Nanoscribe双光子聚合技术实现助力无线颅内压监测和腹腔镜手术

Nanoscribe客户成功案例| Nature Materials：受荷叶启发，超灵敏压力传感器，可用于无线颅内压监测和腹腔镜手术

新加坡国立大学通讯作者Benjamin C. K. Tee博士等人，从荷叶表面的气体包裹现象中汲取灵感，通过利用固液液气多相界面和弹性气体层，设计了一种能够在这些界面上通过改变电容来调制压力的压力传感器。该传感器由Nanoscribe基于双光子聚合原理的PPGT2微纳加工系统制作。这种制作方法将摩擦降低，实现了几乎无摩擦的接触线运动，从而实现了卓yue的压力传感性能。该传感器在具有挑战性的条件下展示了其功能，包括湍流流动、体内生物环境和腹腔镜手术。

相关论文以Frictionless multiphasic interface for near-ideal aero-elastic pressure sensing为题，发表在Nature materials期刊上。

【验证微观结构设计对传感器重复性的影响】

研究旨在开发一种新型的压力传感器，称为eAir，其设计灵感源自荷叶非润湿表面上的水-空气界面现象。与传统的固态压力传感器不同，科研人员通过Nanoscribe双光子聚合技术实现了多尺度结构化的固-液-液-气多相系统中的无固定接触线运动，创造了一种新型的飞行弹性电容式压力传感器。以尼罗花猪笼草植物为模型，使用六边形墙式柱阵微结构制作微型 (~ 0.5 mm3) 传感器。柱体的表面被设计成工作电极，通过将润滑剂注入导电纳米结构中，使其变得超级滑腻。在不同液体压力下，液体可以在不产生接触角滞后的情况下湿润/脱湿柱电极。这个过程改变了液体-电极的接触面积，从而改变了电容。与其他在液体环境中操作的压力传感器相比，这些传感器可以测量液体中微小的压力波动，具有超低的滞后 (1.34 ± 0.20%)、高灵敏度 (79.1 ± 4.3 pF kPa^-1) 和很高的线性度 (R2 = 0.99944 ± 0.00015; 非线性度 1.49 ± 0.17%)。

图1  eAir的概念和设计。a、莲叶非润湿表面上水-气界面的示意图。气体被困在液-气界面下方的结构之间。随着水压的变化，界面上下移动。b、由莲叶制成的传感器的压力感测响应。c、eAir设计的示意图。柱体表面用作工作电极，并受到藤壶植物的启发，通过将润滑剂注入导电纳米结构中，使其变得超滑。液体可以在不同的液体压力下润湿/脱湿柱电极，而不产生接触角滞后。这个过程改变了液体-电极的接触面积，从而改变了电容。插图：eAir的等效电路。Ccounter，液体-对电极界面处的电双层电容；CEDL.ct，液体-工作电极涂层界面处的电双层电容；Cd.ct，工作电极和表面涂层-液体界面之间的介电电容；Cd+air，工作电极和液体之间的电容通过气体传导；C0，非活性区域的界面电容。d、eAir的压力感测响应。e、eAir器件电容器组成的示意图，以及标有I-IV的表面，这些表面具有不同的润湿性能，用于调节传感器的性能。标签（左侧）对应于c中的插图。Δθ，表面的接触角滞后。随着表面粗糙度从IV降低到I，Δθ也减小，表明从强粘附到液体无摩擦滑动的过渡。这些表面性质的变化影响传感器的性能。f、非理想压力传感器的正向/反向阈值性能示意图，以及理想压力传感器的线性和无滞后性能示意图。g、与已报道的液体环境压力传感器的线性性能比较。为了突出差异，定义了线性度（1 /（1-R2））进行比较。R2（确定系数）是相应设备性能曲线的线性拟合结果的值：线性度越高，线性度越好。

【验证界面润湿性能对传感器性能的影响】

研究中设计的四种不同表面，它们分别被标记为I至IV。通过调整表面的粗糙度和能量，这些表面具有不同的接触角和接触角滞后。研究者发现，不同处理的表面会导致接触线在液体表面上的固定程度不同，从而影响前进角和接触角滞后的数值。表面粗糙度较高的情况下，如表面III和IV，由于聚苯胺（PAni）纳米线的存在，会显著增强接触线的固定。同时，这些表面在液体压力下可能会发生不可逆的变化，导致前进角和接触角滞后在施加压力后增加。Nanoscribe基于双光子聚合微纳加工系统可以实现面粗糙度降至纳米尺度。在实验中如表面II时，前进角和接触角滞后也会相应减小。在表面I上，通过涂抹硅油，表面变得非常光滑，类似于滑润的液体渗透多孔表面。这导致接触线固定减少，前进角变小，接触角滞后几乎可以忽略。研究人员还观察到，不同的界面润湿特性会直接影响传感器的性能。具体而言，前进角越大，传感器的正向阈值越高；而接触角滞后越大，传感器的反向阈值和滞后性能也越高。这些结果为传感器性能的调优提供了指导。

图2  微结构的界面润湿特性对传感性能的影响。a，三维打印的六边形阵列器件的扫描电子显微镜图像（横截面）。比例尺为250μm。b-e，展示了不同润湿特性的表面I（b），II（c），III（d）和IV（e）的组成及其导致的器件性能。θadv和θrec分别代表进步角和后退角，并指示其值。f，表面I–IV的均方根粗糙度与相应进步角和接触角滞后的关系。表面显示，随着粗糙度增加，进步角和接触角滞后增加。g，具有表面I–IV的相应器件的进步角和正向阈值的图。h，具有表面I–IV的相应器件的接触角滞后和反向阈值的图。i，具有表面I–IV的相应器件的接触角滞后和滞后率（%）的图。j，具有表面I–IV的相应器件的模拟接触面积变化与相应器件的电容变化之间的关系（每个器件有169个六边形腔室；边长为40μm），它们均呈线性关系（R2 > 0.99）。f-j中的数据是均值±标准差（五个样本）。

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