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清華大學臧浠凝團隊 Adv. Sci.:基于激光直寫的CFR-PEEK智能骨科植入物

科研前沿
2022
02/15
11:03
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來源:化學與材料科學  

碳纖維增強聚醚醚酮(CFR-PEEK)與人體骨骼具有相近的模量,良好的生物相容性,和較低的密度,是近年有望替代剛性金屬植入物的新興高分子骨植入材料。植入物的實時應變評估對于骨折傷患處愈合和植入物服役狀態(tài)的術(shù)后監(jiān)測起到至關重要的作用,然而如何將高精度和服役穩(wěn)定的傳感器集成在骨科植入物上仍然是較大挑戰(zhàn)。


圖1 基于激光直寫的CFR-PEEK基智能骨科植入物

近期,清華大學機械工程系臧浠凝助理教授(特別研究員)團隊通過激光直寫的方法,無需粘合劑或固定裝置,直接在CFR-PEEK表面上原位制備出了應變傳感器(圖1)。該工作在激光與PEEK和CFR-PEEK的相互作用研究的基礎上(圖2a-d),實現(xiàn)了激光直寫應變傳感器的可控加工,面電阻最小可低于1.7 Ω sq-1。制備的應變傳感器在CFE-PEEK植入物的服役范圍內(nèi)(0-2.5%)能保持較好的線性度(R2 = 0.997)(圖2e)。通過將激光頭與機械臂裝置級聯(lián),該加工方法可以實現(xiàn)在任意曲面上進行傳感器的加工(圖1);通過將傳感層與藍牙模塊相連,該傳感器可以實現(xiàn)無線信號的傳輸并在移動設備終端進行顯示(圖2f),未來有望實現(xiàn)骨折病人術(shù)后便捷隨訪以及康復信息的云共享。該工作以“Laser Direct-Write Sensors on Carbon-Fiber-Reinforced Poly-Ether–Ether–Ketone for Smart Orthopedic Implants”為題發(fā)表在《Advanced Science》上。文章第一作者是清華大學博士生胡行健,共同通訊作者包括清華大學機械工程系趙海燕教授及清華長庚醫(yī)院趙喆副主任醫(yī)師。該研究得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金和清華大學自主科研項目的支持。

圖2. a-d)激光與CFR-PEEK和PEEK相互作用,e)傳感器靈敏度測試,f)傳感器與移動設備無線通訊。

原文鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105499


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