多伦多大学刘新宇教授、北航罗斯达教授 Mater. Horiz.: 用于热理疗的激光诱导石墨烯剪纸结构可拉伸加热器

2024-02-24 来源：高分子科技

近年来，越来越多的人受到肌肉痉挛、关节损伤和关节炎的困扰。通常情况下，热理疗可以缓解伤痛、改善组织灵活性、增强血液流动以及加速组织修复。然而，传统的化学加热器升温相对较慢、不可拉伸、作用时间有限，而传统的电加热器重量大、体积大、便携性差。近期，柔性和可拉伸加热器在可穿戴热理疗领域显示出潜力。然而，现有的柔性加热器存在加工时间长、制造成本高、含有有毒化学物质等问题，这些问题是将可拉伸加热器广泛应用于医疗领域的障碍。

基于上述问题，多伦多大学的刘新宇教授团队和北京航空航天大学大学的罗斯达教授团队结合剪纸图案（kirigami）和激光诱导石墨烯（laser induced graphene, LIG）研发了一款可定制化加工的可拉伸加热器。成果以《Kirigami-enabled stretchable laser-induced graphene heaters for wearable thermotherapy》为题发表在材料领域知名期刊Materials Horizons上。该可拉伸加热器采用激光加工的方法，先在聚酰亚胺（PI）基材上，用低功率产生激光诱导石墨烯作为导电通路，然后用高功率切穿薄膜，产生使材料具有可拉伸性的剪纸图案。根据不同的佩戴位置，通过有限元模拟和实验测试对三种不同类型剪纸结构进行设计与优化，实现了单向和多向可拉伸性，为实际医疗应用提供了个性化的热理疗解决方案。使用可拉伸且具有生物相容性的弹性体Ecoflex硅胶橡胶和VHB可拉伸胶带，封装加热器起到保护作用并实现与皮肤的粘附。文章展示了这种可拉伸加热器可以在<36V的人体安全电压供应下，在<1分钟内加热至超过40°C。优化后的剪纸设计参数，可以实现100%的单向可拉伸性和20%的多向可拉伸性，而在导电性和加热性能上没有较大损失。通过贴附在皮肤上的测试和疲劳测试，证明了其在实际场景中的鲁棒性。该加热器可定制、重量轻、成本低、操作安全、佩戴舒适，并提供多模态可拉伸性，为个性化可穿戴热理疗提供一个实用的解决方案。

图1 加热器设计和表征. (a) 加热器设计与制造流程. (b) 单向可拉伸加热器拉伸. (c) 多向可拉伸加热器分别在x和y方向拉伸. (d) 在充气的气球表面对多向可拉伸加热器进行拉伸. (e) LIG扫描电子显微镜图像. (f) LIG的X射线衍射和拉曼光谱. (g) LIG的电阻/抗拉强度-激光功率关系.

图2 剪纸结构设计与优化. (a) 单向拉伸剪纸图案设计. (b) 多向拉伸剪纸图案设计. (c-e) 剪纸结构在拉伸状态下z方向的位移. (c) 单向拉伸剪纸图案. (d) 多向拉伸剪纸图案在x方向拉伸. (e) 多向拉伸剪纸图案在y方向拉伸. (f-h) 实验测量具有不同参数剪纸结构的LIG在平均应力和电阻变化与应变之间的关系. (f) 单向拉伸剪纸图案. (g) 多向拉伸剪纸图案在x方向拉伸. (h) 多向拉伸剪纸图案在x方向拉伸.

图3 加热器的力学与电阻特性. (a-c) 有限元分析中加热器的应力分布，三层材料从上到下依次是Ecoflex、LIG和VHB. (a) 单向拉伸剪纸图案. (b) 多向拉伸剪纸图案在x方向拉伸. (c) 多向拉伸剪纸图案在y方向拉伸. (d) 在有无包覆层的情况下，单向拉伸加热器在力学和导电性上的实验比较. (e) 不同加工参数的单向拉伸加热器应力-应变关系实验比较. (f) 不同加工参数的单向拉伸加热器电阻变化-应变关系实验比较. (g-i) 优化设计后的应力和电阻-应变关系. (g) 单向拉伸剪纸图案. (h) 多向拉伸剪纸图案在x方向拉伸. (i) 多向拉伸剪纸图案在y方向拉伸.

图4 电热特性表征. (a) 在不同输入电压下的瞬态温度响应（插图：在不同输入电压下的最大温度变化和升温速率. (b) 在不同应变下的瞬态温度响应（插图：在不同应变下的最大温度变化和升温速率. (c-e) 稳态平均温度-应变关系. (c) 单向加热器. (d) 多向加热器在x方向拉伸. (e) 多向加热器在y方向拉伸. (f) 在有限元分析中，平均温度随应变变化的关系.

图5 应用展示. (a) 三种类型加热器在不同皮肤部位上测试. (b) 腕关节重复拉伸测试. (c) 1000次拉伸疲劳测试.

多伦多大学教授刘新宇、北京航空航天大学教授罗斯达为本文共同通讯作者，多伦多大学和北京航空航天大学陈俊宇为第一作者，施一超、应斌斌、呼雅杰、高燕为共同作者。该研究受到了加拿大自然科学和工程研究理事会、加拿大创新基金会、多伦多大学Percy Edward Hart教授基金、中国留学基金委、中国自然科学基金委、北京自然科学基金委的资助。

文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01884a

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