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可穿戴式3D打印传感器可确保您免受晒伤

老三的人
2020-11-11 10:54:10

作为一个皮肤非常白的人,与晒伤的斗争是很真实的,正如克拉克森大学的研究人员所解释的那样,在美国,每年大约有170万新的皮肤癌病例被诊断出是由太阳的紫外线(UV)辐射引起的。

 

但是,这并不意味着我们需要在夏季躲藏在黑暗中,因为大多数紫外线辐射只是间歇性的。但是我们仍然需要采取预防措施以防晒伤,这通常意味着经常涂抹大量的防晒霜。但是,该研究团队可能有更好的解决方案,它涉及3D打印可穿戴技术,该技术过去已用于医疗保健监控应用程序。

 

Silvana Andreescu,克拉克森化学与生物分子科学教授兼Egon Matijevic特聘教授以及她实验室的两名成员,研究生Abraham Finny和本科生Cindy Jiang,发表了一篇论文,介绍了他们在开发基于水凝胶的3D打印非胶粘剂方面的工作。有毒的传感器,可以通过指示意外暴露于有害的紫外线中来防止晒伤。

 

摘要指出:“暴露于过度的紫外线(UV)会对人体健康造成不利影响。廉价,易于使用的用于监视UV辐射的传感器可以进行紫外线暴露的大规模评估,但是其实现需要能够快速,经济地大规模制造这些传感器的技术。在此,我们报告了一种新颖的三维(3D)打印程序和可打印的油墨组合物,它们可产生坚固,灵活且可穿戴的UV传感器。”

3D打印

研究人员同时也是3D生物打印公司Allevi的子公司,他们认为拥有一种小型,廉价的方法来提供UV光检测将是一件很不错的事,他们开发了一种定制的生物墨水,可以将其3D打印到具有生物相容性的UV传感器中,因此安全地戴在皮肤上,并且可生物降解。

 

Andreescu解释说:“由于3D打印机变得便宜且易于使用,我们决定探索3D生物打印的功能来制造这些可穿戴的紫外线响应传感器。”

3D打印

他们使用3D生物打印技术制作了功能稳定,机械稳定,可穿戴的传感器,从而实现了一步可重复的制造。为了形成一种复合油墨,该团队将10%的明胶和8%的藻酸盐混合在一起,但主要的光敏成分是普通的氧化钛粉末,当暴露于UV辐射时会释放电子并改变颜色……类似于变色纹身。

 

“为了制造传感器,首先开发了变色水凝胶墨水,从中可以独立构造3D打印。该油墨包含藻酸盐,明胶,光敏性二氧化钛纳米粒子和染料(甲基橙,亚甲基蓝和孔雀石绿),其中纳米粒子用于引发染料的光催化降解,导致染料变色。

 

“对粘度和墨水成分进行了优化,以实现可打印性并调整传感器的机械性能(例如,模量,硬度)。”

3D打印

示意图说明了将生物打印与常规3D打印集成在一起的概念证明。设计了作为传感器支架的3D可打印模型(A),并在Ultimaker 3打印机中使用蓝色PLA灯丝将其打印为蓝色手镯(B)。

 

通过提供用于传感器集成的空间,进一步调整了模型以将传感器容纳在中心,并使用粉红色PLA灯丝进行打印。然后将单个传感器模型(C)3D生物打印在3D打印手镯的顶部,以得到最终的手镯,传感器集成在中心(E)。然后将带有传感器的手镯暴露在紫外线下以测试性能,并获得降解曲线(F)。在整个紫外线曝光测试中,传感器始终固定在3D打印手镯上,并保持出色的稳定性。

 

研究人员在测试过程中使用了多种有色染料,例如孔雀石绿和甲基橙,并说他们的生物油墨具有“出色的3D打印性能”,因为它在包封氧化钛和染料颗粒时表现出剪切稀化行为,因此可以很好地挤出并在打印后保持补丁形状。明胶在冷时会与藻酸盐形成部分化学交联,而藻酸盐仍保持“可通过阳离子部分交联”,这使油墨更具适应性。

3D打印

为了证明干燥传感器的出色机械性能,对75 x 25 x 0.5mm的薄膜进行3D打印并干燥。然后,该乐队受到各种机械力的影响,以了解其反应。在每侧以90°角弯曲50次并在每侧扭曲50次后,表带没有变形。在这些测试之前和之后对这些带进行拉伸测试。即使沿带的长度施加100 N的单轴力,带也不会单轴断裂或变形。

 

此外,研究小组报告说3D打印构造中的颜色变化是可预测的。当氧化钛被激发时,水凝胶中的一系列还原-氧化反应将开始,最终使所含的有机分子降解。由于水凝胶可容纳足够的染料,二氧化钛和水,因此这些变化是可见的,并允许足够的紫外线穿透以“及时”完成反应。当研究人员在户外测试他们的3D打印可穿戴式传感器时,他们观察到颜色强度的下降与曝光时间的长短相匹配。

3D打印

将10 x 10毫米见方的传感器3D打印在透明的压敏包装带(A,D)上,将传感器粘贴到受试者手背上后进行室外测试(B)一小时。然后,受试者在大学校园内散步以模仿现实生活中的使用。一小时结束时,明显观察到比色变化(C,E)。应当注意的是,随着对象走过仅随机暴露于紫外线辐射的区域,传感器在整个一小时中都不会始终暴露在阳光下。

 

这些便宜的3D打印传感器的另一个潜在应用可能是在UV卫生领域。在这里,传感器可以确定工具或衣服是否已经暴露在足够被认为已消毒的紫外线下。

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