CN112244766A - 伤口微环境检测装置 - Google Patents

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刘震东
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Abstract

本发明公开了一种伤口微环境检测装置。伤口传感器模块贴敷在伤口表面，伤口传感器模块依次经信号转换模块、信号传输模块、信号储存模块后和电源模块连接；伤口传感模块中，温度传感模块和PH传感模块均置于PDMS基底的正面，PDMS基底中心有温度传感模块，温度传感模块两侧有PH传感模块，应力传感模块置于PDMS基底的背面；温度传感模块为镀有铜膜的激光诱导石墨烯膜，PH传感模块包括参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，应力传感器仅由激光诱导石墨烯膜构成。本发明传感装置通过激光诱导石墨烯膜拉伸应变、聚苯胺反应电位差、铜电阻变化共同同时能实现伤口PH、温度以及撕裂状态的检测。

Description

伤口微环境检测装置
技术领域
本发明涉及了柔性传感领域的一种创口检测装置，具体是涉及了一种能够检测伤口微环境的装置，包括检测伤口PH、温度以及撕裂情况。
背景技术
现代医学的不断发展以及健康知识的不断普及，人们的寿命也在不断延长，在进入中老年之后，人们的抵抗力逐渐下降，受伤之后的愈合周期和期间感染的风险也更大，因此能够对对伤口进行观察与检测对伤口愈合的帮助将非常之大。伤口部位的微环境在伤口的结痂、愈合中起着主要作用，伤口病理生理学的各种外部和内部因素都受它的影响。其中，伤口的PH、温度、伤口撕裂情况是影响伤口愈合的重要因素。现有技术缺少了能了解伤口的微环境情况，以便于动态掌握创面愈合情况的装置。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种能够小巧且集成检测伤口PH、温度以及撕裂状态的装置，具体也是一种检测伤口状态的绷带。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包括伤口传感器模块、信号转换模块、信号传输模块、信号储存模块和电源模块，伤口传感器模块贴敷在伤口表面，伤口传感器模块的输出端依次经信号转换模块、信号传输模块、信号储存模块后和电源模块连接；
所述伤口传感模块包括PDMS基底、温度传感模块、PH传感模块和应力传感模块，温度传感模块和PH传感模块均置于PDMS基底的正面，PDMS基底的正面中心置有温度传感模块，温度传感模块两侧置有PH传感模块，应力传感模块置于PDMS基底的背面；所述温度传感模块为镀有铜膜的激光诱导石墨烯膜，所述PH传感模块包括参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜分别置于温度传感模块的两侧，所述应力传感器仅由激光诱导石墨烯膜构成，温度传感模块、PH传感模块和应力传感模块的激光诱导石墨烯膜均贴附在PDMS基底表面；PDMS基底的正面贴敷在伤口，PDMS基底的背面反向于伤口。
所述的参比电极采用激光诱导石墨烯膜。
所述应力传感器的激光诱导石墨烯膜的两端均设有电极，所述温度传感模块的激光诱导石墨烯膜设有一电极，PH传感模块的参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜分别设有一电极。
所述信号转换模块为将电信号转换为数字信号的信号转换装置。
所述信号传输模块具有无线传输电路，能够将数字信号无线传输到信号储存模块。
所述电源模块连接到温度传感模块、PH传感模块和应力传感模块的电极上提供电压。
所述温度传感模块的镀有铜膜的激光诱导石墨烯膜和所述PH传感模块的镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，均采用以下方式制备形成到PDMS基底表面上：先通过激光诱导法将石墨烯诱导在聚酰亚胺膜或者铜膜上形成覆盖有铜膜或者聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，然后将覆盖有铜膜或者聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜通过电化学方法电镀到石墨烯膜上，然后将石墨烯转移到PDMS基底上。
所述的伤口传感器模块制备过程包括以下步骤：
(1)将石墨烯诱导于聚酰亚胺膜上：将水溶胶和聚酰亚胺膜按顺序粘贴在载玻片同一面，通过CAD绘图软件绘制好需要的石墨烯图案，在激光机上诱导，设置扫描速度150mm/s，功率17w，切割速度21mm/s，功率17w后诱导在粘贴好的载玻片上；完成后置于水中2h等待水溶胶溶解脱落。制备获得带有石墨烯的聚酰亚胺膜；
(2)将铜溶液电镀到石墨烯膜上形成单质铜膜：首先配置25g水，4g硫酸，5g硫酸铜混合而成水溶液作为铜溶液；接着将带有石墨烯的聚酰亚胺膜夹放在样品夹子上，连接电极，阳极连接激光诱导石墨烯膜，将激光诱导石墨烯膜的一半浸入铜溶液之中，阴极连接pt电极，白色接口连接Ag/AgCl电极；然后打开电化学工作站开关，打开电化学工作站，选择电聚合模式为it，设定电压-1V，时间300s，10-2灵敏度后运行，等待铜电镀到激光诱导石墨烯膜上。
(3)苯胺电聚合在石墨烯表面形成聚苯胺膜：首先配置100g水，9.8g硫酸，0.93g苯胺混合而成水溶液作为苯胺溶液；接着将带有石墨烯的聚酰亚胺膜夹放在样品夹子上；将激光诱导石墨烯膜连接到电极上，并且没有镀上铜的那一边浸入到水中，阴极连接pt电极，白色接口连接Ag/AgCl电极。
然后打开电化学工作站开关，打开电化学工作站，选择电聚合模式为it，设定电压1.5V，时间300s，10-2灵敏度后运行。等待苯胺的聚合。
(4)将电镀有单质铜膜或者聚苯胺膜的带有石墨烯的聚酰亚胺膜转移到PDMS基底上：将步骤(1)获得的一个带有石墨烯的聚酰亚胺膜固定在培养皿底部后，撕下聚酰亚胺膜保留下来形成石墨烯作为应力传感器；分别将镀有聚苯胺和铜及激光诱导石墨烯膜接线连好后，将聚二甲基硅氧烷和和固化剂以10：1的比例混合后搅拌均匀，然后将搅拌好的混合物均匀倒在培养皿上，使应力传感单元被全部覆盖住；将培养皿放入真空机内，抽掉混合物内的空气；等待五分钟左右，在混合物将干未干的时候，将镀有单质铜膜或者聚苯胺膜的带有石墨烯的聚酰亚胺膜贴在PDMS基底表面后放在80°内的保温箱内8小时等待其完全干透后从培养皿中取下，撕掉表面的聚酰亚胺膜，制备形成温度传感模块和PH传感模块。
本发明聚苯胺与铜膜通过电化学方法电镀在激光诱导石墨烯膜上，再将三者一起封装在PDMS中，由于激光诱导石墨烯膜拉伸应变时电阻变化灵敏度高，聚苯胺与氢离子结合从而与参比电极产生电位差，铜导热使得电阻随温度变化，能实现伤口PH、温度以及撕裂状态的同时准确检测。
本发明的优点和有益之处在于：
本仪器所用的传感器为原创传感器，其中激光诱导石墨烯形成的表面平整度高，中间无断层，这样子就能够很好地保证了电路的连通性。
本发明的传感装置能同时检测伤口温度、PH、应力状态，检测效率高，准确性好。
本发明基本材料均为激光诱导石墨烯膜，激光诱导石墨烯膜成本低，电镀聚苯胺和铜的方法简单高效，可以实现大批量生产。
附图说明
图1是本发明伤口传感器模块的正面结构图；
图2是本发明伤口传感器模块的背面结构图；
图3是本发明伤口微环境检测装置的电气连接图。
图中：PDMS基底(1)、温度传感模块(2)、PH传感模块(3)、应力传感模块(4)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图3所示，具体实施包括伤口传感器模块、信号转换模块、信号传输模块、信号储存模块和电源模块，伤口传感器模块贴敷在伤口表面，伤口传感器模块的输出端依次经信号转换模块、信号传输模块、信号储存模块后和电源模块连接。
伤口传感模块包括PDMS基底1、温度传感模块2、PH传感模块3和应力传感模块4，分别形成聚苯胺检测PH模块、LIG检测伤口撕裂状态模块及铜膜检测伤口温度变化模块；温度传感模块2和PH传感模块3均置于PDMS基底1的正面，PDMS基底1的正面中心置有温度传感模块2，温度传感模块2两侧置有PH传感模块3，应力传感模块4置于PDMS基底1的背面。
如图1所示，温度传感模块2为镀有铜膜的激光诱导石墨烯膜，铜膜为V形膜，PH传感模块3包括参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜分别置于温度传感模块2的两侧，如图2所示，应力传感器4仅由激光诱导石墨烯膜构成，温度传感模块2、PH传感模块3和应力传感模块4的激光诱导石墨烯膜均贴附在PDMS基底1表面；PDMS基底1的正面贴敷在伤口，PDMS基底1的背面反向于伤口。参比电极采用激光诱导石墨烯膜。
应力传感器4的激光诱导石墨烯膜的两端均设有电极作为电信号输出，温度传感模块2的激光诱导石墨烯膜设有一电极作为电信号输出，PH传感模块3的参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜分别设有一电极作为电信号输出。各个电极均采用激光诱导石墨烯膜。
具体实施中，应力传感器4的激光诱导石墨烯膜为矩形，两端的电极为垂直于该矩形长度的方向的矩形，共同形成工字形。
信号转换模块为将电信号转换为数字信号的信号转换装置。可以转换电流与电压信号为数字信号。信号传输模块具有无线传输电路，能够将数字信号无线传输到信号储存模块。电源模块连接到温度传感模块2、PH传感模块3和应力传感模块4的电极上提供电压。
温度传感模块2的镀有铜膜的激光诱导石墨烯膜和PH传感模块3的镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，均采用以下方式制备形成到PDMS基底1表面上：先通过激光诱导法将石墨烯诱导在聚酰亚胺膜或者铜膜上形成覆盖有铜膜或者聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，然后将覆盖有铜膜或者聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜通过电化学方法电镀到石墨烯膜上，然后将石墨烯转移到PDMS基底1上。
本发明伤口传感器模块制备过程包括以下步骤：
(1)将石墨烯诱导于聚酰亚胺膜上：
将水溶胶和聚酰亚胺膜按顺序粘贴在载玻片同一面，通过CAD绘图软件绘制好需要的石墨烯图案，在激光机上诱导，设置扫描速度150mm/s，功率17w，切割速度21mm/s，功率17w后诱导在粘贴好的载玻片上。完成后置于水中2h等待水溶胶溶解脱落。制备获得带有石墨烯的聚酰亚胺膜。
(2)将铜溶液电镀到石墨烯膜上形成单质铜膜：
首先配置25g水，4g硫酸，5g硫酸铜混合而成水溶液作为铜溶液；
接着将带有石墨烯的聚酰亚胺膜夹放在样品夹子上，连接电极，阳极连接激光诱导石墨烯膜，将激光诱导石墨烯膜的一半浸入铜溶液之中，阴极连接pt电极，白色接口连接Ag/AgCl电极。
然后打开电化学工作站开关，打开电化学工作站，选择电聚合模式为it，设定电压-1V，时间300s，10-2灵敏度后运行，等待铜电镀到激光诱导石墨烯膜上。
(3)苯胺电聚合在石墨烯表面形成聚苯胺膜：
首先配置100g水，9.8g硫酸，0.93g苯胺混合而成水溶液作为苯胺溶液。
接着将带有石墨烯的聚酰亚胺膜夹放在样品夹子上。将激光诱导石墨烯膜连接到电极上，并且没有镀上铜的那一边浸入到水中，阴极连接pt电极，白色接口连接Ag/AgCl电极。
然后打开电化学工作站开关，打开电化学工作站，选择电聚合模式为it，设定电压1.5V，时间300s，10-2灵敏度后运行。等待苯胺的聚合。
(4)将电镀有单质铜膜或者聚苯胺膜的带有石墨烯的聚酰亚胺膜转移到PDMS基底1上：
将步骤(1)获得的一个带有石墨烯的聚酰亚胺膜固定在培养皿底部后，撕下聚酰亚胺膜保留下来形成石墨烯作为应力传感器4；
分别将镀有聚苯胺和铜及激光诱导石墨烯膜接线连好后，将聚二甲基硅氧烷和和固化剂以10：1的比例混合后搅拌均匀，然后将搅拌好的混合物均匀倒在培养皿上，使应力传感单元被全部覆盖住；将培养皿放入真空机内，抽掉混合物内的空气；等待五分钟左右，在混合物将干未干的时候，将镀有单质铜膜或者聚苯胺膜的带有石墨烯的聚酰亚胺膜贴在PDMS基底1表面后放在80°内的保温箱内8小时等待其完全干透后从培养皿中取下，撕掉表面的聚酰亚胺膜，制备形成温度传感模块2和PH传感模块3，完成封装。
步骤(2)中电聚合聚苯胺主要材料有蒸馏水、浓硫酸、苯胺。
步骤(3)中电聚合铜膜主要材料有单质铜、浓硫酸、硫酸铜、蒸馏水。
本发明装置检测伤口PH、温度、撕裂状态按照以下方式处理进行：
将PDMS基底1正面贴在伤口上，其中带有铜和聚苯胺膜的一面朝向伤口处并靠近伤口裂口，将接线连接在封装好后的接线处，然后依次连接信号转换模块、信号传输模块、信号储存模块及电源模块。
接通电源，设置电压为1V为参比电压，然后分别测量激光诱导石墨烯膜、聚苯胺和铜膜上测得的应变、PH和温度信号，通过信号转换装置转换为数字信号，然后传输到信号接收器上。
本发明的检测伤口撕裂状态测量原理如下：
温度传感模块2中，铜膜电镀到激光诱导石墨烯膜后随温度变化大且导热快，当伤口温度出现升高时，铜膜的电阻产生较大变化，进而和激光诱导石墨烯膜整体形成电阻的变化，由于电压保持不变，检测电流的变化就能实现对温度的监控。
应力传感模块4中，PDMS基底1在激光诱导石墨烯膜上自身内部的结构力较小，当伤口产生撕裂时，会导致PDMS基底1发生拉伸，从而使得激光诱导石墨烯膜产生形变，使得激光诱导石墨烯膜的自身电阻发生改变，由于电压保持不变，检测电流的变化能实现检测伤口应力的目的。
PH传感模块3中，伤口产生变化时，会有体液/血液流出或者渗出接触到聚苯胺膜，通过聚苯胺能检测伤口PH值，当PH降低时，由于质子酸分解产生的H+进入聚苯胺链状结构，形成不稳定的阳离子基，使得电势升高，在碱性溶液中进入聚苯胺链的H+离子被碱中和，电势降低。而参比电极的电势是维持不变的，检测电压差变化能通过聚苯胺检测伤口PH变化。

Claims (9)

1.一种伤口微环境检测装置，其特征在于：包括伤口传感器模块、信号转换模块、信号传输模块、信号储存模块和电源模块，伤口传感器模块贴敷在伤口表面，伤口传感器模块的输出端依次经信号转换模块、信号传输模块、信号储存模块后和电源模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种伤口微环境检测装置，其特征在于：所述伤口传感模块包括PDMS基底(1)、温度传感模块(2)、PH传感模块(3)和应力传感模块(4)，温度传感模块(2)和PH传感模块(3)均置于PDMS基底(1)的正面，PDMS基底(1)的正面中心置有温度传感模块(2)，温度传感模块(2)两侧置有PH传感模块(3)，应力传感模块(4)置于PDMS基底(1)的背面；所述温度传感模块(2)为镀有铜膜的激光诱导石墨烯膜，所述PH传感模块(3)包括参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜分别置于温度传感模块(2)的两侧，所述应力传感器(4)仅由激光诱导石墨烯膜构成，温度传感模块(2)、PH传感模块(3)和应力传感模块(4)的激光诱导石墨烯膜均贴附在PDMS基底(1)表面；PDMS基底(1)的正面贴敷在伤口，PDMS基底(1)的背面反向于伤口。
3.根据权利要求1所述的一种伤口微环境检测装置，其特征在于：
所述的参比电极采用激光诱导石墨烯膜。
4.根据权利要求1所述的一种伤口微环境检测装置，其特征在于：
所述应力传感器(4)的激光诱导石墨烯膜的两端均设有电极，所述温度传感模块(2)的激光诱导石墨烯膜设有一电极，PH传感模块(3)的参比电极和镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜分别设有一电极。
5.根据权利要求1所述的一种伤口微环境检测装置，其特征在于：
所述信号转换模块为将电信号转换为数字信号的信号转换装置。
6.根据权利要求1所述的一种伤口微环境检测装置，其特征在于：
所述信号传输模块具有无线传输电路，能够将数字信号无线传输到信号储存模块。
7.根据权利要求1所述的一种伤口微环境检测装置，其特征在于：
所述电源模块连接到温度传感模块(2)、PH传感模块(3)和应力传感模块(4)的电极上提供电压。
8.根据权利要求1所述的一种伤口微环境检测装置，其特征在于：
所述温度传感模块(2)的镀有铜膜的激光诱导石墨烯膜和所述PH传感模块(3)的镀有聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，均采用以下方式制备形成到PDMS基底(1)表面上：先通过激光诱导法将石墨烯诱导在聚酰亚胺膜或者铜膜上形成覆盖有铜膜或者聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜，然后将覆盖有铜膜或者聚苯胺膜的激光诱导石墨烯膜通过电化学方法电镀到石墨烯膜上，然后将石墨烯转移到PDMS基底(1)上。
9.根据权利要求8所述的一种伤口微环境检测装置，其特征在于：
所述的伤口传感器模块制备过程包括以下步骤：
(1)将石墨烯诱导于聚酰亚胺膜上：
将水溶胶和聚酰亚胺膜按顺序粘贴在载玻片同一面，通过CAD绘图软件绘制好需要的石墨烯图案，在激光机上诱导在粘贴好的载玻片上；完成后置于水中等待水溶胶溶解脱落，制备获得带有石墨烯的聚酰亚胺膜；
(2)将铜溶液电镀到石墨烯膜上形成单质铜膜：
首先配置硫酸和硫酸铜混合而成的铜溶液；接着将带有石墨烯的聚酰亚胺膜夹放在样品夹子上，连接电极，阳极连接激光诱导石墨烯膜，将激光诱导石墨烯膜的一半浸入铜溶液之中，阴极连接pt电极，白色接口连接Ag/AgCl电极；然后打开电化学工作站开关，打开电化学工作站将铜电镀到激光诱导石墨烯膜上；
(3)苯胺电聚合在石墨烯表面形成聚苯胺膜：
首先配置硫酸和苯胺混合而成的苯胺溶液，接着将带有石墨烯的聚酰亚胺膜夹放在样品夹子上，将激光诱导石墨烯膜连接到电极上，并且没有镀上铜的那一边浸入到水中，阴极连接pt电极，白色接口连接Ag/AgCl电极；然后打开电化学工作站开关，打开电化学工作站进行苯胺的聚合；
(4)将电镀有单质铜膜或者聚苯胺膜的带有石墨烯的聚酰亚胺膜转移到PDMS基底(1)上：
将步骤(1)获得的一个带有石墨烯的聚酰亚胺膜固定在培养皿底部后，撕下聚酰亚胺膜保留下来形成石墨烯作为应力传感器(4)；分别将镀有聚苯胺和铜及激光诱导石墨烯膜接线连好后，将聚二甲基硅氧烷和和固化剂以10：1的比例混合后搅拌均匀，然后将搅拌好的混合物均匀倒在培养皿上，使应力传感单元被全部覆盖住；将培养皿放入真空机内，抽掉混合物内的空气；等待五分钟左右，在混合物将干未干的时候，将镀有单质铜膜或者聚苯胺膜的带有石墨烯的聚酰亚胺膜贴在PDMS基底(1)表面后放在80°内的保温箱内8小时等待其完全干透后从培养皿中取下，撕掉表面的聚酰亚胺膜，制备形成温度传感模块(2)和PH传感模块(3)。
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