CN113854989A - 用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，包括依次连接的敏感单元结构层、叉指电极层和柔性膜层；敏感单元结构层，其包括基体、设置在基体中且用于容置药液的空腔以及与空腔连通的喷嘴扩散阀，所述基体上具有受按压而挤出空腔中药液的多个凸起结构，在所述多个凸起结构的表面设置有导电膜层；叉指电极层，其与控制器件电气连接，所述叉指电极与所述导电膜层连接；以及柔性膜层，其覆盖在所述叉指电极层上。本发明结构简单、使用方便，通过机电液耦合将传感与执行功能集成到一个元件中，实现了用于健康监测的柔性可穿戴器件的小型化与便携性。
Description
技术领域
本发明属于可穿戴器件的技术领域，具体涉及一种用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件。
背景技术
小型化、便携性以及智能化是可穿戴器件发展的必然趋势。电子皮肤作为一种典型的可穿戴器件，由于其良好的灵活性和卓越的类皮肤感知性能，在健康监测、可穿戴电子方面有很大的应用前景。然而，在健康监测系统中不仅需要对外部信号的精确感知能力，也需要对外部信号做出智能化响应的能力。为了满足这些领域日益增长的智能化需求，电子皮肤作为传感器必须与信号传输、处理器和执行器结合，组成基于传感器—处理器—执行器的多组件柔性智能可穿戴系统。由于多元件的存在，这种系统存在体积大、反应不迅速、柔韧性不足、可靠性不高、便携性差等问题。尽管现有研究采用多模态电子皮肤或集成度高的电子元件以简化智能可穿戴系统，但系统仍至少包含电子皮肤、处理器和执行器三个元件，限制了系统的进一步简化。此外，柔性系统的小型化往往伴随着系统功能和智能的退化。因此构建用于健康监测的小型化、便携性以及智能化的可穿戴器件是一个巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，该可穿戴器件通过机电液耦合将传感与执行功能集成到一个元件中，实现了用于健康监测的柔性可穿戴器件的小型化与便携性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，包括依次连接的敏感单元结构层、叉指电极层和柔性膜层；
敏感单元结构层，其包括基体、设置在基体中且用于容置药液的空腔以及与空腔连通的喷嘴扩散阀，所述基体上具有受按压而挤出空腔中药液的多个凸起结构，在所述多个凸起结构的表面设置有导电膜层；
叉指电极层，其与控制器件电气连接，所述叉指电极与所述导电膜层连接；以及
柔性膜层，其覆盖在所述叉指电极层上。
进一步地，所述基体还包括朝向人体皮肤设置的底层，所述多个凸起结构与所述底层连接形成所述空腔，在所述基体上还设置有与所述空腔连通的微通道，所述喷嘴扩散阀与所述微通道连接。
进一步地，所述凸起结构为半球形结构，所述喷嘴扩散阀的内径随着远离所述空腔逐渐减小。
进一步地，所述基体采用有机绝缘材料制成。
进一步地，所述基体采用聚二甲基硅氧烷、热塑性弹性体、硅胶中的一种制成。
进一步地，所述导电膜层由碳黑、碳纳米管、石墨烯、纳米金颗粒或银纳米线中的一种制成。
进一步地，所述叉指电极由金属材料或者导电性良好的非金属材料制成。
进一步地，所述叉指电极由铜、铝、银、金中的一种制成。
进一步地，所述叉指电极由氧化铟锡制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明具有小型化与便携性的特点，其通过机电液耦合将传感与执行功能集成到一个元件中，实现了用于健康监测的柔性可穿戴器件的小型化与便携性；
2、本发明具有高灵敏度，该穿戴器件的柔性敏感单元表面具有类皮肤的半球形结构，可在外力作用下，产生相对较大的变形，引起应力集中，从而实现了高灵敏度。同时敏感单元内部具有中空结构，降低了柔性基底的刚度，使得敏感单元容易变形，进一步提高了器件的传感性能；
3、本发明具有实时原位智能响应能力，本发明的穿戴器件利用类皮肤微通道存储液体，当穿戴器件受到外部压力时，凸起结构受压使得空腔结构的体积发生变化，空腔内的液体随之流动作出响应，实现了对外界刺激的实时原位智能响应，能够实现智能注射药物功能。
附图说明
图1为本发明实施例中可穿戴器件的结构示意图；
图2为本发明实施例中可穿戴器件的敏感结构单元的扫描电镜图，其中，(1)为SEM俯视图，(2)SEM截面图，(3)导电金膜表面；
图3为本发明实施例中可穿戴器件的灵敏度检测结果图；
图4为本发明实施例中可穿戴器件的输出液量结果图，其中，(1)是输液量随不同外部压力的试验结果图；(2)输液量随不同相对电流变化变化的实验结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，包括依次连接的敏感单元结构层、叉指电极层和柔性膜层。敏感单元结构层包括基体、设置在基体中且用于容置药液的空腔10以及与空腔10连通的喷嘴扩散阀11。为了方便敏感单元结构受压而挤压药液，基体上具有受按压而挤出空腔中药液的多个凸起结构，具体地，基体包括底层12以及与底层12连接形成空腔的多个凸起结构，在本实施例中，该凸起结构为半球形结构13，该半球形结构13与底层12连接在其内侧形成空腔10，空腔10内根据需要可注入液体药物。为了方便药液的定向流出，基体内还设置有与空腔10连通的微通道14，喷嘴扩散阀11设置在微通道14的出口处，微通道14的口径小于空腔10的内径，而喷嘴扩散阀11的内径则随着远离空腔10逐渐减小，这样的结构设置使得空腔10内部的液体流动出现流速差，以实现液体药物的定向输运。此外，在每个半球形结构13的表面喷涂一层纳米导电膜层15从而方便控制半球形结构13的变形以挤出药物，其中纳米导电膜层15由导电性良好的材料制成，如碳黑、碳纳米管、石墨烯、纳米金颗粒或银纳米线等。基体则采用柔韧性和弹性优良的有机绝缘材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性弹性体(TPE)、硅胶等。叉指电极层20与纳米导电膜层15连接，其接收到电信号后传递给纳米导电膜层15，纳米导电膜层15再刺激半球形结构13变形挤出药液，在使用时，叉指电极层20与控制器件连接。叉指电极层20采用导电性良好的材料制成，如铜、铝、银、金等金属或氧化铟锡等非金属材料，电极结构形式为叉指状。柔性膜层30覆盖在叉指电极层20上，在保护叉指电极层20和敏感单元结构层的同时实现绝缘，柔性膜层采用具有较好柔韧性的热塑性材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)或者聚碳酸酯(PC)等。
本发明还提供一种用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备一片平整的柔性膜层30，在柔性膜层30的表面上采用印刷工艺制备一层叉指电极层20；
(2)取柔性基体，采用增材制造工艺在柔性基体上加工出上表面具有多个半球型结构13、内部带有相互连接空腔10和微通道14以及在微通道14的出口处加工出随着远离空腔10内径逐渐减小的喷嘴扩散阀11的敏感单元结构层；
(3)将液体药物注射进空腔10内；
(4)采用喷涂法在柔性基体的半球型结构12表面均匀涂覆一层导电性良好的纳米导电膜层15；
(5)将柔性膜层30上的叉指电极层20与敏感单元结构层上的导电膜层15面对面贴附在一起，采用封装胶将两者封装即完成可穿戴器件的组装。组装完成后，可将该穿戴器件附着在心脏、桡动脉等处，该穿戴器件在测量心跳、脉搏数据的同时受到外界的压力，其上的半球形结构变形持续稳定地向外注射内部药物。
下面结构具体的实施例来对集传感与执行功能于一体的可穿戴器件的制备方法进行说明。
实施例1
1)采用丝网印刷工艺将导电银油墨印刷在10mm×10mm×0.1mm的PI基底上，形成一层厚度为12μm、线宽和线距均为1.5mm的叉指电极层；
2)采用FDM 3D打印机，打印出10mm×10mm×2mm的柔性聚合物基体，基体上表面分布有4×4的半球形结构阵列，单个半球形结构的半径是1mm，基体内部是相互连接的微通道和4×4空腔，微通道出口处设置喷嘴扩散阀；
3)将液体注射进柔性基体的空腔内；
4)采用喷涂法在柔性基体的半球形结构上表面均匀喷涂纳米金颗粒，形成一层导电金膜，其扫描电镜图像如图2所示；
5)将柔性膜层上的叉指电极层与柔性基体上的导电膜层面对面贴附在一起，采用封装胶将两者封装即完成可穿戴器件的组装。
为了验证该穿戴器件的传感功能和执行功能，本申请人还进行了以下试验：
a、传感功能测试：将穿戴器件置于万能试验机的压头下，以5mm/min的速度压缩穿戴器件，记录不同外部压力下，穿戴器件相对电流变化的试验结果如图3所示，由图4可以得到器件的灵敏度为1363.902kPa-1(0-5kPa)。
b、执行功能测试：将穿戴器件置于万能试验机的压头下，以5mm/min的速度压缩器件，空腔中的液体药物受压往微通道的出口处流动，记录不同外部压力下，穿戴器件输出液量的试验结果如图4(1)所示。从图4(1)中可以看出，随着外部压力的增加，单个循环的输出液量基本呈线性增加，同时还可以通过外部压力引起的相对电流变化来监测穿戴器件的输出液量，其试验结果如图4(2)所示，从图4(2)中可以看出随着电流增加，单个循环的输液量逐渐增加。
以上试验结果证明了该集传感与执行功能于一体的可穿戴器件具有健康监测系统的精准定向注射药物的能力。
实施例2
1)采用丝网印刷工艺将碳纳米管导电油墨印刷在10mm×10mm×0.1mm的PI基底上，形成一层厚度为12μm、线宽和线距均为1.5mm的叉指电极层；
2)采用FDM 3D打印机，打印出10mm×10mm×2mm的柔性聚合物基体，基体上表面分布有4×4的半球形结构阵列，单个半球形结构的半径是1mm，基底内部是相互连接的微通道和4×4空腔，微通道出口处设置喷嘴扩散阀；
3)将液体注射进柔性基体的空腔内；
4)采用喷涂法在柔性基体的半球形结构上表面均匀喷涂石墨烯纳米片，形成一层石墨烯导电膜；
5)将柔性膜层上的叉指电极层与柔性基体上的导电膜层面对面贴附在一起，采用封装胶将两者封装即完成可穿戴器件的组装。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，包括依次连接的敏感单元结构层、叉指电极层和柔性膜层；
敏感单元结构层，其包括基体、设置在基体中且用于容置药液的空腔以及与空腔连通的喷嘴扩散阀，所述基体上具有受按压而挤出空腔中药液的多个凸起结构，在所述多个凸起结构的表面设置有导电膜层；
叉指电极层，其与控制器件电气连接，所述叉指电极与所述导电膜层连接；以及
柔性膜层，其覆盖在所述叉指电极层上。
2.根据权利要求1所述的用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，所述基体还包括朝向人体皮肤设置的底层，所述多个凸起结构与所述底层连接形成所述空腔，在所述基体上还设置有与所述空腔连通的微通道，所述喷嘴扩散阀与所述微通道连接。
3.根据权利要求1所述的用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，所述凸起结构为半球形结构，所述喷嘴扩散阀的内径随着远离所述空腔逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，所述基体采用有机绝缘材料制成。
5.根据权利要求4所述的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，所述基体采用聚二甲基硅氧烷、热塑性弹性体、硅胶中的一种制成。
6.根据权利要求1所述的用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，所述导电膜层由碳黑、碳纳米管、石墨烯、纳米金颗粒或银纳米线中的一种制成。
7.根据权利要求1所述的用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，所述叉指电极由金属材料或者导电性良好的非金属材料制成。
8.根据权利要求7所述的用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，所述叉指电极由铜、铝、银、金中的一种制成。
9.根据权利要求7所述的用于药物注射的集传感与执行功能于一体的可穿戴器件，其特征在于，所述叉指电极由氧化铟锡制成。
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