MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
■001000017160293
■00520250211150951
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798381974973
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30993184
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a531
■1001  ▼aLi,  Shupeng.
■24510▼aDesign  of  Bio-Integrated  Electronics,  From  Mechanical  Structures  to  Multi-Physics  Applications
■260    ▼a[Sl]▼bNorthwestern  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a156  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-10,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Huang,  Yonggang.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Northwestern  University,  2024.
■520    ▼aBio-integrated  electronics  have  captured  significant  attention  among  researchers  due  to  their  potential  to  revolutionize  healthcare  with  smarter  and  more  personalized  applications,  both  within  clinic  environments  and  beyond.  In  contrast  to  conventional  rigid  and  wired  electronics,  the  emerging  generation  of  flexible  and  stretchable  electronics  offers  distinct  advantages  for  seamless  bio-integration.  These  include  notable  features  such  as  biocompatibility,  mechanical  robustness,  and  intimate  conformability  to  tissues.  Many  of  these  devices  also  incorporate  wireless  communication  technology  and  fully  biodegradable  materials,  unlocking  endless  possibilities  for  continuous  health  monitoring,  diagnostics,  and  rapid  therapeutic  delivery.However,  challenges  accompany  the  development  of  such  devices.  The  mechanical  behavior  must  be  delicately  designed  with  regard  to  materials  and  structures  to  achieve  robustness  and  conformability.  More  critically,  these  miniaturized  devices  must  attain  comparable  or  superior  performance  compared  to  traditional  biomedical  devices.  They  are  tasked  with  passively  measuring  and  quantifying  a  broad  range  of  physical  and  chemical  signals  stemming  from  natural  physiological  processes,  and  actively  stimulating  and  responding  to  these  signals  for  precise  diagnostic  and  targeted  delivery  of  therapy.  While  some  superficial  signals,  such  as  heart  rate  and  skin  temperature,  can  be  directly  collected  and  analyzed,  others,  like  blood  pressure  and  blood  flow  rate,  present  difficulties  in  measurement,  necessitating  innovative  measuring  strategies.  Moreover,  electronics  equipped  with  therapeutic  functionalities  have  not  kept  pace  with  the  advancements  in  emerging  sensing  units.This  dissertation  systematically  investigates  multiple  bio-integrated  electronics  through  numerical  and  analytical  methods,  with  the  aim  of  providing  supportive  design  strategies.  Intuitive  understandings  are  offered  to  correlate  physical  parameters  with  mechanics  compliance,  sensation,  and  actuation  performance.  This  includes  the  control  of  buckling  serpentine  electronics  along  with  the  extension  to  electromagnetic  actuation,  wireless  monitoring  of  blood  pressure  and  microvascular  blood  flow,  and  the  development  of  multimodal  haptic  actuators  towards  sensory  substitution.First,  I  investigate  the  buckling  behavior  of  commonly  employed  serpentine  structures  in  stretchable  electronics.  As  the  size  goes  down,  the  elastic  energy  is  significantly  decreased  compared  to  the  adhesion  energy  between  the  2D  precursor  and  elastomeric  substrate,  preventing  it  from  successfully  buckling  up  to  form  the  targeted  3D  structures;  besides,  the  buckling  deformation  may  exceed  the  elastic  or  fracture  limits  of  the  material,  leading  to  mechanical  failure  of  the  3D  structure.  I  examine  the  adhesion,  elastic  energy  and  maximum  strain  for  three  buckling  states  via  theoretical  modeling  and  finite  element  analysis  and  establish  a  phase  diagram  to  guide  the  micro  or  nanoscale  design  and  fabrication.  Predicting  and  controlling  buckling  behaviors  enable  the  exploration  of  actuating  the  deformation  of  post-buckling  3D  nanostructures.  However,  challenges  arise  due  to  the  mismatch  between  actuation  forces  and  structure  rigidity  at  micro/nanoscale.  I  propose  strategies  involving  integrating  current-carrying  metallic  or  magnetic  films  into  microscale  structures  to  generate  controlled  Lorentz  or  magnetic  forces  under  an  external  field.  Quantitative  modeling  and  scaling  laws  facilitate  the  formation  of  low-rigidity  3D  architectures  at  the  microscale,  enabling  significant,  reversible,  and  rapid  deformation  through  remotely  controlled  electromagnetic  actuation.Secondly,  I  present  strategies  for  wireless,  continuous  blood  pressure  measurement  using  a  skin-mounted,  non-invasive  pressure  sensor.  Existing  methods  for  continuous,  non-invasive  measurements  are  either  wired  and  bulky  or  susceptible  to  artifacts.  Leveraging  the  skin-interfaced  pressure  sensor,  I  establish  a  scaling  law  between  blood  pressure  in  the  radial  artery  and  the  sensor's  response  through  finite  element  analysis.  Alongside  separate  measurements  of  pulse  wave  velocity,  this  sensor  accommodates  changes  in  skin  properties  due  to  drug  effects,  providing  robust  calibration  methods.Thirdly,  I  contribute  to  the  design  of  implantable  thermal  sensors  for  microvascular  blood  flow  monitoring,  particularly  applicable  in  early  and  accurate  thrombosis  diagnosis  in  free  tissue  transfer  and  solid  organ  allotransplantation.  These  wireless  sensors,  usable  across  all  tissues  and  organs,  employ  biodegradable  materials  for  safe  removal.  While  measuring  temperature  rather  than  flow  velocity,  I  develop  a  theoretical  model  connecting  the  measured  temperature  to  flow  velocity.  The  model  holds  potential  applications  in  early  disease  diagnosis  and  other  microfluid  flow  measurements  within  the  human  body.Lastly,  I  contribute  to  the  development  of  electromagnetic-driven  multimodal  haptic  actuators.  These  actuators  possess  the  ability  to  stimulate  rapidly  and  slowly  adapting  mechanoreceptors  with  bistable  and  vibration  modes  in  a  fast,  programmable  manner  -  a  novel  feature  not  reported  before.  I  establish  mechanics  and  electromagnetic  models  to  explore  these  modes  under  different  tissue  conditions  and  device  designs,  proposing  a  phase  diagram  to  guide  bistable  design.  This  haptic  device  finds  applications  in  social  media,  entertainment,  and  clinical  therapy,  providing  solutions  for  substituting  and  augmenting  missing  sensory  capabilities.
■590    ▼aSchool  code:  0163.
■650  4▼aMechanics
■650  4▼aBiomedical  engineering
■650  4▼aMaterials  science
■650  4▼aNanotechnology
■650  4▼aMedical  imaging
■653    ▼aSolid  mechanics
■653    ▼aStretchable  electronics
■653    ▼aBio-integrated  electronics
■653    ▼aBlood  pressure
■653    ▼aBiomedical  devices
■690    ▼a0346
■690    ▼a0574
■690    ▼a0794
■690    ▼a0541
■690    ▼a0652
■71020▼aNorthwestern  University▼bMechanical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-10B.
■790    ▼a0163
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17160293▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

미리보기

내보내기

chatGPT토론

Ai 추천 관련 도서