CN111543961B - 无线柔性贴片式温度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可贴附于消化道内壁的无线柔性贴片式温度传感器及其制备方法。所述柔性贴片式温度传感器包括：水凝胶衬底(2)，其包括多个贯通孔(1)并具有高粘性、柔性和可降解特性；隔离封装层(3)，其位于所述水凝胶衬底(2)的上方并且包括应变隔离层(31)，其中所述应变隔离层(31)嵌于所述水凝胶衬底(2)中；导线(4)，其被转印于所述应变隔离层(31)的上表面；以及无线数据传输组件，其与所述导线(4)连接。

Description

无线柔性贴片式温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医疗器械技术领域，具体地，涉及可贴附于消化道组织内壁并具有良好生物兼容性的无线柔性贴片式温度传感器及其制备方法。
背景技术
体温是人体健康监测和疾病检测中的一项重要生理指标，其与人体生理系统中的各种生物化学反应密切相关。人体消化道内的环境温度变化不仅反映出了消化道内食物的温度特征，也反映出了消化道组织的生理特征，因此，如何能连续、实时且准确地获得消化道内的温度变化情况对于消化道手术术后病人的康复和治疗具有重要意义。
用于体表温度检测和监测的传感器件和传感技术目前已经较为成熟。已有部分专利通过水银热胀的原理实现了体外水银温度计的制造，有部分专利通过温度电阻效应实现了体外电子温度计的制造，也有部分专利通过红外热成像的方法实现了体表温度的测量。
发明内容
对于可植入体内且可强力贴附于湿润组织表面的温度传感器而言，其主要问题在于，如何使柔性贴片式温度传感器强有力地贴附在消化道内壁，如何使柔性贴片式温度传感器不损伤消化道内壁且不影响消化道内的正常功能(即良好的生物兼容性)，以及如何保证传感器的可延展性、轻量化、可靠性等。
因此，提供一种可贴附于消化道组织内壁并且具有良好生物兼容性、可延展性和可靠性的无线柔性轻便贴片式温度传感器，是亟待本领域技术人员解决的问题。
本发明是鉴于上述现有技术中存在的问题而做成的，其目的在于，提供一款可贴附于消化道组织内壁且具有良好透液和透气特性的无线柔性贴片式温度传感器。
本发明提供一种可贴附于消化道内壁的无线柔性贴片式温度传感器，所述柔性贴片式温度传感器包括：水凝胶衬底，其包括多个贯通孔并具有高粘性、柔性和可降解特性；隔离封装层，其位于所述水凝胶衬底的上方并且包括应变隔离层，其中所述应变隔离层嵌于所述水凝胶衬底中；导线，其被转印于所述应变隔离层的上表面；以及无线数据传输组件，其与所述导线连接。
优选地，所述隔离封装层还包括导热聚合物封装层，其从上方覆盖转印有所述导线的所述应变隔离层。
优选地，所述无线数据传输组件包括接口、NFC数据传输天线以及NFC芯片及控制模块。
优选地，所述导线是蛇形金导线。
优选地，所述应变隔离层和/或所述导热聚合物封装层也覆盖所述无线数据传输组件。
优选地，所述应变隔离层的材料包括聚二甲基硅烷。
本发明提供一种可贴附于消化道内壁的无线柔性贴片式温度传感器的制备方法，所述制备方法包括：提供具有多个贯通孔的水凝胶衬底，所述水凝胶衬底具有高粘性、柔性和可降解特性；提供应变隔离层、导线和无线数据传输组件，将所述导线转印至所述应变隔离层的上表面，然后将所述导线与所述无线数据传输组件焊接在一起；利用所述水凝胶衬底的粘性将转印有所述导线的所述应变隔离层与所述水凝胶衬底组装在一起。
优选地，所述制备方法还包括采用导热聚合物封装层对转印有所述导线的所述应变隔离层进行封装。
优选地，采用模具浇注和紫外光固化的方法制备所述水凝胶衬底。
优选地，所述应变隔离层的材料包括聚二甲基硅烷。
本发明所提供的柔性贴片式温度传感器具有良好的透液和透气特性且能够与消化道组织内壁实现良好的贴合；克服了温度传感单元的变形问题且能够实现对组织表面或外界动态环境温度的实时监测；并且能够通过移动智能终端等设备实现数据的传输。
附图说明
图1的(a)示出了根据本发明的一个实施方式的无线柔性贴片式温度传感器的平面图；图1的(b)是图1的(a)中的虚线矩形区域的放大图。
图2示出了图1中的无线柔性贴片式温度传感器的在虚线矩形区域内的部分的截面图。
图3示意性地示出了采用医用PU膜对根据本发明的一个实施方式的柔性贴片式温度传感器进行上下封装的过程。
图4示出了用于制备根据本发明的一个实施方式的柔性贴片式温度传感器中的水凝胶衬底的模具。
图5示出了用于制备根据本发明的一个实施方式的柔性贴片式温度传感器中的应变隔离层的模具。
图6示出了根据本发明的一个实施方式的柔性贴片式温度传感器中的导线。
附图标记说明
1 贯通孔
2 水凝胶衬底
3 隔离封装层
4 导线
5 接口
6 NFC数据传输天线
7 NFC芯片及控制模块
8 医用PU膜
31 应变隔离层
32 导热聚合物封装层
A 模具
B 模具
B1 模具B的第一部分
B2 模具B的第二部分
D 模具
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。
图1的(a)示出了根据本发明的一个实施方式的柔性贴片式温度传感器的平面图，图1的(b)是图1的(a)中的虚线矩形区域的放大图。图2示意性地示出了图1中的柔性贴片式温度传感器的在虚线矩形区域内的部分的截面图。如图1的(a)所示，根据本发明的一个实施方式的柔性贴片式温度传感器包括具有多个贯通孔1的水凝胶衬底2、隔离封装层3、导线4以及无线数据传输组件，其中无线数据传输组件由导线4与无线数据传输组件的接口5、NFC数据传输天线6、NFC芯片及控制模块7构成。
从图1和图2可以看出，水凝胶衬底2具有透液性和透气性良好的多孔结构设计，其包括用于透液和透气的多个贯通孔1。多个贯通孔1按列配置，并且在各列之间各贯通孔1彼此错开。水凝胶衬底2可以由白明胶、丙烯酸、N-丙烯酰氧琥珀酰亚胺、甲基丙烯酸酐化明胶、2-氧代戊二酸、去离子水等试剂和材料组成，由于水凝胶材料具有柔性且在湿润环境下具有良好的贴附特性(高粘性)，因此将水凝胶衬底2作为与湿润组织贴合的部分使得该柔性贴片式温度传感器能够与消化道组织内壁实现良好贴合。此外，由于水凝胶材料能够在一周时间内降解，因此兼具良好的生物兼容性。
如图2所示，隔离封装层3包括应变隔离层31和导热聚合物封装层32，其中应变隔离层31被整体嵌入水凝胶衬底2中，采用柔性电子技术制备的由金(Au)制成的蛇形导线4则位于应变隔离层31的上表面，并且导热聚合物封装层32从上方覆盖导线4。这里，作为示例示出的应变隔离层31的材料包括聚二甲基硅烷(PDMS)，但PDMS也可以用其它材料代替，只要其具有良好的生物兼容性且模量高于水凝胶衬底2即可。导线4被用作温度传感单元，当导线4的温度发生变化时，其电阻会相应发生变化，借此即可实现对消化道内环境温度变化的检测。需要说明的是，尽管所示出的导线4为蛇形金导线，但其材料和形状均不限于此。
应变隔离层31的存在能够减小或消除水凝胶衬底2在消化道内吸水膨胀后所导致的导线4的变形，因此有利于本发明的柔性贴片式温度传感器稳定工作。此外，导热聚合物封装层32对导线4的封装提高了柔性贴片式温度传感器的机械可靠性、使其在消化道组织发生一定变形的过程中不易被破坏，同时也保证了外界环境热传导至导线4的效率。然而，导热聚合物封装层32是可选择的，其并非实现柔性贴片式温度传感器功能的必要条件。鉴于应变隔离层31和导热聚合物封装层32的上述功能，位于导线4下方的应变隔离层31和位于导线4上方的导热聚合物封装层32均能完全地覆盖导线4。另外，应变隔离层31在平面图中的面积小于水凝胶衬底2的面积，即应变隔离层31仅嵌于水凝胶衬底2的一部分中。
在该实施方式的柔性贴片式温度传感器中，无线数据传输组件是集成NFC数据传输模块的无线数据传输集成方案。在该柔性贴片式温度传感器的使用过程中，导线4通过接口5将所获得的温度数据传输至NFC芯片及控制模块7，然后，NFC芯片及控制模块7利用被构造为圆环形的NFC数据传输天线6将该温度数据或表征该温度的数据传输至体外的智能终端等设备。
可选地，应变隔离层31和/或导热聚合物封装层32也覆盖无线数据传输组件，从而进一步提高柔性贴片式温度传感器的稳定性。
如图3所示，为了便于在冷冻条件下长时间保存该柔性贴片式温度传感器，可以采用医用PU膜8对其进行上下封装。在使用前只需使该柔性贴片式温度传感器恢复至室温、然后撕掉医用PU膜8即可。
下面参照图4至图6说明根据本发明的一个实施方式的柔性贴片式温度传感器的制备方法。
(1)制备具有多孔结构的水凝胶衬底2
首先，按如下流程配置高粘性水凝胶衬底2的溶液：按照质量分数将10％的白明胶，0.2％的2-氧代戊二酸，1％的N-丙烯酰氧琥珀酰亚胺依次称重，加入烧杯。按照质量分数将30％的丙烯酸采用灭菌针筒注射入烧杯，并采用封口膜封闭。按照质量分数将0.1％的甲基丙烯酸酐化明胶在去光条件下取出并加入试管，注射质量分数为58.7％的去离子水，在去光且温度为40℃的条件下采用超声装置进行溶解，将该溶液加入封口膜封闭的烧杯形成水凝胶衬底2的溶液。
然后，在使图4的(a)所示的具有阵列式柱体的槽体(模具A)与图4的(b)所示的具有多孔形态的模具B装配成图4的(c)所示的模具C之后，将水凝胶衬底2的溶液浇注至图4的(c)中示出的模具C中。其中，模具B由第一部分B1和第二部分B2两部分构成，并且第一部分B1的形状为矩形和圆形组合成的“钥匙形状”。接下来，在紫外光灯照射条件下使溶液固化。待水凝胶衬底2的溶液固化后，从模具C中拆下模具B，留下位于模具A中的具有多孔结构的水凝胶衬底2。
(2)分别制备应变隔离层31和导线4，并将导线4转印至应变隔离层31，然后与NFC芯片及控制模块7进行焊接
制备应变隔离层31：将PDMS原液与固化剂按照10:1的质量比进行配置，然后浇注至图5所示的模具D内，在温度为70℃的烤箱中固化1小时，获得位于模具D内的具有“钥匙形状”的应变隔离层31(PDMS基体)。需要说明的是，该模具D内的钥匙形状的槽体与模具B的第一部分B1的钥匙形状完全相同。
制备导线4：通过旋涂、电子束蒸镀、光刻刻蚀等传统的柔性电子技术进行制备导线4，这里不再赘述。在本实施方式中，导线4是图6所示的蛇形金导线。
在分别获得应变隔离层31和导线4(没有先后顺序的要求)之后，通过柔性转印技术将导线4转印至位于模具D内的应变隔离层31的上表面，然后将导线4的两端(位于图6的右侧)与NFC芯片及控制模块7进行焊接。
(3)采用导热聚合物封装层32对转印有导线4的应变隔离层31进行封装
在本实施方式中，采用与应变隔离层31具有同样的“钥匙形状”和大小的导热聚合物封装层32对转印有导线4的应变隔离层31进行封装。因此，该导热聚合物封装层32也覆盖在无线数据传输组件的上方，对其起到保护作用。
(4)将转印有导线4的应变隔离层31与水凝胶衬底2组装在一起，获得本发明的柔性贴片式温度传感器
从模具D内取出转印有导线4的应变隔离层31，将其嵌入位于模具A中的水凝胶衬底2，水凝胶衬底2利用其本身的高粘性可以自动与应变隔离层31组装在一起。从模具A中取出该组装体，既可以获得根据本发明的柔性贴片式温度传感器。
需要说明的是，在上述步骤中，步骤(1)与(2)之间的顺序可以调换，步骤(3)可以被省略、亦可以在步骤(4)中的将水凝胶衬底2与应变隔离层31组装在一起之后再进行步骤(3)，即在模具A中进行应变隔离材料31的封装。
在柔性贴片式温度传感器的制备结束后，为了使其可以长时间保存，可以如图3所示地采用医用PU膜8对柔性贴片式温度传感器进行上下封装并冷冻保存。在需要使用时，只需使柔性贴片式温度传感器恢复至室温、再将医用PU膜8撕掉即可。可以通过消化道手术过程或消化内镜装置将该柔性贴片式温度传感器植入人体消化道内，在一周时间内，水凝胶衬底材料即可降解，而其它材料从体内排出。
根据本发明的可贴附于消化道组织内壁的无线柔性贴片式温度传感器至少具有以下优点中的一个优点：
(i)该柔性贴片式温度传感器通过柔性水凝胶衬底的多孔结构设计使得该传感器具有透液性和透气性，并且采用在湿润环境下具有良好贴附特性和可降解功能的水凝胶作为衬底材料，使得柔性贴片式温度传感器可以与消化道组织内壁良好贴合。
(ii)在高粘性且柔性水凝胶衬底上局部嵌入PDMS材料作为应变隔离层可以减小或消除水凝胶在体内吸水膨胀后所导致的导线变形问题。
(iii)利用导线金属在温度变化时产生的电阻变化，并集成无线数据传输组件，能够通过移动智能终端等设备实现数据的传输，并实现对组织表面或外界动态环境温度的实时监测。
(iv)通过铺设高导热封装层保证了外界环境热传导至蛇形导线的效率和器件的可靠性。
(v)采用医用PU膜对柔性贴片式温度传感器进行上下封装使其能够长时间保存。
当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种可贴附于消化道内壁的无线柔性贴片式温度传感器，其特征在于，所述柔性贴片式温度传感器包括：
水凝胶衬底(2)，其包括多个贯通孔(1)并具有高粘性、柔性和可降解特性，其制作材料包括白明胶、丙烯酸、N-丙烯酰氧琥珀酰亚胺、甲基丙烯酸酐化明胶、2-氧代戊二酸和去离子水；
隔离封装层(3)，其位于所述水凝胶衬底(2)的上方并且包括应变隔离层(31)，所述应变隔离层(31)的材料包括聚二甲基硅烷，其中所述应变隔离层(31)嵌于所述水凝胶衬底(2)中；
导线(4)，其被转印于所述应变隔离层(31)的上表面；以及
无线数据传输组件，其与所述导线(4)连接。
2.根据权利要求1所述的柔性贴片式温度传感器，其特征在于，所述隔离封装层(3)还包括导热聚合物封装层(32)，其从上方覆盖转印有所述导线(4)的所述应变隔离层(31)。
3.根据权利要求1或2所述的柔性贴片式温度传感器，其特征在于，所述无线数据传输组件包括接口(5)、NFC数据传输天线(6)以及NFC芯片及控制模块(7)。
4.根据权利要求1或2所述的柔性贴片式温度传感器，其特征在于，所述导线(4)是蛇形金导线。
5.根据权利要求1所述的柔性贴片式温度传感器，其特征在于，所述应变隔离层(31)覆盖所述无线数据传输组件。
6.根据权利要求2所述的柔性贴片式温度传感器，其特征在于，所述导热聚合物封装层(32)覆盖所述无线数据传输组件。
7.一种可贴附于消化道内壁的无线柔性贴片式温度传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供具有多个贯通孔(1)的水凝胶衬底(2)，所述水凝胶衬底(2)具有高粘性、柔性和可降解特性，所述水凝胶衬底(2)的制作材料包括白明胶、丙烯酸、N-丙烯酰氧琥珀酰亚胺、甲基丙烯酸酐化明胶、2-氧代戊二酸和去离子水；
提供应变隔离层(31)、导线(4)和无线数据传输组件，所述应变隔离层(31)的材料包括聚二甲基硅烷，将所述导线(4)转印至所述应变隔离层(31)的上表面，然后将所述导线(4)与所述无线数据传输组件焊接在一起；
利用所述水凝胶衬底(2)的粘性将转印有所述导线(4)的所述应变隔离层(31)与所述水凝胶衬底(2)组装在一起。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括采用导热聚合物封装层(32)对转印有所述导线(4)的所述应变隔离层(31)进行封装。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，采用模具浇注和紫外光固化的方法制备所述水凝胶衬底(2)。
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