Коваль, Вікторія МихайлівнаНайдьонов, Арсеній Олександрович2025-06-132025-06-132025Найдьонов, А. О. Гнучкі сенсори на основі наноцелюлози та її композитів для біомедичних застосувань : дис. … д-ра філософії : 153 Мікро- та наносистемна техніка / Найдьонов, Арсеній Олександрович. – Київ, 2025. – 193 с.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74247Найдьонов А. О. Гнучкі сенсори на основі наноцелюлози та її композитів для біомедичних застосувань. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 – Мікро- та наносистемна техніка (галузь знань 15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2025. Робота присвячена дослідженню сенсорів вигину на основі наноцелюлози та її композитів для біомедичних застосувань. Науково-прикладні дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, зосереджені на практичному дослідженні гнучких сенсорів на основі наноцелюлози та її композитів для біомедичних застосувань. У дисертації досліджено сучасні підходи до створення сенсорних пристроїв на базі наноцелюлози та розроблено нові композити для підвищення ефективності таких сенсорів. У сучасних дослідженнях зростає інтерес до гнучких сенсорів вигину, які демонструють унікальні механічні властивості, такі як здатність точно вимірювати деформацію та кут вигину різних поверхонь. Ці сенсори знаходять широке застосування в таких сферах, як робототехніка, медицина, спортивні тренажери та носима електроніка. Вони можуть повторювати форму поверхні, до якої прикріплені, і забезпечувати точні дані у режимі реального часу. Особливу увагу сенсори вигину привертають у розробках систем моніторингу рухів людини, пристроях для реабілітації та спортивних тренажерах, де потрібно контролювати рухи та положення тіла. Більшість сучасних сенсорів виготовляється із синтетичних полімерів, які забруднюють довкілля та потребують утилізації після завершення терміну експлуатації. Це актуалізує пошук екологічно безпечних матеріалів як альтернативи. Одним із перспективних рішень є наноцелюлоза, що характеризується високою міцністю, гнучкістю та екологічною безпечністю. Завдяки своїм властивостям, наноцелюлоза дозволяє створювати сенсори, що поєднують високу точність вимірювань із біорозкладністю, мінімізуючи негативний вплив на довкілля. Такі сенсори можуть використовуватись у медичних приладах, спортивних моніторах і навіть інтерактивних текстильних виробах. Застосування наноцелюлозних сенсорів особливо важливе для носимої електроніки, яка повинна бути комфортною та екологічною. У наукових дослідженнях наноцелюлоза вже використовується як підкладка або тензочутливий шар. Також створюються гідрогелі та аерогелі на основі наноцелюлози, які виконують обидві функції одночасно. Проте такі рішення часто мають недоліки — недостатню чутливість, низьку розтяжність або громіздку конструкцію, що робить їх незручними для носіння на тілі. У даній роботі пропонується створення планарних гнучких сенсорів збільшеної розтяжності на основі композитів наноцелюлози. В цьому випадку наноцелюлоза виступає не як підкладка чи чутливий елемент, а як зміцнювальна складова композиту. Такий підхід забезпечує високу гнучкість і чутливість сенсорів, зберігаючи екологічну безпечність і простоту виробництва. Це інноваційне рішення відповідає потребам сучасної носимої електроніки та біомедичних систем, де важлива поєднання точності, комфорту та екологічності. У першому розділі проведено детальний аналіз існуючих розробок сенсорів на основі наноцелюлози, що відкриває нові можливості для створення сенсорних пристроїв, здатних вимірювати різноманітні фізичні та хімічні параметри. Серед них — сенсори вигину, вологості, подиху, фізіологічних рідин, а також сенсори для виявлення важких металів та вибухових речовин. Наноцелюлоза в таких системах демонструє значні переваги завдяки своїм унікальним властивостям: великій площі поверхні, гнучкості, гідрофільності, біорозкладності та можливості хімічної модифікації, що підвищує її функціональні можливості. У другому розділі проведено моделювання для дослідження впливу різних матеріалів та конфігурацій чутливих елементів на електричний опір сенсорів. Встановлено, що опір нікелевих плівок змінюється залежно від типу підкладки (PI, PVA, NC, NC-PVA) та наявності мікротріщин на поверхні композитів на основі NC, що підвищує тензочутливість. Досліджено вплив геометричної конфігурації резисторів (U, П, 2U, 2П) на величину опору та виявлено, що збільшення довжини і складності конфігурації призводить до зростання опору. Вивчено вплив концентрації графіту в композитах NC-PVA-С та показано, що досягнення перколяційного порогу забезпечує перехід композиту з діелектричного стану в провідний. Окрім того, встановлено, що зі збільшенням концентрації заліза в композиті NC-PVA-Fe зменшується електричний опір, що підвищує ефективність сенсорів для реєстрації рухів різної амплітуди. У третьому розділі синтезовано біополімерні підкладки на основі наноцелюлози та композитів NC-PVA, досліджено їхні механічні, електричні та біорозкладні характеристики. Виготовлені сенсори вигину демонструють коефіцієнт тензочутливості вище світових аналогів, високу пластичність та біорозкладність, що перевищує світові аналоги. Додавання PVA до композитів значно покращило їхню міцність на розрив та подовження при розтягуванні. Дослідження біорозкладності показало, що дані композити розкладаються в ґрунті. Разом із тим використання нікелевих плівок обмежує біорозкладність сенсорів, а також вимагає складного вакуумного обладнання, що спонукало до пошуку нових підходів, зокрема шляхом надання провідних властивостей самим біополімерним підкладкам. У четвертому розділі розроблено новий біорозкладний композит на основі наноцелюлози з вуглецевими наповнювачами. Встановлено оптимальний вміст графіту в композиті NC-PVA-C з точки зору механічних та електричних властивостей. Сенсори з такого композиту придатні для моніторингу м'язової активності обличчя та кінцівок, а також для розпізнавання звукових сигналів та написання літер. Запропонована технологія виготовлення планарних сенсорів є простою та не потребує дорогого обладнання, а також сприяє повній біорозкладності пристроїв. У п’ятому розділі розроблено провідний композитний матеріал на основі наноцелюлози, PVA та заліза, орієнтованого магнітним полем. Визначено оптимальний вміст заліза в композиті для забезпечення високої механічної міцності та низького опору. Тестування таких сенсорів продемонструвало їхню ефективність для реєстрації рухів різної амплітуди, зокрема згинання пальців, ліктя та ходьби. Використання розроблених композитів у сенсорах забезпечує низький опір, високу чутливість та повну біорозкладність, що робить їх перспективними для застосування у носимій та одноразовій електроніці для медичних та спортивних потреб. Робота демонструє перспективність використання наноцелюлози та її композитів для створення екологічно безпечних, біорозкладних і ефективних сенсорів, що відповідають вимогам сучасної носимої електроніки та біомедичних застосувань.193 с.ukнаноцелюлозагнучкий сенсор вигинутензорезистивний ефекттонка пластинкаіонна імплантаціяпозиційно-чутлива матрицясенсорцифрова обробка сигналівмагнетронне рoзпиленнянанокомпозитмагнітне полезалізографіттонкі плівкинікельnanocelluloseflexible bend sensorpiezoresistive effectthin plateion implantationposition sensitive matrixsensordigital signal processingmagnetron sputteringnanocompositemagnetic fieldirongraphitethin filmsnickelThesis Doctoral538.9, 539.2, 539.3, 620.3