CN112480318A - 一种导电水凝胶及基于其的健康检测传感器制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导电水凝胶及基于其的健康检测传感器制备方法，涉及医疗器械技术领域。该导电水凝胶的制备方法如下：在海藻酸钠和羧甲基纤维素钠的混合溶液中，加入丙烯酰胺、氯化锂、交联剂、引发剂后搅拌均匀，经消泡处理后在40℃真空烘箱中静置3小时。该导电水凝胶及导电水凝胶传感器的制备方法，其原料价格低廉、环境友好，制备的导电水凝胶兼具了良好的韧性、抗冻性和高电导率，这一突破使得该水凝胶能够广泛应用于柔性电子器件、电子皮肤、生物电化学传感器等，也可在人体健康检测和运动康复上得到快速应用，具备优异的市场前景。

Description

一种导电水凝胶及基于其的健康检测传感器制备方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体为一种导电水凝胶及基于其的健康检测传感器制备方法。
背景技术
水凝胶是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它有极好的灵敏度和极好的拉伸韧性。
柔性应变传感器作为柔性电子器件的核心部件，在电子皮肤、人体健康检测和疾病诊断、植入式设备、人机交互系统、等方面有广阔的应用前景，已成为水凝胶材料领域的重点研究方向。在实际应用中，确保传感信号的灵敏度和可靠性非常重要，这对水凝胶的应变灵敏度和线性响应提出了很高的要求，也是当前大多数水凝胶应力应变传感器面临的重要问题。如何在实现高可拉伸性的同时保证线性高灵敏度仍是目前面临的挑战。其关键在于合理地设计水凝胶网络和导电网络，并在二者之间构筑协同响应机制，在保证高韧性的同时，又使导电网络随着应变而发生及时响应，从而获得高灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种导电水凝胶传感器的制备方法，针对人体的各项活动特点，很好的黏附在皮肤上，水凝胶传感器具有良好的柔韧性和敏感性能，在身体发生动作时，其微小变化会引起导电水凝胶的形变，从而利用导电水凝胶形变时的电阻变化来实现运动监测。
为实现发明目的，本发明提供了一种导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶解：把一定量的海藻酸钠和羧甲基纤维素钠加入去离子水中在70°C搅拌6小时，得到接近透明的、略有粘稠的样品溶液；
(2)制备：加入一定量的丙烯酰胺、氯化锂、聚乙二醇、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵后搅拌均匀；
(3)超声：将搅拌均匀的溶液置于细胞超声器中超声，然后加入N,N,N,N-四甲基乙二胺搅拌均匀；
(4)用5支1毫升和5支2.5毫升的针管将即将凝胶化的液体吸入，放入40°C真空烘箱3小时，导电水凝胶制备完成。
优选的，所述去离子水、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、氯化锂、丙烯酰胺、聚乙二醇、N,N亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二胺后搅拌均匀，质量比为1:(0.002~0.005):(0.002~0.004):(0.1~0.5):(0.2~0.3):(0~0.015)(0.0001~0.0015):(0.0007~0.0015):(0~0.001)。
一种导电水凝胶及基于其的健康检测传感器制备方法，该导电水凝胶可用于人体健康检测和运动康复检测，将条状导电水凝胶用绝缘胶布粘在身体上，脉搏、颈部、手指、手腕、手肘和膝盖位置，导电水凝胶两端分别位于关节两侧活动端，导电水凝胶两端分别与电阻示波器两极相连，观察脉搏、颈部、手指、手腕、手肘和膝盖运动过程中的电阻变化情况，伴随人体关节运动导电水凝胶被拉伸过程中产生的电阻变化为传感器数据，实现运动康复行为的监测，监测人体关节运动数据。
本发明具备以下有益效果：
(1)该导电水凝胶传感器制备方法，基于制备水凝胶的原理，用海藻酸钠和羧甲基纤维素钠溶解于去离子水中，并加入丙烯酰胺、氯化锂、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二胺，用混合搅拌的物理方法获得超高韧性导电水凝胶。传统制备方法需要聚合物种类繁多且方法复杂，而本方法简单易行，水凝胶原料价格低廉、环境友好，制备的导电水凝胶兼具了优秀的拉伸韧性、抗冻性和极高的电导率，这些突破使得该水凝胶能够广泛应用于柔性电子器件,电子皮肤,生物电化学传感器等，也可在人体健康检测和运动康复上得到快速应用，具备优异的市场前景;
(2)该导电水凝胶传感器制备方法，利用本导电水凝胶所具备的柔性、高导电性、优异的拉伸性、良好的生物相容性和对应力敏感的响应性等特点制备健康检测柔性传感器，与电阻示波器连接，通过检测水凝胶电阻变化来得到人体运动数据，拥有良好的性能，监测数据反馈速度快，更贴合人体，可得到更精准的人体运动数据，更利于运动康复的诊断与数据监测。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。
实施例1：
把一定量羧甲基纤维素钠和海藻酸钠在70°C下加到去离子水中搅拌6小时后，形成了半透明的、粘稠的样品溶液，去离子水、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、氯化锂、丙烯酰胺、聚乙二醇、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二胺后搅拌均匀，质量比为1:0.003：0.002：0：0.22：0：0.0013：0.0012：0；用5支1毫升和5支2.5毫升的针管吸取半凝胶状态的液体，将其放入40°C真空烘箱三小时；三小时后将其取出放置室温；配置0.1mol/L的FeCl3溶液，常温下将做好的条状水凝胶置于0.1mol/L的FeCl3溶液中12小时，得到导电水凝胶。将制备出的导电水凝胶用绝缘胶布粘在手指上进行关节监测运动，并与电阻示波器相连，观察手指运动过程中的电阻变化情况，实现运动康复行为的监测；
此方案下制备的水凝胶的断裂伸长率为460％，电导率为2.3145 S/m，并有很好的拉伸强度。
实施例2：
把一定量羧甲基纤维素钠和海藻酸钠在70°C下加到去离子水中搅拌6小时后，形成了半透明的、粘稠的样品溶液，去离子水、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、氯化锂、丙烯酰胺、聚乙二醇、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二胺后搅拌均匀，质量比为1:0.0035：0.0025：0.2：0.22：0.007：0.00033：0.0012：0.005；用5支1毫升和5支2.5毫升的针管吸取半凝胶状态的液体，将其放入40°C真空烘箱三小时；三小时后将其取出放置室温；配置0.1mol/L的FeCl3溶液，常温下将做好的条状水凝胶置于0.1mol/L的FeCl3溶液中12小时，得到导电水凝胶。将制备出的导电水凝胶用绝缘胶布粘在手指上进行关节监测运动，并与电阻示波器相连，观察手指运动过程中的电阻变化情况，实现运动康复行为的监测；
此方案下制备的水凝胶的断裂伸长率为513％，电导率为7.4139 S/m，并有很好的拉伸强度。
实施例3：
把一定量羧甲基纤维素钠和海藻酸钠在70°C下加到去离子水中搅拌6小时后，形成了半透明的、粘稠的样品溶液，去离子水、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、氯化锂、丙烯酰胺、聚乙二醇、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二胺后搅拌均匀，质量比为1:0.003：0.003：0.3：0.22：0.01：0.00016：0.00113：0.00067；用5支1毫升和5支2.5毫升的针管吸取半凝胶状态的液体，将其放入40°C真空烘箱三小时；三小时后将其取出放置室温，得到导电水凝胶。将制备出的导电水凝胶用绝缘胶布粘在手指上进行关节监测运动，并与电阻示波器相连，观察手指运动过程中的电阻变化情况，实现运动康复行为的监测；
此方案下制备的水凝胶的断裂伸长率为2416％，电导率为8.7514 S/m，并有很好的拉伸强度。
实施例4：
把一定量羧甲基纤维素钠和海藻酸钠在70°C下加到去离子水中搅拌6小时后，形成了半透明的、粘稠的样品溶液，去离子水、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、氯化锂、丙烯酰胺、聚乙二醇、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二胺后搅拌均匀，质量比为1:0.003：0.002：0.5：0.22：0.013：0.00013：0.00113：0.00067；用5支1毫升和5支2.5毫升的针管吸取半凝胶状态的液体，将其放入40°C真空烘箱三小时；三小时后将其取出放置室温，得到导电水凝胶。将制备出的导电水凝胶用绝缘胶布粘在手指上进行关节监测运动，并与电阻示波器相连，观察手指运动过程中的电阻变化情况，实现运动康复行为的监测；
此方案下制备的水凝胶的断裂伸长率为1687％，电导率为12.3457 S/m，并有很好的拉伸强度。

Claims (5)

1.一种导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)溶解：把一定量的海藻酸钠和羧甲基纤维素钠加入去离子水中在70°C下搅拌6个小时，得到接近透明的、略有粘稠的样品溶液；
(2)制备：加入一定量的丙烯酰胺、氯化锂、聚乙二醇、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵后搅拌均匀；
(3)超声：将搅拌均匀的溶液置于细胞超声器中超声1小时，然后加入N,N,N,N-四甲基乙二胺搅拌均匀；
(4)用5支1毫升和5支2.5毫升的针管将即将凝胶化的液体吸入，放入40°C真空烘箱3个小时，导电水凝胶制备完成。
2.根据权利要求1所述的一种导电水凝胶的制备方法，其特征在于：在制备溶液过程中将羧甲基纤维素钠和海藻酸钠按一定比例在70°C下搅拌均匀。
3.根据权利要求1所述的一种导电水凝胶的制备方法，其特征在于：所述去离子水、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、氯化锂、丙烯酰胺、聚乙二醇、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N,N,N-四甲基乙二胺后搅拌均匀，质量比为1:(0.002~0.005):(0.002~0.004):(0.1~0.5):(0.2~0.3):(0~0.015)(0.0001~0.0015):(0.0007~0.0015):(0~0.001) 。
4.一种导电水凝胶及基于其的健康检测传感器制备方法，该导电水凝胶具有良好的传感性能，被成功应用于监测人体运动或生理信号，包括脉搏，呼吸、声带震动以及关节运动。
5.其特征在于：将导电水凝胶用绝缘胶布粘在身体上，脉搏、颈部、手指、手腕、手肘和膝盖位置，导电水凝胶两端分别位于关节两侧活动端，导电水凝胶两端分别与电阻示波器两极相连，伴随关节运动导电水凝胶被拉伸过程中产生的电阻变化为传感器数据。
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