Laser-induzierter Graphen-Sensor für präzise Temperatur- und Dehnungsüberwachung in der Wundversorgung

Penn State University, University Park, PA

Der flexible Sensor, ideal für den Einsatz im menschlichen Körper, nutzt laser-induzierten Graphen, um gleichzeitig, aber getrennt Temperatur und Dehnung zu messen, was potenziell bessere Wundheilungsüberwachung ermöglicht, indem klarere Einblicke in Entzündung und Erholung gegeben werden. (Bild: Jennifer M. McCann/ Penn State)

Eine große Herausforderung bei selbstversorgenden Wearable-Sensoren für Gesundheitsüberwachung ist die Unterscheidung verschiedener Signale, wenn sie gleichzeitig auftreten. Forscher von Penn State und Chinas Hebei University of Technology adressierten dieses Problem, indem sie eine neue Eigenschaft eines Sensormaterials aufdeckten, was dem Team die Entwicklung eines neuen Typs flexiblen Sensors ermöglichte, der sowohl Temperatur als auch physische Dehnung gleichzeitig, aber getrennt präzise messen kann, um verschiedene Signale genauer zu identifizieren.

„Dieses einzigartige Sensormaterial, das wir entwickelt haben, hat potenziell wichtige Anwendungen in der Gesundheitsüberwachung“, sagte Co-Corresponding Author Huanyu „Larry“ Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics (ESM) an der Penn State. „Indem es sowohl Temperaturänderungen als auch physische Verformung oder Dehnung, die durch eine heilende Wunde erzeugt werden, präzise misst und diese beiden Signale trennt, könnte es die Verfolgung der Wundheilung revolutionieren. Ärzte könnten ein viel klareres Bild des Heilungsprozesses erhalten und Probleme wie Entzündungen frühzeitig identifizieren.“

Die Forscher zielten darauf ab, Temperatur- und Dehnungssignale ohne Crosstalk präzise zu messen, indem sie laser-induzierten Graphen verwendeten, ein 2D-Material. Wie alle 2D-Materialien einschließlich regulärem Graphen ist laser-induzierter Graphen ein bis wenige Atome dick mit einzigartigen Eigenschaften, aber mit einem Twist. Laser-induzierter 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“ den Graphen im Wesentlichen direkt auf das Material, was eine einfache und skalierbare Methode zur Herstellung von Graphenmustern für Elektronik, Sensoren und Energiegeräte darstellt.

LIG wurde zuvor in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Zuvor nutzten Cheng und sein Team LIG für Gassensoren, elektrochemische Detektoren für Schweißanalyse, Superkondensatoren und mehr. Die Forscher sagten jedoch, sie glauben, sie hätten erstmals eine neue Eigenschaft von LIG entdeckt, die es ideal für einen Mehrzweck- und präzisen Sensor macht.

„In dieser speziellen Studie sind wir quasi über die Tatsache gestolpert, dass dieses Material auch thermoelektrische Eigenschaften hat“, sagte Cheng. „Wir glauben, dies ist das erste Mal, dass jemand laser-induzierten Graphen thermoelektrische Fähigkeiten berichtet. Und das ist wirklich wichtig für das, was wir hier tun wollen: sowohl Temperaturänderungen als auch physische Dehnung oder Verformung getrennt zu messen.“

Thermoelektrische Eigenschaften in einem Material beziehen sich auf die Fähigkeit, Temperaturunterschiede in elektrische Spannung und umgekehrt umzuwandeln, was solche Materialien für Anwendungen wie Energieernte und Temperatursensorik nutzbar macht. Laut Cheng macht diese neu identifizierte thermoelektrische Eigenschaft von LIG es einfach, die beiden Sensormessungen zu entkoppeln und ideal für Gesundheitsanwendungen wie einen in einen Verband eingebetteten Sensor.

„Wenn Sie Materialien haben, die sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnung empfindlich sind, kann es knifflig sein zu sagen, welches Signal Änderungen im Material verursacht“, sagte Cheng. „Aber indem wir diesen thermoelektrischen Effekt im laser-induzierten Graphen nutzen, können wir diese beiden Messungen im Wesentlichen entkoppeln. Wir können den elektrischen Widerstand betrachten, um Informationen über die Dehnung zu erhalten, während wir gleichzeitig die thermische Spannung messen, um die Temperatur zu bestimmen. Deshalb könnten Ärzte es nutzen, um sowohl Temperaturschwankungen als auch physische Veränderungen an der Wundstelle zu verfolgen und ein viel klareres Bild davon zu erhalten, wie die Heilung fortschreitet.“

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