一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片及其制备方法
阅读说明：本技术 一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片及其制备方法 (Novel hydrogel electrode patch for health monitoring and preparation method thereof ) 是由 惠俊峰 刘婉 范代娣 郑晓燕 于 2021-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片及其制备方法,具体制备方法包括：将甘油、明胶、聚乙烯醇和植酸溶于水,在70～100℃的环境使上述混合物转变为澄清的透明溶液,再将该透明溶液倒入模具中进行冷冻处理,即得到一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片。本发明新型水凝胶电极贴片无色透明,具有良好的空间稳定性、锁水性、导电性、抗菌性、黏附性和易完整剥离性,在人机交互医疗监控设备方面具有良好应用前景。(The invention discloses a novel hydrogel electrode patch for health monitoring and a preparation method thereof, and the preparation method comprises the following steps: dissolving glycerol, gelatin, polyvinyl alcohol and phytic acid in water, converting the mixture into a clear transparent solution at the temperature of 70-100 ℃, and pouring the transparent solution into a mould for freezing treatment to obtain the novel hydrogel electrode patch for health monitoring. The novel hydrogel electrode patch is colorless and transparent, has good space stability, water locking property, conductivity, antibacterial property, adhesiveness and easy complete stripping property, and has good application prospect in the aspect of human-computer interaction medical monitoring equipment.)
技术领域
本发明属于水凝胶制备技术领域，具体涉及一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片的制备方法及应用。
背景技术
随着人工智能的快速发展，可穿戴柔性电子设备能够实现人体运动信息及生理信息（如肌电、心电、脑电）的实时监测，在健康检测、人机交互等领域具有重要应用。水凝胶由3D微结构网络高分子构建而成，其材料柔软而富有弹性，具有良好的生物相容性和皮肤贴合性，因此开发具有传感功能的导电水凝胶成为当下研究热点。为了获得准确的生理信号，并减少人体运动对信号的干扰，应用于可穿戴设备的导电水凝胶材料和皮肤间要有良好的黏附作用，因此大量研究聚焦于如何提高水凝胶的导电性和黏附性，而忽略了材料和皮肤的剥离问题，这使得器械使用完毕后，从皮肤不完全剥离造成的残留易引起使用者心理不适，器械寿命短暂，甚至由于与皮肤粘性过大而对皮肤造成损害。通过仿生学研究（例如章鱼吸盘，壁虎脚，牛蒡种子等），虽然实现了界面间的可逆黏附，但它们大多适用于粗糙的平坦基材，在自由形态和柔软表面（例如皮肤）上的使用效果并不理想。因此，开发出一种可用于健康监测的具有可控黏附/剥离的导电水凝胶材料贴片，无疑在柔性电子可穿戴、医疗监控，生物电子器械等领域具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片及其制备方法。
本发明通过如下过程实现：
一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片，包括如下组分：甘油、明胶、聚乙烯醇、植酸和水，各组分之间的质量比相当于质量百分数为5~50wt %甘油水溶液与明胶、聚乙烯醇和质量百分数为30~80wt %植酸水溶液的质量比为（5~25）:（0.1~2）:（1~10）:（10~50）。
上述的聚乙烯醇分子量为16000-200000Da，明胶的分子量为20000-150000Da。
一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片的制备方法，包括以下步骤：将甘油水溶液与明胶、聚乙烯醇和植酸水溶液混合均匀得透明溶液，再将该透明溶液倒入模具中，冷冻交联即得到可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片。
上述的甘油水溶液中甘油的质量百分数为5~50wt %；植酸水溶液中植酸的质量百分数为30~80wt %；所述的聚乙烯醇分子量为16000-200000Da，明胶的分子量为20000-150000Da。甘油水溶液:明胶:聚乙烯醇:植酸水溶液的质量比为（5~25）:（0.1~2）:（1~10）:（10~50）。
上述溶液混合过程温度为30~100℃，优选为70~100℃。
上述溶液混合才用搅拌方式，搅拌转速为400~1500 r/min。
上述交联反应的温度为4 ~ -50℃，保持时间为15~72小时。
上述方法所获得的新型水凝胶电极贴片无色透明，具有良好的空间稳定性、锁水性、导电性、抗菌性、黏附性和易完整剥离性。
本发明所涉及的可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片的形成机理是：聚乙烯醇是一维多羟基高分子，明胶是一种含有丰富的氨基、羧基和羟基等功能基团的胶原蛋白水解后的高分子产物，植酸又名肌醇六磷酸，每分子植酸含有六个磷酸根离子，极易与氨基形成离子键，与羟基形成氢键，故植酸可与聚乙烯醇和明胶分子链上的相关功能基团键连了起来，形成了一个分子间立体网络交联结构。聚乙烯醇和明胶这两种线性高分子在甘油水溶液中因甘油对水分子的强的锚定作用而使线性分子链外围水化膜稳定性大大降低，分子间舒展交错，侧链基团充分暴露相互间极易形成大量分子间氢键。氢键键能很低，高温下氢键不能存在，但是已经形成分子间立体网络交联结构的聚乙烯醇、明胶和植酸复合物放置于低温环境时，在甘油的促进作用下，立体网络中的各官能团间便可形成很强的氢键，最终获得具有良好的空间稳定性、锁水性、导电性、抗菌性、黏附性和易完整剥离性的可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片。
本发明积极效果在于：（1）本发明用于健康监测的新型水凝胶电极贴片充分利用聚乙烯醇和明胶高分子网络中植酸的离子键交联和电离出氢离子作用，以及在高低温区间氢键的强弱可逆性，实现电极贴片的稳定性和黏度的温度可控性。（2）区别于传统反复冻融法制备聚乙烯醇水凝胶，本发明所述用于健康监测的新型水凝胶电极贴片在不引入化学交联剂的基础上，只需要一次冷冻即可获得一种可逆黏附水凝胶电极贴片，在保证所得材料安全无毒的基础上，极大程度上节约时间，减低成本，且所述电极贴片具有良好的透光性及柔韧性，在美观度及舒适度上更容易被使用者接受，便于推广应用。（3）本发明涉及的用于健康监测的新型水凝胶电极贴片具有很好的抗菌性，且对皮肤有良好的粘附性及自适应性，即使在运动状态下也能有效贴合皮肤，利用其导电性及拉伸弯曲产生的电流电阻变化，可有效采集身体电信号变化，在人机交互医疗监控设备方面具有良好应用前景。
说明书附图
图1新型水凝胶电极贴片的实物照片；
图2新型水凝胶电极贴片的傅里叶红外图；
图3新型水凝胶电极贴片的流变性质图；
图4新型水凝胶电极贴片对不同基材的黏性照片；
图5新型水凝胶电极贴片对皮肤的自适应性照片；
图6新型水凝胶电极贴片从皮肤剥离照片；
图7新型水凝胶电极贴片导电性测试照片；
图8新型水凝胶电极贴片抗菌性能照片。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施例，对本发明的目的和技术方案做进一步说明，本发明所用材料均可通过商业途径得到。
实施例1，用于健康监测的新型水凝胶电极贴片的制备
在1.5克20wt %的甘油水溶液中加入0.06g明胶、0.54g聚乙烯醇和3克50wt %的植酸水溶液，将其放于85℃的水浴锅中800 r/min磁力搅拌30分钟得到澄清透明混合液后倒入模具中，再放入-20℃冰箱中冷冻48小时，即得到一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片。
对本实施例中制备的新型水凝胶电极贴片理化性质进行表征，图1为实施例1所制备的水凝胶电极贴片的外观照片，可以看出其外观上呈无色透明，透过电极贴片能清晰看到被其覆盖的文字内容，说明所属水凝胶有良好透光性；图2为实施例1制备的水凝胶电极贴片的傅里叶红外谱图，在995 cm-1和1044 cm-1出现特征峰分别对应P-O键和C-N键，说明实施例1所制备的电极贴片中含有植酸和明胶，在3210~3370 cm-1处的宽带说明材料含有大量-OH，和聚乙烯醇相比，水凝胶电极贴片中存在大量氢键，因此-OH位置发生右移；图3为实施例1所制备水凝胶电极贴片的流变性能，说明随温度升高储能模量快速下降电极贴片黏度增大，反之黏度减小。
实施例2，用于健康监测的新型水凝胶电极贴片的制备
在1.5克20wt %的甘油水溶液中加入0.06g明胶、0.54g聚乙烯醇和3克50wt %的植酸水溶液，将其放于85℃的水浴锅中800 r/min磁力搅拌30分钟得到澄清透明混合液后倒入模具中，再放入-40℃冰箱中冷冻24小时，即得到一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片，其理化性质与实施例1相似。
实施例3，用于健康监测的新型水凝胶电极贴片的制备
在5克10wt %的甘油水溶液中加入1g明胶、5g聚乙烯醇和10克30wt %的植酸水溶液，将其放于85℃的水浴锅中800 r/min磁力搅拌30分钟得到澄清透明混合液，将其倒入模具中，再放入-20℃冰箱中冷冻48小时，即得到一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片，其理化性质与实施例1相似。
实施例4，用于健康监测的新型水凝胶电极贴片的制备
在2克20wt %的甘油水溶液中加入0.06g明胶、0.54g聚乙烯醇和2.5克50wt %的植酸水溶液，将其放于85℃的水浴锅中800 r/min磁力搅拌30分钟得到澄清透明混合液，将其倒入模具中，再放入4℃冰箱中冷冻60小时，即得到一种可用于健康监测的新型水凝胶电极贴片，其理化性质与实施例1相似。
实施例5，用于健康监测的新型水凝胶电极贴片性能测试
本实施例所采用的用于健康监测的新型水凝胶电极贴片由实施例1所得。具体测试如下：
（1）新型水凝胶电极贴片粘附性及自适应性测试
将新型水凝胶电极贴片放在50℃预处理3分钟后，将其与不同材质物体进行黏贴，结果如图4所示。图4照片显示本发明所述新型水凝胶电极贴片对动物组织（肾，肝，皮肤，肺，脾）以及不同基材（不锈钢，塑料，玻璃，橡胶，铜片）都表现出良好的黏附能力。
将新型水凝胶电极贴片放在50℃预处理3分钟后贴在手腕处，伸长或弯曲手腕后水凝胶仍然能很好的黏附在手腕及缝隙中，无脱落迹象，如图5所示。说明本发明所述新型水凝胶电极贴片对人体皮肤有良好的粘附性，对动态皮肤有很好的自适应性，能够作为黏性贴片使用。
（2）新型水凝胶电极贴片剥离实验
无痛无残留的将电极贴片从皮肤剥离下来，对于使用者而言至关重要。将实施例1所述的水凝胶电极贴片一侧覆盖塑料纸，经50℃预处理后，该电极贴片能很好地黏附在手背；再给与冰敷，所述电极贴片黏度下降。图6展示了冰敷后所述新型水凝胶电极贴片可以无残留且对皮肤不造成二次损伤的从皮肤上剥离。
（3）新型水凝胶电极贴片导电性测试
图7展示了将实施例1所述新型水凝胶电极贴片放入带有LED灯泡的6V电路中，通电后电路中LED灯泡可以正常发光，表明所述新型水凝胶电极贴片具有良好导电性。
（4）新型水凝胶电极贴片抗菌性测试
水凝胶的湿润环境很容易滋生细菌，作为与皮肤长时间接触的凝胶贴片，具有抗菌能力可以有效防止细菌对皮肤造成的感染。我们选用革兰氏阳性菌（金黄葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）作为模型菌对实施例1所述新型水凝胶电极贴片的抗菌能力进行研究。在平板中央打直径8毫米圆孔，分别放入上述水凝胶电极贴片，图8展示了所述水凝胶电极贴片对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抑菌圈直径分别为4.5厘米和3.8厘米，表明该新型水凝胶电极贴片具有优异的抑菌能力。
最后应当说明的是，尽管结合实施例对本发明做了以上描述，但本发明并不局限于上述实施例及应用领域，上述方案仅仅做示意及指导用途，而不是限制性的。本领域普通技术人员在本说明书的启发下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多的形式，这些均在本发明保护之列。
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