CN116675944A - 一种可原位固化的导电生物凝胶的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可原位固化的导电生物凝胶的制备方法及其应用。所述生物凝胶前驱体溶液包括生物分子水溶液和天然保湿因子组分，为温度敏感型生物凝胶，液相的生物凝胶前驱体溶液可在温度降低至一定范围时发生快速交联、固化；首先得到混合均匀的生物凝胶前驱体溶液，其在温和条件下能够发生溶液‑凝胶相转变，从而直接在不平坦的生物组织表面，如植物组织如叶片、茎秆等以及皮肤上原位固化成型。本发明产物在柔性可穿戴电子器件中的应用，能够实现对生物表皮电生理信号以及生物电阻抗的高灵敏采集；所述可原位固化的导电生物凝胶制备方法简便易行，成本低廉，适合规模化生产和推广应用。

Description

一种可原位固化的导电生物凝胶的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及生物材料技术领域的一种导电生物介质的制备方法及其应用，更具体地是涉及了一种可原位固化的导电生物凝胶的制备方法及其应用。

背景技术

传统的表皮生物电子器件，存在尺寸较大、材质较硬、柔弹性不够的问题，很难与柔软且表面微结构复杂的生物结构形成紧密的有效接触，这种力学性能失配的问题会严重削弱电极-生物界面信号采集和传输的效率和质量。因此，需要提供一种可以在传统电极与柔软的生物组织形成有效的信息交互界面的材料，以解决电极与生物界面之间的信号界面粘附与信号传输问题。

近年来，随着材料科学的不断发展，水凝胶的出现为电极与生物界面之间的粘附提供了新的可能。水凝胶是一类具有三维网络结构且含水量丰富的“软”物质，具有良好的柔性和粘合性。

然而，生物组织的表面纹理特性为水凝胶在其表面的有效粘附带来挑战。例如，生物组织表面凹凸不平和不规则曲面造成了与电极紧密接触的障碍，使得常规的水凝胶很难适应和粘附。

其次，水凝胶含水量高，在复杂的环境下易失水而失去其固有特性。

因此，研制可与生物组织不规则表面实现有效且稳定粘合、并且具有生物相容性的凝胶材料是一大关键问题和难点问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种可原位固化的导电生物凝胶。

本发明的另一目的在于提供所述可原位固化的导电生物凝胶的制备方法。

本发明的再一目的在于提供所述可原位固化的导电生物凝胶的应用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

一、一种可原位固化的导电生物凝胶：

是由生物凝胶溶液原位固化而成，所述生物凝胶溶液包含以下组分：

具有温度相转变特性的明胶溶液以及具有良好的保水性能、离子导电性能且能够稳定分散在水相体系中的聚吡咯烷酮羧酸钠(PCA-Na)。

所述的明胶溶液和聚吡咯烷酮羧酸钠的质量配比为2:5～1:2。

优选地，所述生物凝胶溶液中明胶的终浓度为15～25wt％，保证可形成水凝胶三维网状基底结构。

优选地，所述生物凝胶溶液中聚吡咯烷酮羧酸钠的终浓度为20-40wt％。

所述生物凝胶溶液中的明胶提供水凝胶三维网状结构，明胶在不同温度下会发生凝胶化和溶解的相变。

明胶分子在低温下形成一种稳定的双螺旋结构，其中的氢键相互作用较强，使得明胶分子之间产生交联。这种交联结构是凝胶形成的基础。当温度达到明胶的熔解温度时，明胶的凝胶结构被破坏，分子间的交联解开，明胶开始逐渐转化为溶胶态。PCA-Na均匀分散在明胶溶液中，增强生物凝胶力学性能以及保水性能，同时引入了优异且可调节的离子导电性能生物凝胶溶液的热转变性质使其具有原位固化特性，从而使原位固化成型后的生物凝胶电极能够稳定黏附在不平整的生物组织表面，同时避免生物组织变形带来的干扰。

二、导电生物凝胶的制备方法：

将明胶、聚吡咯烷酮羧酸钠的两种组分先后分散于水溶液中，混匀获得性能均一的生物凝胶溶液，将生物凝胶溶液原位固化获得导电生物凝胶。

本发明的产物导电生物凝胶可在导电介质、电信号测量的应用，同时作为粘结剂和导电介质/电信号测量的应用。

三、导电生物凝胶的应用方法：

预先在生物组织表面粘贴不同数量、尺寸和形状的胶带模具，将所述生物凝胶溶液直接滴在生物组织表面，待冷却后即原位固化于生物组织表面。

本发明可根据需求选择不同组分的生物凝胶溶液配比，前驱体水溶液(液态的生物凝胶溶液)可以在温度变化下，发生溶液-凝胶相转变，固化成具有三维网状结构的复合水凝胶。

所述生物组织表面为具有三维微结构的体表皮肤表面或者不平整的生物组织表面。

优选地，所述原位固化导电生物凝胶的应用部位包括但不限于具有复杂三维微结构的体表皮肤，以及其他不平整的生物组织表面。

本发明的可原位固化的导电生物凝胶，能够同时作为粘结剂和导电介质，在不规则的生物表面与刚性的电极或生物电子器件直接构建有效的接触界面，并实现表皮生物电信号(表皮肌电信号、心电信号、脑电信号等)的高质量监测。

本发明所述的原位固化就是将液态的生物凝胶溶液(高于一定温度就是液态)滴加在目标基底表面。随着溶液温度的降低，其会在基底表面固化形成凝胶，就可以成为原位固化。

普通固化就是现在模具里面加工成凝胶，再贴在目标基底表面。

本发明所述原位固化生物凝胶为温度敏感型生物凝胶，液相的生物凝胶前驱体溶液可在温度降低至一定范围时发生快速交联、固化。

所述生物凝胶前驱体溶液包括生物分子水溶液和天然保湿因子组分；本发明首先得到混合均匀的生物凝胶前驱体溶液，其在温和条件下能够发生溶液-凝胶相转变，从而直接在不平坦的生物组织表面，如植物组织如叶片、茎秆等以及皮肤上原位固化成型。

本发明的原位固化生物凝胶电极在柔性可穿戴电子器件中的应用，能够实现对生物表皮电生理信号以及生物电阻抗的高灵敏采集；所述可原位固化的导电生物凝胶制备方法简便易行，成本低廉，适合规模化生产和推广应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用原位固化技术手段，在较温和、对生物组织基本无损伤的反应条件下，利用生物水凝胶独特的性质，可将刚性的电极或生物电子器件之间粘附在不规则的生物组织表面。本发明的生物凝胶制备过程无需复杂的技术手段，操作简易，成本较低，可大规模制作和推广。同时生物水凝胶的形状、尺寸等容易调节，方便与其他表皮生物电子器件连接，应用场景广泛。

(2)本发明的可原位固化导的电生物凝胶皆采用具有生物相容性的天然材料，不会对生物组织造成不必要的损伤。此外PCA-Na具有优良的保湿性能，有效解决了传统水凝胶失水而失去作用的问题，具有广阔的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于原位固化(A)和普通固化(B)的导电生物凝胶采集的植物-电极接触阻抗谱图。

图2为本发明实施例2的基于原位固化导电生物凝胶采集的肌电信号曲线图。

图3为本发明实施例3的基于原位固化导电生物凝胶采集的心电信号曲线图。

图4为本发明实施例4的基于原位固化导电生物凝胶采集的脑电信号曲线图。

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。

本发明的实施例如下：

实施例1：

本实施例提供一种用于植物-电极接触阻抗测量的导电生物水凝胶。以采集番茄植株表皮与电极接触阻抗为例，使用二电极测试系统，利用导电水凝胶将番茄植株叶片与Ag/AgCl电极片有效贴合。两只测试电极片分别固定在番茄植株叶片叶脉两侧的部位。

本实施例中，具体操作步骤如下：

(1)将0.4g的明胶加入到1.04mL去离子水中，浸泡1h，随后于50℃下搅拌2h，形成均匀的明胶溶液；将0.96g的吡咯烷酮羧酸钠(PCA-Na)加入均匀的明胶溶液中，随后于50℃下搅拌2h，形成生物凝胶前驱体溶液。

(2)在番茄植株叶片叶脉两侧粘贴两块胶带模具，胶带模具留空的部位设计成1cm×1cm，胶带边缘距离为5mm。随后将液相的生物凝胶前驱体溶液到胶带模具中，在其冷却前将Ag/AgCl电极片覆盖于表面，待其冷却至室温，生物凝胶前驱体溶液在叶片表面原位固化的同时与Ag/AgCl电极片也形成了良好的粘附，随后将Ag/AgCl电极片用导线引出。对于普通固化的测量，先将生物凝胶前驱体溶液固化后，再贴附于植物表面，其他步骤相同。

(3)表皮水凝胶贴片电极导联线与电化学工作站连接，选择交流阻抗测量模式。一只电极与工作电极夹相连，另一只电极与参比电极和对电极夹相连，开始测量后能够实时获取接触阻抗值随频率变化(0.1Hz～100000Hz)的电阻抗谱图。将基于原位固化导电生物凝胶采集的生物电阻抗谱，与基于普通固化水凝胶采集的生物电阻抗谱进行比较，结果分别如图1(A)和(B)所示，原位固化方法采集的生物阻抗值远低于普通固化方法，表明利用生物水凝胶的原位固化性能在降低电极-组织界面阻抗方面具有显著优势。

实施例2：

本实施例提供一种用于肌电信号测量的导电生物水凝胶。以采集肱二头肌肌电信号为例，需要两个记录电极，一个参比电极。电极采用商业化Ag/AgCl电极片，电极片利用导电生物凝胶与皮肤表皮形成粘附。

本实施例中，具体操作步骤如下：

(1)将0.45g的明胶加入到1.04mL去离子水中，浸泡1h，随后于50℃下搅拌2h，形成均匀的明胶溶液；将0.96g的吡咯烷酮羧酸钠(PCA-Na)加入均匀的明胶溶液中，随后于50℃下搅拌2h，形成生物凝胶前驱体溶液。

(2)在肱二头肌肌腹部位粘贴两块中间距离2cm的胶带模具，在肌肉根部粘贴一只胶带模具，胶带模具留空的部位设计成1cm×1cm。随后将液相的生物凝胶前驱体溶液到胶带模具中，在其冷却前将Ag/AgCl电极片覆盖于表面，待其冷却至室温，生物凝胶前驱体溶液在皮肤表面原位固化的同时与Ag/AgCl电极片也形成了良好的粘附，随后将Ag/AgCl电极片用导线引出。

(3)将电极导联线与多导生理记录仪连接，设置好原始通道路径和采集参数后，可以记录实时肌电信号。采集的肌电图如图2所示，从图中可以看出，导电生物水凝胶可使测试电极与皮肤表面形成有效的接触，从而实现肌电信号的高质量采集。

实施例3：

本实施例提供一种用于心电信号测量的导电生物水凝胶。采用三电极测试系统，三只电极分别固定在胸腹部右上、左上、左下。电极采用商业化Ag/AgCl电极片，电极片利用导电生物凝胶与皮肤表皮形成粘附。

本实施例中，具体操作步骤如下：

(1)将0.45g的明胶加入到1.04mL去离子水中，浸泡1h，随后于50℃下搅拌2h，形成均匀的明胶溶液；将0.96g的吡咯烷酮羧酸钠(PCA-Na)加入均匀的明胶溶液中，随后于50℃下搅拌2h，形成生物凝胶前驱体溶液。

(2)在胸腹部右上、左上、左下三个部位粘贴三块胶带模具，胶带模具留空的部位设计成1cm×1cm。随后将液相的生物凝胶前驱体溶液到胶带模具中，在其冷却前将Ag/AgCl电极片覆盖于表面，待其冷却至室温，生物凝胶前驱体溶液在皮肤表面原位固化的同时与Ag/AgCl电极片也形成了良好的粘附，随后将Ag/AgCl电极片用导线引出。

(3)将电极导联线与多导生理记录仪连接，设置好原始通道路径和采集参数后，可以记录实时心电信号。采集的心电图如图3所示，从图中可以看出，导电生物水凝胶可使测试电极与皮肤表面形成有效的接触，从而实现心电信号的高质量采集。

实施例4：

本实施例提供一种用于脑电信号测量的导电生物水凝胶。采用三电极测试系统，参比电极固定于左耳后，接地电极固定于右耳后，工作电极固定于头皮的枕叶区。电极均采用脑电信号采集仪器自带的电极，电极利用导电生物凝胶与皮肤或头皮表面形成粘附。

本实施例中，具体操作步骤如下：

(1)将0.5g的明胶加入到1.04mL去离子水中，浸泡1h，随后于50℃下搅拌2h，形成均匀的明胶溶液；将0.96g的吡咯烷酮羧酸钠(PCA-Na)加入均匀的明胶溶液中，随后于50℃下搅拌2h，形成生物凝胶前驱体溶液。

(2)随后将液相的生物凝胶分别滴加于左耳后侧，右耳后侧，以及头皮枕叶区，在其冷却前将用于信号采集的电极覆盖于表面，随后待其冷却至室温，生物凝胶前驱体溶液在皮肤及头皮表面原位固化的同时与电极也形成了良好的粘附，在皮肤及头皮与测试电极之间建立了良好的信号传输界面。

(3)将电极导联线与脑电信号记录仪连接，设置好原始通道路径和采集参数后，可以记录实时脑电信号。采集的脑电图如图4所示，从图中可以看出，导电生物水凝胶可使测试电极与皮肤以及头皮表面形成有效的接触，从而实现脑电信号的高质量采集。

应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可原位固化的导电生物凝胶，其特征在于：

是由生物凝胶溶液固化而成，所述生物凝胶溶液包含以下组分：

明胶溶液以及聚吡咯烷酮羧酸钠。

2.根据权利要求1所述的一种可原位固化的导电生物凝胶，其特征在于：

所述的明胶溶液和聚吡咯烷酮羧酸钠的质量配比为2:5～1:2。

3.根据权利要求1所述的一种可原位固化的导电生物凝胶，其特征在于：

所述生物凝胶溶液中明胶的终浓度为15～25wt％。

4.根据权利要求1所述的一种可原位固化的导电生物凝胶，其特征在于：

所述生物凝胶溶液中聚吡咯烷酮羧酸钠的终浓度为20-40wt％。

5.应用于权利要求1-4任一所述导电生物凝胶的制备方法，其特征在于：

将明胶、聚吡咯烷酮羧酸钠的两种组分先后分散于水溶液中，混匀获得性能均一的生物凝胶溶液，将生物凝胶溶液原位固化获得导电生物凝胶。

6.一种权利要求1-4任一所述导电生物凝胶或者权利要求5所述制备方法制成的导电生物凝胶的应用，其特征在于：在导电介质、电信号测量的应用。

7.一种根据权利要求6所述的导电生物凝胶的应用，其特征在于：同时作为粘结剂和导电介质的应用。

8.一种权利要求1-4任一所述导电生物凝胶或者权利要求5所述制备方法制成的导电生物凝胶的应用方法，其特征在于：

预先在生物组织表面粘贴不同数量、尺寸和形状的胶带模具，将所述生物凝胶溶液直接滴在生物组织表面，待冷却后即原位固化于生物组织表面。

9.根据权利要求8所述应用方法，其特征在于：

所述生物组织表面为具有三维微结构的体表皮肤表面或者不平整的生物组织表面。