Laserinduzierter Graphensensor zur präzisen Temperatur- und Dehnungsüberwachung in der Wundversorgung

Penn State University, University Park, PA

Eine große Herausforderung bei tragbaren Sensoren mit eigener Stromversorgung für die Gesundheitsüberwachung besteht darin, verschiedene Signale zu unterscheiden, wenn sie gleichzeitig auftreten. Forscher der Pennsylvania State University und der Hebei University of Technology in China gingen dieses Problem an, indem sie eine neue Eigenschaft eines Sensormaterials entdeckten. Dies ermöglichte es dem Team, einen neuen Typ eines flexiblen Sensors zu entwickeln, der sowohl Temperatur als auch physikalische Belastung gleichzeitig, aber getrennt, genau messen kann, um verschiedene Signale präziser zu lokalisieren.

„Dieses einzigartige Sensormaterial, das wir entwickelt haben, hat potenziell wichtige Anwendungen in der Gesundheitsüberwachung“, sagte Co-Korrespondent Huanyu „Larry“ Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics (ESM) an der Penn State. „Durch die genaue Messung sowohl der Temperaturänderungen als auch der durch eine heilende Wunde verursachten physischen Verformung oder Belastung und deren Messung durch die Trennung der beiden Signale könnte die Verfolgung der Wundheilung revolutioniert werden. Ärzte könnten sich ein viel klareres Bild des Heilungsprozesses machen und Probleme wie Entzündungen frühzeitig erkennen.“

Ziel der Forscher war es, mithilfe von laserinduziertem Graphen, einem 2D-Material, Temperatur- und Dehnungssignale ohne Übersprechen genau zu messen. Wie alle 2D-Materialien, einschließlich regulärem Graphen, ist laserinduziertes Graphen ein bis wenige Atome dick und verfügt über einzigartige Eigenschaften, jedoch mit einer Wendung. Laserinduziertes Graphen (LIG) entsteht, wenn ein Laser bestimmte kohlenstoffreiche Materialien – wie Kunststoff oder Holz – so erhitzt, dass ihre Oberfläche in eine Graphenstruktur umgewandelt wird. Der Laser „schreibt“ das Graphen im Wesentlichen direkt auf das Material, was es zu einer einfachen und skalierbaren Möglichkeit macht, Graphenmuster für Elektronik, Sensoren und Energiegeräte zu erzeugen.

LIG wurde bereits in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Zuvor haben Cheng und sein Team LIG für Gassensoren, elektrochemische Detektoren zur Schweißanalyse, Superkondensatoren und mehr verwendet. Allerdings glauben die Forscher, dass sie zum ersten Mal eine neue Eigenschaft von LIG entdeckt haben, die es ideal für einen vielseitigen und präzisen Sensor macht.

„In dieser speziellen Studie sind wir irgendwie auf die Tatsache gestoßen, dass dieses Material auch thermoelektrische Eigenschaften hat“, sagte Cheng. „Wir glauben, dass dies das erste Mal ist, dass jemand über laserinduziertes Graphen mit thermoelektrischen Fähigkeiten berichtet. Und das ist wirklich wichtig für das, was wir hier versuchen, nämlich Temperaturänderungen und physikalische Belastung oder Verformung getrennt zu messen.“

Thermoelektrische Eigenschaften eines Materials beziehen sich auf die Fähigkeit, Temperaturunterschiede in elektrische Spannung umzuwandeln und umgekehrt, wodurch solche Materialien für Anwendungen wie Energiegewinnung und Temperaturmessung verwendet werden können. Laut Cheng erleichtert diese neu identifizierte thermoelektrische Eigenschaft von LIG die Trennung der beiden Sensormessungen und eignet sich ideal für Anwendungen im Gesundheitswesen, beispielsweise für einen in einen Verband eingebetteten Sensor.

„Wenn es Materialien gibt, die sowohl temperatur- als auch spannungsempfindlich sind, kann es schwierig sein zu erkennen, welches Signal Veränderungen im Material verursacht“, sagte Cheng. „Durch die Nutzung dieses thermoelektrischen Effekts im laserinduzierten Graphen können wir diese beiden Messungen jedoch im Wesentlichen entkoppeln. Wir können den elektrischen Widerstand betrachten, um Informationen über die Belastung zu erhalten, und gleichzeitig die thermische Spannung messen, um die Temperatur zu bestimmen. Aus diesem Grund könnten Ärzte damit sowohl Temperaturschwankungen als auch physikalische Veränderungen an der Wundstelle verfolgen und ein viel klareres Bild vom Fortschritt der Heilung erhalten.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Adrienne Berard unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.