CN117814800A - 一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物传感器技术领域，特别是涉及一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极及其制备方法，包括圆盘形支撑物，圆盘形支撑物上设有若干个通孔，其中位于中心的通孔通过金属卡扣连接有Ag/AgCl电极，圆盘形支撑物的一侧连接有若干个支撑软爪，支撑软爪上连接有抑菌导电水凝胶；抑菌导电水凝胶为双网络交联结构，其包括以下组分：去离子水、壳聚糖季铵盐、聚合单体N‑丙烯酰基甘氨酰胺、KCl、保湿剂和引发剂。本发明采用上述技术方案解决了现有技术中水凝胶电极易滋生细菌而影响其长期重复使用的问题。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，特别是涉及一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极及其制备方法。
背景技术
非侵入式BCI无需侵入大脑，只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信号进行记录和解读，避免了手术带来的风险，非侵入式BCI安全无创，使用便捷，在日常生活中应用前景十分广阔，受到了广泛的关注。用于采集脑电信号的非侵入式BCI主要分为湿电极、干电极和半干电极三大类。其中湿电极由于其极易失水，导致信号失真并影响灵敏度，不可长期重复使用。同时，制备湿电极的过程繁琐且耗时，需要提前清洁皮肤，使用过后导电凝胶或粘性糊剂会污染头发，如果头皮有擦伤甚至会引发过敏反应，并且由于凝胶的意外扩散，相邻电极之间经常发生短路现象。而干电极存在的问题是难以穿过毛发浓密的区域，同时柔软的皮肤和相对刚性的干电极之间的机械不匹配通常会导致高接触阻抗，测得的脑电信号不稳定并且极易受到噪声和运动伪影的影响。
针对湿电极与干电极的不足之处，为了提高佩戴舒适性，同时保障信号质量，半干电极的应用越来越广泛。半干电极综合了传统电极与干电极的特点，既兼顾了降低阻抗所需要的电解质层，使用后又不会造成导电膏残留。柔性半干电极需要高导电性和与生物组织的贴服性，而水凝胶的诸多理化特性，如杨氏模量、含水量等都与生物组织高度相似。所以，水凝胶在生物传感器领域的应用越来越广泛。例如Zhu等人通过单体聚合工艺制备了一种新型可拉伸压阻应变传感器，由羧甲基纤维素（CMC）微片和聚丙烯酰胺（PAAm）形成的半互穿网络水凝胶传感器，能够监测非常微弱的振动和人体运动。Liu等人用银纳米线金属化聚乙烯醇（PVA）水凝胶的表面，制备了低阻抗和高稳定性的心电图（ECG）半干电极，可以在30小时内连续获取高质量的ECG信号。Wang等人提出了一种新型多孔陶瓷基半干电极的设计，通过多孔陶瓷灯芯中毛细管力的帮助，它们的尖端可以缓慢而连续地将少量电解液以受控和持续的方式释放到头皮，并通过5种经典BCI范式实验证实了其具有和湿电极相当的信号质量。K. Jakab和他的团队改进生产了具有高离子电导率的聚乙烯醇-甘油-NaCl水凝胶电极，能够在头皮的毛发部位进行良好和舒适的皮肤接触，并且高甘油含量可以确保水凝胶电极可重复使用和长保质期。但是上述电极均是制作过程复杂且耗时，由于电极成品过大，所以不具有使用便捷性。
与干电极和湿电极相比，半干水凝胶电极既可以获得良好的信号质量，同时佩戴舒适，使用便捷，是一种新式的、有前途的非侵入式BCI产品材料。然而，用于非侵入式BCI的半干水凝胶电极仍具有很多问题有待解决，包括水凝胶容易受到失水的影响从而导致接触阻抗的提高，缺乏长期稳定性，长时间的佩戴会导致被试者皮肤不适；水凝胶电极储存过程中极易受到环境的影响，在多次佩戴或保存不当的情况下容易滋生细菌，出现生菌发霉的现象，这会大大影响水凝胶电极的长期重复使用，带来细菌感染的风险，在日常生活中的应用受到阻碍。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极及其制备方法，解决了现有技术中水凝胶电极易滋生细菌而影响其长期重复使用的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极，包括圆盘形支撑物，圆盘形支撑物上设有若干个通孔，其中位于中心的通孔通过金属卡扣连接有Ag/AgCl电极，圆盘形支撑物的一侧连接有若干个支撑软爪，支撑软爪上连接有抑菌导电水凝胶；
抑菌导电水凝胶为双网络交联结构，其包括以下组分：去离子水、壳聚糖季铵盐、聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺、KCl、保湿剂和引发剂。
优选的，支撑软爪设有四个。
优选的，通孔包括中心通孔和边侧通孔，四个支撑软爪均匀对称分布在中心通孔的四周，相邻两个支撑软爪之间的间隙向外的一侧均设置有边侧通孔。
优选的，抑菌导电水凝胶中以去离子水的重量计各组分质量百分数为：壳聚糖季铵盐1~5wt%，聚合单体N-丙烯酰基甘胺酰胺30~50wt%，KCl的浓度为0.25~1.25mol/L。
优选的，保湿剂为甘油或聚季铵盐-51中的一种或多种。
优选的，引发剂为过硫酸铵。
一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）通过3D打印技术制备圆盘形支撑物、支撑软爪和用于制备水凝胶电极倒模的半圆形模具；
（2）通过金属卡扣将Ag/AgCl电极装配在圆盘形支撑物上，然后将其连接有支撑软爪的一侧放置在半圆形模具中；
（3）制备抑菌导电水凝胶预聚物，将抑菌导电水凝胶预聚物通过圆盘形支撑物的通孔灌注到半圆形模具中，待固化成形后将半圆形模具剥离，得到具有抑菌功效的半干水凝胶电极。
优选的，步骤（3）中抑菌导电水凝胶预聚物的制备为：先将壳聚糖季铵盐溶于去离子水中得到壳聚糖季铵盐溶液，然后将聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺、KCl和保湿剂分别溶于壳聚糖季铵盐溶液中，超声脱气至完全溶解，最后再添加引发剂混合均匀。
优选的，步骤（3）中的固化成形为在UV-LED固化光源中照灯60秒，然后放入65℃烘箱中固化1.5小时。
优选的，步骤（3）中UV-LED固化光源的功率为100%。
本发明的机理
本发明选用的可聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA)，可以直接且方便地在水中引发，形成聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）（PNAGA），其侧链中双酰胺基序之间可以形成高度稳定的氢键结合域，从而引起一种强物理交联，可以形成高强度超分子聚合物水凝胶。选用的壳聚糖季铵盐（HACC）作为另一种单体，形成一种双网络交联的水凝胶系统，以提高稳定性和抑菌性，因为壳聚糖（CH）季铵盐化后不但增强了正电性，使其抑菌性能比单纯的CH或季铵盐有了大幅提高，并且克服了其只能在酸性条件下才具有抑菌杀菌作用的不足，使其在酸性、中性、碱性条件下都能发挥很好的抑菌效果，同时同样具备CH的其他性能。本发明中还添加了氯化钾（KCl），使水凝胶基质中具有可动电荷或电荷载体，通过电场激活水凝胶基质中离子盐的移动，得到离子导电水凝胶，从而使制得的水凝胶不仅可以保持原始的机械柔顺性和光学透明度，而且表现出高离子电导率。通过添加甘油作为保湿剂，防止水分流失，使其能够长期重复使用。最后再加入引发剂过硫酸铵（APS），经过紫外光照射和热固化的方式获得具有抑菌功效的导电水凝胶。
本发明的有益效果：
（1）本发明提供的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极由N-丙烯酰基甘胺酰胺（NAGA）和壳聚糖季铵盐（HACC）两种单体聚合而成，不仅具有良好的力学性能和抗疲劳特性，并且有优越的抑菌功效。
（2）本发明提供的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极，具有稳定的保水性能，滋润皮肤角质层从而降低皮肤与电极之间的接触阻抗，在室温条件下连续12小时测得的平均接触阻抗在400Ω以下，在脑电相关频率下离子电导率为0.39mS/cm。通过细胞毒性和皮肤刺激性试验表明，本发明具有抑菌功效的半干水凝胶电极具有良好的生物相容性，不会对皮肤造成刺激。
（3）本发明提供的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极，已在N170事件相关电位(ERPs)测试中对人体志愿者进行了评估，并捕获到了与湿电极相当的ERP信号波形，相比之下，干电极则无法检测到触发电位。此外，本发明的具有抑菌功效的水凝胶电极在人类志愿者头皮上连续12小时均监测到的实时接触阻抗保持在100kΩ以下，而湿电极则在7-8小时后因脱水完全干燥，无法再检测到信号。
（4）本发明的具有抑菌功效的半干水凝胶电极能够以易于使用的方式长期检测ERP，并且具有抑菌功效，避免了长期重复使用可能出现的细菌感染风险，拓展了非侵入BCI在日常生活中的应用潜力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明的机理图；
图2是本发明具有抑菌功效的半干水凝胶电极的结构图；其中A为圆盘形支撑物的示意图，B为圆盘形支撑物与半圆形模具组装的示意图；
图3为本发明具有抑菌功效的半干水凝胶电极的扫描电镜图；其中的a为NAGA含量为30wt%的抑菌导电水凝胶的扫描电镜图，b为NAGA含量为40wt%的抑菌导电水凝胶的扫描电镜图，c为不添加HACC的抑菌导电水凝胶的扫描电镜图；
图4是本发明抑菌导电水凝胶的力学性能测试的结果图；其中，a是不同NAGA含量的抑菌导电水凝胶的压缩模量，b是40wt% NAGA不同HACC含量的抑菌导电水凝胶的应力-应变曲线，c是不同KCl浓度的抑菌导电水凝胶的应力-应变曲线及压缩模量；
图5是本发明实施例1抑菌导电水凝胶期的压缩循环试验结果图；
图6是本发明具有抑菌功效的半干水凝胶电极的皮肤-电极接触阻抗测试结果图；其中的a为阻抗设置的原理图，b为不同KCl浓度对半干水凝胶电极接触阻抗的影响，c为湿电极和实施例1的半干水凝胶电极在室温下连续12小时的接触阻抗变化图，d为使用电化学工作站测试不同KCl浓度的半干水凝胶电极在不同频率范围下的接触阻抗，e为实施例1制得的半干水凝胶电极在不同频率范围下的电阻抗和相位角，f为不同KCl浓度的半干水凝胶电极的离子电导率；
图7是本发明添加不同保湿剂的抑菌导电水凝胶保湿实验结果图；其中的a为不同甘油含量和不同聚季铵盐-51含量的抑菌导电水凝胶的保水率在12h内的变化曲线，b为不同甘油含量和不同聚季铵盐-51含量的抑菌导电水凝胶的保水率在6周内的变化曲线；
图8为本发明半干水凝胶电极的抑菌性能表征实验的结果图；其中的a为不同HACC含量的抑菌导电水凝胶在LB琼脂平板上抑制E.coil及在NA琼脂平板上抑制S.epidermidis的抑菌效果，b为不同HACC含量的抑菌导电水凝胶抑制E.coil生长的抑菌圈直径，c为不同HACC含量的抑菌导电水凝胶抑制S.epidermidis生长的抑菌圈直径；
图9是本发明对照组水凝胶和N40H3水凝胶抑菌能力实验的结果图；其中的a为对照组水凝胶和N40H3水凝胶在E.coil悬浮液中作用10小时OD值的变化，b为对照组水凝胶E.coil悬浮液和N40H3水凝胶/E.coil悬浮液稀释后涂板结果，c为对照组水凝胶和N40H3水凝胶在S.epidermidis悬浮液中作用24小时OD值的变化，d为对照组水凝胶E.coil悬浮液和N40H3水凝胶/S.epidermidis悬浮液稀释后涂板结果；
图10是本发明半干水凝胶电极的N170情绪诱发实验的结果图；其中的a为N170试验中受试者根据提示作答的示意图，b为使用干电极、湿电极和半干水凝胶电极在O1处的N170波，c为使用干电极、湿电极和半干水凝胶电极在O2处的N170波。
附图标记：
1、圆盘形支撑物；11、支撑软爪；12、中心通孔；13、边侧通孔；2、半圆形模具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步描述。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明提到的上述特征或具体实例提到的特征可以任意组合，这些具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
图1是本发明的机理图，图2是本发明具有抑菌功效的半干水凝胶电极的结构图，图2中的A为圆盘形支撑物的示意图，图2中的B为圆盘形支撑物与半圆形模具组装的示意图，如图1-2所示，本发明提供的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）通过3D打印技术制备圆盘形支撑物1、支撑软爪11和用于制备水凝胶电极倒模的半圆形模具2。支撑软爪11设有四个，能够牢牢地抓住水凝胶，在使用过程中水凝胶不易脱落。圆盘形支撑物1的中心设有中心通孔12，相邻两个支撑软爪11之间的间隙向外的一侧也均设置有边侧通孔13，方便灌注抑菌导电水凝胶预聚物。
（2）通过金属卡扣将Ag/AgCl电极装配在圆盘形支撑物1上，然后将其连接有支撑软爪11的一侧放置在半圆形模具2中。
（3）制备抑菌导电水凝胶预聚物，先将0.03g壳聚糖季铵盐（HACC）溶于1mL去离子水中得到壳聚糖季铵盐溶液，然后将0.4g聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA）、0.055gKCl和0.88mL甘油分别溶于壳聚糖季铵盐溶液中，超声脱气至完全溶解，最后再添加0.0028g过硫酸铵混合均匀。即以去离子水的重量计聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺的质量百分数为40%，壳聚糖季铵盐的质量百分数为3%，KCl的浓度为0.75mol/L。
然后将抑菌导电水凝胶预聚物通过圆盘形支撑物1的中心通孔12和边侧通孔13灌注到半圆形模具2中，在UV-LED固化光源中照灯60秒，然后放入65℃烘箱中热固化1.5小时，固化成形后将半圆形模具2剥离，得到具有抑菌功效的半干水凝胶电极。
使用时，抑菌导电水凝胶一面与Ag/AgCl电极接触，另一面直接接触头皮，通过Cl-的移动可以将检测到的脑电信号从表皮传输到Ag/AgCl电极。
实施例2
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中壳聚糖季铵盐的质量百分数为1%。
实施例3
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中壳聚糖季铵盐的质量百分数为2%。
实施例4
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中壳聚糖季铵盐的质量百分数为4%。
实施例5
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中壳聚糖季铵盐的质量百分数为5%。
实施例6
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺的质量百分数为30%。
实施例7
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺的质量百分数为50%。
实施例8
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中KCl的浓度为0.25mol/L。
实施例9
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中KCl的浓度为0.50mol/L。
实施例10
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中KCl的浓度为1.00mol/L。
实施例11
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中KCl的浓度为1.25mol/L。
对比例1
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于步骤（3）中不添加壳聚糖季铵盐。
对比例2
为现有技术中的湿电极。
表征实验
使用NxHy来命名NAGA和HACC两种单体不同比率的水凝胶。其中x和y分别是NAGA和HACC的质量百分数（wt%，相对于去离子水的重量）。不同KCl浓度的抑菌导电水凝胶为实施例1和实施例8-11制得的样品。不同HACC含量的抑菌导电水凝胶为实施例1-5制得的样品，不同NAGA含量的抑菌导电水凝胶为实施例1和实施例6-7制得的样品。
将实施例1、实施例7和对比例1制得的具有抑菌功效的半干水凝胶电极的抑菌导电水凝胶，通过SEM扫描电镜进一步观察抑菌导电水凝胶的表面形态和微观结构。
图3为本发明具有抑菌功效的半干水凝胶电极的扫描电镜图，图3中的a为NAGA含量为30wt%的抑菌导电水凝胶的扫描电镜图，图3中的b为NAGA含量为40wt%的抑菌导电水凝胶的扫描电镜图，图3中的c为不添加HACC的抑菌导电水凝胶的扫描电镜图，从图3中可以看出，本发明的抑菌导电水凝胶横截面呈光滑状，在侧面发现了丰富的多孔纹理，图3中的a和图3中的b由于添加了HACC，侧面的微孔呈纤维状。同时三个抑菌导电水凝胶样品中侧面均存在大量的数十微米的孔隙，孔隙均匀分布在材料表面，为水和甘油提供了足够的储存空间，使得抑菌导电水凝胶具有相对较高的含水量。而图3中的c中不添加HACC侧面的微孔则较小，不利于水和甘油的储存。
力学性能测试
水凝胶的力学性能是脑电传感器的重要要求，而抗压强度是评价水凝胶力学性能的一个重要参数。将本发明的抑菌导电水凝胶试样制成圆柱体，使用MST，50N传感器对水凝胶的机械性能进行了评估，测试速率为5mm/min，压缩模量是由0~30%应变的压缩曲线斜率确定的。每个机械试验至少使用了4个样品。同时为了检测水凝胶的抗疲劳和自恢复性能，进行了500次的压缩循环试验。
图4是本发明抑菌导电水凝胶的力学性能测试的结果图，由图4可知，本发明的抑菌导电水凝胶具有较高的力学性能，在实际应用中可重复使用，不易损坏，在便携式脑电图电极领域具有巨大的使用价值。具体分析如下：
图4中的a是不同NAGA含量的抑菌导电水凝胶的压缩模量，由图4中的a可知，随着NAGA含量的增加，抑菌导电水凝胶的抗压强度和模量都显著增加，因为其侧链中双酰胺基序之间可以形成高度稳定的氢键结合域，氢键超分子相互作用密度的增强使抑菌导电水凝胶的刚度增强。因此，为提高受试者佩戴的舒适度，同时该水凝胶电极又需要具有较高的力学性能，NAGA质量百分数可选为40wt%。
图4中的b是40wt% NAGA不同HACC含量的抑菌导电水凝胶的应力-应变曲线，由图4中的b可知，HACC的含量对于水凝胶的力学性能影响较小。图4中的c是不同KCl浓度的抑菌导电水凝胶的应力-应变曲线及压缩模量，由图4中的c可知，随着KCl含量的增加，水凝胶的压缩模量逐渐下降，这是基于霍夫迈斯特效应，即离子特异性效应：由于不同离子对疏水链上亲水官能团周围的水合水有一定的影响，一些阴离子会使水合水分子极化，破坏聚合物与其水合水之间氢键的稳定性，因此高浓度的KCl会使得水凝胶的力学性能降低。
图5是本发明实施例1抑菌导电水凝胶期的压缩循环试验结果图；图5显示了本发明实施例1抑菌导电水凝胶不同周期的压缩循环试验的应力-应变曲线及压缩模量，由图5可知，所选周期（第1、100、200、300、400和500次）的曲线几乎重叠，并没有出现明显的滞后现象，水凝胶的压缩模量呈现先下降后上升的趋势，这可能是因为随着压缩程度的增加，交联网络逐渐变密，从而导致在大压缩应变下氢键交联密度逐渐增加。还对本发明实施例1抑菌导电水凝胶在压缩前和压缩500次之后的形状和高度进行对比，结果为抑菌导电水凝胶在压缩前和压缩500次之后的形状和高度对比，在压缩过程中水凝胶并没有出现断裂，高度也未发生明显变化，说明了该水凝胶具有良好的抗疲劳和自恢复性能。
电学性能和保湿性能的表征
采用了四电极法，使用动物皮肤模型（猪皮）测量了本发明具有抑菌功效的半干水凝胶电极的接触阻抗。
图6是本发明具有抑菌功效的半干水凝胶电极的皮肤-电极接触阻抗的测试结果图；具体分析如下：
图6中的a为阻抗设置的原理图，图6中的b为不同KCl浓度对半干水凝胶电极接触阻抗的影响，由图6中的b可知，随着KCl浓度的增加，电极的接触阻抗逐渐减小，这是由于高浓度的离子盐会提高离子在皮肤和电极之间的移动效率，从而降低阻抗。在KCl浓度为0.75mol/L时，接触阻抗下降的趋势减缓，大概为300Ω左右，同时考虑到过高的盐离子浓度会降低水凝胶的机械性能，KCl浓度可选为0.75mol/L。
图6中的c为湿电极和实施例1的半干水凝胶电极在室温下连续12小时的接触阻抗变化图，由图6中的c可知，但随着时间的流逝，湿电极迅速失去水分，接触阻抗逐渐变大，6个小时之后已经完全干燥，阻抗变得无限大，而本发明的半干水凝胶电极，在连续12个小时的工作电压下，水凝胶电极的阻抗仍然保持在400Ω以下，并随着时间的推移逐渐稳定，由此可知，本发明的半干水凝胶电极可长期重复使用。
图6中的d为使用电化学工作站测试不同KCl浓度的半干水凝胶电极在不同频率范围下的接触阻抗，由图6中的d可知，高浓度的KCl可以有效降低水凝胶的接触阻抗。图6中的e为实施例1制得的半干水凝胶电极在不同频率范围下的电阻抗和相位角，由图6中的e可知，本发明的水凝胶电极可以稳定的收集生物电信号，图6中的f为不同KCl浓度的半干水凝胶电极的离子电导率，由图6中的f可知，随着KCl浓度的增加，半干水凝胶电极离子电导率也在不断提高，可持续有效的收集脑电信号。
图7是本发明添加不同保湿剂的抑菌导电水凝胶保湿实验结果图，由图7可知本发明的半干水凝胶电极可以在室温下长时间保存在空气中，不需要储存在特殊的环境中，方便使用。图7中的a为不同甘油含量和不同聚季铵盐-51含量的抑菌导电水凝胶的保水率在12h内的变化曲线，图7中的b为不同甘油含量和不同聚季铵盐-51含量的抑菌导电水凝胶的保水率在6周内的变化曲线，由图7中的a和b可知，随着甘油含量的增加，水凝胶的脱水速率逐渐降低，只选择甘油作为保湿剂的水凝保水率最高，在6周的室温通风情况下保水率保持在75%以上，由此可知本发明的半干水凝胶电极可以在室温下长时间保存在空气中。
对添加不同保湿剂的抑菌导电水凝胶进行保湿实验，将添加不同保湿剂点的抑菌导电水凝胶在通风环境下放置24小时后观察形貌变化，结果为只选择甘油作为保湿剂的抑菌导电水凝胶形貌变化最小，并没有出现明显的失水情况。
抑菌性能的表征
以大肠杆菌（E.coil，革兰氏阴性菌，ATCC 8739）和表皮葡萄球菌（S.epidermidis，革兰氏阳性菌，ATCC 12228）为细菌模型，研究了水凝胶的抑菌功效。大肠杆菌培养在LB液体/固体培养基中，培养温度为37℃。表皮葡萄球菌培养在NA液体/固体培养基中，培养温度为37℃。测试所用的对照组和实验组水凝胶均为圆柱体。其中对照组为对比例1制得的水凝胶。以一组含细菌液的LB/NA液体培养基为空白组。
图8为本发明半干水凝胶电极的抑菌性能表征实验的结果图，图8中的a为不同HACC含量的抑菌导电水凝胶在LB琼脂平板上抑制E.coil及在NA琼脂平板上抑制S.epidermidis的抑菌效果，由图8中的a可知，未添加HACC的对照组水凝胶周围无明显的抑菌区。添加了HACC的水凝胶周围都出现了明显的抑菌区，且随着HACC浓度的增加，抑菌效果也逐渐明显，在HACC含量为3wt%时抑菌圈直径最大。图8中的b为不同HACC含量的抑菌导电水凝胶抑制E.coil生长的抑菌圈直径，图8中的c为不同HACC含量的抑菌导电水凝胶抑制S.epidermidis生长的抑菌圈直径，由图8中b和c可知，N40H3水凝胶对E.coli和S.epidermidis的抑制区直径分别为20.75±1.08 mm和25.17±0.54 mm。
图9是本发明对照组水凝胶和N40H3水凝胶抑菌能力实验的结果图，图9中的a为对照组水凝胶和N40H3水凝胶在E.coil悬浮液中作用10小时OD值的变化，图9中的b为对照组水凝胶E.coil悬浮液和N40H3水凝胶/E.coil悬浮液稀释后涂板结果，图9中的c为对照组水凝胶和N40H3水凝胶在S.epidermidis悬浮液中作用24小时OD值的变化，图9中的d为对照组水凝胶E.coil悬浮液和N40H3水凝胶/S.epidermidis悬浮液稀释后涂板结果，由图9中的a和b可知，对照组水凝胶对E.coli和S.epidermidis无抑菌效果，而N40H3水凝胶有明显的抑菌活性，随着时间的增加，N40H3水凝胶的抑菌能力显著提高，在10小时之后对E.coli的抑制率超过80%，7.5小时之后对S.epidermidis的抑制率超过95%。由图9中的c和d可知，对照组水凝胶的平板出现大量菌落，而N40H3水凝胶的LB平板菌落数量逐渐减少，NA平板几乎没有出现菌落。结果表明，HACC的添加使水凝胶具有良好的抑菌效果。
脑电信号的采集
通过测量事件相关电位（ERP）采集脑电图能够有效地用于评估大脑功能，在信号采集方面，ERP提供了一种实用的方法来识别非侵入性BCI电极的功效。使用干电极、湿电极和本发明实施例1的半干水凝胶电极对人体志愿者进行了N170试验。
图10是本发明半干水凝胶电极的N170情绪诱发实验的结果图，图10中的a为N170试验中受试者根据提示作答的示意图，图10中的b为使用干电极、湿电极和半干水凝胶电极在O1处的N170波，图10中的c为使用干电极、湿电极和半干水凝胶电极在O2处的N170波，由图10中的b和c可知，使用多导生理仪采集受试者O1和O2区域的N170波，半干水凝胶电极在两个区域均出现了和湿电极相近的波形，在170ms左右显示出预期的负峰值，表明半干水凝胶电极成功检测到ERP，但是干电极的波形与湿电极和半干水凝胶电极的波形有很大不同，在N170的时间窗口内没有明显的负峰值。以上结果证实了半干水凝胶电极可以检测到受试者微伏级的脑电信号，并且可以进行长时间监测脑电图。
综上，本发明制得具有抑菌功效的半干水凝胶电极，容易安装，使用便捷，优越的抑菌功效使得该电极能够回收重复使用，并且可以长时间采集高质量的脑电信号。所用的抑菌导电水凝胶具有合适的力学性能，既可以在500次压缩循环试验后保持与原始相当的高度，又可以使被试者在佩戴过程中感觉舒适，抑菌导电水凝胶中离子盐的移动以及保水性能对皮肤角质层起到的保湿作用，有效地降低了皮肤-电极接触阻抗。并且还能够有效抑制革兰氏阴性菌（E.coli）和革兰氏阳性菌（S.epidermidis）的生长，可以使本发明的水凝胶电极回收使用，还可以在一定程度上避免细菌传染。N170实验结果证明水凝胶电极可以采集到微伏级的脑电信号，具有良好的性能。与传统Ag/AgCl湿电极相比，本发明的半干水凝胶电极安装更方便，使用后也无需清洗，而且可以连续12小时以上记录脑电图，在日常生活中重复使用该电极长期记录脑电图具有巨大的应用潜力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极，其特征在于：包括圆盘形支撑物，圆盘形支撑物上设有若干个通孔，其中位于中心的通孔通过金属卡扣连接有Ag/AgCl电极，圆盘形支撑物的一侧连接有若干个支撑软爪，支撑软爪上连接有抑菌导电水凝胶；
抑菌导电水凝胶为双网络交联结构，其包括以下组分：去离子水、壳聚糖季铵盐、聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺、KCl、保湿剂和引发剂。
2.根据权利要求1所述的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极，其特征在于，支撑软爪设有四个，通孔包括中心通孔和边侧通孔，四个支撑软爪均匀对称分布在中心通孔的四周，相邻两个支撑软爪之间的间隙向外的一侧均设置有边侧通孔。
3.根据权利要求1所述的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极，其特征在于，抑菌导电水凝胶中以去离子水的重量计各组分质量百分数为：壳聚糖季铵盐1~5wt%，聚合单体N-丙烯酰基甘胺酰胺30~50wt%，KCl的浓度为0.25~1.25mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极，其特征在于，保湿剂为甘油或聚季铵盐-51中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极，其特征在于，引发剂为过硫酸铵。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过3D打印技术制备圆盘形支撑物、支撑软爪和用于制备水凝胶电极倒模的半圆形模具；
（2）通过金属卡扣将Ag/AgCl电极装配在圆盘形支撑物上，然后将其连接有支撑软爪的一侧放置在半圆形模具中；
（3）制备抑菌导电水凝胶预聚物，将抑菌导电水凝胶预聚物通过圆盘形支撑物的通孔灌注到半圆形模具中，待固化成形后将半圆形模具剥离，得到具有抑菌功效的半干水凝胶电极。
7.根据权利要求6所述的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极的制备方法，其特征在于，步骤（3）中抑菌导电水凝胶预聚物的制备为：先将壳聚糖季铵盐溶于去离子水中得到壳聚糖季铵盐溶液，然后将聚合单体N-丙烯酰基甘氨酰胺、KCl和保湿剂分别溶于壳聚糖季铵盐溶液中，超声脱气至完全溶解，最后再添加引发剂混合均匀。
8.根据权利要求6所述的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极的制备方法，其特征在于：步骤（3）中的固化成形为在UV-LED固化光源中照灯60秒，然后放入65℃烘箱中固化1.5小时。
9.根据权利要求8所述的一种具有抑菌功效的半干水凝胶电极的制备方法，其特征在于：步骤（3）中UV-LED固化光源的功率为100%。
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| Title |
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| YE WU, ET AL: "Conductive dual hydrogen bonding hydrogels for the electrical stimulation of infected chronic wounds", 《JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY B》, 31 December 2021 (2021-12-31), pages 1 - 14 * |
| 李澜;蒋青;: "用于软骨修复的组织工程水凝胶", 生命科学, no. 03, 15 March 2020 (2020-03-15) * |
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