本發(fā)明屬于生物材料和柔性可穿戴健康電子設備，具體涉及一種用于應變溫度雙模監(jiān)測的可穿戴水凝膠傳感器的制備及應用。

背景技術：

1、柔性可穿戴電子傳感器的開發(fā)是當前電子科技領域的熱點之一。隨著人們對健康監(jiān)測、運動追蹤和生活便利性的需求不斷增加，傳統(tǒng)的硬性電子設備不能完全滿足人們的需求。柔性可穿戴電子傳感器可以為這些需求提供強大的支持。

2、目前，科研人員通過將多種高性能導電材料，例如還原氧化石墨烯、銀納米線、二維mxene納米片、導電聚合物以及碳納米管等，與彈性體復合材料基底結合，成功開發(fā)了功能多樣、電導率優(yōu)異和機械柔韌性好的柔性傳感器。這些創(chuàng)新設計不僅拓寬了柔性傳感器的應用范圍，還顯著提升了其在實際使用中的穩(wěn)定性和耐用性。

3、傳統(tǒng)的傳感器多用金屬、單晶硅等剛性材料，雖然靈敏度高，但大多數(shù)材料大多與人體界面適應性差，與皮膚界面可能存在刺激和損傷。

4、但目前具有良好生物相容性的柔性應變和溫度傳感器大多靈敏度不高，線性度不高、大多數(shù)為單模態(tài)監(jiān)測。例如在一種基于水凝膠的熱敏電阻的表皮傳感器，利用鄰苯二酚化學啟發(fā)的單寧酸包覆纖維素納米晶來提供粘連平衡和優(yōu)越的熱敏性，其用來監(jiān)測人體的表皮溫度，該傳感器熱敏性(tcr＝1.43％/℃)，其單模態(tài)的熱敏性小于本技術中的溫度模態(tài)的熱敏性(tcr＝1.7％/℃)

5、而針對人體生理監(jiān)測，構建多模態(tài)，穩(wěn)定，高靈敏度的柔性材料仍然是關鍵與挑戰(zhàn)。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于應變溫度雙模監(jiān)測的可穿戴水凝膠傳感器的制備及應用，通過設計“i”和“s”形狀的水凝膠傳感器來分別監(jiān)測應變及溫度信號，“s”形狀相對“i”傳感器應變信號幾乎可以忽略，這樣能達到兩種模態(tài)互不干擾。具有高強度、高韌性、按需剝離、良好的抗氧化、抗菌性的特點。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

3、一種用于應變溫度雙模監(jiān)測的可穿戴水凝膠傳感器的制備方法，包括以下步驟：

4、步驟1：將丙烯酰胺單體、n,n-亞甲基雙丙烯酰胺、pedot:pss(基于聚(3,4-乙基二氧噻苯)、β-環(huán)糊精以及沒食子酸混合；

5、步驟2：混合后置于甘油和去離子水的混合溶液中，在常溫下攪拌均勻，得到導電水凝膠前體溶液；

6、步驟3：將過硫酸銨加入水凝膠前體溶液中混勻，得到水凝膠的前體溶液；

7、步驟4：利用激光切割機進行“i”和“s”形狀模具的切割，將步驟3中的前體溶液倒入模具中，在加熱條件下得到導電水凝膠；

8、步驟5：將導電膠帶或?qū)Ь€置于導電水凝膠的左右兩側并直接延伸用作與外界設備相連的引線，使用防水透氣膠帶進行封裝，“i”形水凝膠為應變傳感器，“s”形水凝膠為溫度傳感器，構成“is”可穿戴傳感器，即用于應變溫度雙模監(jiān)測的可穿戴水凝膠傳感器。

9、所述步驟1中，丙烯酰胺的質(zhì)量分數(shù)為40～60％，n,n-亞甲基雙丙烯酰胺的質(zhì)量分數(shù)為0.1％～0.2％；所述pedot:pss的質(zhì)量分數(shù)為5％～10％；所述β-環(huán)糊精，沒食子酸的質(zhì)量分數(shù)均為1％～5％，過硫酸銨的質(zhì)量分數(shù)為0.5％～0.1％，其余為水和甘油；將上述成分加入甘油和水中。

10、質(zhì)量比分別為甘油與水的比例為1:2～1:4，所述甘油與丙烯酰胺的比例2:3～2:3.5，甘油與n,n-亞甲基雙丙烯酰胺的比例為200:1～200:2，甘油與過硫酸銨的比例為80：1～80：2，甘油與pedot:pss的比例為5:1～5:2,甘油與β-環(huán)糊精，沒食子酸的比均為40：1～20:1。

11、所述步驟2中，攪拌為磁力攪拌，磁力攪拌的速度為500r/min～800r/min，磁力攪拌的時間為10min～15min。

12、所述步驟4中，加熱條件為在50℃-80℃的真空干燥箱中聚合反應1～4h。

13、所述步驟4中，導電水凝膠為三維網(wǎng)絡結構，所述三維網(wǎng)絡結構由沒食子酸引入互穿網(wǎng)絡構成，所述互穿網(wǎng)絡由pedot:pss導電聚合物引入共聚物凝膠網(wǎng)絡形成，所述共聚物凝膠網(wǎng)絡由丙烯酰胺單體嫁接到β-環(huán)糊精骨架上形成，所述沒食子酸作為水凝膠網(wǎng)絡之間的鍵橋。

14、pedot:pss為導電聚合物網(wǎng)絡，其與共聚物凝膠網(wǎng)絡互穿，形成水凝膠網(wǎng)絡。

15、三維網(wǎng)絡結構具有均勻的孔隙，且平均孔徑為20～30μm。

16、所述的“is”可穿戴傳感器對溫度和應變分別在10-50℃的溫度范圍內(nèi)和0-600％的大應變范圍內(nèi)具有快速的響應和良好的線性關系，滿足人體的溫度和應變監(jiān)測需求。

17、所述可穿戴水凝膠傳感器應用用于關節(jié)大形變條件下的康復訓練和健康監(jiān)測。

18、所述“is”可穿戴傳感器貼在皮膚表面。

19、所述“is”可穿戴傳感器中，通過基本的應力應變數(shù)據(jù)模擬驗證出“s”形和“i”形傳感器在受到相同應變時，“s”形傳感器用于溫度監(jiān)測，避免應變干擾，測知溫度后使用“i”形水凝膠用于應變監(jiān)測，測得的電學數(shù)值對應所在溫度的線性關系推算出實際應變量，從而進行應變監(jiān)測。

20、所述“is”可穿戴傳感器具有良好的導電性、生物相容性、抗菌性、保水性、透氣性、黏附性和按需剝離等性能，適合貼在皮膚表面應用，穩(wěn)定性好。

21、所述“is”可穿戴傳感器具有良好的導電性(導電率>0.025s/m)、生物相容性(溶血率＜2.20％)、抗菌性(金黃色葡萄球菌抑制率>82％，大腸桿菌抑制率＞90％)、保水性(常溫保存30天保水率>65％)、透氣性(>3000g/m3/12h)、黏附性(在玻璃、塑料、皮膚、金屬等多種基底上實現(xiàn)強黏附)和按需剝離(粘貼在皮膚上冷敷可以按需剝離)等性能，適合貼在皮膚表面應用，穩(wěn)定性好。

22、所述“is”可穿戴傳感器中，通過基本的應力應變數(shù)據(jù)模擬驗證出“s”形和“i”形傳感器在受到相同應變時，其“s”形所受應力幾乎可以忽略，因此“s”形傳感器用于溫度監(jiān)測，避免應變干擾，測知溫度后使用“i”形水凝膠用于應變監(jiān)測，測得的電學數(shù)值對應所在溫度的線性關系可以推算出實際應變量，從而進行應變監(jiān)測。

23、通過上述特點，本發(fā)明可以同時監(jiān)測溫度和應變傳感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙功能傳感器的解耦，可以響應可穿戴設備中關節(jié)處大變形的應變和溫度改變情況，避免信號相互干擾。

24、本發(fā)明的有益效果：

25、本發(fā)明的溫度傳感原理是熱敏的pedot:pss在高溫下可以提供更多的載流子且溫度的升高可以大大促進電子跳變概率和跳變距離，從而能降低電阻值。應變傳感原理是拉伸引起長度和橫截面積變化，從而協(xié)同增加電阻值。

26、本發(fā)明制備的柔性可穿戴水凝膠傳感器材料選用原料為聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、沒食子酸，三者均為優(yōu)良生物相容性的物質(zhì)。

27、本發(fā)明制備的柔性導電水凝膠具有皮膚粘附性、保水性、溶脹性、抗氧化、防紫外和可視化等優(yōu)異性能。所制備的可穿戴傳感器具有良好的應變和溫度響應性，靈敏度高、線性度好，能互相解耦。