的可行性。（b）患者數據摘要和 ACL 診斷的 ADT 模式。（c）檢測系統硬件設計。（d）ACL 診斷系統的混淆矩陣結果。（e）不同類型的診斷結果顯示在 APP 中。
相關科研成果由吉林大學Liupeng Zhaoa, Peng Sun，吉林大學中日聯誼醫院Modi Yang等人于2024年發表在Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110372）上。原文：Ultra-thin and Sensitive Pressure Sensor Based on MXene/PVDF-HFP Composite Fiber TENG for Self-diagnosis of Ligament Injuries
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110372
轉自《石墨烯研究》公眾號
