CN114343652A - 一种粘弹体表干电极、粘弹导电材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了柔性电极领域的一种粘弹体表干电极、粘弹导电材料及其制备方法。该粘弹导电材料包括粘弹硅胶和导电填料。本发明进一步公开了由粘弹导电材料制备得到的粘弹体表干电极。本发明粘弹体表干电极实现了电极的半流动性、可塑型性和可拉伸性，可以被重复塑型使用，解决了湿电极变干和过敏的问题，可用于电信号的长期监测；静态和动态拉伸中电极界面阻抗不稳定，电信号精确采集困难；皮肤大变形下的电信号监测困难；毛发对心电、肌电、脑电信号的干扰问题。
Description
技术领域
本发明属于柔性电极领域，具体涉及一种粘弹体表干电极、粘弹导电材料及其制备方法。
背景技术
人类的脑部特征、心跳及肌肉收缩等活动都伴随着电信号的产生，通过在体表放置界面电极可采集获得相应的脑电、心电和肌电信号。由于无创体表电信号监测规避了植入式电极的感染风险，被大众广泛接受，在科学研究和日常医疗中具有明显优势。体表电极作为电信号监测系统的重要元件，严重影响着监测信号质量。在监测过程中，由于运动和毛发的影响，电极与皮肤界面容易产生滑移和空隙，造成界面稳定性差，即使采用电路设计和算法优化，也无法完全消除界面滑移带来的运动伪迹。因此，制备能够在运动形变中与皮肤共形随动的高性能的体表电极具有重要意义。
体表电极可以分为湿电极和干电极。传统湿电极存在两方面的缺陷，不能满足长期监测的需求：①由于水凝胶的存在，随着时间的延长，凝胶脱水变干而失去导电性，不适于长期应用场景。②湿电极与皮肤长期接触会导致严重的皮肤过敏问题。即使一些研究通过提高水凝胶交联网络密度和半干结构设计来延缓湿电极的变干速率，也无法避免湿电极长期接触皮肤导致皮肤过敏的问题。干电极作为无水器件，其导电性能长期稳定，但受限于电极-皮肤之间长期共形贴附的问题，其界面阻抗不稳定：硬质干电极存在着监测过程中与皮肤产生滑移、界面阻抗不稳定的问题，也不适合长期监测；柔性干电极因其柔性聚合物的特质，与皮肤生物相容性好，柔软舒适，正逐渐成为体表电信号长期监测的选择方案，但长期监测中，体表出汗和运动干扰造成电极与皮肤之间贴附性能变差，甚至引起电极脱落。
商用导电凝胶是一种含水量高于80％的粘稠导电流体，充当皮肤与电极的界面导电层，在心电、肌电、脑电的监测中均有应用。但是导电凝胶含水量高，容易变干变硬，丧失导电性，造成监测失效。
商用贴片电极将Ag/AgCl硬质电极和导电凝胶封闭在胶纸里，一般进行单通道静态心电和肌电监测。但是商用贴片电极不具备拉伸导电性，在监测大变形动作的肌电时，容易与皮肤脱附，造成信号丢失；对于体毛旺盛的皮肤位置，需要提前剃毛备皮，对受试者造成困扰，浪费时间。
薄膜电极通常在聚合物薄膜的表面沉积金属或者碳材料制得，一般用于心电和肌电监测。但是薄膜电极形状固定，无法依靠场景进行塑型；一次性使用，无法重复利用；无法用于体毛旺盛的皮肤位置的电信号监测。
发明内容
为了解决体表电极的长期导电不稳定性的问题，大变形动作下肌电信号的监测困难问题；解决毛发对电信号监测的干扰问题；解决体表柔性电极的任意塑型问题和无法重复利用问题。本发明的目的是提供一种粘弹体表干电极、粘弹导电材料及其制备方法。具体方案如下：
本发明第一方面提供一种粘弹导电材料，包括粘弹硅胶和导电填料。
进一步地，所述粘弹硅胶与导电填料的质量比为20:1～5:1。
进一步地，所述弹性硅胶为如式I所示的硼酸化聚二甲基硅氧烷；
优选地，所述导电填料选自碳纳米管、碳纤维和炭黑中的一种或几种；
优选地，所述导电填料为碳纳米管和炭黑的组合或碳纤维和炭黑的组合；
优选地，所述碳纳米管和炭黑的质量比为9:1～7:3；
优选地，所述碳纤维和炭黑的质量比为9:1～7:3。
本发明第二方面提供一种粘弹导电材料的制备方法，包括如下步骤：
山梨糖醇、硼酸和双羟基封端的聚二甲基硅氧烷混合均匀后，于180～210℃交联缩合反应60～120min，得到粘弹硅胶；
将粘弹硅胶和导电填料分散于有机溶剂中，得到分散液；
挥发分散液中的有机溶剂，即得粘弹导电材料。
进一步地，所述山梨糖醇、硼酸和双羟基封端的聚二甲基硅氧烷的质量比为(0.1～0.4):(0.1～0.2)：10。
进一步地，所述交联缩合反应在鼓风干燥箱中进行；
交联缩合反应在静置条件下进行。
进一步地，所述有机溶剂为乙酸乙酯、二氯甲烷或三氯甲烷。
进一步地，所述分散采取的手段为：在冰浴条件下，超声和搅拌60～120min；
优选地，所述超声的功率为400W，频率为25kHz；
优选地，所述搅拌采用磁力搅拌器，转速为500rpm。
本发明第三方面提供所述粘弹导电材料或所述制备方法制备得到的粘弹导电材料作为体表干电极的应用。
本发明第四方面提供一种粘弹体表干电极，由所述粘弹导电材料或所述制备方法制备得到的粘弹导电材料制备得到。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的粘弹导电材料，采用炭黑、碳纤维或碳纳米管的混合填料作为导电网络，以粘弹硅胶为基底，实现粘弹导电材料的半流动性、可塑型性和可拉伸性。本发明首次将该粘弹导电材料用作人体电信号采集电极，制备及使用方便。
山梨糖醇的加入，实现粘弹导电材料的粘性的提升，模量的降低，在作为体表干电极使用时，可实现粘弹干电极与皮肤的可逆共形贴附，达到循环使用的目的。
2、本发明提供的粘弹体表干电极基于材料的粘弹特性，实现电极的半流动性、可塑型性和可拉伸性，可以被重复塑型使用，可以在静态和动态皮肤形变下达到电极与皮肤的共形随动，实现电极-皮肤界面的稳定，解决了(1)湿电极变干和过敏的问题，可用于电信号的长期监测：本发明所使用电极为无水干电极，自身阻抗稳定，由与人体生物相容性良好的聚二甲基硅氧烷构成，不会释放有害物质，对人体皮肤无伤害。(2)静态和动态拉伸中电极界面阻抗不稳定，电信号精确采集困难：本发明所使用的粘弹电极具有半流动性质，可以填充皮肤纹理，并且在静态和动态拉伸下与皮肤共形随动，不会发生脱附和空隙的产生，界面阻抗稳定。(3)皮肤大变形下的电信号监测困难：本发明所使用的的粘弹电极力学模量低，柔软可拉伸，可拉伸率达20倍以上，适合皮肤大变形下的电信号监测。(4)毛发对心电、肌电、脑电信号的干扰问题：本发明基于粘弹电极的半流动性，可以穿透毛发，直达皮肤，解决毛发对电信号监测的干扰问题。
3、与商用导电凝胶相比，本发明所涉及的粘弹电极为无水干电极，使用过程中性能稳定，不随时间的延长发生性能的退化。
与商用贴片电极相比，本发明所涉及的粘弹电极柔软可拉伸，与皮肤共形随动，适应毛发处和大形变下的电生理信号监测，并可通过辊涂工艺制备多通道体表柔性电极。
与薄膜电极相比，本发明所涉及的粘弹电极可以任意塑型，满足大部分场景需求，使用方便。
附图说明
图1为粘弹电极的制备流程图；
图2为粘弹电极的可塑型性结果图；
图3显示回收使用100次过程中粘弹电极的界面阻抗。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明，现参照下列实施例及附图进一步描述本发明。实施例仅用于解释而不以任何方式限制本发明。实施例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。
实施例1
本实施例提供一种粘弹体表干电极(以下成为粘弹电极)的制备方法，制备流程图如图1所示，具体包括如下步骤：
a.合成粘弹硅胶
将山梨糖醇、硼酸和双羟基封端的聚二甲基硅氧烷按照质量比为0.3：0.1：10物理混合均匀后转移至190℃鼓风干燥箱中静置加热120min，经交联缩合后得到粘弹硅胶。
b.制备粘弹电极
导电填料采用碳纤维和炭黑的组合，碳纤维和炭黑的质量比为5：1。将粘弹硅胶和导电填料按照质量比10:1加入到乙酸乙酯溶剂中，在冰浴条件下进行超声和物理搅拌100min，获得分散液。超声的功率为400W，频率为25kHz。物理搅拌采用磁力搅拌器，转速为500rpm。为了使导电填料分散得更均匀，也可以先将导电填料分散到有机溶剂中，超声1h后，再加入粘弹硅胶搅拌溶解混合。将分散液倒入模具中，鼓风干燥充分挥发有机溶剂，得到粘弹导电材料。依据需求填入特定形状的模具中进行塑型，即得粘弹电极。
粘弹电极监测技术方案：称取不同重量的粘弹导电材料，依据测试需求填入特定形状的模具中进行塑型，压实后脱模得到特定形状的粘弹电极，图2展示了粘弹电极材料填入硅胶模具后脱模得到的不同图案的粘弹电极。类似地，可以将粘弹电极材料填入心电贴、金杯电极等器具中，进行心电、脑电和肌电的长期信号监测，并且粘弹电极材料在测试后可回收、重新塑型再次利用，图3展示了回收使用100次过程中粘弹电极的界面阻抗。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种粘弹导电材料，其特征在于，包括粘弹硅胶和导电填料。
2.根据权利要求1所述的粘弹导电材料，其特征在于，所述粘弹硅胶与导电填料的质量比为20:1～5:1。
3.根据权利要求1或2所述的粘弹导电材料，其特征在于，所述粘弹硅胶为如式I所示的硼酸化聚二甲基硅氧烷；
优选地，所述导电填料选自碳纳米管、碳纤维和炭黑中的一种或几种；
优选地，所述导电填料为碳纳米管和炭黑的组合或碳纤维和炭黑的组合；
优选地，所述碳纳米管和炭黑的质量比为9:1～7:3；
优选地，所述碳纤维和炭黑的质量比为9:1～7:3。
4.一种粘弹导电材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
山梨糖醇、硼酸和双羟基封端的聚二甲基硅氧烷混合均匀后，于180～210℃交联缩合反应60～120min，得到粘弹硅胶；
将粘弹硅胶和导电填料分散于有机溶剂中，得到分散液；
挥发分散液中的有机溶剂，即得粘弹导电材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述山梨糖醇、硼酸和双羟基封端的聚二甲基硅氧烷的质量比为(0.1～0.4):(0.1～0.2)：10。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述交联缩合反应在鼓风干燥箱中进行；
优选地，交联缩合反应在静置条件下进行。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙酸乙酯、二氯甲烷或三氯甲烷。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述分散采取的手段为：在冰浴条件下，超声和搅拌60～120min；
优选地，所述超声的功率为400W，频率为25kHz；
优选地，所述搅拌采用磁力搅拌器，转速为500rpm。
9.权利要求1-3任一项所述粘弹导电材料或权利要求4-8任一项所述制备方法制备得到的粘弹导电材料作为体表干电极的应用。
10.一种粘弹体表干电极，其特征在于，由权利要求1-3任一项所述粘弹导电材料或权利要求4-8任一项所述制备方法制备得到的粘弹导电材料制备得到。
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