凝胶半干电极及其制备方法和应用与流程

本发明涉及生理电信号检测，特别是涉及凝胶半干电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、脑电、心电和肌电等生理电信号作为表征人体各种生理状态的重要信息，其数据在临床诊断、运动健康检测以及人机交互领域等都具有重要意义，因此需要采集高质量的生理电信号。

2、电极是生理信号检测系统连接人体皮肤的最直接的部件，其质量往往决定着采集到的生理电信号的质量。在生理电信号的采集过程中，生理电信号在进入电极之前还会依次经过角质层以及电极-皮肤界面层，若角质层较干、电极与皮肤不能良好的共形或电极的电导率低均会增加阻抗，并且由于角质层、电极-皮肤界面层和电极这三个部分是串联关系，只有将三个部分的阻抗同时降低，才能得到高质量的生理电信号。然而，目前大多数电极只能改善其中一个或两个部分的阻抗，导致检测到的生理电信号质量不佳。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种凝胶半干电极及其制备方法和应用，所述凝胶半干电极具有优异的柔性、可长时间缓释电解液以及高电子电导率，用于检测生理电信号时，可以显著降低生理电信号传输过程中的阻抗，提升生理电信号的检测质量。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种凝胶半干电极，包括憎水性电子导电凝胶骨架以及填充于所述憎水性电子导电凝胶骨架中的亲水性离子导电水凝胶，所述憎水性电子导电凝胶骨架和亲水性离子导电水凝胶由于相分离作用形成拓扑结构；

3、其中，所述憎水性电子导电凝胶骨架包括憎水性凝胶骨架和填充于所述憎水性凝胶骨架中的电子导电材料，所述亲水性离子导电水凝胶包括亲水性水凝胶网络以及填充于所述亲水性水凝胶网络中的电解质和水。

4、在其中一个实施例中，所述憎水性凝胶骨架的材料选自聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯中的至少一种；

5、及/或，所述电子导电材料选自二维导电材料或导电高分子。

6、在其中一个实施例中，所述二维导电材料选自银纳米片、石墨烯、二维碳化钛、二维碳化铌中的至少一种；

7、及/或，所述二维导电材料的片径为0.5μm~10μm；

8、及/或，所述导电高分子选自聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)。

9、在其中一个实施例中，所述亲水性水凝胶网络的材料选自聚丙烯酰胺水凝胶和/或聚丙烯酸水凝胶；

10、及/或，所述电解质选自氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化钙中的至少一种。

11、在其中一个实施例中，所述憎水性电子导电凝胶骨架与所述亲水性离子导电水凝胶的质量比为1:0.5~1:3；

12、及/或，所述电子导电材料与所述憎水性凝胶骨架的质量比为1:0.025~1:2.5；

13、及/或，所述电解质占所述亲水性水凝胶网络质量的0.5wt%~20wt%；

14、及/或，所述水占所述亲水性凝胶网络质量的17wt%~65wt%。

15、在其中一个实施例中，所述亲水性水凝胶网络中还填充有保水剂。

16、在其中一个实施例中，所述保水剂选自丙三醇。

17、根据本发明的第二方面，提供了一种凝胶半干电极的制备方法，包括以下步骤：

18、将憎水性材料单体、有机溶剂、电子导电材料、第一引发剂和第一交联剂配制成有机导电凝胶前驱体，并进行交联和干燥，得到所述憎水性电子导电凝胶骨架；

19、将亲水性材料单体与水、电解质、第二引发剂和第二交联剂配制成水凝胶前驱体，然后将所述水凝胶前驱体填充入所述憎水性电子导电凝胶骨架中并进行交联，由相分离作用形成拓扑结构的凝胶半干电极。

20、在其中一个实施例中，所述有机溶剂选自二甲基亚砜或二甲基甲酰胺中的至少一种；

21、及/或，所述憎水性材料单体选自丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯中的至少一种，其中，所述憎水性材料单体的质量为所述有机溶剂的质量的20wt%~50wt%；

22、及/或，所述电子导电材料的质量为所述有机溶剂的质量的0.5wt%~50wt%；

23、及/或，所述第一引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的至少一种，其中，所述第一引发剂的质量为所述有机溶剂的质量的0.2wt%~1.5wt%；

24、及/或，所述第一交联剂选自n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，其中，所述第一交联剂的质量为所述有机溶剂的质量的0.03wt%~1wt%；

25、及/或，所述亲水性材料单体选自丙烯酰胺、丙烯酸中的至少一种，其中，所述亲水性材料单体的质量为所述水的质量的20wt%~50wt%；

26、及/或，所述电解质的质量为所述水的质量的0.9wt%~30wt%；

27、及/或，所述第二引发剂选自过硫酸铵、过氧化氢中的至少一种，其中，所述第二引发剂的质量为所述水的质量的1wt%~5wt%；

28、及/或，所述第二交联剂选自n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，其中，所述第二交联剂的质量为所述有机溶剂的质量的0.03wt%~0.15wt%；

29、及/或，所述水凝胶前驱体中还含有保水剂，所述保水剂的质量为所述水的质量的5wt%~10wt%；

30、及/或，所述水凝胶前驱体填充入所述憎水性电子导电凝胶骨架的过程中，所述填充的压力为1000pa~3000pa。

31、根据本发明的第三方面，提供了一种上述凝胶半干电极在生理电信号检测系统中的应用。

32、本发明的凝胶半干电极，由于憎水性电子导电凝胶骨架和亲水性离子导电水凝胶均为柔性材料，使得凝胶半干电极具有优异的柔性，并且，亲水性离子导电水凝胶中填充有电解质和水，使凝胶半干电极可以长时间缓释电解液，憎水性电子导电凝胶骨架中填充有电子导电材料，使凝胶半干电极具有高电子导电率。因此，本发明的凝胶半干电极具有优异的柔性、可长时间缓释电解液以及高电子电导率。

33、进而，在采用本发明的凝胶半干电极检测生理电信号时，凝胶半干电极可以与皮肤共形，降低电极-皮肤界面的阻抗，同时，憎水性电子导电凝胶骨架可以提供稳定的电子导电通路，亲水性离子导电水凝胶可以提供辅助性的离子导电通路，降低凝胶半干电极的阻抗，并且，亲水性离子导电水凝胶缓释的电解液不断浸润角质层，还能降低角质层的阻抗。因此，可以有效降低生理电信号传输过程中的阻抗，提高生理电信号的检测质量。

34、另外，本发明提供的凝胶半干电极的制备方法，相较于目前需要单独设计并装配储液系统的半干电极，制备方法简单，制备的半干电极一体化程度高，使用便捷。

技术特征：

1.一种凝胶半干电极，其特征在于，包括憎水性电子导电凝胶骨架以及填充于所述憎水性电子导电凝胶骨架中的亲水性离子导电水凝胶，所述憎水性电子导电凝胶骨架和亲水性离子导电水凝胶由于相分离作用形成拓扑结构；

2.根据权利要求1所述的凝胶半干电极，其特征在于，所述憎水性凝胶骨架的材料选自聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯中的至少一种；

3.根据权利要求2所述的凝胶半干电极，其特征在于，所述二维导电材料选自银纳米片、石墨烯、二维碳化钛、二维碳化铌中的至少一种；

4.根据权利要求1所述的凝胶半干电极，其特征在于，所述亲水性水凝胶网络的材料选自聚丙烯酰胺水凝胶和/或聚丙烯酸水凝胶；

5.根据权利要求1所述的凝胶半干电极，其特征在于，所述憎水性电子导电凝胶骨架与所述亲水性离子导电水凝胶的质量比为1:0.5~1:3；

6.根据权利要求1所述的凝胶半干电极，其特征在于，所述亲水性水凝胶网络中还填充有保水剂。

7.根据权利要求6所述的凝胶半干电极，其特征在于，所述保水剂选自丙三醇。

8.一种如权利要求1至权利要求7任意一项所述的凝胶半干电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的凝胶半干电极的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自二甲基亚砜或二甲基甲酰胺中的至少一种；

10.一种如权利要求1至权利要求7任意一项所述的凝胶半干电极在生理电信号检测系统中的应用。

技术总结
本发明涉及一种凝胶半干电极及其制备方法和应用。所述凝胶半干电极包括憎水性电子导电凝胶骨架以及填充于所述憎水性电子导电凝胶骨架中的亲水性离子导电水凝胶，所述憎水性电子导电凝胶骨架和亲水性离子导电水凝胶由于相分离作用形成拓扑结构；其中，所述憎水性电子导电凝胶骨架包括憎水性凝胶骨架和填充于所述憎水性凝胶骨架中的电子导电材料，所述亲水性离子导电水凝胶包括亲水性水凝胶网络以及填充于所述亲水性水凝胶网络中的电解质和水。本发明的凝胶半干电极具有优异的柔性、可长时间缓释电解液以及高电子电导率，用于检测生理电信号时，可以显著降低生理电信号传输过程中的阻抗，提升生理电信号的检测质量。

技术研发人员：唐弢,刘峻琛,魏依娜,冯琳清,凌伟,张秀
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16