導讀：從捕捉呼吸到指揮生物細胞的運動，3D打印的小型透明導電纖維可用于制造“嗅覺、聽覺和觸覺”的設(shè)備，使其特別適用于物聯(lián)網(wǎng)、健康監(jiān)測和生物傳感應(yīng)用。纖維印刷技術(shù)可用于制造便攜式、可穿戴、非接觸式呼吸傳感器。這種印刷傳感器經(jīng)濟、高靈敏度，可以固定在手機上同時獲取聲音、圖像和呼吸模式數(shù)據(jù)。來自劍橋大學的科學家們利用3D打印的方法制造出電子纖維，每根纖維的直徑比人類頭發(fā)小100倍，制造出的傳感器的性能超出了傳統(tǒng)薄膜器件。

小直徑導電纖維具有獨特的形態(tài)、機械和光學特性，例如高長寬比、低彎曲剛度、方向性和透明度，這使其與其他基于薄膜的微/納米結(jié)構(gòu)類型的導電纖維區(qū)分開來。將細的導電纖維有序地組裝成陣列/三維（3D）結(jié)構(gòu)可提高其用于設(shè)備耦合的功能性能。開發(fā)新的策略來控制這些導電元件的快速合成、圖案化和集成到器件架構(gòu)中，可能標志著實現(xiàn)新的器件功能和電子設(shè)計的重要一步。

迄今為止，已經(jīng)以多種方式生產(chǎn)和組裝導電微/納米級纖維，從轉(zhuǎn)移化學生長的納米纖維/金屬絲、編寫電液動力學沉積線到拉伸超長纖維、纖維濕法紡絲和2D / 3D直接印刷。這些獨特的導電結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)了許多應(yīng)用，包括透明和柔性電極、導電紗、組織工程支架和生物電子設(shè)備。

盡管取得了這些進展，但是現(xiàn)有的制造技術(shù)仍無法輕易地將纖維結(jié)構(gòu)組裝到具有方向性、高表面積-體積比、允許性、透明性和導電性功能的設(shè)備中?？蓴U展性和設(shè)備集成一直是小直徑導電纖維應(yīng)用面臨的主要問題。2020年9月30日，由來自英國劍橋大學Yan Yan Shery Huang領(lǐng)導的研究團隊在Science Advances期刊上發(fā)表了一文，報道了將導電纖維生產(chǎn)和纖維到電路連接集成在一起的一步過程，即機載纖維印刷（iFP）。它可以產(chǎn)生并原位粘合懸浮或表面上的薄導電纖維陣列，而不需要任何后處理。

ABOUT機載纖維印刷（iFP）

圖1A中示意性地顯示了iFP過程。銀（Ag）和PEDOT：PSS被用作纖維材料，其中Ag是一種廣泛使用的導電金屬，而PEDOT：PSS是一種生物相容性導電聚合物，其應(yīng)用范圍從紡織、印刷電子到生物界面結(jié)構(gòu)。為了反映該過程的普遍性，研究人員從易于獲得的低粘度（約10至60 mPa·s）水溶液中提取纖維。要注意的是，也可以通過iFP處理較高粘度的水溶液，即粘度約為104 mPa.s的水溶液（例如22% (w/w)明膠溶液）。

對于銀，研究人員展示了由含有銀鹽和還原劑的改良Tollens溶液反應(yīng)合成纖維。這與纖維生產(chǎn)過程中通常使用的基于金屬納米顆粒的導電油墨不同，纖維生產(chǎn)過程通常通過將金屬納米顆粒與聚合物混合而制備。對于PEDOT：PSS纖維，使用市售的膠體水溶液。

圖1. 用原位粘合制備懸浮纖維結(jié)構(gòu)的iFP。

▲圖解：（A）Ag和PEDOT：PSS纖維的iFP工藝示意圖。（B）示意圖顯示了iFP纖維引發(fā)的近距離視圖。（C）單銀纖維的TEM和EDX。（D）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像從頂視圖顯示纖維結(jié)合。（E）纖維粘合的橫截面示意圖。（F）Ag纖維粘結(jié)上的XPS深度剖析。（G和I）典型的懸浮，對齊的光纖陣列的SEM圖像。（J和K）SEM圖像顯示了單獨的Ag和PEDOT：PSS纖維。（L）懸掛式PEDOT：PSS光纖陣列頂部的LED照明燈和蒲公英種子的圖像，種子穿過光纖陣列（照片來源：劍橋大學，王文宇）。（M和N）非連接和連接的光纖網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖。（O）懸掛的iFP光纖網(wǎng)絡(luò)的光學圖像。

NINGABOUT可穿戴/便攜式呼吸濕度傳感器

利用iFP，可以實現(xiàn)在電路上制造纖維，纖維陣列的透射率超過95％（350至750nm）。光纖陣列的高表面積體積比，寬容性和透明性被用于構(gòu)建傳感和光電體系結(jié)構(gòu)。研究人員成功展示了利用PEDOT：PSS纖維作為單元界面阻抗傳感器、三維(3D)濕氣流量傳感器以及非接觸式、可穿戴/便攜式呼吸傳感器。

在新冠病毒、流行性感冒和鼻病毒等急性呼吸道疾病的全球爆發(fā)中，有關(guān)戴口罩的指南可以幫助減輕疾病傳播的風險?；谌祟惡粑泻懈叨燃訚竦臍怏w（相對濕度為89％至97％）的事實，我們使用iFP PEDOT：PSS制造了兩種配置的高靈敏度，低成本和可穿戴/便攜式呼吸濕度傳感器光纖陣列（圖2）。在第一種光纖傳感器配置中，單層PEDOT：PSS光纖陣列被打印在3D打印的塑料框架上。

該光纖傳感器可以很容易地連接到一次性口罩的外部，作為可穿戴的、非接觸式和非侵入性的傳感器，用于監(jiān)測呼吸頻率（圖2A和電影S2）。如圖2B所示，與商用濕度傳感器（HIH-5031-001，Honeywell）相比，iFP纖維呼吸濕度傳感器顯示出卓越的響應(yīng)能力。正常呼吸后不到3 s（相對于商用傳感器約10 s），光纖陣列的電阻恢復到基線水平。這種效果在諸如快速呼吸檢測（每個呼吸周期約1.2 s，在劇烈運動或呼吸急促下模擬快速呼吸）等應(yīng)用中尤為明顯，其中商用傳感器無法區(qū)分單個呼吸事件（圖2C）。

圖2. 基于纖維的非接觸式呼吸濕度傳感器。

▲圖解：（A）顯示連接到一次性口罩的單層可穿戴式纖維呼吸傳感器的示意圖。（B）商業(yè)濕度傳感器與iFP PEDOT：PSS光纖陣列相比，可響應(yīng)單次呼吸和連續(xù)快速呼吸（C）。（D）示意圖顯示了便攜式三層光纖傳感器，該傳感器安裝在手機的前置攝像頭上，單層光纖傳感器位于鼻子上方。（E）三層光纖傳感器的光纖層布置的放大示意圖。PVDF，聚偏二氟乙烯。（F）在“無面部遮蓋物”中的嘴部區(qū)域照片。（F1）長呼氣和咳嗽（F2）的標準化纖維電阻變化（ΔR/ R0），插圖顯示中間壓電纖維層檢測到的咳嗽聲。（G）顯示外科口罩佩戴者的照片，在長時間呼氣（G1）和咳嗽（G2）期間具有纖維傳感器記錄。（H）呼吸面罩佩戴者的照片，帶有長時間呼氣（H1）和咳嗽（H2）期間的纖維傳感器記錄。要注意的是，（F），（G）和（H）的照片都是通過三層光纖傳感器由手機攝像頭捕獲的（照片來源：劍橋大學）。

研究人員發(fā)現(xiàn)，外科口罩或織物口罩的大部分滲漏來自前部，尤其是在咳嗽時，而N95口罩的大部分滲漏來自側(cè)面和頂部，并配有緊封的裝置。不過，這兩種面罩，如果正確佩戴，都有助于減少呼出的氣流。與傳統(tǒng)的薄膜技術(shù)相比，由小的導電纖維制成的傳感器特別適用于三維流體和氣體的體積傳感，但到目前為止，將它們打印并整合到設(shè)備中，并進行大規(guī)模生產(chǎn)一直是一個挑戰(zhàn)。

英國劍橋大學工程系主任研究員Yan Yan Shery Huang博士還和她的團隊3D打印了由銀和/或半導體聚合物制成的復合纖維（如圖3）。這種纖維印刷方法產(chǎn)生了一種芯-殼纖維結(jié)構(gòu)，高純度的導電纖維芯被一層保護聚合物的薄護套覆蓋，就像標準電線的結(jié)構(gòu)一樣，但直徑只有幾微米。

圖3. 使用iFP光纖創(chuàng)建電路架構(gòu)

他們研發(fā)的光纖傳感器重量輕、價格便宜、體積小、易于使用，因此它們有可能被改造成家庭測試設(shè)備，允許公眾進行自我管理的測試，以獲取有關(guān)其環(huán)境的信息。研究人員正期待著開發(fā)基于這種纖維印刷方法的多功能傳感器，這種方法可能會檢測出更多的呼吸種類，用于生物機器接口或移動健康監(jiān)測應(yīng)用。

本文Wenyu Wang, et al, Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures, Sci. Adv. 2020

導讀：從捕捉呼吸到指揮生物細胞的運動，3D打印的小型透明導電纖維可用于制造“嗅覺、聽覺和觸覺”的設(shè)備，使其特別適用于物聯(lián)網(wǎng)、健康監(jiān)測和生物傳感應(yīng)用。纖維印刷技術(shù)可用于制造便攜式、可穿戴、非接觸式呼吸傳感器。這種印刷傳感器經(jīng)濟、高靈敏度，可以固定在手機上同時獲取聲音、圖像和呼吸模式數(shù)據(jù)。來自劍橋大學的科學家們利用3D打印的方法制造出電子纖維，每根纖維的直徑比人類頭發(fā)小100倍，制造出的傳感器的性能超出了傳統(tǒng)薄膜器件。

小直徑導電纖維具有獨特的形態(tài)、機械和光學特性，例如高長寬比、低彎曲剛度、方向性和透明度，這使其與其他基于薄膜的微/納米結(jié)構(gòu)類型的導電纖維區(qū)分開來。將細的導電纖維有序地組裝成陣列/三維（3D）結(jié)構(gòu)可提高其用于設(shè)備耦合的功能性能。開發(fā)新的策略來控制這些導電元件的快速合成、圖案化和集成到器件架構(gòu)中，可能標志著實現(xiàn)新的器件功能和電子設(shè)計的重要一步。

迄今為止，已經(jīng)以多種方式生產(chǎn)和組裝導電微/納米級纖維，從轉(zhuǎn)移化學生長的納米纖維/金屬絲、編寫電液動力學沉積線到拉伸超長纖維、纖維濕法紡絲和2D / 3D直接印刷。這些獨特的導電結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)了許多應(yīng)用，包括透明和柔性電極、導電紗、組織工程支架和生物電子設(shè)備。

盡管取得了這些進展，但是現(xiàn)有的制造技術(shù)仍無法輕易地將纖維結(jié)構(gòu)組裝到具有方向性、高表面積-體積比、允許性、透明性和導電性功能的設(shè)備中?？蓴U展性和設(shè)備集成一直是小直徑導電纖維應(yīng)用面臨的主要問題。2020年9月30日，由來自英國劍橋大學Yan Yan Shery Huang領(lǐng)導的研究團隊在Science Advances期刊上發(fā)表了一文，報道了將導電纖維生產(chǎn)和纖維到電路連接集成在一起的一步過程，即機載纖維印刷（iFP）。它可以產(chǎn)生并原位粘合懸浮或表面上的薄導電纖維陣列，而不需要任何后處理。

ABOUT機載纖維印刷（iFP）

圖1A中示意性地顯示了iFP過程。銀（Ag）和PEDOT：PSS被用作纖維材料，其中Ag是一種廣泛使用的導電金屬，而PEDOT：PSS是一種生物相容性導電聚合物，其應(yīng)用范圍從紡織、印刷電子到生物界面結(jié)構(gòu)。為了反映該過程的普遍性，研究人員從易于獲得的低粘度（約10至60 mPa·s）水溶液中提取纖維。要注意的是，也可以通過iFP處理較高粘度的水溶液，即粘度約為104 mPa.s的水溶液（例如22% (w/w)明膠溶液）。

對于銀，研究人員展示了由含有銀鹽和還原劑的改良Tollens溶液反應(yīng)合成纖維。這與纖維生產(chǎn)過程中通常使用的基于金屬納米顆粒的導電油墨不同，纖維生產(chǎn)過程通常通過將金屬納米顆粒與聚合物混合而制備。對于PEDOT：PSS纖維，使用市售的膠體水溶液。

圖1. 用原位粘合制備懸浮纖維結(jié)構(gòu)的iFP。

▲圖解：（A）Ag和PEDOT：PSS纖維的iFP工藝示意圖。（B）示意圖顯示了iFP纖維引發(fā)的近距離視圖。（C）單銀纖維的TEM和EDX。（D）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像從頂視圖顯示纖維結(jié)合。（E）纖維粘合的橫截面示意圖。（F）Ag纖維粘結(jié)上的XPS深度剖析。（G和I）典型的懸浮，對齊的光纖陣列的SEM圖像。（J和K）SEM圖像顯示了單獨的Ag和PEDOT：PSS纖維。（L）懸掛式PEDOT：PSS光纖陣列頂部的LED照明燈和蒲公英種子的圖像，種子穿過光纖陣列（照片來源：劍橋大學，王文宇）。（M和N）非連接和連接的光纖網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖。（O）懸掛的iFP光纖網(wǎng)絡(luò)的光學圖像。

NINGABOUT可穿戴/便攜式呼吸濕度傳感器

利用iFP，可以實現(xiàn)在電路上制造纖維，纖維陣列的透射率超過95％（350至750nm）。光纖陣列的高表面積體積比，寬容性和透明性被用于構(gòu)建傳感和光電體系結(jié)構(gòu)。研究人員成功展示了利用PEDOT：PSS纖維作為單元界面阻抗傳感器、三維(3D)濕氣流量傳感器以及非接觸式、可穿戴/便攜式呼吸傳感器。

在新冠病毒、流行性感冒和鼻病毒等急性呼吸道疾病的全球爆發(fā)中，有關(guān)戴口罩的指南可以幫助減輕疾病傳播的風險?；谌祟惡粑泻懈叨燃訚竦臍怏w（相對濕度為89％至97％）的事實，我們使用iFP PEDOT：PSS制造了兩種配置的高靈敏度，低成本和可穿戴/便攜式呼吸濕度傳感器光纖陣列（圖2）。在第一種光纖傳感器配置中，單層PEDOT：PSS光纖陣列被打印在3D打印的塑料框架上。

該光纖傳感器可以很容易地連接到一次性口罩的外部，作為可穿戴的、非接觸式和非侵入性的傳感器，用于監(jiān)測呼吸頻率（圖2A和電影S2）。如圖2B所示，與商用濕度傳感器（HIH-5031-001，Honeywell）相比，iFP纖維呼吸濕度傳感器顯示出卓越的響應(yīng)能力。正常呼吸后不到3 s（相對于商用傳感器約10 s），光纖陣列的電阻恢復到基線水平。這種效果在諸如快速呼吸檢測（每個呼吸周期約1.2 s，在劇烈運動或呼吸急促下模擬快速呼吸）等應(yīng)用中尤為明顯，其中商用傳感器無法區(qū)分單個呼吸事件（圖2C）。

圖2. 基于纖維的非接觸式呼吸濕度傳感器。

▲圖解：（A）顯示連接到一次性口罩的單層可穿戴式纖維呼吸傳感器的示意圖。（B）商業(yè)濕度傳感器與iFP PEDOT：PSS光纖陣列相比，可響應(yīng)單次呼吸和連續(xù)快速呼吸（C）。（D）示意圖顯示了便攜式三層光纖傳感器，該傳感器安裝在手機的前置攝像頭上，單層光纖傳感器位于鼻子上方。（E）三層光纖傳感器的光纖層布置的放大示意圖。PVDF，聚偏二氟乙烯。（F）在“無面部遮蓋物”中的嘴部區(qū)域照片。（F1）長呼氣和咳嗽（F2）的標準化纖維電阻變化（ΔR/ R0），插圖顯示中間壓電纖維層檢測到的咳嗽聲。（G）顯示外科口罩佩戴者的照片，在長時間呼氣（G1）和咳嗽（G2）期間具有纖維傳感器記錄。（H）呼吸面罩佩戴者的照片，帶有長時間呼氣（H1）和咳嗽（H2）期間的纖維傳感器記錄。要注意的是，（F），（G）和（H）的照片都是通過三層光纖傳感器由手機攝像頭捕獲的（照片來源：劍橋大學）。

研究人員發(fā)現(xiàn)，外科口罩或織物口罩的大部分滲漏來自前部，尤其是在咳嗽時，而N95口罩的大部分滲漏來自側(cè)面和頂部，并配有緊封的裝置。不過，這兩種面罩，如果正確佩戴，都有助于減少呼出的氣流。與傳統(tǒng)的薄膜技術(shù)相比，由小的導電纖維制成的傳感器特別適用于三維流體和氣體的體積傳感，但到目前為止，將它們打印并整合到設(shè)備中，并進行大規(guī)模生產(chǎn)一直是一個挑戰(zhàn)。

英國劍橋大學工程系主任研究員Yan Yan Shery Huang博士還和她的團隊3D打印了由銀和/或半導體聚合物制成的復合纖維（如圖3）。這種纖維印刷方法產(chǎn)生了一種芯-殼纖維結(jié)構(gòu)，高純度的導電纖維芯被一層保護聚合物的薄護套覆蓋，就像標準電線的結(jié)構(gòu)一樣，但直徑只有幾微米。

圖3. 使用iFP光纖創(chuàng)建電路架構(gòu)

他們研發(fā)的光纖傳感器重量輕、價格便宜、體積小、易于使用，因此它們有可能被改造成家庭測試設(shè)備，允許公眾進行自我管理的測試，以獲取有關(guān)其環(huán)境的信息。研究人員正期待著開發(fā)基于這種纖維印刷方法的多功能傳感器，這種方法可能會檢測出更多的呼吸種類，用于生物機器接口或移動健康監(jiān)測應(yīng)用。

本文Wenyu Wang, et al, Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures, Sci. Adv. 2020