近年来,皮肤附着设备在众多领域引起了广泛关注,例如显示器、运动检测传感器、药物递送设备和生物传感器等。为了满足舒适度,目前大多数的研究主要集中在开发柔性、可拉伸的皮肤附着设备。而皮肤附着设备的透明度是影响使用者审美满意度的重要因素之一。除了透明之外,无线操作也是皮肤附着设备避免干扰用户日常活动的另一个关键因素。

对于可穿戴设备而言,设备的成功运行往往需要具有电化学性能的透明电源。因此,对于新一代可穿戴设备,必须考虑一下几个条件,

1、高透明性和柔韧性;

2、具有独立的能源装置,能为各功能部件提供一致的运行动力;

3、无线传输,无需额外布线供电。

《​Nano Letter》:能重复使用的“透明暖宝宝”,无线、透明、可充电、可穿戴热帖

基于此,意大利米兰理工大学Andrea Li Bassi教授、韩国国立蔚山科学技术院Sang-Young Lee教授和延世大学Jang-Ung Park教授合作制备了一种可无线充电透明柔性热贴片(尺寸:1×1 cm2)。为了制备该种透明柔性器件,作者首先利用具有一流光电性质的纳米CuZr金属玻璃槽(CuZr NTs)和银纳米线(AgNWs)混合形成的无规网络(薄层电阻为3.0Ω/ sq,透过率为91.1%),研制了一种透明柔性的无线功率传输电路。然后通过将其和超级电容器(利用电流体喷墨打印制备)集成在电路中,成功地制造出了一种透明柔性的无线皮肤附着装置,并将其应用于热疗领域。

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图1 CuZr NTs-AgNWs混合电极的制备方法

 

透明柔性电极的制备:

作者利用静电纺丝和脉冲激光沉积(PLD)工艺制备了CuZr NTs-AgNWs网络。首先将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)在金属收集器上电纺成一个独立的纳米纤维网(图1a),再利用PLD技术将CuZr沉积在纳米PVP纤维网上;利用有机溶剂和水连续去除PVP模板后,为促进CuZr NTs之间的连接,电喷射银纳米线AgNWs,以保证杂化网络的电子渗透(图1c)。最终得到一个CuZr NTs-AgNWs混合无规网络。

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图2 透明天线原理图及加热性能

 

透明天线制备:

作者利用上述混合电极(通过将CuZr NTs电纺10 s并喷涂Ag NWs 60 s形成CuZr NTs-AgNWs无规网络)制备了一种具有五匝结构的天线(天线宽度为800μm,匝距为100μm)。该透明天线薄层电阻极低,为3.0Ω/ sq,光学透过率为91.1%(图2)。此外,该混合天线还可以用作柔性和隐形加热器。通过给天线施加恒定的直流偏置,温度随时间开始升高,然后在9秒内到达所需的饱和值(图2e)。除此之外,该透明天线同时还具有出色的柔性,弯曲半径为20 mm,弯曲并没有显著改变温度(图2f)。

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图3 热贴片集成系统原理图

 

无线透明柔性热贴片的制备:

无线操作是增强可穿戴电子产品用户体验的重要因素,特别是对可穿戴设备而言。作者通过将天线,整流装置和超级电容器(利用电流体喷墨打印制备)集成在一起制成透明柔性热贴片(图3 a、b);除硅二极管外,该器件的所有组件均使用透明材料制造,以使热贴片的光透过率最大化(在可见光范围内约为72%)。该器件在开关打开充电过程中,无线应用的交流电源被整流为直流电源给超级电容器充电。相反,在开关关闭放电过程中,超级电容器直接作用于天线产生热量(图3d)。

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图4 利用无线热帖片热疗后血液灌注和皮肤水化率

 

利用无线热贴片实现无线热疗:

热疗是最流行的物理治疗方法之一,它能有效地增加血液循环,减少炎症和疼痛。此外,热疗法还可以增加活性物质在皮肤中的渗透。作者通过测量血液灌注和皮肤水化率来证明该无线热贴的有效性。通过研究发现,使用该无线热贴对局部皮肤(手背,尺寸:1×1cm)热疗(41℃)1分钟后,血流立即达到峰值,然后随着时间的推移逐渐减少,并且短时间的热应用(41℃,60 s)可导致明显的皮肤充血长达13分钟(图4b),血流速度是正常皮肤的3.8倍(图4C)。

因此,作者成功地通过将透明柔性的天线和超级电容器集成在电路中,并将所有组件制成透明、柔性的形式,得到一种无线皮肤附着装置(热疗贴片)。这种透明的热疗贴片可以控制血液灌注水平和皮肤水化率,这为下一代可穿戴电子产品的开发提供了一个前景光明的策略。

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00869?fig=fig4&ref=pdf

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