Medische sensoren op de huid en draagbare gezondheidsapparaten zijn belangrijke hulpmiddelen voor de gezondheidszorg die ongelooflijk flexibel en ultradun moeten zijn, zodat ze met het menselijk lichaam kunnen meebewegen. Daarnaast moet de technologie bestand zijn tegen buigen en strekken en moet het gasdoorlatend zijn om irritatie en ongemak te voorkomen. Een ander belangrijk veiligheidskenmerk van deze apparaten is het vereiste oververhittingsbeveiligingscircuit. Dit voorkomt dat de apparaten oververhit raken en de drager verbranden. Elke nieuwe technologie die voor deze sensoren wordt ontwikkeld, moet aan deze behoeften voldoen.

In een recent artikel hebben onderzoekers aangetoond hoe een belangrijk onderdeel van de sensoren, een thermistor genaamd, kan worden geconstrueerd met behulp van een ultradun vezelgaas. Thermistors zijn een type weerstand waarvan de weerstand aanzienlijk varieert met de temperatuur.

Het artikel is online gepubliceerd in Advanced Science op 4 september.

"Er is een oververhittingsbeveiligingscircuit nodig om te voorkomen dat biologische weefsels worden verbrand tijdens de werking van flexibele apparaten. Een kandidaat is een polymeer positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) thermistor, die een grote weerstandstoename heeft binnen een smal temperatuurbereik", zegt Chihiro Okutani, een assistent-professor bij de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Shinshu University in Japan.

"Om dergelijke thermistors te kunnen gebruiken voor medische sensoren op de huid, moeten ze rekbaar en buigbaar zijn tot enkele honderden micrometers. Het is echter nog steeds een uitdaging om een ​​thermistor te fabriceren waarvan de temperatuurkenmerken niet verslechteren wanneer ze om een ​​naald worden gewikkeld met een buiging straal van minder dan 1 mm."

Het is belangrijk dat deze technologie om een ​​naald kan worden gewikkeld, omdat soms sensoren tijdens gebruik aan naalden of katheters worden bevestigd. Om dit te bereiken, moet de thermistor ultradun zijn. Onderzoekers gebruikten een techniek genaamd electrospinning om de ultradunne mesh-type polymeer PTC-thermistor te creëren. Electrospinning gebruikt elektriciteit om minuscule vezels te maken. De vezels kunnen van verschillende materialen zijn gemaakt, maar in dit geval gebruikten onderzoekers een oplossing van composietmaterialen.

De nieuw ontworpen thermistor werd vervolgens getest om er zeker van te zijn dat deze vergelijkbare prestatiemogelijkheden van bestaande technologie bereikte. Net als typische film-type thermistors, vertoonde de mesh-type polymeer PTC-thermistor een toename in weerstand van drie ordes van grootte, een belangrijk kenmerk voor het voorkomen van oververhitting en brandwonden.

Door een mesh-structuur te gebruiken, bereikte de thermistor ook transparantie, waardoor de sensoren in de huid opgaan, en gasdoorlatendheid. Gasdoorlatendheid is noodzakelijk omdat het irritatie en ongemak voorkomt. "We demonstreerden ook de werking van de thermistor gewikkeld rond een naald van 280 micrometer door de vezels te fabriceren op een ultradunne film van 1,4 micrometer", zegt Okutani.

Zelfs met deze vezellaag, die dient om de maasstructuur en extra warmtedetectie te geven, bleef de thermistor erg dun. Dit is belangrijk omdat elk draagbaar medisch apparaat bestand moet zijn tegen buigen en wanneer het apparaat dunner is, is er minder belasting.

Hoewel deze thermistortechnologie veelbelovend is, zal er meer onderzoek moeten worden gedaan om dit een betrouwbaar alternatief te maken voor de huidige thermistortechnologie op de markt. Een thermistor van het mesh-type heeft een hoge initiële weerstandswaarde vanwege het beperkte aantal geleidende paden. De onderzoekers stelden voor dat het verkleinen van de afstand tussen de vezels in het gaas of het vergroten van het aantal gebruikte elektroden een aantal van deze problemen zou kunnen oplossen, maar er zullen aanvullende tests moeten worden uitgevoerd.

"Onze volgende stap is praktische toepassingen van de ontwikkelde thermistoren. We zijn van mening dat de ultraflexibele en gasdoorlatende thermistoren kunnen fungeren als componenten voor oververhittingspreventie voor op de huid of implanteerbare apparaten, waardoor flexibele sensoren veiliger te bedienen en betrouwbaarder zijn", aldus Okutani. . + Verder verkennen

Onderzoekers boeken belangrijke vooruitgang voor het printen van circuits op draagbare stoffen