东北电力大学《ACS ANM》：石墨烯碳纳米管导电油墨，用于自供电柔性医疗监护装置

成果简介

柔性可穿戴传感设备由于具有集成功能和良好的生物相容性等优点，在电子皮肤和人体健康监测领域引起了广泛的研究关注。然而，现有的传感器无法在较宽的传感范围内实现高灵敏度响应。此外，传感器在使用过程中需要外部供电。为了克服这一关键挑战，本文，东北电力大学Huan Liu等研究人员在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Graphene/Carbon Nanotube Conductive Ink-Based Biomimetic Structure for Self-Powered Flexible Medical Monitoring Devices”的论文，研究提出了一种以石墨烯和碳纳米管为导电填料、N,N-二甲基甲酰胺为溶剂制备的GN-CNT电墨水。以热塑性聚酰胺薄膜为柔性基底，构建了具有仿生圆叶贝母结构的自供电柔性可穿戴传感微系统。

仿生圆叶益母草结构（BRMS）可减少应力集中分布，获得更大的拉伸应变范围。制备的仿生圆叶贝母结构柔性电极可用于采集和记录胸部、指尖和手腕等三个不同部位的心电图（ECG）信号。柔性电极具有更高的心电信号振幅和信噪比。摩擦层电极使用通过印刷 GN-CNT 导电油墨制备的导电油墨进行印刷。然后，再组装一个摩擦纳米发电机，以收集低频机械能。利用导电银浆和 GN-CNT 导电油墨涂层的组装工艺制备了超级电容器。在不同角度和其他变形状态下没有明显的电容衰减现象，具有优异的储能性能。在该传感微系统中，应变传感器和柔性电极可直接由摩擦纳米发电机和超级电容器组成的电源驱动。它可长期用于人体运动检测和医疗心电图监测的低功耗检测。

图文导读

图1.（a） 导电油墨的制备。（b）导电油墨的微观形貌。（c） 仿生感知网络结构设计。（d） 丝网印刷柔性传感器/柔性电极。

图2.（a-c）三种不同传感结构的应力分布云图。（d）三种不同结构的最大弯曲应力比较。

图3.（a-d）不同放大倍率下GN-CNT薄膜的表面形貌。（e-f）不同放大倍率下GN-CNT薄膜的横截面形貌。

图4. (a) 传感器在较宽传感范围内的相对电阻变化。(b) 传感器在 0.06-3.33 Hz 频率下的相对电阻变化。(c) 传感器的响应和恢复时间。(d) 应变振幅为 3-100% 时传感器的相对电阻变化。(e、f）传感器的伏安特性曲线。(g) 传感器在 0.001-0.5 伏电压下的相对电阻变化。

图5. (a) SC电化学测试示意图。(b) SC在10-500mV/s扫描速率下的CV 曲线。(c) SC在0.6-1.0mA 电流密度下的 GCD 曲线。(d, e) SC在不同角度变形下的 CV 曲线和 GCD 曲线。(f) SC 的电容保持率、能量密度和功率密度。(g、h）串联/并联多个 SC的CV曲线和GCD曲线。

图6. (a) TENG 工作原理示意图。(b) TENG 模拟摩擦电势分布。(c) 频率为 1-9 Hz 的 TENG 输出电压、电流和电荷。(d) TENG 在 0.22-4.70 μF 的商用电容器上充电。(e、f）10Ω 至 1000 MΩ 电阻外部负载下的 TENG 输出电压、电流变化和功率密度。(g) TENG 照明 LED 箭头指示灯。

图7. (a, b) 以不同频率运动的手指和手腕关节。(c、d）膝关节和踝关节以不同频率运动。(e) 喉部发声和生理运动。

图8：（a-c）胸部不同电极心电信号的变化。d-f）不同电极心电信号特征的放大图。(g, h) BRMS 柔性电极在指尖和手腕处的心电信号变化。(i) BRMS 柔性电极耐用性稳定性测试。

小结

综上所述，我们提出了一种以石墨烯和碳纳米管为导电填料、N,N-二甲基甲酰胺为溶剂制备的 GN-CNTs 导电墨水。以热塑性聚酰胺薄膜为柔性基底，构建了具有仿生圆叶贝母结构的自供电柔性可穿戴传感微系统。该系统采用低成本纳米材料、仿生结构理论设计和丝网印刷制作而成。仿生圆叶益母草结构（BRMS）可以减少应力集中分布，获得更大的拉伸应变范围。该传感器的灵敏度响应因子为 14471.22，传感响应范围为 347%。制备的 BRMS 柔性电极可用于采集和记录胸部、指尖和手腕等三个不同部位的心电图（ECG）信号。柔性电极具有更高的心电信号振幅和信噪比。摩擦层电极是通过印刷 GN-CNT 导电油墨制备的。

随后，装配好的 TENG 通过收集人体的低频运动，实现了 17.76V电压、1.09×10-1μA 电流和5.16nC 电荷的电能输出。它具有出色的能量收集性能。通过导电银浆和GN-CNT导电油墨涂层的组装工艺制备的 SC 实现了 6.03mF cm-2 的高面积比电容。同时，在不同角度和其他变形状态下SC没有明显的电容衰减现象。经过5000次充放电循环后，初始电容仍能保持在 93.45%。它具有优异的储能性能。最后，所构建的传感微系统能够实现长时间低功耗人体运动检测和医疗心电图监测。

文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c05095