AutoBio1000 поддерживает ECNU и KAIST в исследованиях высокоэффективных материалов
2025-12-03Недавно д-р Чжэ Ю, помощник научного сотрудника Школы связи и электронной инженерии/Школы интегральных схем Восточно-Китайского педагогического университета (ECNU), вместе с доцентом У Бином из Корейского института науки и технологий (KAIST), опубликовали впечатляющую исследовательскую работу в ведущем международном журнале *Journal of Materials Chemistry A*. Статья называется * «Множественные искусственные механорецепторы, встроенные в водонепроницаемую ресничную электронную кожу с помощью вертикальной 3D-печати с прямым пишущим текстом для управления здоровьем моряков» * (DOI: 10.1039/d5ta04906g).
В этом исследовании 3D-принтер AutoBio1000, разработанный и изготовленный компаниейoongon Technology, эффективно завершил изготовление микрореснитчатых структур с высоким соотношением сторон посредством 3D-печати вертикального прямого письма (DIW). Это обеспечило необходимую техническую поддержку для улучшения характеристик недавно разработанной водонепроницаемой ресничной электронной кожи (WCES).
Раздел I. Предыстория исследования: Острая необходимость прорыва в мониторинге здоровья в морской среде.
Более 80% мировой трансграничной торговли зависит от морских перевозок. Моряки работают в течение длительного времени в закрытых и очень влажных условиях на борту судна, что делает их подверженными таким проблемам со здоровьем, как аномальное кровяное давление, нарушения кровообращения и дисфункция вегетативной нервной системы. Однако традиционные носимые датчики часто страдают от нестабильности сигнала в условиях высокой влажности, что затрудняет непрерывный физиологический мониторинг. Существующие водонепроницаемые электронные оболочки (E-скины) также сталкиваются с ограничениями, такими как низкая чувствительность и сложные процессы изготовления, что не позволяет им удовлетворить практические потребности морского применения.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательские группы из ECNU и KAIST черпали вдохновение из структурных и функциональных характеристик эпидермальных волос и механорецепторов человека. Они предложили синергетический дизайн, который объединяет вертикально напечатанные на 3D-принтере микрореснитчатые структуры со встроенными искусственными механорецепторами. Благодаря точному управлению экструзией и высокой совместимости с технологическими процессами 3D-принтерoongon AutoBio1000 DIW стал ключевым оборудованием, позволившим реализовать этот инновационный дизайн.
Рисунок 1: Схематическое изображение эпидермальных волос и массивов микрореснитчатых клеток.
(а) Схема эпидермальных волос и их взаимодействия с многочисленными механорецепторами в дерме, такими как быстро адаптирующиеся и медленно адаптирующиеся рецепторы.
(б) Принцип конструкции водонепроницаемой ресничной электронной кожи (WCES) на основе полиуретановой (ПУ) матрицы, залитой углеродной сажей (CB) и ионной жидкостью (IL). Под приложенным давлением скольжение частиц технического углерода и миграция ионов внутри ионной жидкости имитируют реакции быстро адаптирующихся и медленно адаптирующихся механорецепторов соответственно. Летучий растворитель используется для превращения полиуретанового композита в высокопроизводительные чернила, обеспечивающие вертикальную 3D-печать микрореснитчатых структур посредством прямого письма чернилами на основе экструзии. Во время этого процесса быстрое испарение растворителя способствует структурной стабильности на поверхности.
Раздел II. Ключевой прорыв: 3D-принтер SenGo AutoBio1000 обеспечивает высокопроизводительное изготовление WCES
1. Преодоление технической проблемы печати микростолбиков с высоким соотношением сторон.
Микростолбы представляют собой основные структуры, которые позволяют WCES обеспечить как водонепроницаемость, так и высокую чувствительность: открытая часть образует гидрофобный защитный слой, а встроенная часть передает механические сигналы. Однако традиционная 3D-печать прямым письмом чернилами (DIW) ограничена реологическими свойствами чернил, что затрудняет изготовление вертикально ориентированных микростолбиков с высоким соотношением сторон (H/F). Команда оптимизировала рецептуру чернил — используя полиуретан (ПУ) в качестве матрицы с добавлением технического углерода (CB), ионной жидкости (IL) и летучего растворителя ДМФ — и использовала возможности точного контроля параметров 3D-принтера SenGo AutoBio1000 для успешной вертикальной 3D-печати микропилляров. Полученные микростолбики достигли соотношения сторон 3,55, а быстрое испарение растворителя во время печати сформировало стабильную внешнюю оболочку, которая предотвратила разрушение структуры, заложив основу для работы WCES.
Рисунок 1: Характеристики пленок, изготовленных из разных материалов, и процесс микропиллярной печати.
(а) Электрический отклик пленок, изготовленных из разных материалов, под давлением.
(б) Графики импеданса Найквиста для пленок, состоящих из PU, CB и IL, при различных условиях нагрузки.
(в) Фотографии, запечатлевшие ключевые моменты во время вертикальной 3D-печати микростолбиков различными чернилами. Слева направо содержание CB в красках составляет 35% масс., 40% масс. и 45% масс. соответственно.
(d) Реологические свойства трех образцов чернил. Сплошные и пунктирные линии представляют модуль упругости (G') и модуль потерь (G'') соответственно.
(e) Кажущаяся вязкость (η) образцов чернил как функция скорости сдвига.
2. Использование двойного преимущества «гидроизоляция + высокая чувствительность».
WCES с микропиллярной матрицей, изготовленный с помощью 3D-принтера AutoBio1000, демонстрирует выдающиеся характеристики:
* Превосходная гидроизоляция: микростолбчатая структура увеличивает угол контакта материала с водой с 41,3° до 113,7°, образуя воздушный барьер микронного масштаба. Капли воды легко скатываются с поверхности, а после погружения в морскую воду (5% раствор NaCl), чай, сок и другие жидкости степень затухания сигнала составляет не более 7,75%.
* Сверхвысокая чувствительность: благодаря эффектам концентрации напряжения в микростолбиках и двухрежимной механической трансдукции с использованием CB (имитация быстроадаптирующихся рецепторов, FA-R) и IL (имитация медленно адаптирующихся рецепторов, SA-R), WCES достигает чувствительности 14,9 кПа⁻¹ в диапазоне давлений 0–10 кПа, что значительно превышает существующие водонепроницаемые датчики (0,001–1 кПа⁻¹).
* Превосходная стабильность: после 10 000 циклов давления и 6 дней испытаний на ускоренное старение (имитирующих шесть месяцев естественного воздействия) WCES сохраняет стабильные электрические и механические характеристики с вязкостью разрушения 1,96 МДж/м³.
Рисунок 2. Микроскопическая структура и электрические характеристики WCES.
(а) Фотография вертикально напечатанной матрицы микропилляров. Масштабная линейка: 5 мм. На вставке показано изображение массива, полученное оптической микроскопией. Масштабная линейка: 1 мм.
(б) СЭМ-изображение одного микростолба и соответствующие карты распределения элементов, полученные с помощью EDS. Масштабные линейки для левого изображения СЭМ и увеличенного изображения СЭМ составляют 300 мкм и 20 мкм соответственно.
(c) Фотографии, показывающие измерения угла контакта с водой до и после печати массива микростолбиков на поверхности пленки.
(г) Тестовые фотографии капель воды, катящихся по поверхности пленки с матрицей микропилляров.
(д) Зависящие от давления спектры электрического отклика WCES с массивами микропилляров различной плотности.
(f) Линейная чувствительность WCES с решеткой микропилляров 5×5 в различных диапазонах давления.
(g) Сравнение чувствительности вертикально напечатанных WCES в этом исследовании (красный) и ранее описанных водонепроницаемых датчиков (синий) и обычных датчиков (фиолетовый).
(h) Изменение чувствительности WCES с течением времени после погружения в различные растворы.
(i) Спектры ATR-FTIR образцов до и после испытаний на ускоренное старение.
Рисунок 3. Изменения других характеристик восприятия датчика с водно-углеродным электродом (WCES) до и после погружения, включая динамический диапазон (DH) (a), воспроизводимость (b и c), время отклика (RT) (d) и предел обнаружения (LoD) (e).
(f) Результаты испытаний на стабильность WCES после 10 000 циклов до и после погружения.
(g) Распределение напряжений микростолбов под давлением 100 кПа, полученное с помощью анализа методом конечных элементов.
(h) Фотографии, показывающие перегрузку микростолбов в процессе загрузки-разгрузки давлением.
Раздел III. Практическое применение: система морского мониторинга здоровья в пределах досягаемости
(а) Схема системы управления здоровьем экипажа на основе WCES.
(б) Пульсовые сигналы, обнаруженные WCES у трех добровольцев в состоянии сидения, ходьбы и бега.
(c) Визуализация классификации случайного леса (RF) после уменьшения размерности с использованием анализа главных компонентов (PCA).
(г) Изменение точности распознавания различных импульсных сигналов в зависимости от количества итераций во время обучения радиочастотной модели.
(д) Матрица путаницы после 70 обучающих итераций.
Раздел IV. Ценность оборудования: технология SenGo, способствующая научным инновациям
AutoBio1000 — это профессиональная конфигурация серии научного оборудования для 3D-печати AutoBio от Shenzhen SenGo Technology Co., Ltd., использующая технологию 3D-печати DIW (прямое письмо чернилами). Благодаря своим основным преимуществам «высокой совместимости, высокой точности и высокой стабильности» он стал важным инструментом для исследовательских групп в области материаловедения, гибкой электроники, биомедицины и других областей.
Система поддерживает производство на основе экструзии с использованием различных систем чернил, включая полимеры, композиты и биочернила, что позволяет точно контролировать параметры печати и обеспечивает мультимодальную модернизацию. Он способствует эффективному изготовлению структур от плоских до трехмерных и от микрометра до миллиметра, обеспечивая гибкую и надежную поддержку оборудования для научных инноваций.
Результаты исследований совместной команды Восточно-Китайского педагогического университета и KAIST еще раз подтверждают техническую мощь SenGo Technology в области научного оборудования и подчеркивают значение совместных инноваций «оборудование-исследования» для продвижения академического развития. В дальнейшем SenGo Technology продолжит предоставлять высококачественное оборудование и технические услуги большему количеству исследовательских групп, способствуя реализации научных достижений более высокого уровня.
Moongon Tech 3D Printing Рекомендуемый поиск
Исследования | 3D-печать | Биопринтер | Материаловедение | 3D-принтер для письма с прямыми чернилами | Лучшие журналы
