利用可穿戴设备对前交叉韧带 (ACL) 损伤进行早期筛查，可以及时干预并降低慢性并发症的风险。然而，ACL 的细微生物力学信号对可穿戴设备的基线稳定性、灵敏度和皮肤粘附性提出了挑战。在这里，我们提出了一种基于 MXene/PVDF-HFP 复合纤维的 TENG，用于 ACL 自我诊断，利用 TENG 在基线稳定性方面的固有优势。通过静电纺丝制备的纤维网络结构确保 TENG 超薄且佩戴灵活。MXene 的加入显著增加了电极材料的相对介电常数，并重新调节了结晶相 (± 和 ²)。因此，在 10 N 的压力下，TENG 的峰峰值开路电压达到 160 V。它可以响应低至 0.01 N 的压力，使其能够区分胫骨和膝盖之间细微的相对位移。我们已经开发出一种能够检测不同程度 ACL 损伤的自我诊断系统，该系统与移动应用程序相结合。我们希望这种期刊预检方法能够促进 ACL 损伤的早期发现和及时治疗。
 
 
图 1. 实验总体流程。（a）静电纺丝溶液制备。（b）静电纺丝制备摩擦电正负层。（c）MC-TENG双电极模式结构示意图。（d）应用及ACL诊断系统。
 
 
图 2. (a-b) 纯 PVDF-HFP 薄膜和 MXene/PVDF-HFP 2.5 wt% 浓度 SEM 图像。 (c) MXene/PVDF-HFP 3.5 wt% 浓度薄膜带有液滴的 SEM 图像。 (d-e) MXene/PVDF-HFP 2.5 wt% 浓度薄膜单根纤维的 TEM 和 EDS 映射图像。 (f) 相对介电常数 (µ/µair) 随 MXene 浓度变化。 (g) 通过静电纺丝和旋涂制备的 PVDF-HFP 薄膜的 XRD 比较。 (h) 具有不同 MXene 浓度的复合薄膜的 XRD 比较。(i) 具有不同 MXene 浓度的复合薄膜的 FTIR 结果。(j-k) O 1 s 的 XPS 光谱。(l) F 1 s 的 XPS 光谱。
 
 
图3. (a) 2.5 wt% MXene 浓度下 TENG 的 COMSOL 模拟。(b-e) 1 N、3 N、5 N 和 10 N 下 TENG 的输出性能。(f) 不同压力下 2.5 wt% MC-TENG 的输出性能。(g) 小重量下 MC-TENG 的灵敏度测试。(h) 5 N 压力下 2.5 wt% MC-TENG 在不同频率下的输出性能。(i) 不同压力下 2.5 wt% MC-TENG 的充电电子。(j) 3 N 压力下 2.5 wt% MC-TENG 的 12000 次循环耐久性测试。
 
 
图 4. 将TENG用于各种应用或检测各种身体运动信号。(a)U-I-Power密度曲线。(b)MC-TENG充电能力测试。(c)用MC-TENG驱动发光二极管。(d)用于身体信号检测的MC-TENG图像。(e)器件输出性能测试。(f)器件灵敏度测试。(g)不同温度下的器件输出。(h)不同湿度情况下器件的输出性能。(i)手腕旋转信号。(j)肘部弯曲信号。(k)不同手指弯曲角度的MC-TENG信号。(l)不同的喉部运动。
 
 
图 5. ACL 损伤诊断系统设计。（a）MC-TENG 用于 ACL 损伤诊断的可行性。（b）患者数据摘要和 ACL 诊断的 ADT 模式。（c）检测系统硬件设计。（d）ACL 诊断系统的混淆矩阵结果。（e）不同类型的诊断结果显示在 APP 中。
  
        相关科研成果由吉林大学Liupeng Zhaoa, Peng Sun，吉林大学中日联谊医院Modi Yang等人于2024年发表在Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110372）上。原文：Ultra-thin and Sensitive Pressure Sensor Based on MXene/PVDF-HFP Composite Fiber TENG for Self-diagnosis of Ligament Injuries
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110372

转自《石墨烯研究》公众号