微纳金属3D打印技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-07-20 04:46 标签： 3d金属拼图

微针阵列由于其方便和降低感染风险，在药物输送应用中显示出许多优势。与其他微尺度制造方法相比，3D打印技术可以很容易地克服复杂几何形状和多功能性能的微针制造难题。然而，由于材料特性和打印能力的限制，三维打印微针在实现各种临床应用所需的机械性能方面仍然存在瓶颈。帽贝牙齿的层次结构非常坚固，被誉为地球上最强的生物材料，这是由矿化组织的排列纤维和基于蛋白质的聚合物增强框架形成的。这些结构为机械增强生物医学微针提供了设计灵感。

1）在打印过程中，排列整齐的微束氧化铁纳米粒子（aIOs）被聚合物基体包裹。

2）制备了一种具有生物启发性的3D打印的无痛微针阵列，并证明了这种微针贴片在长期佩戴期间适用于药物输送。此处报告的结果为临床试验中如何优化微针的几何形态以实现无痛药物输送提供了见解。

可穿戴的软电子设备最近已成为新兴的研究领域，它扩展了传统刚性电子设备在医疗记录、人机界面和能量收集中的功能；同时，机械上的相似性有助于将对人体组织的刺激降到最低，并能够持续进行医疗保健监测。导电聚合物，碳质或金属纳米材料以其卓越的性能在导体、显示器、可穿戴电子设备和绿色能源等方面广泛应用。但其透明度、延展性不足（<90％），制造成本、潜在毒性限制进一步应用；聚合物-弹性体杂化体渗流网络具有明显的滞后、连接损耗和疲劳失效。液态金属（LM）的模量比弹性体低几个数量级，所以流体LM对弹性体的载荷微不足道。与弹性体复合材料具有响应延迟、恢复时间长、磁滞高的缺点。因此，具有高成本效率、透明性、无滞后性及多功能的柔性导体-弹性体混合物导电材料仍是个严峻的挑战。

作者以自液化发展可穿戴电子设备、人机界面和清洁能源。透明的蛋清水凝胶（EWH）是在碱性环境下由物理交联产生；EWH有剪切稀化和特性，这对于直接墨水书写3D打印以实现复杂的体系结构至关重要。碱性水解诱导EWH相变过程独特，可从固体水凝胶自发液化成液体及蛋白质电泳。相变过程中机械模量急剧下降（从770Pa降低到1Pa），得到的蛋清（EW）液体（EWL）的透射率明显高于原始EW溶液，并且表现出优异的离子电导率。EWH室温下可直接3D打印，可通过调节挤出速度来设计复杂电路；基于EWH的双拉伸/压缩传感器可灵敏的检测剧烈的运动（手指和腕部运动）及微软的运动（如脉搏，面部表情和血管扩张），以及生活场景中的其他实际应用（声音振动，剪切力和粗糙度）。以EWL为电极，作者还开发了具有高压缩性和透明性的摩擦电纳米发电机（TENG）。

EWH水凝胶从原始EW溶液中形成，该水凝胶体系可通过多价阳离子与羧基之间的二次交联。将两个染有绿色和红色荧光染料的圆柱形EWH块垂直堆叠并密封，堆叠的水凝胶在重力作用下会融合在一起（图1a）。在强碱水解作用下EWH发生“自清偿”现象，即 EWH发生相变的触发与EWH形成同步，并在相变过程中，较小的肽或氨基酸片段分散在EWL中而不是完整的蛋白质链中（图1b）。凝胶化后EWH的模量比EW高两个数量级（图1c）。自清偿所需时间随温度升高而降低（图1d）。不同的碱性溶液（LiOH和KOH）制成EWH的机械模量几乎没有变化（图1e）。在4°C冷藏2个月后，EWH是稀薄的液体，其模量出比原始老化EW溶液更高的（图1f）。相比于EW，水凝胶的模量具有时间相对动力学行为。

图1相变后EWH和EWL的物理和机械性能。

下一代可穿戴电子设备需具有高度光学透明的界面，这不仅可替换当前不透明设备，还可提供“隐形系统”的可能性。与原始EW溶液相比， EWH的光学性能显着提高（图2a）。自清偿过程中透光率进一步提高（图2b），这种现象归因于水解后肽链残基的长度越来越短，从而使液体中的不溶性聚集物急剧减少。图2c透明的液体足以让白光穿过并在三角玻璃棱镜中分散成彩虹光谱。EWL还具有高离子电导率。图2d证明 EWH自清偿过程对电子性能产生了很大的影响。EWL作为导体集成到一个闭合电路中，而发光二极管（LED）作为开/关指示器（图2f），几滴EWL可以有效地恢复电路连接。样品的电导率在EWH完全液化为EWL、并在室温下放置24 h后急剧增加（图2g）。EWH中的电荷载流子和输运归因于Na+和OH-，电导率的提高是由于水解后的肽残基或游离氨基酸的总离子浓度增加，以及自清偿过程中多孔结构的塌陷。

图2 EWH和EWL的透光率和电性能。

作者以EWH作为剪切稀化油墨在室温下直接进3D打印，该技术无需进行UV固化、流变改性剂。EWH具有典型的剪切稀化行为，可作为直接印刷油墨通过挤出喷嘴进行打印（图3a）。以三种硅橡胶商业产品Sylgard 184和Ecoflex系列（00-35和00-50）作为EWL的软质基材。接触角测试显示所有弹性体对EW或EWL的固有疏水性，即使完全清偿后，仍保持清晰的边界（图3b）。在打印中，可以通过变化的挤出速度改变线分辨率。如图3c所示，挤出机的挤出速度增加导致在基板上的水凝胶沉积减少，这大大降低了线的分辨率。作者接着创建了一个具有流互连的层次结构阵列，仅通过改变挤出速度即可获得具有高保真度且宽度逐渐减小的直线（图3d），该装置有出色的拉伸性（图3e）。此外，EWL还可以通过微流体浇铸和针头注入进行图案化，用于电子电路以及环境温度应变传感器（图3f-

图3 EWH用于3D打印和可拉伸电子制造。

2.3高灵敏度和无滞后的EWL-Eco混合体作为双应变/压缩传感器

作者将EWL自动封装在Ecoflex中，然后在Ecoflex中嵌入3D打印EWH线，通过自动清偿以制造EWL–Eco传感器。电阻变化值（ΔR％）会随着拉伸变形而增加，传感器在从0％拉伸到200％时都具有可重复的响应。ΔR％的大小与内部尺寸密切相关，直径越小，电阻变化越大（图4a–c），其灵敏度与EWL导体的内部宽度相关，且在板级范围内具有高灵敏度变（图4d）。传感器具有“速度绝缘”特性，这意味着该传感器可以承受极快的拉伸，并在没有明显变化的情况下仍保持了可靠的灵敏度（图4e）。EWL–Eco传感器的响应时间及恢复时间都比皮肤快10ms，具有长期电子耐用性和使用寿命（图4g，h）。由于EWL的流动特性和Ecoflex的高弹性，传感器表现出优异的压缩率，最高可达90％（图4i）。传感器的电阻随着负载压力增大而增加（图4j），且稳定性和耐用性在300 k至12 kPa的循环中没有明显的偏差（图4k）。

图4 EWL–Eco传感器对拉伸力和压缩力的机电性能。

2.4可穿戴式EWL-Eco传感器在平面和曲线表面上的应用

鉴于其高柔顺性和灵活性，可忽略的滞后性以及对拉伸和压力的双重机电灵敏度，EWL–Eco传感设备被用于在屏幕及非平面上的识别认证（图5a- e），包括剧烈/微弱运动（图5a- b），例如手指和手腕弯曲（图5c），模拟血管收缩和血管舒张，识别莫尔斯电码（图5e）；监视久坐和运动后状况下的脉搏（图5f）；检测前额皱纹的细微收缩（图5g）；检测非接触模式的声音（图5h）。EWL–Eco传感器还有动态刺激的能力（图5i）、纹理识别能力（图5j）和可编程制造能力（如3D视觉压力传感（图5k））。EWL-Eco设备可以识别出健康状况的细微差异，并适应大量的动态刺激或非平面表面，这表明它作为高灵敏度和准确性的可穿戴传感器具有广泛的潜力。

图5. EWL-Eco传感器用于检测现实世界中各种剧烈和细微的行为。

2.5基于EWL流动性的手势控制台

人机界面设备通过人与人之间的物理交互（即触摸，按动或抓握）来执行操作，并且基于触摸的电子设备（如键盘，鼠标，智能手机）为生活与科学的发展铺平了道路。作者通过将EWL密封在以LED为指示器的3D打印塑料模具制造一种新颖而简化的手势控制台，该控制台可使电子设备处于开/关/待机状态。简而言之，将导电EWL作为流触头集成到分层电路中，以交替打开/关闭信号；根据手势变化将液体倒入设计的腔中，并连接当前的电支路，然后打开相邻控制器以实现相应的电子功能。该控制台基于手势识别编程软件并控制设备，在未来可用于物联网领域（图6）。

图6由EWL制造的手势控制控制台。

2.6 EWL作为摩擦式纳米发电机（TENG）能量收集的导体

TENG仅通过接触带电和静电感应的耦合作用即可高效地将各种机械能转换为电能，具有低成本、材料方便的优点。作者以简单铸造工艺来制造具有大块形状的TENG，EWH夹在两层Ecoflex之间以实现自我清偿。皮肤（正电荷）接触到Ecoflex薄膜表面时摩擦起电，并在弹性体上感应出相同量的负电荷，但没有产生电势。EWL中的离子运动由于弹性体的负电荷而产生过量正电荷，皮肤离开Ecoflex表面可驱动自由电子通过外部电路从EWL流向地面，一旦皮肤再次接近弹性体，整个电子流就会反向运动；EWL-TENG对外部运动能够稳定而快速地响应，其电流输出能力随压力增大而增加，作者还以此为基础制造一种功能性电皮阵列。

图7 EWL-TENG的发电机理，结构设计，机械能收集和传感特性。

作者开发了具有溶胶-凝胶-溶胶（EW-EWH-EWL）相变过程的独特液态蛋清，碱性环境不仅重新调整了物理平衡以形成固体EWH，而且同步触发了EWL的自我清偿。相变后制备的EWL具有高透明性和高离子电导率，并继承了其前身（EWH）的完整3D结构，该结构保留了直接的3D可印刷性，具有高灵敏度和良好的耐久性，滞后性可几乎不计。这种材料在电子传感器，手势控制控制台和摩擦电动纳米发生器中的具有广泛应用。该材料和技术因来源丰富，绿色制造工艺和工业上的可行具有很大的实用价值，并可能会推动可穿戴电子设备在各个领域的发展，例如，持久健康监控，人机界面，物联网和清洁能源。

2.1 开机a）打开计算机主机、显示器；b）打开Nanoscope控制器；c）打开Dimension Stage控制器。2.2 安装探针a）选择合适的探针和夹；b）安装探针；c）安装探针夹到仪器上。2.3 调节激光a）将激光打在悬臂前端；调整检测器位置；2.4 启动软件a）双击桌面Nanoscope软件图标；b）进入实验选择界面，根据方案，第一步选择实验方案，二步选择实验环境，第三具体操作模式；c）结束上述步骤后，单击界面右下方图标“Load Experiment”，进入具体实验设置界面。2.5 在视野中找到探针在视野中预先找到探针位置非常重要。若不如此做，可能会发生撞针的情况。2.6 进样a）样品制备；b）聚焦样品。2.7

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