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3D打印导电有机凝胶可拉伸应变传感器,助模拟手术缝合医学训练

来源:柔智烩


3D打印导电有机凝胶可拉伸应变传感器,助力模拟手术缝合医学训练


高保真,动手医学模拟模块中使用的最先进的组织类似物可以提供逼真的外观和感觉,但缺乏提供量化,实时评估执业医生表现的能力。演示了在实际的Y / V塑料缝合线训练垫中混合印刷/纺织压阻应变传感器的整体制造。一类由廉价且无害的原料组成的3D可打印有机凝胶用作感测介质,导电复合线用作电极。这些有机凝胶由用作离子导体的基于乙二醇的深共熔溶剂(DES)和用作胶凝剂的甲基丙烯酸3-三甲氧基甲硅烷基酯封端的气相法二氧化硅颗粒组成。流变学测量揭示了气相二氧化硅封端基团对混合物流变学的影响。


独立式应变传感器具有300%的最大应变幅度,可忽略的信号漂移,单调的传感器响应,低滞后程度以及出色的循环稳定性。代替线电极使用的导电线电极的增加的接触电阻不会对传感器性能产生重大影响。这项工作展示了这些有机凝胶在传感组织类似物和独立式应变传感器中广泛应用的潜力,可广泛用于医学模拟和教育。


Y/V成形缝线训练垫的示意图


透明顶层,显示传感器相对于Y形切口的位置(左)和之后缝合(B,右)。Y/V成形术包括切开Y形切口,然后将皮瓣向下拉入缝合到位的V形。缝合的Y/V成形术训练垫安装了缝线(B,右)显示由于Y形皮瓣所经历的应变导致的有机凝胶传感通道的伸长。


鉴于基于复合材料的压阻应变传感器的固有局限性,新兴的设计策略是将导电凝胶或流体嵌入可拉伸的弹性体中。导电介质包括液态金属,水凝胶,离子凝胶和有机凝胶。液态金属包括合金,通常为共晶镓铟(EGaIn),在室温20时为液态。利用3D-可印刷EGAIN或基于EGAIN糊剂传感器已证明在大应变范围(≥100%)有效性能,但EGAIN是昂贵的,并具有不确定的生物相容性。


此外,美国内政部已将铟与稀土金属指定为关键材料,这突出说明了基于EGaIn的传感器的可持续性差。近年来,由于导电水凝胶的低成本,巨大的应变范围(高达1000%)和可仿生的特性,人们对导电水凝胶作为应变传感介质有了相当大的兴趣。虽然水凝胶系统在水生环境中非常稳定,但由于空气中水的蒸发容易造成不稳定,因此在医学模拟应用中存在局限性。离子凝胶,基于离子液体(离子液体),已经示出嵌入在弹性体伸展时是稳定的,成本低,高应变,低滞后效应传感介质。但是,许多离子凝胶的毒性促使人们寻求具有明确生物相容性的类似高性能导电胶。


液态金属,水凝胶的环境不稳定,许多离子凝胶的毒性的高成本启发导电有机凝胶的基于深共晶的溶剂(DESS)的开发。DES是由季铵盐与金属盐或带中性电荷的氢键供体(HBD)络合而成的液体混合物;DES的熔点低于任何一种组分的熔点。DESS和ILS共享有利的物理性质,例如低的蒸气压,这样的宽pH窗口,并限定可燃性。廉价,无毒的前体原料以及几种DES组合物的便捷,可扩展的合成方法使其成为IL的诱人替代品,作为应变传感器中使用的离子导电液体。在模拟练习中,可预见的皮肤与导电通道偶然接触的风险需要选择一种无害的介质。


在这项工作中,引入了廉价的,导电的和可3D打印的有机凝胶,这些有机凝胶使用DES作为液体介质,并且使用气相二氧化硅颗粒作为胶凝剂。在此工作中使用的DES是由一个HBD的,聚乙二醇(PEG200)或丙二醇(PG),和在5 HBD季铵盐氯化胆碱(氯仿):1氯仿的摩尔比。的HBDS PEG200和PG被选定在常用HBD乙二醇3由于由美国食品和药物管理局其无毒的性质和GRAS(通常识别为安全的)分类,和氯化胆碱是生物相容的,大量生产的主要用于动物饲料的盐


Y / V感官整形术演示


AY / V整形术是整形外科中一种通用的通用技术,可用于切除不需要的组织并最大程度地减少皮肤伤口引起的肥厚性瘢痕的形成,因此Y / V整形术被认为是外科教育的重要组成部分。因此,开发了具有单片集成有机凝胶应变传感器的Y / V整形缝合训练垫。粉色和黄色的PDMS层代表皮肤和脂肪层,选择了有机硅配方以模拟逼真的机械响应和感觉(补充图2)。将导电有机凝胶3D打印到PDMS表皮层上作为应变传感介质;将导电螺纹电极小心地插入每个有机凝胶通道中,并延伸到护垫的边缘,以保持组织模型的视觉保真度。用单片集成应变传感器在组织模型上进行AY / V整形缝合程序;选择位于襟翼中的应变传感器的电阻进行测量。该传感器的电阻响应襟翼经历的初始伸长而迅速增加。随着更多缝线的缝合,传感器的电阻保持恒定。这表明缝合过程成功,因为松开缝合线将导致瓣片缩回并相应降低阻力。


图1:感官化的Y / V整形组织模型的制作和演示:



在Y / V整形术中,将顶点位于不需要的组织部位的Y形切口切入真皮层,并将皮肤层中的皮瓣向下拉并在切除后缝合成V形(a) 。通过将导电的有机凝胶和导电的线电极封装在垫的皮肤层内来制造感测的Y / V整形组织缝合垫(b)。该有机凝胶是3D可打印的(c),并且在护垫的皮肤层(d)中视觉上看不见。位于皮瓣中的应变传感器对皮瓣在缝合过程中经历的伸长表现出清晰的响应(e)。


应变传感器的机电特性:



动态测试结果(a和b)表明,在频率为300 Hz时,高达300%的应变具有一致的电响应,并且没有基线漂移。添加了水平虚线以强调信号漂移的缺乏。从(c)中提取的斜坡测试的示例显示,电阻的相对变化与直至300%应变的应变之间存在抛物线关系。c的插图显示了夹紧在机电测试夹具中的应变传感器的图片。高达100%应变和0.3 Hz的循环测试导致高达1000个循环(d)的最小漂移,并且归一化的相对电阻结果表明,传感器驱动的幅度和频率具有出色的跟踪能力(d,插图)。


总结:


该研究工作表明,气相二氧化硅颗粒上的表面官能团会极大地影响DES /二氧化硅混合物的流变性,并且报道了一类由导电DES和气相二氧化硅颗粒组成的剪切稀化有机凝胶,其中官能团为3-甲基丙烯酸三甲氧基甲硅烷基丙基酯。此外,将3D打印可拉伸应变传感器通道嵌入弹性体聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,并分别使用基于PEG200的有机凝胶和浸银的尼龙丝作为导电通道和电极。传感器可实现较大的动态应变范围(300%),可忽略的基线漂移,最小的磁滞和循环稳定性(在100%应变幅度下可循环1000次)。


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