基于碳纳米管的导电油墨，用于可穿戴呼吸系统

1成果简介

呼吸系统疾病，尤其是在人口密集且工业化进程迅速的地区，已成为导致死亡的主要原因，给医疗体系带来了日益沉重的负担。传统用于监测呼吸信号的医疗设备通常需要复杂的设置，无论是在医院内还是医院外，这往往会导致患者不适并增加运营成本。因此，迫切需要创新、经济实惠且舒适的可穿戴传感解决方案，以实现持续、以患者为中心的监测。本文，伊斯坦布尔技术大学Hulya Cebeci等研究人员在《 Applied Materials Today》期刊发表名为“Textile sensor geometries for wearable respiration systems incorporated carbon nanotube-based conductive inks”的论文，研究提出了一种无金属、水基、可持续且成本效益高的导电墨水配方，该配方结合了碳纳米管和植物基纤维素纳米晶体，适用于可扩展的纺织品印刷。

通过流变学分析、墨水稳定性和表面覆盖率，通过改变这两种墨水组分的相对比例，研究了最佳墨水组成。随后对不同传感器图案的压阻敏感性进行了系统研究，并在模拟人体胸部运动的循环加载条件下进行测试。采用最佳CNT/CNC-1:1墨水配方的纺织传感器，其线性、应变片和星形几何结构分别在5%和10%应变下展现出46.34和71.91的敏感度值； 应变片图案的敏感度值分别为20.97和27.93；星形图案的敏感度值分别为34.11和40.47。当这些传感器被放置在类人假人上时，其在人体上的性能表现出了可靠且一致的呼吸特征，从而实现了健康数据的远程传输。所提出的方法提供了一种可扩展、多功能、易于获取且不含聚合物和金属的解决方案，用于制造能够响应高达10%应变值的可穿戴传感器。这项工作为未来以患者为中心的医疗系统中基于材料的传感技术奠定了基础。

2图文导读

图1. Illustrations of sensor geometries and dimensions: a) line, b) strain gauge, and c) star configurations. d) Directions of the applied strains and e) schematic representation of the sample preparation used in electromechanical testing.

图2. Rheological and visual analysis of CNT/CNC dispersions with varying ratios over time. (a) Log viscosity as a function of log shear rate at different measurement times (T0, T0+1, T0+2, T0+5) for each CNT/CNC ratio, demonstrating shear-thinning behavior across all samples. (b) Average viscosity values at 1 s–1 with error bars indicating within-month standard deviation for each dispersion ratio over time, showing viscosity stability and changes across different measurement times. (c) Comparison of log viscosity versus log shear rate across all CNT/CNC ratios, highlighting the consistency in shear-thinning profiles between different ratios. (d) Visualization of the spreadability of the same volume (0.5 ml) of CNT/CNC-based ink dispersion on a glass substrate.

图3. Screen printing simulation of inks. The highlighted parts correspond to distinct stages of the screen-printing process: the white region represents the loading stage (0.1 s–1), the pink-shaded area indicates the printing stage (100 s–1), and the yellow-shaded region signifies the recovery stage (0.1 s–1).

图4. Optical images of ink-printed samples with a single layer of CNT/CNC-2:2 (left) and CNT/CNC-2:1 (right). The inset images provide a magnified view, highlighting the print quality and uniformity.

图5. SEM images of the strain gauge pattern printed using a-b) CNT/CNC-2:2 ink, c-d) CNT/CNC-1.5:1.5 ink, and e-f) CNT/CNC-1:1 ink, illustrating the morphological differences among each formulation.

图6、a) The process of capturing respiratory data from the humanoid mannequin and resistance changes the behavior of the sensors with different patterns: b) line, c) strain gauge, and d) star.

3小结

通过调整碳纳米管（CNT）与生物降解组分（CNC）的相对含量，制备并研究了多种导电墨水，用于印刷传感器应用。研究从电导率、流变学及形态学特性等方面进行了评估。流变学分析证实了这些墨水适用于纺织品印刷工艺，确保了其稳定性和可印刷性。在测试的组成中，CNT/CNC-1:1墨水在重复性和稳定性方面表现最佳，悬浮液回收率几乎达到100%，使其适合在柔性且粗糙的纺织品表面进行印刷。通过周期性拉伸测试（5%和10%应变）以及沿x和y轴方向，制备并评估了多种传感器图案，包括线状、应变片和星形设计。在电机械测试中，线型图案在灵敏度方面表现最为优异，在y轴方向上分别在5%和10%应变下测得高GF值为46.34 ± 10.65和71.91 ± 24.70。星形和应变片图案的性能趋势与线性图案一致，星形图案在5%和10%应变下的测量值分别为20.97 ± 5.41和27.93 ± 9.56， 应变片图案在5%和10%应变下的测量值分别为34.11 ± 4.30和40.47 ± 17.39，分别显示在y轴上。

将这些打印传感器集成到柔性人体中心系统中进行连续呼吸监测是成功的，这在对模拟人偶进行的测试中得到了有效性能的验证。值得注意的是，星形传感器由于其多方向敏感性，相较于其他图案设计展现出特别的潜力，使其在精准可靠的健康监测应用中具有显著优势。除传感能力外，本研究的关键优势在于开发出一种完全不含金属和聚合物的CNT/CNC墨水配方，为印刷电子技术提供了可持续且可降解的解决方案。与传统金属基墨水不同，该配方消除了氧化相关降解问题，确保在潮湿环境中长期耐用且不损失导电性。此外，其水基、无毒的成分提升了环境安全性，并支持未来环保型可抛弃式可穿戴传感器的开发。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102824

来源：材料分析与应用