CN105153359A - 一种导电水凝胶和导电水凝胶卷材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医用高分子材料技术领域，尤其涉及一种导电水凝胶按重量百分比计，包括聚合物20％-60％、去离子水20％-40％、电解质2％-7％、保水剂10％-30％、增粘剂1％-5％、引发剂0.03％-0.2％和交联剂0.03％-1.5％；其中按总重量百分比计，所述聚合物包括N-乙烯吡咯烷酮2％-15％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵0-10％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐5％-25％、丙烯酸3％-15％和N,N-二甲基丙烯酰胺0％-10％，以及采用上述配方制作的导电水凝胶卷材，其在使用时具有良好的导电性能；对皮肤有很好的粘性并且剥离无痛或少痛；对皮肤有很好的生物相容性；使用时具有很好的稳定性，不容易发生黄变；在有水，潮湿或者血的环境下，也能够保持一定的粘性。此外，本发明还涉及该种导电水凝胶卷材的制作方法。

Description

一种导电水凝胶和导电水凝胶卷材及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用高分子材料技术领域，尤其涉及一种导电水凝胶和导电水凝胶卷材及其制备方法。

背景技术

水凝胶(Hydrogel)是以水为分散介质的凝胶，为具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基和亲水基，亲水基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水基遇水膨胀形成的交联聚合物；是一类具有三维网络结构的聚合物，质软、在水中能够吸收大量的水分而溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。其中导电水凝胶是水凝胶中的一种，结合了水凝胶和导电物质的双重特性，在保持尺寸稳定性的前提下，可以具有不同的电导率区间，因此可以应用于生物医药、组织工程材料和生物传感器等领域。

目前，医用导电水凝胶主要是一些以去离子水加上一些高分子共聚物和交联剂等物质组成的凝胶状材料，其种类很多，可以用于医药和外科手术等领域。如作为生物电极，其采用导电聚合物水凝胶，如聚丙烯酸等电解质聚合物与润湿剂和水交联而形成的聚合物基质，该聚合物基质是亲水的，而且具有透水性并含水、所以很容易加入电解质，而且可降低阻抗；因此，医用导电水凝胶作为高度精确测量例如心电图监控种所用的电极其性能非常出色。但是现有的聚电解质导电水凝胶的导电性、生物相容性、粘性、机械强度和稳定性，特别是有潮湿的环境下的粘性和导电性，相互之间很难统一，以达到最优的效果，在这就使导电水凝胶的使用受到一定限制。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供了一种性能优良的导电水凝胶；

本发明的目的之二在于提供一种性能优良的导电水凝胶卷材及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种导电水凝胶，按重量百分比计，包括高分子聚合物20％-60％、去离子水20％-40％、电解质2％-7％、保水剂10％-30％、增粘剂1％-5％、引发剂0.03％-0.2％和交联剂0.03％-1.5％；

其中按原料总重量百分比计，组成所述高分子聚合物的聚合单体包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)2％-15％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)0-10％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA)5％-25％、丙烯酸3％-15％和N,N-二甲基丙烯酰胺0％-10％,聚合物是组成水凝胶的基础，决定水凝胶的基本机构组成部分，其通过交联剂，形成类似交联互传网络聚合物(IPN)，同时其也决定了水凝胶的导电性、粘结性和保水性等相关性能。

具体地，所述保水剂包括山梨醇、阿拉伯胶、明胶、甘油和聚乙烯醇(400-6000)中的一种、两种或几种，用来提高水凝胶中聚合物的保水能力。

具体地，所述电解质包括氯化铵、氯化钠、氯化钾和氯化锂中的一种、两种或几种，用于提高导电水凝胶的导电性。

具体地，所述增粘剂包括聚丙烯酰胺(PMA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚醋酸乙烯酯乳液、水性聚氨酯和羟乙基纤维素中的一种、两种或几种，用以使改善所述水凝胶的皮肤粘性，使其具有最优的皮肤粘性。

具体地，所述交联剂包括聚乙烯醇二丙烯酸酯和烷氧基三丙烯酸酯中的一种或两种。

具体地，所述引发剂为光引发剂或光引发剂和热引发剂的混合物，在此光引发剂优选1-羟基环己基苯基酮(Irgacure184)和2-羟基-2-丙基苯基酮(Darocur1173)，其具有良好的耐黄变性，用于导电水凝胶具有较高的透明度。

一种导电水凝胶卷材，包括如上所述的导电水凝胶和负载层，其中，所述导电水凝胶在所述负载层一侧形成导电水凝胶层。

较佳地，还包括直接压覆于所述导电水凝胶层上的保护层和设置于所述导电水凝胶层内的增强层。保护层用于保护导电水凝胶层，方便运输、加工和使用，增强层用于增加水凝胶的机械强度，尽管水凝胶本身具有较强的内聚力，但是在后续加工和临床使用时，添加增强层，使导电水凝胶具有更好的机械强度；具体地，所述负载层为PET膜，所述保护层为HDPE膜，所述增强层为无纺布。具体地，所述PET膜为硅油处理离型耐高温聚酯薄膜(PET膜)，厚度为0.075-0.175mm，所述HDPE膜为硅油处理离型高密度聚乙烯膜(HDPE膜)，厚度为0.04-0.08mm，所述无纺布厚度为0.01mm-0.15mm，可选玻璃纤维不织布、聚酯不织布、PP无纺布或水刺无纺布中的一种；所述导电水凝胶层厚度为0.05-2.0mm。

如上所述导电水凝胶卷材的制备方法，包括以下步骤：

首先将去离子水、电解质、聚合物、保水剂、增粘剂按比例依次加入不锈钢搅拌器中，转速100-500转/分钟，搅拌0.5-1.5h使上述原料混合；

随后依次加入引发剂和交联剂，再以转速100-500转/分钟，搅拌0.5-1小时将其混合均匀后，停止搅拌，静置0.5小时；

接着开启固化系统，准备负载层，通过蠕动泵将水凝胶预聚物平铺在负载层上，均速通过固化通道，即得所述导电水凝胶卷材。

本发明制作的导电水凝胶卷材在使用时具有良好的导电性能；对皮肤有很好的粘性并且剥离无痛或少痛；对皮肤有很好的生物相容性；使用有很好的稳定性，不容易发生黄变；在有水，潮湿或者血的环境下，也能够保持一定的粘性。

附图说明

图1为本发明导电水凝胶卷材的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的发明内容作进一步的详细说明，具体情况如下所述。

实施例1

一种导电水凝胶，其原料按重量百分比计，包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)7.25％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC,Ciba)2％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA,Raschig,德国)20％、丙烯酸5％、甘油25％、聚丙烯醇6005％、聚丙烯钠(PAAS)2％、去离子水30％、氯化钾(KCl)3％、光引发剂0.25％(具体包括Irgacure1840.1％和Darocur11730.15％)和交联剂(SR-252)0.5％。

实施例2

一种导电水凝胶，其原料按重量百分比计，包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)7.25％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA,Raschig,德国)20％、丙烯酸7％、甘油28％、聚丙烯酰胺(PMA)2.2％、去离子水30％、氯化钾和氯化钠的混合物5％、光引发剂0.05％(具体包括Irgacure1840.01％和Darocur11730.04％)和交联剂(SR-252)0.5％。

实施例3

一种导电水凝胶，其原料按重量百分比计，包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)7.25％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC,Ciba))2％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA,Raschig,德国)20％、丙烯酸5％、明胶30％、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)2％、去离子水30％、氯化钾(KCl)3％、光引发剂0.25％(具体包括Irgacure1840.10％和Darocur11730.15％)和交联剂(SR-252)0.5％。

实施例4

一种导电水凝胶，其原料按重量百分比计，包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)7.25％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC,Ciba))2％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA,Raschig,德国)20％、丙烯酸5％、甘油25％、聚乙烯醇5％、聚丙烯钠(PAAS)2％、去离子水30％、氯化铵(KCl)3％、光引发剂0.10％(具体为Irgacure1840.10％)、热引发剂0.15％和交联剂(SR-252)0.5％。

实施例5

一种导电水凝胶，其原料按重量百分比计，包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)2％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC,Ciba)5％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA,Raschig,德国)14％、丙烯酸5％、N,N-二甲基丙烯酰胺7％、甘油15％、聚丙烯钠8％、去离子水40％、氯化钾(KCl)3％、光引发剂0.2％和交联剂(SR-252)0.8％。

实施例6

一种导电水凝胶，其原料按重量百分比计，包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)15％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC,Ciba))7％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA,Raschig,德国)5％、丙烯酸5％、N,N-二甲基丙烯酰胺7％、甘油10％、阿拉伯胶10％、羟乙基纤维素7％、去离子水30％、氯化钾(KCl)3％、光引发剂0.25％和交联剂(SR-252)0.75％。

实施例7

一种导电水凝胶，其原料按重量百分比计，包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)10％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC,Ciba))5.8％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA,Raschig,德国)20％、丙烯酸10％、N,N-二甲基丙烯酰胺5％、山梨醇10％、明胶10％、聚丙烯钠(PAAS)2％、聚丙烯酰胺2％、羟乙基纤维素2％、去离子水20％、氯化钠(NaCl)3％、氯化铵3％、光引发剂0.2％、热引发剂0.1％和交联剂(SR-252)0.5％。

实施例8

一种导电水凝胶，其原料按重量百分比计，包括N-乙烯吡咯烷酮(NVP)6.3％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC,Ciba))10％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐(SPA,Raschig,德国)10％、丙烯酸15％、N,N-二甲基丙烯酰胺5％、山梨醇10％、聚丙烯钠(PAAS)2％、聚丙烯酰胺5％、水性聚氨酯3％、去离子水25％、氯化钠(NaCl)3％、氯化铵4％、光引发剂0.2％4和交联剂(SR-252)1.5％。

其中实施例1-7中的配料具体重量组成如下表1所示：

表1

一种导电水凝胶卷材，采用如上所述的导电水凝胶配方制作而成，导电水凝胶形成导电水凝胶层，如图1所示，包括导电水凝胶层(11、12)、负载层2、保护层3和增强层4，其中保护层3、导电水凝胶层11、增强层4、导电水凝胶层12和负载层按从左至右的顺序依次排列。具体地，保护层3用于保护导电水凝胶层11，方便运输、加工和使用，增强层4用于增加水凝胶层(11、12)的机械强度，尽管水凝胶本身具有较强的内聚力，但是在后续加工和临床使用时，添加增强层4，使导电水凝胶层(11、12)具有更好的机械强度；另外，负载层2为PET膜，保护层3为HDPE膜，增强层4为无纺布，具体地，PET膜为硅油处理(离型)PET膜，厚度为0.075-0.175mm，HDPE膜为硅油处理(离型)HDPE膜，厚度为0.04-0.08mm，无纺布厚度为0.01mm-0.15mm，可选玻璃纤维不织布、聚酯不织布、PP无纺布或水刺无纺布中的一种；此外导电水凝胶层(11、12)厚度为0.05-2.0mm。

上述导电水凝胶卷材的制备方法，包括以下步骤：

首先将去离子水、电解质、聚合单体(DAC、SPA、NVP和丙烯酸等)、增粘剂和保水剂按配比依次加入不锈钢搅拌器中，设置搅拌器的转速100-500转/分钟，搅拌0.5-1.5h使上述原料混合均匀，得到水凝胶预聚物；

随后依次加入引发剂和交联剂(加料时停止搅拌)，再以转速100-500转/分钟，搅拌0.5-1小时将其混合均匀后，停止搅拌，静置0.5小时，除去泡沫；

接着开启固化系统，准备PET膜、HDPE膜、无纺布，并将其装入设备中，通过蠕动泵将水凝胶预聚物平铺在PET膜上，控制水凝胶的厚度，导入增强无纺布，控制无纺布在水凝胶位置，使其一定速度均速通过固化通道，随后覆盖HDPE膜，收卷即得所述导电水凝胶卷材。

将上述按实施例1-8的原料配比制得的导电水凝胶卷材进行检测，具体参数如下：

不锈钢板180度剥离实验：80-200g/2.54cm(inch)；

1000Hz体积电阻率：300-1000ohm-cm；

吸水量：10-50g水/g凝胶；

吸盐水量(0.9％生理盐水)：4-15g盐水/g凝胶；

上述配方产品经过ISO10993生物相容性测试，对皮肤友好；

以上检测数据均在标准导电水凝胶的参数范围内，符合导电水凝胶的基本要求。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种导电水凝胶，其特征在于：按重量百分比计，包括聚合物20％-60％、去离子水20％-40％、电解质2％-7％、保水剂10％-30％、增粘剂1％-5％、引发剂0.03％-0.2％和交联剂0.03％-1.5％；

其中按总重量百分比计，组成所述聚合物的聚合单体包括N-乙烯吡咯烷酮2％-15％、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵0-10％、3-磺丙基丙基丙烯酸钾盐5％-25％、丙烯酸3％-15％和N,N-二甲基丙烯酰胺0％-10％。

2.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：所述保水剂包括山梨醇、阿拉伯胶、明胶、甘油和聚乙烯醇中的一种、两种或几种。

3.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：所述电解质包括氯化铵、氯化钠、氯化钾和氯化锂中的一种、两种或几种。

4.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：所述增粘剂包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚醋酸乙烯酯乳液、水性聚氨酯和羟乙基纤维素中的一种、两种或几种。

5.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：所述交联剂包括聚乙烯醇二丙烯酸酯和烷氧基三丙烯酸酯中的一种或两种。

6.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：所述引发剂为光引发剂或光引发剂和热引发剂的混合物。

7.一种导电水凝胶卷材，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的导电水凝胶和负载层，其中，所述导电水凝胶在所述负载层一侧形成导电水凝胶层。

8.根据权利要求7所述的导电水凝胶卷材，其特征在于：还包括直接压覆于所述导电水凝胶层上的保护层和设置于所述导电水凝胶层内的增强层。

9.根据权利要求8所述的导电水凝胶卷材，其特征在于：所述负载层为PET膜，所述保护层为HDPE膜，所述增强层为无纺布。

10.根据权利要求7所述导电水凝胶卷材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先将去离子水、电解质、聚合物、保水剂、增粘剂按比例依次加入不锈钢搅拌器中，转速100-500转/分钟，搅拌0.5-1.5h使上述原料混合；

随后依次加入引发剂和交联剂，再以转速100-500转/分钟，搅拌0.5-1小时将其混合均匀后，停止搅拌，静置0.5小时；

接着开启固化系统，准备负载层，通过蠕动泵将水凝胶预聚物平铺在负载层上，均速通过固化通道，即得所述导电水凝胶卷材。