CN113397551A - 一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法。该电极材料包括天然皮革衬底1，涂覆于天然皮革衬底表面并渗入皮革衬底中的液态金属层2，以及涂覆在液态金属层表面用于固化和导电的银浆封装层3。皮革作为一种柔性材料具有多孔结构，通过真空抽滤方法使液态金属渗入孔洞之中，可以增加弯曲状态下皮革表面的导电性，提高皮革电极在不同皮肤状态下采集到的生物电信号的质量。液态金属是室温下呈液态的金属，兼备导电性、流动性和无限变形的能力，能够在任何形状下保持良好的导电性。该方法制备的基于液态金属的柔性皮革电极贴合人体皮肤，与皮肤形成保形接触，增大接触面积，减小电极与皮肤之间的阻抗，且具有可长期穿戴的优势。

Description

一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物电信号监测电极材料制备的技术领域，具体地说，涉及一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法。
背景技术
生物电是与生命状态密切相关的有规律的电现象，常见的生物电信号有心电、脑电、肌电等，是反应人体健康状况的一个重要参数指标，在临床诊断方面也发挥着越来越大的作用。传统用于生物电信号采集的干电极多为刚性材料，不能与皮肤产生保形接触，故监测到的信号噪声较大。而目前市面上最常见的Ag/AgCl凝胶电极有可能导致皮肤的过敏反应，且在空气中长期放置会干燥，造成较大的测量误差，因此不能在长期监测中使用。
因此，适应人体皮肤的柔性生物干电极应运而生，它可以适应人体组织的柔软特性，与皮肤形成保形接触，增大接触面积，进行长期监测。目前常见的柔性电极有织物电极，D Pani等人在“ Advanced Materials Technologies ”杂志第3卷第10期“ Survey onTextile Electrode Technologies for Electrocardiographic (ECG) Monitoring,fromMetal Wires to Polymers ”中对目前常见的纺织电极的制造工艺进行了综述，其制造工艺有用常规纺织纤维编织或缝合导电金属丝、利用含有金属离子的水溶液涂覆织物、以及利用溅射法涂覆织物三种。Nigusse等人在“Sensors ”杂志第20卷第21期“ Developmentof Washable Silver Printed Textile Electrodes for Long-Term ECG Monitoring ”中以针织棉和涤纶织物为原料，研制了用于心电监测的银印花织物电极，该电极不仅可以采集与标准电极质量相近的信号，还能进行水洗。但织物电极大多结构较复杂，对生产工艺要求较高，目前临床应用较少。
近年来，随着液态金属的应用，利用液态金属制作柔性电极的工艺也正在兴起，液态金属是室温下呈液态的金属，包括镓基合金、铋基合金等，具有很好的流动性和导电性，是制作柔性电极的理想材料。谢维昌在公开号为CN 111436932 A的专利中设计了一中液态金属脑电电极，包括导电凝胶层、接触点、导电屏蔽层、固定点和屏蔽导线等。利用液态金属代替导电胶作为接触介质，能够避免头发对电极固定和脑电测量的影响，获得更为纯净的脑电数据。任大勇等人在公开号为CN 110675972 A的专利中公开了一种液态金属电极及其制备方法，包括基底、盖板和用于导通电路的金属电路层，得到了高精度、任意图形、可拉伸的液态金属电极，解决了现有技术中难以利用液态金属得到可拉伸电极的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，解决上述提到的柔性干电极制作较复杂的问题。利用液态金属优异的导电性和流动性，提供一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法。选用多孔结构皮革材料作为衬底材料，液态金属进入皮革多孔结构中可以增加弯曲状态下皮革表面的导电性。与此同时，液态金属的独特性质可以降低电极和皮肤的接触阻抗，提高被测信号的信噪比或提高施加电刺激的均匀性，当皮肤纵向或横向变形时，液态金属的保形性可以保证电信号传输的质量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法，包括天然皮革衬底1液态金属层2银浆封装层3，所述的天然皮革1为衬底，皮革表面涂覆液态金属层2与银浆封装层3；所述的液态金属层2作为中间层；所述的银浆封装层3作为导电层直接与皮肤接触，并且将液态金属层2封装在天然皮革1表面。
上述的一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法，其中：所述的天然皮革衬底1需经无水乙醇擦洗。
上述的一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法，其中：所述的液态金属层2，所用的液态金属是镓铟合金或镓铟锡合金。在抽滤状态下将液态金属均匀涂抹在天然皮革表面，并保持一段时间，通过真空抽滤使液态金属渗透至天然皮革表面的毛孔中。利用液态金属常温下的流动性，增加弯曲状态下皮革表面的导电性，使其适用于不同的皮肤测量条件。
上述的一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法，其中：所述的银浆封装层3，在抽滤状态下将银浆均匀涂抹于液态金属层表面，室温下放置12小时以上，银浆固化，使其作为封装层和导电层。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果为：（1）皮革是天然柔性衬底材料，强度高，具有疏松多孔的结构，且价格低廉。液态金属渗透至皮革的孔洞之中，可以增加弯曲状态下皮革表面的导电性，赋予了电极更好的医用价值。
（2）液态金属作为常温下呈液态的金属，兼备优异的导电性和良好的流动性，既能满足电极应有的电学要求，又能与人体皮肤进行保形接触，可以增加与皮肤的接触面积，减小电极-皮肤阻抗，对信号进行更为准确的监测。
（3）银浆封装层在室温下干燥固化，形成固化的导电层与皮肤接触。该电极可以用于长期信号测量并且不会使皮肤产生过敏现象。
附图说明
附图1是本发明所述的一种液态金属柔性皮革电极材料的结构示意图，图中1. 天然皮革衬底，2. 液态金属层，3. 银浆封装层。
附图2为实施例1、2、3、4中天然猪皮革液态金属粒面/剖面电极与标准Ag / AgCl的电极-皮肤接触阻抗测试结果。
附图3为实施例1、2、3、4中天然牛皮革液态金属粒面/剖面电极与标准Ag / AgCl的电极-皮肤接触阻抗测试结果。
附图4为应用实施例1中天然猪皮革液态金属电极在静坐状态下的有线传输心电图。
具体实施方式
本发明一种基于液态金属的柔性皮革电极材料其制备方法，包括如下步骤：
1. 皮革表面处理：利用无水乙醇擦洗天然皮革，去除皮革表面的有机污染物。
2.液态金属层的制备：将天然皮革放置于抽滤装置上，将液态金属涂覆至天然皮革表面，并保持一段时间，通过真空抽滤使液态金属渗入皮革表面的毛孔之中，增加弯曲状态下皮革表面的导电性。
3.银浆封装层的制备：继续保持抽滤状态，将银浆均匀涂覆至液态金属表面，关闭抽滤，室温下放置12小时以上，形成固化的银浆层，银浆层对液态金属进行封装，同时兼具导电的作用。
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【实施例1】
1.利用无水乙醇擦洗天然猪皮革粒面。
2.将液态金属在抽滤条件下涂覆于猪皮革粒面，并保持一段时间，使得一部分液态金属进入皮革粒面的毛孔之中。
3.继续保持抽滤状态，将银浆均匀涂覆至液态金属表面，关闭抽滤，室温下放置12小时以上，形成固化的银浆层。
将制备好的天然猪皮革粒面液态金属电极材料切割为直径为20 mm的圆形信号检测部分及7 mm宽的电极引出端，在人体前臂测量电极的电极-皮肤接触阻抗。首先使用临床常用的Ag/AgCl凝胶电极测试电极-皮肤阻抗，设置参数为测量电平1 V，起始频率20 Hz，终止频率1000 Hz，频率采样间隔为5 Hz。然后使用制得的天然猪皮革粒面液态金属电极进行电极-皮肤阻抗测试，设置的参数均与Ag/AgCl凝胶电极一致。
阻抗数据图附图2显示在5 Hz的采样间隔下，天然猪皮革粒面液态金属电极的阻抗与标准电极相近，表明制备的液态金属电极作为干电极，能获得接近湿电极的阻抗。
【实施例2】
1.实施例2中液态金属皮革电极材料的制作过程参考实施例1，只是将猪皮革粒面换为猪皮革剖面，制作了天然猪皮革剖面液态金属电极。
天然猪皮革剖面液态金属电极的电极-皮肤阻抗测试过程及实验参数，同样参考实施例1 。
阻抗数据图附图2显示在5 Hz的采样间隔下，天然猪皮革剖面液态金属电极的阻抗比标准电极略小，表明制备的液态金属电极作为干电极，取得了比湿电极更小的阻抗。
【实施例3】
1.实施例3中液态金属皮革电极材料的制作过程参考实施例1，只是将猪皮革粒面换为牛皮革粒面，制作出了天然牛皮革粒面液态金属电极。
天然牛皮革粒面液态金属电极的电极-皮肤阻抗测试过程及实验参数，同样参考实施例1 。
阻抗数据图附图3显示在5 HZ的采样间隔下，天然牛皮革粒面液态金属电极与标准电极的阻抗十分接近，表明制备的液态金属电极作为干电极，取得了接近湿电极的阻抗。
【实施例4】
1.实施例3中液态金属皮革电极材料的制作过程参考实施例1，只是将猪皮革粒面换为牛皮革剖面，制作出了天然牛皮革剖面液态金属电极。
天然牛皮革剖面液态金属电极的电极-皮肤阻抗测试过程及实验参数，同样参考实施例1 。
阻抗数据图附图3显示在5 HZ的采样间隔下，天然牛皮革剖面液态金属电极的阻抗则大于标准电极，表明牛皮剖面液态金属电极作为干电极，由于其表面非常粗糙，在没有施加压力的前提下不能与皮肤形成良好接触，因此获得了大于湿电极的阻抗。
应用实施例1:
将实施例1的猪皮革粒面电极，设计成适合有线心电图监测的形状。将液态金属猪皮革粒面电极分别放置于左臂、右臂和左腿上，进行心电图测试。电极与皮肤接触五分钟后，采集静坐状态下的心电信号，并与标准Ag/AgCl电极有线传输采集到的心电图做对照。获得的心电信号见附图4，结果表明，在静坐状态下，液态金属猪皮革粒面电极与标准Ag/AgCl电极采集到的心电图之间没有显著差异，P、QRS和T波都清晰可辨。由此证明了液态金属猪皮革粒面电极可以获得质量较好的心电图。

Claims (2)

1.一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：使用无水乙醇擦洗天然皮革，去除皮革表面的有机污染物；液态金属层的制备：使用抽滤装置，在抽滤状态下将液态金属涂覆至天然皮革表面，保持一定时间，使液态金属渗入皮革的毛孔之中；银浆封装层的制备：继续保持抽滤状态，将银浆均匀涂覆至液态金属表面，关闭抽滤，室温下放置12小时以上，银浆固化，对液态金属进行封装，同时兼具导电的作用。
2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的柔性皮革电极材料及其制备方法，其特征在于使用的液态金属是镓铟合金或镓铟锡合金，在室温下呈液态，具有较好流动性。
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