3D Printing of Polyvinylidene Fluoride-Barium Titanate based Flexible Piezoelectric Sensors for Continuous Blood Pressure Monitoring

La fabrication additive, souvent désignée sous le nom d'impression 3D, a révolutionné la manière de produire en permettant une production plus rapide, en réduisant les déchets et en offrant une personnalisation inégalée. Un des secteurs qui a particulièrement bénéficié de cette avancée est le domaine biomédical. Cette étude s'aventure dans l'univers des dispositifs médicaux spécifiques au patient, en explorant spécifiquement le potentiel des capteurs piézoélectriques imprimés en 3D pour la surveillance en temps réel de la pression artérielle et du rythme cardiaque. Notre attention s'est concentrée sur la création de capteurs à partir d'un matériau intelligent: le fluorure de polyvinylidène (PVDF). Doté de propriétés piézoélectriques, il est particulièrement adapté à la fabrication de capteurs de pression. Le PVDF est reconnu pour sa biocompatibilité, sa flexibilité et sa capacité intrinsèque à transformer le stress mécanique en tension électrique. Malgré des coefficients piézoélectriques inférieurs à ceux des alternatives céramiques, l'adoption de stratégies comme l'ajout de nanoparticules de BaTiO3 a considérablement amélioré ses performances. Les capteurs ont été fabriqués en utilisant la méthode d'impression 3D Direct-ink write (DIW), qui a augmenté la sensibilité du PVDF en l'étirant pendant le processus de fabrication. Des paramètres d'impression clés comme la taille de la buse et la pression ont été ajustés pour obtenir une phase β optimale de 70% et une cristallinité totale de 48,3%. La polarisation thermique a encore augmenté la sensibilité du capteur à une valeur d33 de 12 pC N-1. Les capteurs résultants ont été soigneusement caractérisés sous des pressions dynamiques, démontrant une excellente linéarité (R² = 0,99) et une durabilité sur 1 heure (3600 cycles). Leur sensibilité à la pression de 0,024 V kPa⁻¹ démontre encore l'efficacité de ces capteurs. Le potentiel de ces capteurs a été testé à travers des mesures continues de pression artérielle et de rythme cardiaque sur un sujet humain. Le capteur a montré des performances dans les marges d'erreur permises avec un écart type de 3,87 mmHg, 0,63 mmHg et 2,4 battements par minute pour la pression artérielle systolique, la pression artérielle diastolique et le rythme cardiaque respectivement, comparé à un appareil standard de surveillance de la pression artérielle. Cette étude met en lumière le potentiel prometteur de la création de capteurs portables grâce à l'impression 3D, ouvrant de nouvelles perspectives pour les applications médicales spécifiques aux patients. Cette recherche marque une avancée essentielle dans la surveillance de la pression artérielle, offrant une alternative robuste, écologique et conviviale aux dispositifs de surveillance traditionnels et encombrants.

Abstract

Additive manufacturing, often referred to as 3D printing, has revolutionized the way products are made by enabling quicker production, minimizing waste, and allowing for unmatched customization. One domain witnessing notable strides from this development is the biomedical sector. This study ventures into the realm of patient-specific medical devices, specifically exploring the potential of 3D printed piezoelectric sensors for real-time blood pressure and heart rate monitoring. Our focus centred on crafting sensors from a smart material - polyvinylidene fluoride (PVDF), imbued with piezoelectric properties, makes it an apt choice for fabricating pressure sensors. PVDF is recognized for its biocompatibility, flexibility, and inherent ability to convert mechanical stress into electrical voltage. Despite its lower piezoelectric coefficients compared to ceramic alternatives, the adoption of strategies such as the inclusion of BaTiO3 nanoparticles significantly boosted its performance. The sensors were fabricated using the Direct-ink write (DIW) 3D printing method, which enhanced the sensitivity of PVDF through stretching during the fabrication process. Key printing parameters such as nozzle size and pressure were fine-tuned to achieve an optimal β-phase of 70% and an overall crystallinity of 48.3%. Thermal contact poling further increased the sensor's sensitivity to a d33 value of 12 pC N-1. The resulting sensors were meticulously characterized under dynamic pressures, demonstrating excellent linearity (R² = 0.99) and durability across 1 hour (3600 cycles). Their pressure sensitivity of 0.024 V kPa⁻¹ further signifies the efficiency of the sensors. The potential of these sensors was tested through continuous blood pressure and heart rate measurements on a human subject. The sensor exhibited performance within permissible error margins with a standard deviation of 3.87 mmHg, 0.63 mmHg and 2.4 beats per minute for systolic blood pressure, diastolic blood pressure and heart rate respectively when compared with a standard blood pressure monitoring device. This study illuminates the promising potential of creating wearable sensors using 3D printing, further expanding the horizons for patient-specific medical applications. This research signifies a crucial advancement in blood pressure monitoring, offering a robust, eco-friendly, and user-friendly alternative to traditional, bulky monitoring devices.