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。
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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(责任编辑:xu)
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