本發(fā)明涉及一種具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片及其制備方法和應(yīng)用，屬于生物電傳感材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、近年來，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，顯著推動了低成本、高效、便捷的可穿戴傳感器在健康監(jiān)測與智慧醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。特別是基于生理電信號采集的生物傳感器，因其能夠直接反映人體健康狀態(tài)及疾病發(fā)展趨勢，已成為研究的焦點(diǎn)。此類傳感器具備實(shí)時、持續(xù)監(jiān)測人體腦電圖(eeg)、心電圖(ecg)、肌電(emg)等生理參數(shù)的能力，為生物醫(yī)療領(lǐng)域帶來了創(chuàng)新性的解決方案。目前，傳統(tǒng)的信號采集方法主要依賴于皮膚表面的金屬電極，并需借助導(dǎo)電膠來保障電信號的有效傳遞。然而，目前市場上的多數(shù)可穿戴傳感器，由于材料特性的局限，普遍采用剛性結(jié)構(gòu)，這可能給使用者帶來不適，甚至可能引發(fā)皮膚損傷等問題。在實(shí)際應(yīng)用中，這些傳感器面臨著舒適性、透氣性和生物相容性等多方面的挑戰(zhàn)，這不僅影響了用戶的體驗，還可能對信號質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

2、水凝膠材料因其卓越的可拉伸性、生物相容性及柔軟性而備受矚目。其特別適用于構(gòu)建無縫且保形的皮膚電極界面，以實(shí)現(xiàn)對人體各種生理和生化信息的精確檢測，包括但不限于身體運(yùn)動、脈搏波動、溫度變化、眼球運(yùn)動軌跡以及經(jīng)皮氧氣壓力的監(jiān)測。為實(shí)現(xiàn)上述功能，水凝膠材料通常需具備以下關(guān)鍵特性：高導(dǎo)電性以及低阻抗，確保微弱eeg信號能夠以高信噪比(snr)進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸；可靠的粘附性，保證與皮膚間的緊密貼合；與基材機(jī)械性能相匹配的優(yōu)異靈活性，以適應(yīng)各種運(yùn)動狀態(tài)；在可穿戴設(shè)備中具備可重復(fù)使用的再粘附能力，以延長使用壽命；以及出色的耐久性和生物相容性，從而確保電極功能的穩(wěn)定性和生物應(yīng)用的長期安全性。

3、然而，在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)水凝膠的粘附力常顯不足，經(jīng)歷反復(fù)剝離試驗后，其粘附能力顯著減弱，進(jìn)而導(dǎo)致信號質(zhì)量，尤其是微伏級的弱eeg信號，出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象。水凝膠的脆弱性、易脆性和不可逆的鍵合特性，是造成這種限制的核心因素，因為一旦粘附力喪失，便無法重新激活。

4、因此，開發(fā)一種能夠同時擁有顯著自粘性、低界面阻抗以及卓越傳感性能的共形生物粘附水凝膠電子器件，以滿足高保真表皮電生理信號監(jiān)測的需求，并且在醫(yī)學(xué)診斷傳感后能夠可逆且迅速地重新粘附于皮膚之上，這依然是一個亟待解決的重大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片及其制備方法和應(yīng)用，該電極貼片展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性、高信噪比、長工作壽命、低阻抗和可逆粘附的特性，該方法簡便、高效且可重復(fù)性強(qiáng)，有效克服了傳統(tǒng)電極接觸阻抗不穩(wěn)定的問題。此外，該水凝膠對各種材料表面變現(xiàn)出良好的粘附性，以及優(yōu)異的重復(fù)粘附能力，基于明膠組分具有溫度依賴性相變的特點(diǎn)，從而賦予了水凝膠可調(diào)粘附性能與可按需分離的智能粘附功能，非常適合用于生理電信號的持續(xù)監(jiān)測。

2、為達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、一種具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片，為一種水凝膠貼片，原料包括液態(tài)金屬、水、明膠、丙烯酰胺和丙烯酸，明膠作為溫敏高分子賦予水凝膠可逆粘附特性，液態(tài)金屬則用于提供交聯(lián)位點(diǎn)并降低材料阻抗，增強(qiáng)電導(dǎo)率提供導(dǎo)電性能，丙烯酰胺、丙烯酸為水凝膠提供了強(qiáng)的共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度；

4、以原料的總質(zhì)量為100％計算，各組分的質(zhì)量百分含量為：

5、

6、

7、一種具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片的制備方法，包括以下步驟：

8、步驟1，將明膠加入到去離子水中，高溫攪拌，充分溶解后，加入液態(tài)金屬并進(jìn)行超聲分散，得到明膠：液態(tài)金屬溶液(溶液a)；

9、步驟2，將丙烯酰胺、丙烯酸加入到離子水中混合攪拌，充分溶解后，加入引發(fā)劑過硫酸銨并恒溫攪拌，使其充分溶解。得到丙烯酰胺：丙烯酸溶液(溶液b)

10、步驟3，將步驟1得到溶液a加入到步驟2的溶液b中，快速攪拌直至顏色均一得到預(yù)聚體溶液，將預(yù)聚體溶液倒入電極模具中并放置于烘箱中加熱，交聯(lián)后得到具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片。

11、所述步驟1中，混合時間為2-3h，溫度為70℃-90℃；超聲分散時的功率為200-400w，超聲分散時間10-20min；液態(tài)金屬為鎵、汞、鎵銦合金、鎵銦錫合金、鉍錫合金、鉍錫鉛銦合金中的至少一種；液態(tài)金屬為鎵銦合金，鎵銦合金中鎵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75.5％，銦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.5％；

12、所述步驟2中混合時間為2-3h，溫度為25℃。

13、所述步驟3中，快速攪拌時間為1-2min，烘箱加熱溫度為70℃-90℃，加熱時間為10-30min。

14、一種具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片的應(yīng)用，將制備得到的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片貼附到大腦前額葉區(qū)作為生理電信號傳感器，用于測量大腦前額葉區(qū)的多位點(diǎn)腦電信號，同時，由于額頭溫度較高，促使水凝膠中的明膠組分進(jìn)行局部融化，從而確保水凝膠與皮膚界面實(shí)現(xiàn)原位無縫粘附，并且采集結(jié)束后可以用冰塊降溫使其失去粘性。這一設(shè)計使得該貼片能夠支持多次長時間、穩(wěn)定粘附的高精度信號采集工作。

15、一種柔性可穿戴三導(dǎo)聯(lián)電極貼片的應(yīng)用，將具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片貼附到人體皮膚(生理電信號采集部位)，用于在臨床醫(yī)學(xué)診療、可穿戴生物電檢測中的應(yīng)用。

16、此外，液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片作為理想的設(shè)備/皮膚接口，即使在振動、出汗和長期監(jiān)測條件下，也能可靠地收集高質(zhì)量的電生理信號。引入了一種基于遷移學(xué)習(xí)技術(shù)的域自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以減輕域偏移的影響，實(shí)現(xiàn)極高的分類準(zhǔn)確率用于基于eeg專注度的評估與分類(91.38％)。

17、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明取得的有益效果是：

18、(1)本發(fā)明采用明膠與超聲技術(shù)相結(jié)合的策略，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬鎵銦合金液滴在明膠溶液中的均勻分散。利用明膠高分子鏈上大量的含氫鍵基團(tuán)，降低了分散的液態(tài)金屬鎵銦合金液滴的再聚集現(xiàn)象，從而顯著增強(qiáng)了凝膠貼片的導(dǎo)電性。

19、(2)本發(fā)明通過引入溫敏性材料明膠，形成智能粘附水凝膠。在水凝膠體系中，羧基(-cooh)、羥基(-oh)以及氨基(-nh2)間形成了大量氫鍵，賦予了該水凝膠卓越的粘附性能，從而確保其能夠穩(wěn)定且牢固地粘附于皮膚表面。得益于明膠獨(dú)特的溫度敏感性，制備出的水凝膠在冰袋的冷卻作用下，能夠輕易地從人體皮膚剝離，且不會造成任何損傷或殘留，并且粘附強(qiáng)度穩(wěn)定可以多次使用。

20、(3)本發(fā)明利用丙烯酰胺、丙烯酸形成共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了水凝膠的熱力學(xué)穩(wěn)定性，確保水凝膠在受額頭溫度的影響，明膠組分進(jìn)一步融化的同時，保證材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的保形粘附特性。

21、此外，應(yīng)用本發(fā)明制備方法制得的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片，所用材料均是無?；幤?，保證了優(yōu)異的生物相容性。并且本發(fā)明中液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片的制備方法，所需原料中的聚合物材料明膠和丙烯酰胺低廉，容易獲得，且材料綠色環(huán)保，有利于工業(yè)化推廣。

22、(4)本發(fā)明涉及一種具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片及其制備方法和應(yīng)用，屬于生物電傳感材料領(lǐng)域。本發(fā)明采用液態(tài)金屬、明膠、丙烯酰胺以及丙烯酸作為主要原料。其中，液態(tài)金屬鎵銦合金為水凝膠提供了關(guān)鍵的交聯(lián)位點(diǎn)，并賦予其卓越的導(dǎo)電性能和極低的皮膚界面阻抗。明膠的溫度敏感性特點(diǎn)，使得水凝膠具備智能粘附能力，能夠在無痛無刺激的情況下按需移除。不僅可以用于運(yùn)動過程中生理信號的同步監(jiān)測，該電極還展現(xiàn)出高的信噪比，信號精度高，可以用于評估被試者的專注度。同時，本發(fā)明所制備的水凝膠具備良好的力學(xué)強(qiáng)度，且成本效益高，操作簡便，適宜于規(guī)模化生產(chǎn)和廣泛推廣。預(yù)計在傷口敷料和術(shù)后護(hù)理等領(lǐng)域，該水凝膠將展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力和價值。

23、(5)本文公開了一種具有智能粘附性的液態(tài)金屬雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠貼片的制備方法及其應(yīng)用。其制備原料由液態(tài)金屬、a型明膠、丙烯酰胺和丙烯酸單體在引發(fā)劑下發(fā)生聚合反應(yīng)，并在液態(tài)金屬的作用下交聯(lián)形成雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠(其中聚丙烯酰胺、聚丙烯酸高分子網(wǎng)絡(luò)為共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，明膠高分子網(wǎng)絡(luò)為溫敏可逆網(wǎng)絡(luò))；本發(fā)明利用水凝膠中聚合物鏈具有溫度依賴性相變的特點(diǎn),賦予了水凝膠智能粘附，以及在無痛無刺激下按需去除的優(yōu)勢,同時本發(fā)明的水凝膠具有良好的力學(xué)強(qiáng)度，且成本低廉，操作方便，適合規(guī)模化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，在傷口敷料和術(shù)后護(hù)理等領(lǐng)域都將有廣泛的應(yīng)用價值。