CN110776652A - 石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用 - Google Patents

石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110776652A
CN110776652A CN201911010583.5A CN201911010583A CN110776652A CN 110776652 A CN110776652 A CN 110776652A CN 201911010583 A CN201911010583 A CN 201911010583A CN 110776652 A CN110776652 A CN 110776652A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
solution
graphene oxide
based conductive
hydrogel
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.)
Granted
Application number
CN201911010583.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110776652B (zh
Inventor
熊兴良
章艳
江奇锋
李扬
张铃钦
查小英
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.)
Chongqing Medical University
Original Assignee
Chongqing Medical 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 Chongqing Medical University filed Critical Chongqing Medical University
Priority to CN201911010583.5A priority Critical patent/CN110776652B/zh
Publication of CN110776652A publication Critical patent/CN110776652A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110776652B publication Critical patent/CN110776652B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/113—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb occurring during breathing
    • A61B5/1135—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb occurring during breathing by monitoring thoracic expansion
    • 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
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F251/00—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polysaccharides or derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/042—Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/04—Ingredients treated with organic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/08—Ingredients agglomerated by treatment with a binding agent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种石墨烯基导电水凝胶，是采用聚多巴胺部分还原氧化石墨烯得到导电纳米填料，用丙烯酰胺和海藻酸钠混合制备得到柔性基底液，将导电纳米填料和柔性基底液混合，通过自由基聚合法制备。还公开了其制备方法：1、将氧化石墨烯粉末在水溶液中分散均匀，加入多巴胺单体，调节PH，搅拌，得到导电纳米填料混合液；2、在海藻酸钠溶液中加入丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，加入导电纳米填料混合液，搅拌，真空干燥箱静置，取出，冰浴下，加入引发剂、交联剂、助剂，搅拌得到石墨烯基导电水凝胶。还公开了该石墨烯基导电水凝胶在制备柔性可穿戴式传感器中的应用。本发明水凝胶有优异的电学和力学性能、自愈合性、自黏附性和生物相容性。

Description

石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器 上的应用
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用。
背景技术
随着新型传感技术、移动互联网技术、大数据分析技术以及低功耗芯片技术等创新技术的驱动，可穿戴式设备受到越来越多的关注和青睐。据麦姆斯咨询报道，2016年全球可穿戴医疗设备市场规模为53.1亿美元，预计2021年将达到121.4亿美元，2016～2021年期间的复合年增长率为18.0％。穿戴设备在运动健身、健康管理、社交娱乐以及军事领域中发挥着越来越重要的作用。柔性传感器因其在可穿戴电子设备，软机器人和人工智能等领域的独特应用而备受瞩目。
目前，水凝胶已经成为下一代可穿戴式柔性传感器的前景材料，因为它们与人体组织相似，并且在机械、电气和独特的自我修复特性方面具有多样性，并且可能模糊机器和人体之间的边界。为了模仿人体组织的柔软和弹性，制备的水凝胶需要具有弹性和柔韧性。人体皮肤的另一个重要特征是一旦发生物理损伤，它就能以自主的方式反复进行自我修复。自愈性可以显著提高电子设备的耐用性并延长其使用寿命。因此，对于柔性可穿戴式设备来说，将自愈能力集成到可穿戴的柔性电子材料中是非常需要的。现有的人工合成的导电水凝胶通常存在凝胶强度低、韧性差和灵敏度低等缺点，无法满足使用的要求。
碳纳米材料(包括碳纳米管和石墨烯等)在柔性可穿戴式传感器的研究中受到了越来越重视。碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100％的特点。石墨烯具有高模量(1.1TPa)，高强度(125GPa)，大比表面积(2630m2/g)，良好的导电性和生物相容性，其在制备高强度多功能水凝胶方面具有广阔的应用前景。石墨烯基水凝胶通常是以氧化石墨烯的分散液通过溶液共混、水热法和原位聚合三种方法制备。制备过程中，通过物理、化学方法将氧化石墨烯还原成具有导电性的还原氧化石墨烯。还原氧化石墨烯作为导电纳米填料与聚合物复合制备石墨烯基复合导电水凝胶。据相关文献表明，石墨烯基纳米复合水凝胶可以协同地结合高导电性和机械性能，具有良好的体外和体内生物相容性。
人体组织或皮肤的拉伸性和弯曲刚度的差异可能产生机械故障，例如分层，这会妨碍传感器性能。一种常见的方法是通过将诸如聚丙烯酸酯粘合剂，透明胶带和绷带的粘合剂粘附到人体组织(例如皮肤，心脏和器官)上来解决该问题，这导致操作的复杂性。聚多巴胺具有强黏附性、耐久性和稳定性，作为一种新型粘合材料进入人们的视野，其分子结构类似于贻贝粘附蛋白。聚多巴胺不仅与各种金属以及纳米颗粒具有强结合力，而且能进一步促进纳米填料在水凝胶网络中的均匀分散，从而增强水凝胶的导电性和机械性能的稳定。同时，聚多巴胺能够部分还原氧化石墨烯从而得到导电复合水凝胶，使其具有优异的自粘性和导电性。
柔性可穿戴传感器经过近十年的发展，克服了动态条件下监测信号准确性问题，解决了穿戴舒适性的需求。已经在体温、血压、脉搏、表情识别和运动监测等方面展示出了无与伦比的优势。但现有的柔性可穿戴传感器制备方法和技术，普遍都采用复杂的真空微制造技术，这种高成本的制备方法则大大限制了穿戴式设备的应用潜力。因此，在保证柔性穿戴式传感器高灵敏、快速响应、舒适性等的前提下，研究低成本、能大规模产业化生产的柔性穿戴式传感器是当前亟待解决的问题。因此，在保证柔性穿戴式传感器高灵敏、快速响应、舒适性等的前提下，研究低成本、能大规模产业化生产的柔性穿戴式传感器是当前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种石墨烯基导电水凝胶和其制备方法。
为了实现本发明目的本发明采用的技术方案是：
一种石墨烯基导电水凝胶，是采用聚多巴胺部分还原氧化石墨烯得到导电纳米填料，用丙烯酰胺和海藻酸钠混合制备得到柔性基底液，将导电纳米填料和柔性基底液混合，通过自由基聚合法制备得到。
在上述技术方案中，所述自由基聚合法是指通过加入引发剂、交联剂、助剂使得导电纳米填料和柔性基底液聚合得到水凝胶。
所述引发剂为过硫酸铵，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，所述助剂为四甲基乙二胺。
上述石墨烯基导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯粉末在水溶液中分散均匀，然后加入多巴胺单体，调节PH为9～12，在温度为60～80℃下搅拌，使得溶液中的氧化石墨烯部分还原成还原氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液；
(2)配制海藻酸钠溶液备用，在海藻酸钠溶液中加入丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，在该柔性基底液中加入步骤(1)得到的还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，充分搅拌，在真空干燥箱静置，取出，冰浴条件下，加入引发剂、交联剂、助剂，搅拌，得到石墨烯基导电水凝胶。
所述步骤(1)的具体步骤为：将氧化石墨烯分散于水中，进行超声分散，形成均匀的氧化石墨烯悬浮液，将盐酸多巴胺加入该悬浮液中，调节PH至9～12，在60～80℃下持续搅拌1h～6h，得到还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液。
所述步骤(1)的还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液中氧化石墨烯的质量分数为1～5‰，盐酸多巴胺的质量分数为0.5～2.5‰。
步骤(2)中所述引发剂为过硫酸铵，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，所述助剂为四甲基乙二胺。
所述步骤(2)的具体步骤为：配制海藻酸钠溶液备用，在海藻酸钠溶液中加入丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，在该柔性基底液中加入步骤(1)得到的还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，充分搅拌后，在真空干燥箱静置2h～8h，取出，冰浴条件下，加入过硫酸铵、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺进行搅拌得到石墨烯基导电水凝胶；在水溶解的海藻酸钠和丙烯酰胺的柔性基底液中，海藻酸钠和丙烯酰胺的质量分数分别为1～4％、10～30％；过硫酸铵、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺的用量分别为丙烯酰胺质量的1～3％、0.2～0.6％、0.2～0.6％。
所述步骤(2)中柔性基底液中加入步骤(1)得到的还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液后充分搅拌是指50～80℃下500～1000rpm搅拌4～8小时。
本发明还提供了上述石墨烯基导电水凝胶或者上述的制备方法制得的石墨烯基导电水凝胶在制备柔性可穿戴式传感器中的应用。
本发明的有益效果是：本发明方法制备的水凝胶由于两种聚合物之间的半互穿交联网络的存在，使其具有优异的力学性能；经过聚多巴胺还原的氧化石墨烯在交联网络中提供的导电电路径赋予了该水凝胶优异的电学性能；由于聚合物网络之间存在的非共价键作用(如H键、π-π堆积)，该水凝胶具有良好的自愈合性能；同时，由于聚多巴胺的存在，赋予了该水凝胶良好的自黏附性能。采用本发明的水凝胶制备的柔性传感器能够通过与被测对象的适形、共形黏附，克服由于被测对象因为拉伸、弯曲所带来的分层问题而导致的机械故障，从而减小传感器的测量误差；聚合物柔性基底掺杂纳米颗粒制备成检测人体运动的应变传感器和检测电生理信号的生物电极，克服了现有柔性穿戴式传感器检测功能单一等问题，又可以大大降低多参数检测时传感器制作的复杂性和制作成本高等问题；高制造成本一直是困扰柔性传感器应用潜力的最大挑战，本申请水凝胶制作柔性传感器的整个过程中没有利用任何微制造技术，进一步降低了柔性传感器的制作成本；本水凝胶材料优良的柔韧性和生物相容性能够大大改善了组织与器件间不匹配的问题。本发明水凝胶结合其优异的电学和力学性能、自愈合性、自黏附性和生物相容性，可有望应用于将这类水凝胶传感器集成到便携式、远程和实时健康监测系统的可穿戴医疗设备中。
附图说明
图1是实施例1的水凝胶制备过程中部分还原氧化石墨烯的傅里叶光谱图，其中，a是分散在去离子水中的氧化石墨烯的分峰拟合图，b是经聚多巴胺部分还原的还原氧化石墨烯的分峰拟合图。
图2是实施例1制得的水凝胶的电镜扫描图。
图3是本发明石墨烯基导电水凝胶组装成柔性传感器用于测量人体关节的运动应用图示。
图4是本发明石墨烯基导电水凝胶组装成柔性传感器用于测量人体呼吸、吞咽的运动应用图示。
图5是本发明石墨烯基导电水凝胶组装成柔性传感器用于测量人体生理电信号图示。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1制备石墨烯基水凝胶
制备石墨烯基水凝胶，按照以下步骤操作：
(1)将30mg氧化石墨烯分散于10ml的去离子水中，在超声分散40min后，形成均匀的氧化石墨烯悬浮液，将15mg的盐酸多巴胺加入该悬浮液中，用1Mmol NaOH溶液调节PH至11，在70℃下持续搅拌2h，溶液中的氧化石墨烯部分还原成还原氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，图1的傅里叶光谱的分峰结果可以表明，氧化石墨烯的含氧官能团的含量降低，氧化石墨烯被部分还原成还原氧化石墨烯。
(2)取0.25g海藻酸钠用去离子水10ml溶解，溶解海藻酸钠时，需要预先浸泡海藻酸钠8h，在温度为60～90℃的条件下持续剧烈搅拌2h，搅拌速度为300rpm。在海藻酸钠溶液中加入2.5g丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，在该柔性基底液中加入步骤(1)中还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，进行充分剧烈搅拌(80℃下500rpm搅拌4小时)后，在真空干燥箱静置4h。然后取出，冰浴条件下，加入0.05g过硫酸铵、0.01g N，N-亚甲基双丙烯酰胺、0.01g四甲基乙二胺，快速的搅拌，使其交联均匀，形成石墨烯基导电水凝胶。将其冷冻干燥后切割，观察其微观表面结构，图2扫描电镜图像显示出，纳米片表面修饰有聚多巴胺微纤维，并在石墨烯基水凝胶交联网络中交织，表明制备的石墨烯基水凝胶具有三维多孔交联结构，使得制备的水凝胶具有优异的力学性能。将交联均匀的水凝胶，通过铜带和分析仪连接，组成柔性传感器。
实施例2
制备石墨烯基水凝胶，按照以下步骤操作：
(1)将10mg氧化石墨烯分散于10ml的去离子水中，在超声分散40min后，形成均匀的氧化石墨烯悬浮液，将5mg的盐酸多巴胺加入该悬浮液中，用1Mmol的NaOH溶液调节PH至9，在60℃下持续搅拌1h，溶液中的氧化石墨烯部分还原成还原氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液。
(2)取0.1g海藻酸钠用去离子水10ml溶解，在溶液中加入1.0g丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，在该柔性基底液中加入步骤(1)中还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，进行充分剧烈搅拌(50℃下700rpm搅拌5小时)后，在真空干燥箱静置2h。取出，冰浴条件下，加入0.01g过硫酸铵、0.002gN，N-亚甲基双丙烯酰胺，0.002g四甲基乙二胺，进行搅拌，形成石墨烯基导电水凝胶。最后将该水凝胶进行组装成柔性可穿戴式传感器。
实施例3
制备石墨烯基水凝胶，按照以下步骤操作：
(1)将50mg氧化石墨烯分散于10ml的去离子水中，在超声分散40min后，形成均匀的氧化石墨烯悬浮液，将25mg的盐酸多巴胺加入该悬浮液中，调节PH至12，在80℃下持续搅拌6h，溶液中的氧化石墨烯部分还原成还原氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液。
(2)取0.4g海藻酸钠用去离子水10ml溶解，在溶液中加入3g丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，在该柔性基底液中加入步骤(1)中还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，进行充分剧烈搅拌(70℃下1000rpm搅拌6小时)后，在真空干燥箱静置8h。取出，冰浴条件下，加入0.06g过硫酸铵、0.018gN，N-亚甲基双丙烯酰胺、0.018g四甲基乙二胺进行搅拌形成石墨烯基导电水凝胶。最后将该水凝胶进行组装成柔性可穿戴式传感器。
实施例4
制备石墨烯基水凝胶，按照以下步骤操作：
(1)将40mg氧化石墨烯分散于10ml的去离子水中，在超声分散40min后，形成均匀的氧化石墨烯悬浮液，将20mg的盐酸多巴胺加入该悬浮液中，调节PH至10，在70℃下持续搅拌4h，溶液中的氧化石墨烯部分还原成还原氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液。
(2)取0.3g海藻酸钠用去离子水10ml溶解，在溶液中加入3g丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，在该柔性基底液中加入步骤(1)中还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，进行充分剧烈搅拌(60℃下600rpm搅拌8小时)后，在真空干燥箱静置4h。取出，冰浴条件下，加入0.09g过硫酸铵、0.012gN，N-亚甲基双丙烯酰胺、0.012g四甲基乙二胺进行搅拌形成石墨烯基导电水凝胶。最后将该水凝胶进行组装成柔性可穿戴式传感器。
实施例2--4制得的石墨烯基导电水凝胶的傅里叶光谱的分峰结果均表明，氧化石墨烯的含氧官能团的含量降低，氧化石墨烯被部分还原成还原氧化石墨烯。将实施例2--4制得的石墨烯基导电水凝胶冷冻干燥后切割，观察其微观表面结构，扫描电镜图像均显示，纳米片表面修饰有聚多巴胺微纤维，并在石墨烯基水凝胶交联网络中交织，表明制备的石墨烯基水凝胶具有三维多孔交联结构，使得制备的水凝胶具有优异的力学性能。可将制得的水凝胶组装成柔性可穿戴式传感器。
实施例5石墨烯基导电水凝胶的应用应用实例：
一、石墨烯基导电水凝胶组装成柔性传感器用于测量人体关节的运动
将实施例1制备得到的水凝胶采用现有技术组装成柔性传感器置于人体的手指和手肘部位，测量其在弯曲和伸直放松状态下对应的运动信号，如图3(a)和图3(b)所示，柔性传感器连接到食指关节,手指弯曲角度为90°时，传感器被拉伸后对拉伸动作进行快速反应，由于多孔结构中的还原氧化石墨烯的导电路径断裂，导致电阻值显著增加到一个稳定值。当手指伸直时，复合水凝胶网络断裂的导电路径自愈和，电阻迅速恢复到初始状态。手指反复弯曲拉伸，响应曲线保持不变，说明传感器具有稳定性和重复性。手肘的弯曲和拉伸的电信号也如上述手指的弯曲拉伸原理一致。通过该实施例可知，该柔性传感器可以用于人体关键运动的实时运动监控，可应用于病人康复训练和人的健康管理领域中。
二、石墨烯基导电水凝胶组装成柔性传感器用于测量人体呼吸、吞咽的运动
将实施例2制备得到的水凝胶采用现有技术组装成柔性传感器置于人体的喉部和胸部，测量其人在呼吸和吞咽动作时的信号，图4(a)和图4(b)分别是将柔性传感器置于人体的喉部和胸部，柔性传感器通过铜带连接至分析仪上，当人在吞咽水的过程中，通过将传感器附着在喉部来检测实时信号。实验结果表明，复合水凝胶传感器的响应曲线具有重复性和规律性，证明了复合水凝胶传感器能够有效地检测小尺度运动。我们将水凝胶传感器贴在受试者的胸部进行呼吸检测，表明可以从受试者的呼吸节律中获得呼吸信号响应。由此可知，该柔性传感器可以用于人体的微运动信号的测量。
三、石墨烯基导电水凝胶组装成柔性传感器用于测量人体生理电信号
采用实施例3制得的石墨烯基柔性水凝胶制作自粘式表面电极，使用结果如图5所示，在电学检测仪相同的参数设置下，检测人体心电信号的效果可以与商业医用电极相媲美，说明该水凝胶在生物电子学方面也有潜在的应用前景，可用做导电电极的制备。此外，当水凝胶从皮肤中去除时，皮肤不会发红或不适。

Claims (10)

1.一种石墨烯基导电水凝胶，其特征在于，是采用聚多巴胺部分还原氧化石墨烯得到导电纳米填料，用丙烯酰胺和海藻酸钠混合制备得到柔性基底液，将导电纳米填料和柔性基底液混合，通过自由基聚合法制备得到。
2.如权利要求1所述的石墨烯基导电水凝胶，其特征在于，所述自由基聚合法是指通过加入引发剂、交联剂、助剂使得导电纳米填料和柔性基底液聚合得到水凝胶。
3.如权利要求2所述的石墨烯基导电水凝胶，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，所述助剂为四甲基乙二胺。
4.如权利要求2所述的石墨烯基导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯粉末在水溶液中分散均匀，然后加入多巴胺单体，调节PH为9～12，在温度为60～80℃下搅拌，使得溶液中的氧化石墨烯部分还原成还原氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液；
(2)配制海藻酸钠溶液备用，在海藻酸钠溶液中加入丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，在该柔性基底液中加入步骤(1)得到的还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，充分搅拌，在真空干燥箱静置，取出，冰浴条件下，加入引发剂、交联剂、助剂，搅拌，得到石墨烯基导电水凝胶。
5.如权利要求4所述的石墨烯基导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤为：将氧化石墨烯分散于水中，进行超声分散，形成均匀的氧化石墨烯悬浮液，将盐酸多巴胺加入该悬浮液中，调节PH至9～12，在60～80℃下持续搅拌1h～6h，得到还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液。
6.如权利要求5所述的石墨烯基导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液中氧化石墨烯的质量分数为1～5‰，盐酸多巴胺的质量分数为0.5～2.5‰。
7.如权利要求4所述的石墨烯基导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述引发剂为过硫酸铵，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，所述助剂为四甲基乙二胺。
8.如权利要求7所述的石墨烯基导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：配制海藻酸钠溶液备用，在海藻酸钠溶液中加入丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，在该柔性基底液中加入步骤(1)得到的还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液，充分搅拌后，在真空干燥箱静置2h～8h，取出，冰浴条件下，加入过硫酸铵、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺进行搅拌得到石墨烯基导电水凝胶；在水溶解的海藻酸钠和丙烯酰胺的柔性基底液中，海藻酸钠和丙烯酰胺的质量分数分别为1～4％、10～30％；过硫酸铵、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺的用量分别为丙烯酰胺质量的1～3％、0.2～0.6％、0.2～0.6％。
9.如权利要求4所述的石墨烯基导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中柔性基底液中加入步骤(1)得到的还原氧化石墨烯导电纳米填料混合液后充分搅拌是指50～80℃下500～1000rpm搅拌4～8小时。
10.如权利要求1至3任一项所述的石墨烯基导电水凝胶或者权利要求4至9任一项所述的制备方法制得的石墨烯基导电水凝胶在制备柔性可穿戴式传感器中的应用。
CN201911010583.5A 2019-10-23 2019-10-23 石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用 Active CN110776652B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911010583.5A CN110776652B (zh) 2019-10-23 2019-10-23 石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911010583.5A CN110776652B (zh) 2019-10-23 2019-10-23 石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110776652A true CN110776652A (zh) 2020-02-11
CN110776652B CN110776652B (zh) 2022-07-26

Family

ID=69386298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911010583.5A Active CN110776652B (zh) 2019-10-23 2019-10-23 石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110776652B (zh)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111423539A (zh) * 2020-04-29 2020-07-17 浙江大学 一种GO@DA/海藻酸钠/P(AAc-co-AAm)多功能水凝胶及其制备方法
CN111839532A (zh) * 2020-07-14 2020-10-30 天津大学 一种基于导电水凝胶的柔性表皮电化学生物传感器
CN112046104A (zh) * 2020-08-13 2020-12-08 西安工程大学 一种具有运动监测功能的柔性防刺复合材料及制备方法
CN112159535A (zh) * 2020-09-29 2021-01-01 上海健康医学院 部分还原氧化石墨烯-纳米纤维素晶-聚乙烯醇复合导电水凝胶及其制备方法和应用
CN112480318A (zh) * 2020-12-22 2021-03-12 华东理工大学 一种导电水凝胶及基于其的健康检测传感器制备方法
CN112635097A (zh) * 2020-11-23 2021-04-09 同济大学 柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用
CN112625178A (zh) * 2020-12-23 2021-04-09 江南大学 一种用于制备柔性电容式压力传感器的纳米复合水凝胶及制备方法
CN112724339A (zh) * 2021-04-06 2021-04-30 湖南大学 一种水凝胶柔性应变传感器及其制备方法
CN113248734A (zh) * 2021-05-14 2021-08-13 福州大学 一种功能化双网络水凝胶及其应用
CN114112133A (zh) * 2021-11-23 2022-03-01 厦门大学 一种柔性光子压力传感器、制备方法及其应用
CN115093711A (zh) * 2022-07-20 2022-09-23 重庆医科大学 一种抗冻丝素蛋白导电水凝胶及其制备方法和应用
WO2022262014A1 (zh) * 2021-06-17 2022-12-22 哈尔滨工业大学 三维水凝胶-石墨烯基生物传感器及其制备方法
WO2023030023A1 (zh) * 2021-09-06 2023-03-09 福州大学 一种利用酵母菌发酵制备多功能水凝胶的方法
US11619602B2 (en) 2021-06-17 2023-04-04 Harbin Institute Of Technology Three-dimensional hydrogel-graphene-based biosensor and preparation method thereof
CN117065086A (zh) * 2023-10-10 2023-11-17 暨南大学 一种多功能导电水凝胶及其制备方法与应用
WO2024105597A1 (en) * 2022-11-16 2024-05-23 Technology Innovation Institute – Sole Proprietorship LLC Bio-based hydrogels and method of making the same

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105906821A (zh) * 2016-04-26 2016-08-31 西南交通大学 一种自粘附导电水凝胶的制备方法
CN106008799A (zh) * 2016-05-23 2016-10-12 西南交通大学 一种具有高力学性能及自愈合性的水凝胶电极的制备方法
CN107737370A (zh) * 2017-11-20 2018-02-27 西南交通大学 一种用于软骨修复的高强、超弹、导电水凝胶的制备方法
CN109893681A (zh) * 2017-12-07 2019-06-18 西南交通大学 一种用于软骨修复/电子皮肤的导电水凝胶的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105906821A (zh) * 2016-04-26 2016-08-31 西南交通大学 一种自粘附导电水凝胶的制备方法
CN106008799A (zh) * 2016-05-23 2016-10-12 西南交通大学 一种具有高力学性能及自愈合性的水凝胶电极的制备方法
CN107737370A (zh) * 2017-11-20 2018-02-27 西南交通大学 一种用于软骨修复的高强、超弹、导电水凝胶的制备方法
CN109893681A (zh) * 2017-12-07 2019-06-18 西南交通大学 一种用于软骨修复/电子皮肤的导电水凝胶的制备方法

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111423539B (zh) * 2020-04-29 2021-04-30 浙江大学 一种GO@DA/海藻酸钠/P(AAc-co-AAm)多功能水凝胶及其制备方法
CN111423539A (zh) * 2020-04-29 2020-07-17 浙江大学 一种GO@DA/海藻酸钠/P(AAc-co-AAm)多功能水凝胶及其制备方法
CN111839532A (zh) * 2020-07-14 2020-10-30 天津大学 一种基于导电水凝胶的柔性表皮电化学生物传感器
CN112046104A (zh) * 2020-08-13 2020-12-08 西安工程大学 一种具有运动监测功能的柔性防刺复合材料及制备方法
CN112159535A (zh) * 2020-09-29 2021-01-01 上海健康医学院 部分还原氧化石墨烯-纳米纤维素晶-聚乙烯醇复合导电水凝胶及其制备方法和应用
CN112635097A (zh) * 2020-11-23 2021-04-09 同济大学 柔性可穿戴液态金属水凝胶制备方法及应用
CN112480318A (zh) * 2020-12-22 2021-03-12 华东理工大学 一种导电水凝胶及基于其的健康检测传感器制备方法
CN112625178B (zh) * 2020-12-23 2022-07-05 江南大学 一种用于制备柔性电容式压力传感器的纳米复合水凝胶及制备方法
CN112625178A (zh) * 2020-12-23 2021-04-09 江南大学 一种用于制备柔性电容式压力传感器的纳米复合水凝胶及制备方法
CN112724339A (zh) * 2021-04-06 2021-04-30 湖南大学 一种水凝胶柔性应变传感器及其制备方法
CN112724339B (zh) * 2021-04-06 2021-06-01 湖南大学 一种水凝胶柔性应变传感器及其制备方法
CN113248734A (zh) * 2021-05-14 2021-08-13 福州大学 一种功能化双网络水凝胶及其应用
WO2022262014A1 (zh) * 2021-06-17 2022-12-22 哈尔滨工业大学 三维水凝胶-石墨烯基生物传感器及其制备方法
US11619602B2 (en) 2021-06-17 2023-04-04 Harbin Institute Of Technology Three-dimensional hydrogel-graphene-based biosensor and preparation method thereof
GB2612870A (en) * 2021-06-17 2023-05-17 Harbin Inst Technology Three-dimensional hydrogel-graphene-based biosensor and preparation method therefor
WO2023030023A1 (zh) * 2021-09-06 2023-03-09 福州大学 一种利用酵母菌发酵制备多功能水凝胶的方法
CN114112133A (zh) * 2021-11-23 2022-03-01 厦门大学 一种柔性光子压力传感器、制备方法及其应用
CN115093711A (zh) * 2022-07-20 2022-09-23 重庆医科大学 一种抗冻丝素蛋白导电水凝胶及其制备方法和应用
WO2024105597A1 (en) * 2022-11-16 2024-05-23 Technology Innovation Institute – Sole Proprietorship LLC Bio-based hydrogels and method of making the same
CN117065086A (zh) * 2023-10-10 2023-11-17 暨南大学 一种多功能导电水凝胶及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN110776652B (zh) 2022-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110776652B (zh) 石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用
Hao et al. Low-Temperature tolerance and conformal adhesion zwitterionic hydrogels as electronic skin for strain and temperature responsiveness
Pei et al. Stretchable, self-healing and tissue-adhesive zwitterionic hydrogels as strain sensors for wireless monitoring of organ motions
CN109503757B (zh) 双网络水凝胶的制备及得到的双网络水凝胶与应用
Wang et al. High strength and flexible aramid nanofiber conductive hydrogels for wearable strain sensors
Wu et al. An implantable and versatile piezoresistive sensor for the monitoring of human–machine interface interactions and the dynamical process of nerve repair
Karolina Pierchala et al. Soft electronic materials with combinatorial properties generated via mussel-inspired chemistry and halloysite nanotube reinforcement
Song et al. Ultra-stable and self-healing coordinated collagen-based multifunctional double-network organohydrogel e-skin for multimodal sensing monitoring of strain-resistance, bioelectrode, and self-powered triboelectric nanogenerator
Zhang et al. Biomimetic epidermal sensors assembled from polydopamine-modified reduced graphene oxide/polyvinyl alcohol hydrogels for the real-time monitoring of human motions
CN112724339B (zh) 一种水凝胶柔性应变传感器及其制备方法
You et al. Flexible porous Gelatin/Polypyrrole/Reduction graphene oxide organohydrogel for wearable electronics
Shen et al. Nanocomposite conductive hydrogels with Robust elasticity and multifunctional responsiveness for flexible sensing and wound monitoring
Wang et al. Zinc-ion engineered Plant-based multifunctional hydrogels for flexible wearable strain Sensors, Bio-electrodes and Zinc-ion hybrid capacitors
Meng et al. Self-adhesive, biodegradable silk-based dry electrodes for epidermal electrophysiological monitoring
Xue et al. Merkel cell-inspired skin-like hybrid hydrogels for wearable health monitoring
Xu et al. Flexible Li+/agar/pHEAA double-network conductive hydrogels with self-adhesive and self-repairing properties as strain sensors for human motion monitoring
CN113503991B (zh) 一种基于多巴胺修饰聚吡咯导电水凝胶的高灵敏度压阻传感器及其制备方法
Zou et al. Ultra-strong adhesive, self-healing and electroactive bio-based hydrogels for the on-demand fabrication of sandwich-inspired smart electronic sensing floors
Liu et al. Stretchable, self-adhesive, conductive, anti-freezing sodium polyacrylate-based composite hydrogels for wearable flexible strain sensors
Wang et al. High‐Performance Hydrogel Sensors Enabled Multimodal and Accurate Human–Machine Interaction System for Active Rehabilitation
Lu et al. Using xanthan gum and PEDOT: PSS to costabilize Ga droplets to synergistically improve the toughness and sensing performance of polyacrylamide hydrogels
Gao et al. A hydrogel sensor driven by sodium carboxymethyl starch with synergistic enhancement of toughness and conductivity
CN113248734B (zh) 一种功能化双网络水凝胶及其应用
Tan et al. Advanced interfacial design for electronic skins with customizable functionalities and wearability
Ding et al. All-in-one sandwich-like PVA/PEDOT: PSS/WPU electrodes with low impedance and high stretchability for ECG monitoring

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