一种全生物可降解应变传感器及其制备方法和应用

本发明涉及传感器，具体涉及一种全生物可降解应变传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，随着物联网和人工智能的快速发展，柔性可穿戴电子器件作为物联网发展的关键，其逐渐在健康监测、生物传感、人机界面等领域引起广泛关注并且发展迅速，可穿戴电子产品的消费持续增加，电子垃圾数量也随之增多，废弃柔性电子器件的环境污染问题不容忽视。此外，现有研究中的可降解器件通常具有制备工艺复杂、韧性和柔性较低以及弹性较差等缺点。因此，设计制备基于可降解材料的具有环境友好性、生物相容性、全生物可降解性的柔性绿色可穿戴电子设备迫在眉睫，发展绿色环保型的柔性电子器件对于推动可穿戴技术可持续发展具有重要意义。

2、中国专利cn 117146696 a公开了一种纤维状柔性应变传感器及其制备方法，所述传感器包括弹性纤维、复合导电材料；其中弹性纤维表面负载复合导电材料。该发明通过在纤维状柔性应变传感器的传感层引入脆性物质，使其在拉应力下更易产生裂纹，有效提高了传感器的灵敏度。所制备的纤维传感器能够检测局部区域的微小应变，实现了对于微弱生理信的监测。但是该信号采集单元需要额外的供电模块，并且不具备生物可降解性，废弃器件会对环境造成额外负担。

3、中国专利cn 117103813 a授权了一种可拉伸应变传感器及其制备方法，其所涉及的可拉伸应变传感器包括第一弹性层、敏感材料层、第二弹性层、非弹性层和敏感缝隙，其中，第一弹性层、第二弹性层和非弹性层从下向上依次叠合设置，敏感材料层封装在第二弹性层中，敏感缝隙位于非弹性层中，以及敏感材料层包括应变敏感部分，应变敏感部分在垂直于可拉伸应变传感器各层厚度方向上位于敏感缝隙相对应的区域范围内。该发明传感器的灵敏度和测量范围可以在制备过程中灵活调整，但是其运行需要额外的供电电源，且不具备生物可降解性。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种全生物可降解应变传感器及其制备方法和应用，其全生物可降解、结构简易、尺寸可控、自供电。该应变传感器通过静电纺丝制备可降解纱线的过程中驻极体纳米纤维层会被高压极化从而带有单极性电荷，可降解纱线的芯电极作为信号电极，可降解接地电极作为接地电极，在没有形变时，两电极之间存在稳定电场，当应变传感器受到外界力的作用时，可降解纱线与可降解接地电极之间的间距会改变，两电极之间的电场随之发生改变，从而导致可降解纱线中可降解芯电极和接地电极上的感应电荷量发生改变。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明目的之一在于一种全生物可降解应变传感器，包括平面器件，以及封装平面器件的可降解封装层；

4、所述平面器件包括：

5、可降解纱线，其包括可降解芯电极，以及缠绕于可降解芯电极上的驻极体纳米纤维层；所述驻极体纳米纤维层是通静电纺丝技术形成的，在静电纺丝的过程中驻极体纤维被高压极化从而带有单极性电荷；

6、可降解接地电极，其与可降解纱线交叉排布或编织。

7、进一步地，所述可降解芯电极与驻极体纳米纤维层同轴设置，即可降解纱线具有同轴结构。

8、进一步地，所述可降解芯电极外径与驻极体纳米纤维层外径的比值为1:(2～4)，优选为1:2。

9、进一步地，所述可降解芯电极和可降解接地电极的材质包括可降解金属、可降解金属合金、水溶性过渡金属或生物相容性导电高分子材料中的一种或多种，优选为钼、镁、铁、锌及其合金。

10、进一步地，所述驻极体纳米纤维层的材质包括pla、plla或plcl中的一种或多种，也就是说，驻极体纳米纤维层的材质为生物可降解驻极体聚合物材料。

11、进一步地，所述可降解封装层包括生物可降解硅胶材料，例如ecoflex00-30等。

12、进一步地，所述可降解接地电极与可降解纱线交叉排布或编织成负泊松比结构。

13、本发明目的之二在于一种如上所述的全生物可降解应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

14、将生物可降解驻极体聚合物材料制成纺丝液，通过静电纺丝工艺包缠到可降解芯电极表面形成驻极体纳米纤维层，以此得到可降解纱线；

15、将可降解纱线与可降解接地电极交叉排布或编织成具有规整结构的平面器件；

16、利用生物可降解硅胶材料对平面器件进行封装，得到全生物可降解应变传感器。

17、进一步地，利用所述生物可降解硅胶材料对平面器件封装时采用浸涂提拉法、涂布法或旋涂法进行。

18、本发明目的之三在于一种如上所述的全生物可降解应变传感器的应用，其可应用于可穿戴设备和/或可植入式设备。该应变传感器可以粘附或是植入在人体及其他生物的各个部位处，当用户运动时，应变传感器会随之产生形变，当可降解纱线与接地电极的间距改变时会产生电信号，并且其输出电信号的大小与形变量有关，利用驻极体纳米纤维层与接地电极之间的静电感应效应可以实现对人体及其他生物体各类生物力学信号的监测，在临床医疗保健、移动健身跟踪、人机交互中以及虚拟现实中实现广泛的应用。本发明提供的应变传感器具有全生物可降解、制备工艺简单、尺寸可控等显著优点，因此在可穿戴设备及可植入式设备等领域具有广阔的应用前景。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、(1)本发明提供一种全生物可降解应变传感器，该应变传感器具有全生物可降解性、环境友好性、生物相容性、自供电以及防水性等特点，在使用过程中可以黏附在生物体表面或是嵌入生物体内实时监测生物体力学信号，使用完毕可以直接抛弃自行降解或被生物体吸收，不会产生电子垃圾，具有更高的安全性和环境友好性；

21、(2)本发明提供一种全生物可降解应变传感器，该应变传感器轻薄且尺寸可控，针对不同应用场景可以设计不同尺寸，因此适用范围广，并且不会对用户造成额外的负担；

22、(3)本发明提供一种全生物可降解应变传感器的制备方法，该制备方法简易，无需复杂制备工艺，便于投入大规模生产。

技术特征：

1.一种全生物可降解应变传感器，其特征在于，包括平面器件，以及封装平面器件的可降解封装层(3)；

2.根据权利要求1所述的一种全生物可降解应变传感器，其特征在于，所述可降解芯电极(4)与驻极体纳米纤维层(5)同轴设置。

3.根据权利要求1所述的一种全生物可降解应变传感器，其特征在于，所述可降解芯电极(4)外径与驻极体纳米纤维层(5)外径的比值为1:(2～4)。

4.根据权利要求1所述的一种全生物可降解应变传感器，其特征在于，所述可降解芯电极(4)和可降解接地电极(2)的材质包括可降解金属、可降解金属合金、水溶性过渡金属或生物相容性导电高分子材料中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种全生物可降解应变传感器，其特征在于，所述驻极体纳米纤维层(5)的材质包括pla、plla或plcl中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种全生物可降解应变传感器，其特征在于，所述可降解封装层(3)包括生物可降解硅胶材料。

7.根据权利要求1所述的一种全生物可降解应变传感器，其特征在于，所述可降解接地电极(2)与可降解纱线(1)交叉排布或编织成负泊松比结构。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的全生物可降解应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种全生物可降解应变传感器的制备方法，其特征在于，利用所述生物可降解硅胶材料对平面器件封装时采用浸涂提拉法、涂布法或旋涂法进行。

10.一种如权利要求1-7任一项所述的全生物可降解应变传感器的应用，其特征在于，应用于可穿戴设备和/或可植入式设备。

技术总结
本发明涉及一种全生物可降解应变传感器及其制备方法和应用，包括平面器件，以及封装平面器件的可降解封装层(3)；所述平面器件包括：可降解纱线(1)，其包括可降解芯电极(4)，以及缠绕于可降解芯电极(4)上的驻极体纳米纤维层(5)；可降解接地电极(2)，其与可降解纱线(1)交叉排布或编织。与现有技术相比，本发明中的应变传感器具有全生物可降解性、环境友好性、生物相容性、自供电以及防水性等特点，在使用过程中可以黏附在生物体表面或是嵌入生物体内实时监测生物体力学信号，使用完毕可以直接抛弃自行降解或被生物体吸收，不会产生电子垃圾，具有更高的安全性和环境友好性。

技术研发人员：马星晨,张晓青,周李安
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30