通過導(dǎo)電硅膠成型推進(jìn)醫(yī)療可穿戴設(shè)備的發(fā)展

導(dǎo)電有機(jī)硅結(jié)合了有機(jī)硅彈性體的穩(wěn)定性、生物相容性和舒適性，以及導(dǎo)電添加劑的導(dǎo)電性。

可穿戴設(shè)備包括Biolectrics Oraflow（左）和Cala Health klQTM（右）

可穿戴技術(shù)在 70 年代后期通過模仿手表的可穿戴計(jì)算器在主流人群中首次亮相。從那時(shí)起，佩戴在身體上的電子設(shè)備背后的技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括監(jiān)測心率的智能手表、用于娛樂的虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)、測量血糖水平的傳感設(shè)備，以及帶有傳感器的皮膚貼片，這些傳感器可以無線傳輸佩戴者的生命體征。

在醫(yī)療設(shè)備行業(yè)中，可穿戴設(shè)備或可穿戴設(shè)備是一個(gè)不斷增長的細(xì)分市場，因?yàn)樗鼈兛梢允占吞峁┐罅康膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該技術(shù)的許多方面已被應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中，以幫助患者監(jiān)測和依從性，或患者與從業(yè)者之間的即時(shí)溝通。在最新的創(chuàng)新浪潮中，設(shè)備制造商開始尋找通過可穿戴設(shè)備提供主動治療的方法。

百瑞已與多家創(chuàng)新醫(yī)療原始設(shè)備制造商合作，以解決開發(fā)可穿戴設(shè)備的挑戰(zhàn)，這些設(shè)備通過使用導(dǎo)電 （EC） 有機(jī)硅彈性體為患者提供熱療或電療。從以非手術(shù)方式治療牙周炎的護(hù)齒器，到減少帕金森病相關(guān)震顫的腕帶，百瑞為每種應(yīng)用開發(fā)了一種定制制造方法，以成功達(dá)到其設(shè)備的商業(yè)階段。本文將介紹在開發(fā)周期中采用的方法和克服的挑戰(zhàn)。

導(dǎo)電有機(jī)硅是一種新型材料，它結(jié)合了有機(jī)硅彈性體的穩(wěn)定性、生物相容性和患者舒適性，以及導(dǎo)電添加劑帶來的更高導(dǎo)電性。使用EC有機(jī)硅的挑戰(zhàn)在于選擇有機(jī)硅配方、導(dǎo)電添加劑類型和負(fù)載水平以及成型方法和工具設(shè)計(jì)的正確組合和平衡，以從機(jī)械和導(dǎo)電的角度生產(chǎn)出滿足應(yīng)用要求的組件。

硅膠配方選擇

醫(yī)用成型中常用的有機(jī)硅彈性體配方有三種：高稠度橡膠（HCR）、液態(tài)硅橡膠（LSR）和室溫硫化（RTV）材料。HCR材料是一種高粘度配方，通常采用壓縮或傳遞模塑。LSR 和 RTV 配方的粘度較低，通常采用注塑成型。為應(yīng)用選擇基質(zhì)有機(jī)硅材料取決于應(yīng)用要求，例如設(shè)備性能或感覺符合設(shè)計(jì)者預(yù)期所需的強(qiáng)度、柔韌性或硬度。有機(jī)硅彈性體配方所決定的成型方式將對使用EC有機(jī)硅時(shí)采用的制造方法產(chǎn)生重大影響。

導(dǎo)電添加劑的選擇和負(fù)載水平

有機(jī)硅彈性體本身具有絕緣性，需要臨界濃度或滲流閾值才能表現(xiàn)出導(dǎo)電或?qū)崽匦浴Ｔ跐B流閾值下，有機(jī)硅基體內(nèi)有足夠的添加劑到添加劑連接來傳遞熱量或電荷。為確保模制有機(jī)硅組件的導(dǎo)電性能一致，具有均勻的添加劑分散體和適當(dāng)?shù)奶砑觿┯袡C(jī)硅附著力至關(guān)重要。碳纖維 （CF） 和碳納米管 （CNT） 是經(jīng)驗(yàn)證的用于改變有機(jī)硅電性能的添加劑選擇，但碳納米管需要添加較低的重量百分比 （wt%） 才能達(dá)到滲流閾值。實(shí)現(xiàn)必要導(dǎo)電性能所需的重量很重要，因?yàn)橛袡C(jī)硅的機(jī)械性能會隨著添加劑重量%的增加而降解。

成型方法和模具設(shè)計(jì)

在注塑和壓縮成型工藝之間，有機(jī)硅彈性體可能會受到非常不同的力和溫度，從而影響EC有機(jī)硅的導(dǎo)電性能。具體而言，彈性體注入模具時(shí)施加到彈性體上的剪切力與所選導(dǎo)電添加劑的滲流閾值直接相關(guān)。隨著剪切力的增加，滲流閾值也會增加，反過來，模制彈性體的表面電阻率也會增加。了解如何通過模具設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化將剪切效應(yīng)降至最低，對于開發(fā)導(dǎo)電有機(jī)硅組件至關(guān)重要。在注塑成型和壓縮成型工藝之間，注射工藝中引入了更大的剪切力，而壓縮成型由于所需的剪切力較低，因此會產(chǎn)生非常各向同性的產(chǎn)品。雖然壓縮成型可以產(chǎn)生更一致的產(chǎn)品，但該工藝不利于包覆成型應(yīng)用。在此類應(yīng)用中，有必要通過模具設(shè)計(jì)來減輕注塑工藝的剪切力，其中可能包括對所用澆口的樣式或尺寸的調(diào)整。

為了評估三個(gè)主要因素對EC有機(jī)硅成型的影響，百瑞設(shè)計(jì)并注塑了4種類型的硅膠墊，以測試彈性體類型、添加劑類型和澆口樣式的電阻率和電阻率均勻性。評估的閘門樣式是橫截面為矩形、窄直徑為 0.009 英寸的凸片閘門，以及橫截面為圓形、直徑為 0.040 英寸的主體閘門。表1中概述的樣品組一式三份。

表1：樣品制備

如下圖所示，添加碳納米管的液態(tài)硅橡膠的平均測量薄層電阻率非常一致，兩種澆口樣式均在 20-100 Ω/Square 的目標(biāo)范圍內(nèi)。在極耳設(shè)門樣品中，電阻率略有增加，這歸因于通過更狹窄的澆口直徑施加的剪切力增加。使用RTV彈性體和CF添加劑制成的樣品在兩種澆口設(shè)計(jì)中都表現(xiàn)出更大的電阻率變化，并且與極片門控樣品的分布明顯更大。與基于LSR的樣品類似，由于與柵極樣式相關(guān)的剪切力，凸片門控RTV樣品中的電阻率上升。由于CF添加劑的粒徑比CNTs大，因此澆口設(shè)計(jì)的影響要大得多。

結(jié)論

了解彈性體選擇、導(dǎo)電添加劑材料選擇和成型工藝參數(shù)的影響和相互作用對于使用 EC 有機(jī)硅材料制造可穿戴設(shè)備應(yīng)用至關(guān)重要。

對于終端設(shè)備設(shè)計(jì)人員和制造商來說，根據(jù)性能要求和潛在限制密切合作，以確定開發(fā)一致導(dǎo)電組件的最佳途徑至關(guān)重要。

為了避免代價(jià)高昂的錯(cuò)誤或項(xiàng)目延誤，建議在項(xiàng)目的早期階段采用迭代方法，以找到在特定治療設(shè)備中取得成功的正確組合。