基于丝素蛋白的柔性可穿戴式传感器制备及应用

来源 :重庆医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jackwang02
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健康逐渐成为人们普遍关注的问题之一,持续性生理信息监测对于评估身体健康状态有着非常重要的意义。新一代柔性可穿戴式传感器通过不同的制备方法将纳米材料与柔性衬底结合,制备出具有高灵敏性、易佩戴、低刚性等特点的薄膜或弹性体传感器,极大地解决了传统传感器体积大、交互体验差、舒适差等问题。同时,不同类型的穿戴式传感器可以实现对不同生理信息的监测,因此在个人健康监测等领域中拥有广阔的应用前景。丝素蛋白作为一种天然高分子材料,具有良好的生物相容性,可以加工为多种形态且具备不同的理化性能,因此在作为柔性传感器备选材料中具有极大的应用价值。本文以丝素蛋白为柔性材料,分别制备了柔性温度传感器以及水凝胶应变传感器。具体研究内容如下:(1)基于丝素蛋白衬底的可穿戴式温度传感器体温是人体重要的生理指标之一,其在一定程度上反映了身体健康状况。传统温度传感器存在佩戴舒适性差、精度低和只能瞬时测量等问题并不适用于穿戴式长期监测。而可柔性穿戴式传感器的出现很好的解决了上述问题。本研究通过热学性能测量,选取了以蚕茧通过静电纺丝制备的丝素蛋白膜作为传感器柔性衬底。随后通过有限元分析初步验证传感器结构和材料的传热性能,采用喷涂方法将石墨烯、GO分别制备为导电层与温敏层,再通过层组装法将衬底、导电层以及温敏层组合,最后使用PDMS封装,成功的制备了柔性温度传感器。经测试,传感器呈现负温度系数,在25-50℃区间内温度灵敏度高达1.44%℃-1以及良好的线性度(R~2=0.993),并且分辨精度达到0.1℃,可在30天测试下保持测量稳定性。此外,传感器在抗疲劳相关测试中仍可以保持极高的稳定性:在30-38℃区间内循环升降温测试中电阻最大差值为0.422%(<0.35℃),展现出较强稳定性;经历200次不同角度的弯折—复原,其最大电阻值变化仅为0.041%,表明传感器具有较好的抗疲劳性能。CCK8细胞实验证明传感器具有良好的生物相容性,对人体皮肤无明显过敏反应。此外,为满足实际信息采集需要,本研究针对该传感器温阻特性设计制作了三线制恒流源PCB采集电路以及手机APP,组成了无线传感器采集系统。该采集系统可将采集到的信息通过板载OLED屏幕直接显示或经低功耗蓝牙(BLE)传输至手机实时显示。综上所述,本研究制备的柔性可穿戴式温度传感器实现了高精度、连续、长期体温信号采集、显示和监测功能,解决了传统温度传感器佩戴舒适性差、无法长期监测等问题,为长期体温监测问题提供了解决方案。在医疗、疾病预防、愈后等相关领域具有潜在应用价值。(2)基于丝素蛋白的高韧性导电水凝胶的制备及应用力学信号作为另一项重要的生理信号,在健康监测、辅助康复、愈后恢复等领域具有广阔的应用前景,并且多维度生理信息监测有助于更精判断身体健康状况。因此,本文制备了同时具备优异的力学、电学性能以及良好的生物相容性的水凝胶传感器用以监测人体生理活动。丙烯酰胺(AM)作为常见的高分子材料,其分子链上含有大量含氧官能团,并且拥有力学性能可调特性,因此其可以与不同材料通过化学键结合制备可调性能的水凝胶。因此,本研究以AM为高分子聚合物,丝素蛋白为第二互穿网络,氧化石墨烯为导电填料,采用溶液共混法制备了具有高韧性和导电性的双互穿网络水凝胶。进一步探究了不同提取方法的丝素蛋白对水凝胶力学性能的影响,以及不同浓度与类型的导电填料对水凝胶电学性能的影响。试验采用PDA在有氧环境下部分还原GO,形成GO/pr GO混合物,不仅可以大幅度增强水凝胶的电学与力学性能,而且反应残留的PDA因含有大量酚羟基,在赋予水凝胶良好自粘附性的同时还能促进pr GO在水中均匀分散,使水凝胶获得优异的导电性与灵敏度。通过优化配比,最终制备出PAM-SF-PDA-pr GO(PSPp)导电水凝胶。结果表明,水凝胶应力达到60.5 KPa,伸长率为1020%,断裂能达到374.86 KJ m-3,导电率高达10.5 m S cm-1。经测试,水凝胶作为传感器可以对人体部位大尺度运动(例如手指、手腕、膝、脖颈关节活动)以及小尺度运动(例如吞咽、面部表情、手指触摸)精准监测,并且水凝胶可以作为电极用于人体心电信号检测。此外,水凝胶具有快速的响应与恢复能力(300 ms)以及良好的抗疲劳性。经CCK8细胞实验证明了PSPp水凝胶具有良好的生物相容性且对人体皮肤无过敏反应。因此,PSPp水凝胶有望作为可穿戴式传感器用于康复监测、生理信号检测以及临床相关等领域。
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