超フレキシブル有機圧電型発電/拍動検知デバイス開発と生体内駆動の検証

超柔性有机压电发电/脉动检测装置开发及体内驱动验证

• 批准号: 21H04655
• 负责人: 石田 謙司
• 金额: $ 26.87万
• 依托单位: Kyushu University (2023)Kobe University (2021-2022)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04655/
• 关键词: 有機圧電膜; 超フレキシブル; 拍動センシング; 心臓発電; インプランタブル; 有機圧電薄膜; 心臓拍動; フレキシブル圧電薄膜; 心筋力; インプランタブルデバイス; センシング; 有機強誘電体; 拍動検知

本年度は、フレキシブル有機強誘電体フィルムの作製、強誘電/圧電特性の基礎評価に加え、心臓拍動のように臓器変形が伝搬していく複雑な臓器変形を検知するため、多素子センサを作製し、多点測定を試みた。PENフィルム上に、下部電極としてAl100 nmを真空蒸着した後、強誘電性高分子P(VDF/TrFE)をスピンコート成膜した。上部電極としてAl薄膜を真空蒸着し、キャパシタ型圧電センサーとした。上下電極はパターニングすることで、9つの圧電センサからなる拍動検出用センサー素子とした。デバイス保護、生体適合性のため、素子全面には気相重合法によりparylene Cを堆積してデバイス封止した。全センサー部をポーリング処理し、分極方向を一方向に揃え、かつ残留分極量Prを60mC/m2に揃えた。成人男性3D-X線CT画像から復元した心臓拍動モデルに、試作した多素子センサを貼り付け、正常拍動(60bpm)におけるセンサー出力を詳細解析した。すべての素子で、心臓モデル収縮時に負、膨張時に正の出力電圧が得られたが、センサ貼り付け位置によって出力電圧のピーク時間と電圧値には違いを観察した。「ピーク時間」の違いは拍動挙動（動き方）が場所によって異なることを、「電圧値の違い」は変位速度が異なること示差しており、心臓モデルの変形が右心室から左心室側へ伝搬していく複雑な心拍挙動の観測に成功した。また出力電圧の時間変化を圧電方程式に基づき応力変換することで、心臓モデル表面にかかる応力を計算した。心臓の電気的活動を体表電極で読み取る心電図と異なり、試作したフレキシブル圧電フィルムは心臓変形そのものをリアルタイム検出しており、かつ心臓表面にかかる応力（心筋力）が検出可能であることから、心膜炎等の心臓組織表面の疾患の早期発見が可能であると考えられる。また新規導入したマスクレス露光機の立ち上げ、及び条件出しも行った。

除了制造柔性有机铁电膜以及对铁电/压电特性的基本评估外，我们还制造了多元素传感器和尝试的多点测量值，以检测复杂的器官变形，以传播像心脏搏动这样的器官变形。将100 nm Al作为笔膜上的下部电极真空沉积后，然后将铁电聚合物P（VDF/TRFE）旋转。将Al薄膜真空沉积为形成电容器型压电传感器的顶部电极。将上部和下部电极图案化以形成由9个压电传感器组成的脉冲检测传感器元件。为了保护设备和生物相容性，通过蒸气相聚合将Parylene C沉积在整个设备上以密封设备。将所有传感器切片进行轮询，极化方向在一个方向上排列，并且残留极化量PR与60mc/m2排列。原型多元素传感器连接到从成年男性3D-X射线CT图像恢复的心脏BEAT模型上，并详细分析了正常BEATS（60 bpm）的传感器输出。对于所有元素，当收缩心脏模型时获得负输出电压，并在扩展心脏模型时获得正输出电压，但是根据传感器的附件位置，观察到峰值输出电压和电压值之间的差异。 “峰值时间”的差异表明，节拍行为（运动）取决于位置，而“电压值差”表示位移速度不同，我们成功地观察到了复杂的心跳行为，其中心脏模型的变形从右心室向左心室传播。此外，通过基于压电方程对输出电压的时间变化进行应力转换来计算对心脏模型表面的应力。与心电图不同的是，它读取了人体表面电极的心脏电活动，原型的柔性压电膜可以实时检测心脏变形本身，并且可以检测到心脏表面上的压力（心肌力），从而可以检测到心脏表面上的疾病，例如早期探测心脏表面的疾病。我们还推出了新引入的无面膜曝光机和设定条件。

项目成果

ジパラキシリレンの真空中での蒸発挙動に関する研究

二对二甲苯真空蒸发行为研究

• 发表时间: 2021
• 作者: Kenta Higashida;Iori Sugimoto;Yasuko koshiba;and Kenji Ishida;石田謙司
• 通讯作者: 石田謙司

生体模倣ゴムに包埋した有機圧電薄膜デバイスの多軸応力解析

仿生橡胶中嵌入的有机压电薄膜器件的多轴应力分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 田中雅人;小柴康子;堀家匠平;石田謙司
• 通讯作者: 石田謙司

真空下熱重量測定による鎖状アルカン蒸発挙動の鎖長依存性評価

真空下热重分析评价链烷烃蒸发行为的链长依赖性

• 发表时间: 2022
• 作者: 髙橋大樹，堀家匠平;小柴康子;石田謙司
• 通讯作者: 石田謙司

分極制御したフレキシブル有機強誘電体薄膜のセンサー・創エネ機能

偏振控制柔性有机铁电薄膜的传感器和能量产生功能

• 发表时间: 2021
• 作者: Fukui Takato;Matsuda Yoshinobu;Matsukura Makoto;Kojima Takahiro;Funato Mitsuru;Kawakami Yoichi;坪井優樹，阪井優太，鈴木佐俊，後藤正幸;石田謙司
• 通讯作者: 石田謙司

Multipoint detection of structural deformation of pulsating 3D heart model using flexible organic piezoelectric-sensor array

使用柔性有机压电传感器阵列多点检测脉动 3D 心脏模型的结构变形

• DOI: 10.35848/1347-4065/ac5a04
• 发表时间: 2022
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Yusaku Nagayama;Yuya Kondo;Yasuko Koshiba;Shohei Horike;Kazuto Takashima ;Kenji Ishida
• 通讯作者: Kenji Ishida