From Biological Cilia to Artificial Flow Sensors: Biomimetic Soft Polymer Nanosensors with High Sensing Performance

材料科学 聚二甲基硅氧烷 纳米纤维 静电纺丝 纳米技术 微流控 仿生学 捆绑 聚合物 流体学 压电 生物医学工程 复合材料 医学 工程类 航空航天工程
作者
Mohsen Asadnia,Ajay Giri Prakash Kottapalli,K. Domenica Karavitaki,Majid Ebrahimi Warkiani,Jianmin Miao,David P. Corey,Michael Triantafyllou
出处
期刊:Scientific Reports [Springer Nature]
卷期号:6 (1) 被引量:133
标识
DOI:10.1038/srep32955
摘要

We report the development of a new class of miniature all-polymer flow sensors that closely mimic the intricate morphology of the mechanosensory ciliary bundles in biological hair cells. An artificial ciliary bundle is achieved by fabricating bundled polydimethylsiloxane (PDMS) micro-pillars with graded heights and electrospinning polyvinylidenefluoride (PVDF) piezoelectric nanofiber tip links. The piezoelectric nature of a single nanofiber tip link is confirmed by X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Rheology and nanoindentation experiments are used to ensure that the viscous properties of the hyaluronic acid (HA)-based hydrogel are close to the biological cupula. A dome-shaped HA hydrogel cupula that encapsulates the artificial hair cell bundle is formed through precision drop-casting and swelling processes. Fluid drag force actuates the hydrogel cupula and deflects the micro-pillar bundle, stretching the nanofibers and generating electric charges. Functioning with principles analogous to the hair bundles, the sensors achieve a sensitivity and threshold detection limit of 300 mV/(m/s) and 8 μm/s, respectively. These self-powered, sensitive, flexible, biocompatibale and miniaturized sensors can find extensive applications in navigation and maneuvering of underwater robots, artificial hearing systems, biomedical and microfluidic devices.

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