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多倫多大學劉新宇教授、北航羅斯達教授 Mater. Horiz.: 用于熱理療的激光誘導(dǎo)石墨烯剪紙結(jié)構(gòu)可拉伸加熱器
2024-02-24  來源：高分子科技

  近年來，越來越多的人受到肌肉痙攣、關(guān)節(jié)損傷和關(guān)節(jié)炎的困擾。通常情況下，熱理療可以緩解傷痛、改善組織靈活性、增強血液流動以及加速組織修復(fù)。然而，傳統(tǒng)的化學加熱器升溫相對較慢、不可拉伸、作用時間有限，而傳統(tǒng)的電加熱器重量大、體積大、便攜性差。近期，柔性和可拉伸加熱器在可穿戴熱理療領(lǐng)域顯示出潛力。然而，現(xiàn)有的柔性加熱器存在加工時間長、制造成本高、含有有毒化學物質(zhì)等問題，這些問題是將可拉伸加熱器廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的障礙。



  基于上述問題，多倫多大學的劉新宇教授團隊和北京航空航天大學大學的羅斯達教授團隊結(jié)合剪紙圖案（kirigami）和激光誘導(dǎo)石墨烯（laser induced graphene, LIG）研發(fā)了一款可定制化加工的可拉伸加熱器。成果以《Kirigami-enabled stretchable laser-induced graphene heaters for wearable thermotherapy》為題發(fā)表在材料領(lǐng)域知名期刊Materials Horizons上。該可拉伸加熱器采用激光加工的方法，先在聚酰亞胺（PI）基材上，用低功率產(chǎn)生激光誘導(dǎo)石墨烯作為導(dǎo)電通路，然后用高功率切穿薄膜，產(chǎn)生使材料具有可拉伸性的剪紙圖案。根據(jù)不同的佩戴位置，通過有限元模擬和實驗測試對三種不同類型剪紙結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與優(yōu)化，實現(xiàn)了單向和多向可拉伸性，為實際醫(yī)療應(yīng)用提供了個性化的熱理療解決方案。使用可拉伸且具有生物相容性的彈性體Ecoflex硅膠橡膠和VHB可拉伸膠帶，封裝加熱器起到保護作用并實現(xiàn)與皮膚的粘附。文章展示了這種可拉伸加熱器可以在<36V的人體安全電壓供應(yīng)下，在<1分鐘內(nèi)加熱至超過40°C。優(yōu)化后的剪紙設(shè)計參數(shù)，可以實現(xiàn)100%的單向可拉伸性和20%的多向可拉伸性，而在導(dǎo)電性和加熱性能上沒有較大損失。通過貼附在皮膚上的測試和疲勞測試，證明了其在實際場景中的魯棒性。該加熱器可定制、重量輕、成本低、操作安全、佩戴舒適，并提供多模態(tài)可拉伸性，為個性化可穿戴熱理療提供一個實用的解決方案。 


圖1 加熱器設(shè)計和表征. (a) 加熱器設(shè)計與制造流程. (b) 單向可拉伸加熱器拉伸. (c) 多向可拉伸加熱器分別在x和y方向拉伸. (d) 在充氣的氣球表面對多向可拉伸加熱器進行拉伸. (e) LIG掃描電子顯微鏡圖像. (f) LIG的X射線衍射和拉曼光譜. (g) LIG的電阻/抗拉強度-激光功率關(guān)系.
 

圖2 剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化. (a) 單向拉伸剪紙圖案設(shè)計. (b) 多向拉伸剪紙圖案設(shè)計. (c-e) 剪紙結(jié)構(gòu)在拉伸狀態(tài)下z方向的位移. (c) 單向拉伸剪紙圖案. (d) 多向拉伸剪紙圖案在x方向拉伸. (e) 多向拉伸剪紙圖案在y方向拉伸. (f-h) 實驗測量具有不同參數(shù)剪紙結(jié)構(gòu)的LIG在平均應(yīng)力和電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系. (f) 單向拉伸剪紙圖案. (g) 多向拉伸剪紙圖案在x方向拉伸. (h) 多向拉伸剪紙圖案在x方向拉伸.
 

圖3 加熱器的力學與電阻特性. (a-c) 有限元分析中加熱器的應(yīng)力分布，三層材料從上到下依次是Ecoflex、LIG和VHB. (a) 單向拉伸剪紙圖案. (b) 多向拉伸剪紙圖案在x方向拉伸. (c) 多向拉伸剪紙圖案在y方向拉伸. (d) 在有無包覆層的情況下，單向拉伸加熱器在力學和導(dǎo)電性上的實驗比較. (e) 不同加工參數(shù)的單向拉伸加熱器應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實驗比較. (f) 不同加工參數(shù)的單向拉伸加熱器電阻變化-應(yīng)變關(guān)系實驗比較. (g-i) 優(yōu)化設(shè)計后的應(yīng)力和電阻-應(yīng)變關(guān)系. (g) 單向拉伸剪紙圖案. (h) 多向拉伸剪紙圖案在x方向拉伸. (i) 多向拉伸剪紙圖案在y方向拉伸.
 

圖4 電熱特性表征. (a) 在不同輸入電壓下的瞬態(tài)溫度響應(yīng)（插圖：在不同輸入電壓下的最大溫度變化和升溫速率. (b) 在不同應(yīng)變下的瞬態(tài)溫度響應(yīng)（插圖：在不同應(yīng)變下的最大溫度變化和升溫速率. (c-e) 穩(wěn)態(tài)平均溫度-應(yīng)變關(guān)系. (c) 單向加熱器. (d) 多向加熱器在x方向拉伸. (e) 多向加熱器在y方向拉伸. (f) 在有限元分析中，平均溫度隨應(yīng)變變化的關(guān)系.
 

圖5 應(yīng)用展示. (a) 三種類型加熱器在不同皮膚部位上測試. (b) 腕關(guān)節(jié)重復(fù)拉伸測試. (c) 1000次拉伸疲勞測試.

  多倫多大學教授劉新宇、北京航空航天大學教授羅斯達為本文共同通訊作者，多倫多大學和北京航空航天大學陳俊宇為第一作者，施一超、應(yīng)斌斌、呼雅杰、高燕為共同作者。該研究受到了加拿大自然科學和工程研究理事會、加拿大創(chuàng)新基金會、多倫多大學Percy Edward Hart教授基金、中國留學基金委、中國自然科學基金委、北京自然科學基金委的資助。


  文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01884a

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（責任編輯：xu）
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