CN110604561B - 一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用 - Google Patents

一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110604561B
CN110604561B CN201910531179.6A CN201910531179A CN110604561B CN 110604561 B CN110604561 B CN 110604561B CN 201910531179 A CN201910531179 A CN 201910531179A CN 110604561 B CN110604561 B CN 110604561B
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogel
conductive
electronic device
grid structure
pss
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910531179.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110604561A (zh
Inventor
段小洁
魏诗媛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN201910531179.6A priority Critical patent/CN110604561B/zh
Publication of CN110604561A publication Critical patent/CN110604561A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110604561B publication Critical patent/CN110604561B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/54—Electroplating of non-metallic surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D9/00—Electrolytic coating other than with metals
    • C25D9/02—Electrolytic coating other than with metals with organic materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/02—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/18—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polymers of unsaturated nitriles, e.g. polyacrylonitrile, polyvinylidene cyanide
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/28—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from copolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/38—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from copolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds comprising unsaturated nitriles as the major constituent

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
  • Electrotherapy Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用。本发明提供了一种新颖的水凝胶基电子学器件的设计和制作方法，将导电和半导体材料网格结构功能层转移到水凝胶基底表面或内部，原位聚合导电聚合物PEDOT/PSS提高上述网格结构和水凝胶之间的粘附能力，制备出含水量高、水氧通透、柔软透明、生物相容性优异的水凝胶基电子学器件。

Description

一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于材料领域，涉及一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用。
背景技术
神经科学的大多数突破性发现与电生理技术的产生和发展息息相关。通过记录神经电信号，一系列神经细胞如位置细胞、网格细胞和镜像神经元等被发现，同时人们 对大脑的组织结构和功能连接的理解也不断加深。除了基础的神经科学研究，电生理 技术也可用于非药物治疗，在临床上有重要意义。记录神经信号，进行疾病诊断，调 节细胞电位，修复受损组织，恢复受损的视觉、听觉、运动等生理功能，已被批准用 于帕金森症、特发性震颤、失明和抑郁等疾病。电生理技术是通过将神经电极放置在 生物组织表面或植入组织内部实现的。因此，电极与生物组织之间的界面问题是当前 研究的热点。
但是生物组织含水量高、柔软、处于不断变化中，与传统的坚硬干燥的电子器件之间存在根本差异。神经界面技术的发展面临着巨大的挑战。水凝胶的组分和机械性 能与生物组织最为相近，是神经界面的理想材料。水凝胶柔软可拉伸，减小了电子 器件和生物组织之间弯曲强度的差异，提高了舒适性和记录的稳定性。水凝胶多孔、 含水量高，为神经细胞提供了湿润和水氧通透的生理环境。同时，水凝胶具备加载生 物活性分子的能力，可以进一步诱导神经细胞的分化和再生等。水凝胶是生物组织和 电子器件之间的联系桥梁，发展水凝胶基电子学器件刻不容缓。
发明内容
本发明的目的是提供一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用。
本发明提供的水凝胶基电子学器件，包括水凝胶基底、导电或半导体材料网格结构功能层、粘附层；
所述导电或半导体材料网格结构功能层位于所述水凝胶基底表面或内部；
构成所述粘附层的材料为导电聚合物；
所述粘附层粘附所述水凝胶基底和所述导电或半导体材料网格结构功能层。
上述器件中，所述导电聚合物为聚3，4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)；具体为聚3，4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠；
所述粘附层能提高上述网格结构和水凝胶之间的粘附力；
所述水凝胶基底的形状为任意形状；具体为曲面或平面；所述水凝胶基底的形状和大小可任意定制，原则上可以根据不同的使用用途，由任意材料性质的水凝胶制成。 具体的，所述水凝胶基底可为隐形眼镜。
所述器件还包括导线；所述导线连接所述导电或半导体材料网格结构功能层和外部设备；
所述外部设备具体为电源、信号放大器或电脑。
所述导电或半导体材料网格具体可为金网格，其可按照各种常规方法制得，如可按照如下步骤制得：
1)静电纺丝法制备聚合物自支撑网格结构；
2)以上述聚合物自支撑网格结构为基底进行磁控溅射或气相沉积，得到导电或半导体材料网格。
具体的，可按照如下方法制得：
a、将聚丙烯腈(PAN)粉末以10％的质量分数溶解在N，N-二甲基甲酰胺(DMF) 中制备得到纺丝前驱体溶液。
b、对PAN/DMF溶液进行静电纺丝。纺丝时以金属圆环或方环为接收器，所用的 具体参数：电压15kV，液体流速0.15mm/min(5ml针管)，针头与接收器之间的距离 为15cm，得到聚合物自支撑网格。
本发明提供的制备所述水凝胶基电子学器件的方法，包括：
将导电或半导体材料网格和水凝胶基底置于EDOT：PSS前驱体溶液中进行电化 学原位聚合，聚合完毕而得。
上述方法中，所述导电或半导体材料网格具体可为金网格；该导电或半导体材料网格可按照各种常规方法制得，如可按照如下步骤制得：
1)静电纺丝法制备聚合物自支撑网格结构；
2)以上述聚合物自支撑网格结构为基底进行磁控溅射或气相沉积，得到导电或半导体材料网格。
具体的，可按照如下方法制得：
a、将聚丙烯腈(PAN)粉末以10％的质量分数溶解在N，N-二甲基甲酰胺(DMF) 中制备得到纺丝前驱体溶液。
b、对PAN/DMF溶液进行静电纺丝。纺丝时以金属圆环或方环为接收器，所用的 具体参数：电压15kV，液体流速0.15mm/min(5ml针管)，针头与接收器之间的距离 为15cm，得到聚合物自支撑的金属网格。
所述电化学原位聚合步骤中，所述EDOT：PSS前驱体溶液由EDOT和0.025M PSS盐及水组成；所述EDOT的浓度为0.012-0.015M；具体为0.014M；所述PSS盐 具体为PSSNa；所述PSS盐的浓度具体为0.020-0.030M；具体为0.025M；
所用电化学工作站为CHI600e电化学工作站；
所用电极中，对电极为铂片；参考电极为Ag/AgCl；
工作模式为恒电流；
电流密度为0.25-0.75mA/cm2；具体为0.5mA/cm2；
聚合时间为为100-1000s。
所述方法还包括：在所述电化学原位聚合之前，将所述导电或半导体材料网格和水凝胶基底置于EDOT：PSS前驱体溶液中浸泡至充分水合；
在所述电化学原位聚合之后，将所得产物浸泡于缓冲溶液中。
所述浸泡步骤中，浸泡时间为1.5-2.5h；具体为2h；
所述缓冲溶液为磷酸缓冲液PBS。
上述方法还可包括：使用导电银胶将上述导电或半导体材料网格结构与金属导线连接到外部设备，使用环氧树脂胶涂覆银胶位置以绝缘。
另外，上述本发明提供的水凝胶基电子学器件在制备可穿戴器件、植入式或非植入式器件或生物相容性材料中的应用及所述水凝胶基电子学器件在生物电信号监测中 的应用，以及含有所述水凝胶基电子学器件的生物材料或器件，也属于本发明的保护 范围。
具体的，所述器件为生物相容性器件、信号记录器件或电信号记录器件、刺激器件或生物传感器；具体为记录神经元放电或场电势变化的器件，或给予电刺激的器件， 或基于生物分子和化学分子的传感器件；所述器件的植入方式为植入式或非植入式。
本发明提供的水凝胶基电子学器件中，导电和半导体材料网格结构种类繁多，多孔互连结构在保证材料透光率和透水氧能力的同时，最大程度地减小了对材料导电能 力的损害；柔性透明多孔的水凝胶基底，结构与细胞外基质类似；上述所述导电和半 导体网格材料粘附到水凝胶基底材料的表面或内部，用于采集电生理信号；导电聚合 物PEDOT：PSS粘附层，通过电化学三电极法原位聚合生成，将上述网格结构和水凝 胶基底二者紧密连接，提高两者之间粘附力的同时，显著降低了复合结构的界面阻抗， 提高了原有复合材料的拉伸性能和稳定性；以及连接水凝胶基电子学器件的金属导线， 用于连接电生理记录仪器，对采集到的信号进行实时记录。
本发明的水凝胶基电子学器件具有如下优点：
1)该电子学器件兼容现有的测量系统；
2)柔软，与现有的用于电信号测量的电子学器件相比，杨氏模量与生物组织最为接近，可以与生物组织形成更好的贴合，减小因为机械性质不匹配造成的免疫反应；
3)水氧通透，可以有效地避免组织缺氧，刺激小，适用于电生理信号的长期记录测量；
4)电极整体具有比较高的透光率，与光学记录或刺激方法相容。
本发明提供了一种新颖的水凝胶基电子学器件的设计和制作方法，将导电和半导体材料网格结构功能层转移到水凝胶基底表面或内部，原位聚合导电聚合物 PEDOT/PSS提高上述网格结构和水凝胶之间的粘附能力，制备出含水量高、水氧通透、 柔软透明、生物相容性优异的水凝胶基电子学器件。
附图说明
图1为水凝胶基电子学器件结构示意图(主要由水凝胶基底，导电或半导体材料网格结构和导电聚合物粘附层构成)
图2为电子学器件制备流程图。(1)静电纺丝法得到聚合物自支撑网格结构(图 中示例：聚丙烯腈)；(2)以上述聚合物自支撑网格结构为基底进行磁控溅射或气相沉 积(3)将上述导电或半导体材料网格结构转移到水凝胶基底材料的表面或内部；(4) 原位电化学聚合导电聚合物PEDOT：PSS粘附层得到水凝胶基电子学器件。
图3为水凝胶基角膜接触镜式电子学器件性能表征图。其中，a器件透光率测试； b阻抗和相角测试结果；c循环伏安测试结果。
图4为水凝胶基角膜接触镜式电子学器件生物相容性表征图。图中分别表示的是对裸眼进行荧光染色，佩戴隐形眼镜、本发明的电子学器件和塑料基底隐形眼镜9小 时后的荧光染色结果。
图5为水凝胶基电子学器件-角膜界面表征。其中，a，b，c三维眼部前节光学断 层扫描测试结果；d，e，f二维眼部前节光学断层扫描测试结果；g，h，i荧光素钠染 色实验结果。其中a，d，g为裸眼；b，e，h为商用JET电极；c，f，i为水凝胶基接 触镜式电子学器件。
图6为水凝胶基电子学器件用于视网膜电图信号测量。本发明的水凝胶基电子学器件和商用ERG测量电极-JET电极在新西兰白兔角膜上，按照International Society forClinical Electrophysiology of Vision(ISCEV)的标准，测量全视野视网膜电图的结果。JET电极的测量结果用标记为1的线表示，本发明的水凝胶电子学器件的测量结果用 标记为2的线表示。按照从左到右从上到下的顺序，六个子图分别对应ISCEV中的六 个检测项目：暗适应0.01ERG,暗适应3.0ERG,暗适应OPs,暗适应10.0ERG,明 适应3.0ERG,明适应30Hz flicker。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获 得。
实施例1、水凝胶电子学器件的制备方法：
1)静电纺丝法制备聚合物自支撑网格结构：
a、将聚丙烯腈(PAN)粉末以10％的质量分数溶解在N，N-二甲基甲酰胺(DMF) 中制备得到纺丝前驱体溶液。
b、对PAN/DMF溶液进行静电纺丝。纺丝时以金属圆环或方环为接收器，所用的 具体参数：电压15kV，液体流速0.15mm/min(5ml针管)，针头与接收器之间的距离 为15cm，得到聚合物聚丙烯腈的自支撑金网格结构。
2)以上述聚合物自支撑网格结构为基底进行磁控溅射或气相沉积，得到导电或半导体材料网格结构；
3)将上述导电或半导体材料网格结构转移到水凝胶基底材料的表面或内部；
4)使用导电银胶将上述导电或半导体材料网格结构与金属导线相连，进而连接到外部设备，使用环氧树脂胶涂覆导电银胶位置处以绝缘；
5)以上述导电或半导体材料网格结构为电极，利用电化学聚合导电聚合物PEDOT：PSS作为粘附层，提高上述网格结构和水凝胶之间的粘合力，得到水凝胶基电子学器 件。
实施例2、电子学器件性能检测
隐形眼镜是最易得到、最安全的眼部界面平台，其透光率达约95％，兼具高柔性和生物相容性。许多眼部测试要求在视网膜上清晰成像，如多焦视网膜电图等。隐形 眼镜的度数变化范围广，在眼部检查中无需与额外的矫正透光镜配合使用，为近视的 眼科患者提供了方便。在本实施例中，选用最易得到的水凝胶隐形眼镜为基底，选用 导电或半导体材料的一种：金网格结构为导电层，在粘附层PEDOT的帮助下转移到 隐形眼镜上，通过银胶和铜线与外部设备相连，完成水凝胶基角膜接触镜式电子学器 件的制备。图3c结果显示，采用紫外可见分光光度计进行测试，水凝胶基角膜接触镜 式电子学器件在可见光范围内的透光率为85％，满足眼部电生理监测的要求(>70％)。 商用的JET电极以透明的塑料半球壳为主体(透光率约为70％)，球壳内部边缘处由 一层金环导电。
采用恒电流法在导电网格结构表面电化学聚合PEDOT。如图3中b所示，对商 用ERG-JET电极和本发明的电子学器件进行电化学阻抗谱(EIS)测试，表征电极的 电化学性能。从图中可以看出，上述两种器件的阻抗值均随着频率的降低而增大。但 是导电聚合物PEDOT的存在可以降低阻抗，这种降低作用在视网膜电图集中存在的 低频波段(<300Hz)尤为显著。图3中c循环伏安测试结果显示，PEDOT可以增加 电子学器件的电容。循环伏安法展示出材料的氧化还原过程。从图中曲线围成的面积 可知，PEDOT可以显著增大金纳米网格材料的电容。金电极是惰性的，没有氧化还原 反应发生。但是，PEDOT在整个过程中经历氧化还原，随着平衡离子的进出，循环伏 安图上出现氧化还原峰。
实施例3、生物相容性表征
以水凝胶基角膜接触镜式电子学器件在眼部界面的应用为例，探究本发明的水凝胶基电子学器件与生物组织的相容性。荧光素钠可以对角膜上皮细胞进行染色，来表 征角膜上皮的损伤情况。如果角膜上皮细胞受损，荧光素钠分子就会滞留在细胞间隙， 在钴蓝色光激发下，出现星星点点的荧光增强部分。荧光素钠染料的荧光强度越高， 说明角膜受损程度更严重。在本实验中，首先对未佩戴任何电子学器件的兔子眼睛进 行了荧光素钠染色实验，角膜上几乎看不到荧光，说明角膜上皮未受损，健康完整。 随后，对不同的兔子分别佩戴隐形眼镜、本发明的水凝胶基电子学器件(角膜接触镜 式)、派瑞林塑料电极9小时后，取下各个器件，立即进行荧光素钠染色表征。结果 显示，佩戴隐形眼镜和本发明的水凝胶基电子学器件的兔子眼睛没有表现出明显的损 伤。佩戴派瑞林塑料电极的兔子角膜上皮大面积损伤，程度深。该实验表明本发明的 水凝胶基电子学器件具有良好的生物相容性，适用于长期记录。
实施例4、生物组织界面表征
眼部界面的形态通过前节光学相干断层扫描(Anterior Segment OpticalCoherence Test,OCT)技术来表征。根据眼部各组织光学散射性质不同，通过光学相干的方法可 以进行成像和定量分析。我们在兔子上分别进行了三维和二维OCT实验。实验结果表明，商用的JET电极与眼睛之间形成了厚且不均匀的泪液层(如图5b，e)，与之相比， 水凝胶基电子学器件与角膜表面贴合的更加紧密，泪液层薄且均匀(如图5c，f)。图 5g-i荧光素钠染色结果更加直观的展示出两种器件之间的泪液层厚度差别。在佩戴角 膜接触镜式电子学器件的情况下，荧光素钠与泪液混合，在钴蓝色光下被激发，荧光 强弱与泪液膜的厚度成正比。泪液膜荧光素染色实验可以表征整个电极覆盖范围内泪 液的整体分布状况。泪液层越厚，荧光强度越大，如图5h所示。同时观察兔子佩戴过 程中无异常行为，眨眼和眼球运动没有影响电极与角膜之间的粘附。以上实验结果证 明了两者之间形成了紧密稳定的界面。
实施例5、制备的水凝胶基电极在全视野视网膜电测量上的应用
为了表征水凝胶基电子学器件记录电生理信号的能力，我们用水凝胶基角膜接触镜式电子学器件记录了全视野视网膜电图信号。我们以新西兰白兔为动物模型，记录 了多种刺激模式下的全视野视网膜电图信号。全视野视网膜电图测量的是在Ganzfeld 闪光球的刺激下，整个视网膜产生的电位变化总和。国际临床视觉电生理学会(ISCEV) 规定了全视野视网膜的六项标准检查项目，分别为：
暗适应0.01反应(Scotopic 0.01ERG)；
暗适应3.0反应(Scotopic 3.0ERG)；
暗适应10.0反应(Scotopic 10.0ERG)；
暗适应3.0振荡电位(Scotopic 3.0OPs)；
明适应3.0反应(Photopic 3.0ERG)；
明适应30Hz闪光ERGs(Photopic 3.0flicker)
同时以临床上广泛使用的ERG-JET电极记录的信号为对照组。
JET电极由具有开睑结构的硬质塑料角膜透镜和边缘的金属镀层构成，以保证电极同时兼具透光能力和导电能力。与水凝胶基角膜接触镜式电子学器件的区别在于， JET电极的记录位点没有遍布整个角膜，而只是集中在角膜外周。记录仪器为罗兰公 司电生理记录系统(RETImap system)。
首先将实验动物散瞳并麻醉，同时进行20min的暗适应。将电极放置于实验动物的角膜上，在电极和角膜间填充少量人工泪液防止测量过程中眼睛干涩。在放置电极 眼睛的外眦侧将铂制针状电极刺入皮肤下，作为参比电极。将另一个铂制针状电极刺 入实验动物后背皮肤下，作为上面两个角膜电极公用的地电极。两种不同的器件在同 一只兔子的同一只眼睛的每一项全视野视网膜电图测试项目中被轮流使用，并且在完 成对每只兔子眼睛的视网膜测量之后，交换两种器件使用的前后顺序。
图6(c-h)展示了在同一只新西兰白兔眼睛上用两种不同电极记录到的全视野视网膜电图信号的典型代表。测试开始前，兔子需要在黑暗的环境中进行30分钟的暗适 应，随后，依次施加不同刺激强度的光信号。
图6(c，d，e)分别展示的是刺激强度0.01，3.0，10.0cd*s/m2下的视网膜细胞的 光响应。ERG信号主要由负相的a波和正相的b波组成。a波的主要来源是视网膜外 层的视锥细胞和视杆细胞，b波则是来源于双极细胞和穆勒细胞。弱光条件下，响应 刺激的光感受器细胞主要是视杆细胞，如0.01cd*s/m2的刺激强度下的响应。随着光刺 激强度的提高，a波和b波的幅值也随之增高，视杆细胞和视锥细胞共同决定最终的 信号波形。水凝胶基接触镜电极和ERG-JET电极均记录到了高信噪比，与标准ERG 信号波形一致的电信号。振荡电位(OPs)是通过对暗适应3.0的信号进行高通滤波得 到的。通过提高滤波器的截止频率至75Hz，去掉信号中低频的a、b波组分。来源于 无长突细胞的震荡电位是疾病诊断的重要指标之一，多种视网膜病变都将降低震荡电 位幅值。如图6e所示，一簇高频连续小幅值的小波构成了振荡电位，分别按照负相正 相依次命名为N1、P1、N1、P2、N3、P3……。两种类型的器件都具有记录到稳定、 高信噪比的振荡电位信号的能力。随后，动物经历10分钟的明适应后，视杆细胞被饱 和。随后进行明适应视网膜电图测试项目：明适应3.0cd*s/m2和明适应30Hz闪光视 网膜电图。又因为视杆细胞对于快速刺激，如大于20Hz的刺激没有响应。因此，明适 应测试项目展示的是视锥细胞的光响应电活动。两种不同的器件均可以记录到稳定的 明适应电信号。
最后，对于在四只眼睛上的记录到的各种信号的潜伏时间和幅值进行统计分析，两种材料之间没有明显的差别。结果显示，水凝胶基角膜接触镜式电子学器件可以记 录到与ERG-JET相比拟的高质量视网膜电图信号。

Claims (15)

1.一种水凝胶基电子学器件，包括水凝胶基底、导电或半导体材料网格结构功能层和粘附层；
所述导电或半导体材料网格结构功能层位于所述水凝胶基底表面或内部；
构成所述粘附层的材料为导电聚合物；
所述粘附层粘附所述水凝胶基底和所述导电或半导体材料网格结构功能层；
所述导电聚合物为聚3，4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐；
所述导电或半导体材料网格结构功能层由下述方法制得：
1）静电纺丝法制备聚合物自支撑网格结构；
2）以上述聚合物自支撑网格结构为基底进行磁控溅射或气相沉积，得到聚合物自支撑的导电或半导体材料网格；
所述粘附层由下述方法制得：将所述导电或半导体材料网格和水凝胶基底置于EDOT：PSS前驱体溶液中浸泡至充分水合，通过电化学原位聚合生成导电聚合物粘附层。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述聚3，4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐为聚3，4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述水凝胶基底的形状为任意形状；
所述水凝胶基底为隐形眼镜。
4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于：所述水凝胶基底的形状为曲面或平面；
5.根据权利要求1-4任一所述的器件，其特征在于：所述器件还包括导线；所述导线连接所述导电或半导体材料网格结构功能层和外部设备。
6.根据权利要求5所述的器件，其特征在于：所述外部设备为电源、信号放大器或电脑。
7.一种制备权利要求1-6中任一所述水凝胶基电子学器件的方法，包括：
将导电或半导体材料网格和水凝胶基底置于EDOT：PSS前驱体溶液中进行电化学原位聚合，聚合完毕而得。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述电化学原位聚合步骤中，所述EDOT：PSS前驱体溶液由EDOT 和PSS盐及水组成；所述EDOT的浓度为0.012-0.015M；所述PSS盐的浓度为0.020-0.030 M；
所用电化学工作站为 CHI600e电化学工作站；
所用电极中，对电极为铂丝；参考电极为Ag/AgCl；
工作模式为恒电流；
电流密度为0.25-0.75 mA/cm2；
聚合时间为100-1000s。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述PSS盐为PSSNa；
所述电流密度为0.5mA/cm2。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述EDOT的浓度为0.014M；所述PSS盐的浓度0.025M。
11.根据权利要求7-10中任一所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在所述电化学原位聚合之前，将所述导电或半导体材料网格和水凝胶基底置于EDOT：PSS前驱体溶液中浸泡至充分水合；
在所述电化学原位聚合之后，将所得产物浸泡于缓冲溶液中。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述浸泡步骤中，浸泡时间为1.5-2.5h；
所述缓冲溶液为磷酸缓冲液PBS。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述浸泡步骤中，浸泡时间为2h。
14.权利要求1-6任一所述水凝胶基电子学器件在制备可穿戴器件、植入式或非植入式器件或生物相容性材料中的应用。
15.根据权利要求14所述的应用，其特征在于：所述器件为生物相容性器件、信号记录器件或刺激器件。
CN201910531179.6A 2019-06-19 2019-06-19 一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用 Active CN110604561B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910531179.6A CN110604561B (zh) 2019-06-19 2019-06-19 一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910531179.6A CN110604561B (zh) 2019-06-19 2019-06-19 一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110604561A CN110604561A (zh) 2019-12-24
CN110604561B true CN110604561B (zh) 2021-05-18

Family

ID=68890977

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910531179.6A Active CN110604561B (zh) 2019-06-19 2019-06-19 一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110604561B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111543961B (zh) * 2020-05-11 2021-03-09 清华大学 无线柔性贴片式温度传感器及其制备方法
CN115868991A (zh) * 2022-12-26 2023-03-31 中国科学院深圳先进技术研究院 一种全柔性电极及其制备方法和应用

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2012358278B2 (en) * 2011-12-23 2016-04-14 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. Variable Optic Ophthalmic device including liquid crystal elements
CN103545050B (zh) * 2013-10-14 2016-03-09 浙江大学 一种利用层状组装和电化学技术构建导电水凝胶超薄膜的方法及产品
CN103762014A (zh) * 2013-12-24 2014-04-30 苏州大学 一种基于丝素蛋白的柔性透明电极薄膜及其制备方法和应用
CN103750816B (zh) * 2014-01-13 2016-02-17 北京大学 以石墨烯网为敏感元件对眼压进行高灵敏度实时测量的方法
US20170042480A1 (en) * 2014-04-15 2017-02-16 Medella Health Inc. Functional contact lens and related systems and methods
CN106025394B (zh) * 2016-05-20 2018-11-06 浙江工业大学 一种变色电源的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110604561A (zh) 2019-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8118752B2 (en) Apparatus and methods for mapping retinal function
US20070188710A1 (en) Mapping retinal function using corneal electrode array
US20240090814A1 (en) Rapid manufacturing of absorbent substrates for soft, conformable sensors and conductors
Stingl et al. Artificial vision with wirelessly powered subretinal electronic implant alpha-IMS
Hadjinicolaou et al. Electrical stimulation of retinal ganglion cells with diamond and the development of an all diamond retinal prosthesis
Cui et al. Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) for chronic neural stimulation
CN108290042A (zh) 用于治疗眼部疾病，特别是干眼症的电极系统，装置和方法
CN110604561B (zh) 一种水凝胶基电子学器件及其制备方法与应用
CN103576336A (zh) 用于可变光学电子眼科镜片的神经肌肉感测
CN109715058A (zh) 用于可靠的eeg监测和易于头皮清洁的形成可注射水凝胶的聚合物溶液
Jakab et al. EEG sensor system development consisting of solid polyvinyl alcohol–glycerol–NaCl contact gel and 3D-printed, silver-coated polylactic acid electrode for potential brain–computer interface use
Sui et al. Evaluation of a MEMS-based dual metal-layer thin-film microelectrode array for suprachoroidal electrical stimulation
Terasawa et al. Safety assessment of semichronic suprachoroidal electrical stimulation to rabbit retina
Niina et al. Comparison of electrode materials for the use of retinal prosthesis
Kim et al. Emerging Bio‐Interfacing Wearable Devices for Signal Monitoring: Overview of the Mechanisms and Diverse Sensor Designs to Target Distinct Physiological Bio‐Parameters
CN107510455B (zh) 一种角膜电极及其制备方法与应用
Tsunoda et al. Origins of retinal intrinsic signals: a series of experiments on retinas of macaque monkeys
CN2626430Y (zh) 视觉电生理角膜接触镜电极
Liang et al. Threshold suprachoroidal-transretinal stimulation current required by different-size electrodes in rabbit eyes
CN220876746U (zh) 一种眼内压测量装置
CN210144648U (zh) 一种经表皮刺入式eep眼电生理系统
Caperna Development of a new prototype of a multi-electrode Electroretinogram system for the mouse eye
Wang Soft Electronics for Medical Treatment
Onnela Towards Retinal Repair: Bioelectric Assessment of Retinal Pigment Epithelium in vitro and Electrode Materials for Retinal Implants
Galliani Development and characterization of the coating for stimulating penetrating microelectrodes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant