Geri Dön

Tuneable carbon nanotube-based sensors for a textile-integrated respiratory system

Tekstile entegre edilmiş solunum sistemi için ayarlanabilir karbon nanotüp tabanlı sensörler

  1. Tez No: 886078
  2. Yazar: DİLAN ARSLAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ESMA SEZER, PROF. DR. HÜLYA CEBECİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Kimya, Science and Technology, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 148

Özet

Geleneksel tıbbi solunum cihazları, özellikle spirometreler ve hava akışı ölçerler, hastaların solunum sinyallerini izlemek ve sağlık durumlarını değerlendirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, bu cihazlar genellikle hastane veya klinik ortamlarında kullanılır ve büyük ve hantal yapıları nedeniyle hastalar için rahatsızlık yaratabilir. Bu durum, özellikle uzun süreli veya sürekli izleme gereken durumlarda, hastaların konforunu ve hareket özgürlüğünü kısıtlayabilir. Ayrıca, bu cihazlarla yapılan izleme ve ölçümler genellikle kesintili olabilir, bu da hastanın solunum sağlığının tam ve sürekli bir resmini sunmakta eksikliklere neden olabilir. Bu zorluklarla başa çıkmak amacıyla, modern sağlık sistemlerinde daha hasta odaklı ve ekonomik çözümlere olan talep artmaktadır. Bu bağlamda, giyilebilir teknolojilerin geliştirilmesi ve yaygınlaştırılması önemli bir öncelik haline gelmiştir. Giyilebilir solunum izleme cihazları, hastaların günlük yaşamlarını etkilemeden sürekli izleme ve değerlendirme yapabilme potansiyeline sahiptir. Bu tür cihazlar, hastaların konforunu artırarak evde veya hareket halindeyken bile solunum verilerinin sürekli ve kesintisiz bir şekilde izlenmesini sağlar. Böylece, sağlık profesyonelleri daha doğru ve kapsamlı verilere erişebilir, bu da daha iyi klinik kararların alınmasına olanak tanır. Bu tez, sürdürülebilir ve uygun maliyetli karbon nanotüp (CNT) ve selüloz nanokristal (CNC) bazlı iletken mürekkeplerin üretimini araştırarak bu malzemelerin giyilebilir solunum sensörlerinde kullanılma potansiyelini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Ayrıca, mürekkeplerin üretim parametrelerinin optimize edilmesi, karakterizasyonun yapılması ve giyilebilir sensör uygulamalarında kullanımlarının incelenmesini hedeflemektedir. Aynı zamanda bu tez,“line”,“strain gauge”,“omnidirectional”olmak üzere farklı geometrilere sahip desenler ile hazırlanan giyilebilir sensörlerin duyusal davranışını da araştırmaktadır. Ayrıca bu çalışmada, bir insansı bir simülasyon mankeni kullanılarak sensörlerin solunum alıp verme esnasındaki performansı incelenmiştir. Bu kapsamlı analiz, hasta bakımını iyileştirebilecek ve sağlık profesyonelleri için doğru veriler sağlayabilecek, kullanıcı dostu ve ekonomik giyilebilir solunum izleme cihazlarının geliştirilmesinin ilerletilmesini amaçlamaktadır. Tezin birinci bölümde, araştırma için geniş bir bağlam sağlayan ve çalışmanın temel amaçlarını ve kapsamını özetleyen teze genel bir bakış sunulmuştur. İkinci bölümde, tez konusuyla ilgili mevcut araştırma ve çalışmaların incelendiği ve alandaki mevcut bilgi durumunun aydınlatıldığı kapsamlı bir literatür taraması yer almaktadır. Üçüncü bölümde ilk olarak CNTs:CNCs-1:1, CNTs:CNCs-1,5:1,5 ve CNTs:CNCs-2:2, CNTs:CNCs-2:1 ve CNTs:CNCs-1:2 olmak üzere beş farklı mürekkep içerisindeki CNT ve CNC oranı değiştirilerek üretilmiştir. Farklı konsantrasyonlardaki su bazlı iletken mürekkeplerin reolojik davranışları incelenmiş ve kumaş yüzeyine basılabilirlikleri araştırılmıştır. Reolojik karakterizasyon çalışmaları, mürekkeplerin viskozite, akış ve yayılma özelliklerini belirlemek amaçlanmıştır. Mürekkeplerin zamana bağlı stabilitesi ve serigrafi yönteminin simülasyon testleri reolojik bir yaklaşım kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ardından kumaş üzerinde duyusal yüzeyler oluşturmak için erişilebilir ve uygun maliyetli bir yöntem olan serigrafi baskı kullanılmıştır. Yüzeyin baskı kalitesini anlamak için sensörlerin optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri alınmıştır. Daha sonra serigrafi ile basılan yüzeylerin elektriksel dirençleri ve iletkenlikleri ölçülmüştür. Sonrasında ise üretilen solunum sensörlerinin elektromekanik özellikleri özel olarak tasarlanmış bir test düzeneği kullanılarak incelenmiştir. İnsan göğsünü simüle etmek için line, strain gauge ve omnidirectional desenlere %5 ve %10 gerinimler uygulanmıştır. Sensör yüzeylerinden zamana bağlı olarak alınan elektriksel direnç değerleri kaydedilerek sensörün hassasiyeti hesaplanmıştır. Son olarak giyilebilir bir sensörün pratik kullanıma uygunluğunu belirlemek için insansı bir manken üzerinde testler yapılmıştır. Bu testlerin sonuçları, seçilen desenin amaçlanan uygulamaya uygunluğunu değerlendirmek için elektromekanik testlerden elde edilen verilerle karşılaştırılıştır. Dördüncü bölümde söz konusu karakterizasyonun sonuçları gösterilmiş ve tartışılmıştır. Sonuçlar, tüm mürekkeplerin kesme incelmesi (shear thinning) davranışı sergilediğini ve bu durumun onları serigrafi baskıya uygun hale getirdiğini göstermiştir. Mürekkeplerin geri kazanım oranları (recovery rate) hesaplanmış CNTs:CNCs-2:1, CNTs:CNCs-2:2 mürekkeplerinin yüksek geri kazanım oranları deneniyle aglomerasyon sorunundan kaynaklı serigrafi baskı yöntemiyle kumaş üzerine baskı için uygun olmadığı belirlenmiştir. Bu durum düşük geri kazanım oranı sebebiyle CNTs:CNCs-1:2 mürekkebi içinde gerçerli olduğu görülmüştür. Serigrafi baskı yöntemine uygun mürekkeplerin CNTs:CNCs-1:1, CNTs:CNCs-1.5:1.5 olduğu sonucuna varılmıştır ve CNTs:CNCs-1:1 mürekkebinin yaklaşık 100% geri kazanım oranı ile serigrafi yöntemi için en uygun mürekkep olduğu görülmüştür. Mürekkeplerin 5 ay boyunca kararlılıklarını koruduğu görülmüştür. Ayrıca desenlerin elektriksel iletkenliği amaçlanan uygulamalara uygunluğunu ortaya koymuştur. Baskı sırasında yüzeyde oluşan boşlukların kapanması ve elektrik ağı oluşması nedeniyle katman sayısı arttıkça mürekkeplerin elektriksel direnci azalmıştır. Ayrıca mürekkepteki CNT miktarı arttıkça sensörün test sonuçlarının tekrarlanabilirliğinin azaldığı tespit edilmiştir. Bu nedenle en uygun mürekkebin CNTs:CNCs-1:1 olduğu yapılan elektromekanik testler ile de desteklenmiştir. Ayrıca çizgi deseni yüksek hassasiyet değerleri sergilerken tekrarlanabilirliğinin düşük olduğu görülmüştür. Çoklu kollarından dolayı daha iyi stres dağılımı sağladığı için omnidirectional desenin en uygun model olduğu görülmüştür. İnsansı manken üzerinde yapılan testler bu sonucu desteklemiştir. Beşinci bölümde, sonuçların kapsamlı bir tartışması ve daha ileri araştırmalar için öneriler sunulmuştur. Ayrıca, konunun daha derinlemesine anlaşılmasını sağlayacak ve bu çalışmada belirlenen sınırlamaları ele alarak gelecekteki araştırmalar için pratik öneriler sunuldu. Çalışmanın bulguları, bu CNT/CNC bazlı mürekkeplerin serigrafi baskı için uygun olduğunu göstermiştir. Böylece potansiyel olarak kullanıcı dostu ve uygun maliyetli giyilebilir solunum izleme yapabilen cihazların geliştirilmesi kolaylaşabilir. Bu tür cihazlar, hastaların yaşam kalitesini artırabilir ve daha doğru ve kapsamlı solunum verileri sağlayarak sağlık profesyonellerinin daha bilinçli klinik kararlar almasına olanak sağlayabilir. Giyilebilir teknolojilerin sağlık sektöründe yaygınlaşması hem hastalar hem de sağlık çalışanları için önemli avantajlar sunacaktır. Geleneksel solunum izleme cihazlarının yerini alabilecek bu yeni nesil giyilebilir cihazlar, hastaların sürekli izlenmesine olanak tanıyarak erken teşhis ve müdahale imkanı sunabilir Böylece, solunumla ilgili hastalıkların yönetimi ve tedavisi daha etkili bir şekilde gerçekleştirilebilir. Ayrıca, bu cihazlar sayesinde hastalar günlük aktivitelerine kesintisiz devam edebilir, bu da genel yaşam kalitesini artırır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, sürdürülebilir ve uygun maliyetli iletken mürekkeplerin üretimi ve giyilebilir solunum sensörlerinde kullanımı konusunda önemli bulgular ortaya koymaktadır. Bu bulgular, gelecekte daha konforlu, erişilebilir ve etkili solunum izleme çözümlerinin geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Ayrıca bu çalışmanın sonuçları, solunum izleme cihazlarının geliştirilmesi ve uygulanmasına ilişkin mevcut literatüre önemli ölçüde katkı sağlayacaktır.

Özet (Çeviri)

Conventional medical respiratory devices, such as spirometers and airflow meters, are commonly used for monitoring respiratory signals and assessing patients' health. However, these devices require complex setups typically used in hospitals or clinical settings. Furthermore, these devices' large and bulky structures can cause patients discomfort. Additionally, measurements conducted using such devices are often intermittent, which leads to gaps in providing a complete and continuous picture of a patient's respiratory health. In response to these challenges, there is an increasing demand for patient-centered and cost-effective solutions in next-generation healthcare systems. These systems are designed to enhance patient comfort and enable continuous monitoring and evaluation of essential health metrics such as respiratory function in the home or daily life settings. Wearable technology development and widespread adoption have become a significant priority in this context. This thesis investigates the potential of sustainable and cost-effective carbon nanotubes (CNTs) and cellulose nanocrystals (CNCs)-based conductive ink production, as well as the optimization and characterization of production parameters to address the abovementioned needs. The thesis also explores the sensory behavior of wearable sensors designed to monitor respiratory signals with different geometries, including line, strain gauge, and omnidirectional patterns. Additionally, the study examines the performance of sensors using a simulation mannequin. The comprehensive analysis aims to advance the development of user-friendly and economical wearable respiratory monitoring devices that can enhance patient care and provide accurate data for healthcare professionals. In the first chapter, an overview of the thesis was presented, providing a broad context for the research and outlining the primary objectives and scope of the study. The second chapter comprises a comprehensive literature review, examining existing research and studies pertinent to the thesis topic and elucidating the current knowledge in the field. In the third chapter, firstly, five different inks were produced by varying the ratio of CNTs and CNCs as follows: CNTs:CNCs-1:1, CNTs:CNCs-1.5:1.5, CNTs:CNCs-2:2, CNTs:CNCs-2:1, and CNTs:CNCs-1:2. The rheological behavior of these water-based conductive inks with different concentrations was examined aiming to determine the inks' viscosity, flow, and spread properties. The time-dependent stability of the inks and simulation tests of the screen printing method were performed using a rheological approach. Secondly, screen printing, an accessible and cost-effective method, created sensory surfaces on fabric. Optic microscope and scanning electron microscope (SEM) images of the printed sensors were taken to understand the print quality of the surface. Then, the electrical resistances and conductivities of the printed surfaces were measured. Thirdly, the electromechanical properties of the produced respiratory sensors were examined using a specially designed test setup. 5% and 10% strains were applied to the line, strain gauge, and omnidirectional patterns to simulate the human chest. Electrical resistance values were recorded simultaneously from the sensor surfaces, and the sensor's sensitivity was calculated. Finally, tests were conducted on a humanoid mannequin to determine the suitability of a wearable sensor for practical use. The results of these tests were compared with the data obtained from the electromechanical tests to evaluate the selected pattern's suitability for the intended application. In the fourth chapter, the results of the mentioned characterization were demonstrated and discussed. The results indicated that all inks exhibited shear-thinning behavior, making them suitable for screen printing. The recovery rates of the inks were calculated, revealing that the ink with the best recovery rate was CNTs:CNCs-1:1, with approximately 100%. It was determined that CNTs:CNCs-2:1 and CNTs:CNCs-1:2 were unsuitable for printing on fabric using the screen printing method, and it concluded that the inks suitable for the screen printing method were CNTs:CNCs-1:1, CNTs:CNCs-1.5:1.5, and CNTs:CNCs-2:2. The inks maintained their stability throughout the testing period, i.e., five months. Moreover, the electrical conductivity and stability of the patterns demonstrated their suitability for the intended applications. The electrical resistance of the inks decreased as the number of layers increased due to closing gaps in the print and forming an electrical network. Also, it was found that as the amount of CNT in the ink increased, the sensor's reproducibility decreased. Therefore, the optimal ink was determined to be CNTs:CNCs-1:1. Furthermore, while the line pattern exhibited high sensitivity values, its reproducibility was low. The omnidirectional pattern was found to be the most optimal, as it provided better stress distribution due to its multiple arms. Tests performed on a humanoid mannequin supported this conclusion. The fifth chapter comprehensively discussed the conclusions and recommendations for further investigation. It highlights the most significant findings and their implications and encourages ongoing exploration in this field, potentially leading to new insights and advancements. The study's findings indicate that these CNTs/CNCs-based inks are well-suited for screen printing. This can potentially facilitate the development of user-friendly and cost-effective wearable respiratory monitoring devices. Such devices can enhance patients' quality of life and enable healthcare professionals to make more informed clinical decisions by providing more accurate and comprehensive respiratory data. The widespread use of wearable technologies in the healthcare industry will offer significant advantages for patients and healthcare professionals. Furthermore, this study's results will significantly contribute to the existing literature on developing and applying respiratory monitoring devices.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    489579

    Design and manufacturing of electrically conductive composites via microvascular channels

    Kompozit malzemelerde mikrovasküler kanallar yardımıyla elektrik iletkenliği oluşturulması

    HAMED TANABI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALMILA GÜVENÇ YAZICIOĞLU

  2. Tez No

    632208

    Design and fabrication of pressure sensors from thermoplastic elastomer based nanocomposites

    Termoplastik elastomer esaslı nanokompozitlerden basınç sensörlerinin tasarım ve üretimi

    AYŞE TURGUT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova Üniversitesi

    Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HATİCE AYLİN KARAHAN TOPRAKÇI

  3. Tez No

    309873

    Nanoscale wireless optical communication receivers with graphene and carbon nanotube

    Grafen ve karbon nanotüp ile nanoölçekli kablosuz optik haberleşme alıcıları

    BURHAN GÜLBAHAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN

  4. Tez No

    889619

    Synthesis of carbon-based flexible temperature-controlled semiconductive composites

    Karbon esaslı esnek sıcaklık kontrollü yarıiletken kompozitlerin sentezi

    ESRA SILA GÜNDÜZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET POLAT

    PROF. DR. HÜRRİYET POLAT

  5. Tez No

    528275

    Development of aerogel based optofluidic microreactors

    Aerojel tabanlı optofluidik mikroreaktörlerin geliştirilmesi

    YAPRAK ÖZBAKIR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Mühendislik BilimleriKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN ERKEY

Geri Dön