[发明专利]石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯基导电水凝胶，是采用聚多巴胺部分还原氧化石墨烯得到导电纳米填料，用丙烯酰胺和海藻酸钠混合制备得到柔性基底液，将导电纳米填料和柔性基底液混合，通过自由基聚合法制备。还公开了其制备方法：1、将氧化石墨烯粉末在水溶液中分散均匀，加入多巴胺单体，调节PH，搅拌，得到导电纳米填料混合液；2、在海藻酸钠溶液中加入丙烯酰胺单体混匀得到柔性基底液，加入导电纳米填料混合液，搅拌，真空干燥箱静置，取出，冰浴下，加入引发剂、交联剂、助剂，搅拌得到石墨烯基导电水凝胶。还公开了该石墨烯基导电水凝胶在制备柔性可穿戴式传感器中的应用。本发明水凝胶有优异的电学和力学性能、自愈合性、自黏附性和生物相容性。

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种石墨烯基导电水凝胶和其制备方法及在柔性可穿戴式传感器上的应用。

背景技术

随着新型传感技术、移动互联网技术、大数据分析技术以及低功耗芯片技术等创新技术的驱动，可穿戴式设备受到越来越多的关注和青睐。据麦姆斯咨询报道，2016年全球可穿戴医疗设备市场规模为53.1亿美元，预计2021年将达到121.4亿美元，2016～2021年期间的复合年增长率为18.0％。穿戴设备在运动健身、健康管理、社交娱乐以及军事领域中发挥着越来越重要的作用。柔性传感器因其在可穿戴电子设备，软机器人和人工智能等领域的独特应用而备受瞩目。

目前，水凝胶已经成为下一代可穿戴式柔性传感器的前景材料，因为它们与人体组织相似，并且在机械、电气和独特的自我修复特性方面具有多样性，并且可能模糊机器和人体之间的边界。为了模仿人体组织的柔软和弹性，制备的水凝胶需要具有弹性和柔韧性。人体皮肤的另一个重要特征是一旦发生物理损伤，它就能以自主的方式反复进行自我修复。自愈性可以显著提高电子设备的耐用性并延长其使用寿命。因此，对于柔性可穿戴式设备来说，将自愈能力集成到可穿戴的柔性电子材料中是非常需要的。现有的人工合成的导电水凝胶通常存在凝胶强度低、韧性差和灵敏度低等缺点，无法满足使用的要求。

碳纳米材料(包括碳纳米管和石墨烯等)在柔性可穿戴式传感器的研究中受到了越来越重视。碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100％的特点。石墨烯具有高模量(1.1TPa)，高强度(125GPa)，大比表面积(2630m²/g)，良好的导电性和生物相容性，其在制备高强度多功能水凝胶方面具有广阔的应用前景。石墨烯基水凝胶通常是以氧化石墨烯的分散液通过溶液共混、水热法和原位聚合三种方法制备。制备过程中，通过物理、化学方法将氧化石墨烯还原成具有导电性的还原氧化石墨烯。还原氧化石墨烯作为导电纳米填料与聚合物复合制备石墨烯基复合导电水凝胶。据相关文献表明，石墨烯基纳米复合水凝胶可以协同地结合高导电性和机械性能，具有良好的体外和体内生物相容性。

人体组织或皮肤的拉伸性和弯曲刚度的差异可能产生机械故障，例如分层，这会妨碍传感器性能。一种常见的方法是通过将诸如聚丙烯酸酯粘合剂，透明胶带和绷带的粘合剂粘附到人体组织(例如皮肤，心脏和器官)上来解决该问题，这导致操作的复杂性。聚多巴胺具有强黏附性、耐久性和稳定性，作为一种新型粘合材料进入人们的视野，其分子结构类似于贻贝粘附蛋白。聚多巴胺不仅与各种金属以及纳米颗粒具有强结合力，而且能进一步促进纳米填料在水凝胶网络中的均匀分散，从而增强水凝胶的导电性和机械性能的稳定。同时，聚多巴胺能够部分还原氧化石墨烯从而得到导电复合水凝胶，使其具有优异的自粘性和导电性。

柔性可穿戴传感器经过近十年的发展，克服了动态条件下监测信号准确性问题，解决了穿戴舒适性的需求。已经在体温、血压、脉搏、表情识别和运动监测等方面展示出了无与伦比的优势。但现有的柔性可穿戴传感器制备方法和技术，普遍都采用复杂的真空微制造技术，这种高成本的制备方法则大大限制了穿戴式设备的应用潜力。因此，在保证柔性穿戴式传感器高灵敏、快速响应、舒适性等的前提下，研究低成本、能大规模产业化生产的柔性穿戴式传感器是当前亟待解决的问题。因此，在保证柔性穿戴式传感器高灵敏、快速响应、舒适性等的前提下，研究低成本、能大规模产业化生产的柔性穿戴式传感器是当前亟待解决的问题。

发明内容