一种金属包覆的水凝胶电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属包覆的水凝胶电极及其制备方法，属于生物电极领域，步骤包括，将铝片加工成多孔氧化铝模板：在多孔氧化铝模板上聚合出具有导电能力的水凝胶柱；在水凝胶柱的顶端制作具有导电能力及柔性的连通层；除去多孔氧化铝模板；以连通层作为一极进行电化学沉积，在水凝胶柱表面沉积金属层，得到金属包覆的水凝胶电极。制得的电极以具有柔性和导电性的连通层为基板，结合金属层包覆的水凝胶结构，共同形成高电导率的柔性水凝胶电极，兼具金属电极强度的同时，还具有柔性电极的舒适度，增加了电极与皮肤表面的接触面积，接触阻抗更低，纳米结构能填补皮肤表面气隙，从而能很好的附着在皮肤表面，可抵抗运动伪影的影响。响。响。

【技术实现步骤摘要】
一种金属包覆的水凝胶电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种金属包覆的水凝胶电极及其制备方法，属于生物电极领域。

技术介绍

[0002]具有出色灵活性的柔性生物传感器在生物传感领域得到了蓬勃发展，特别适用于新兴的可穿戴电子设备和一次性生物传感应用等细分领域。柔性生物传感器可作为功能化电极将生物信号转变为电信号，然后结合如电流法、电位法、阻抗法、电导法等电化学方法定性甚至定量地检测分析物。由于应用晶体管技术能够获得比常规电化学技术更高的灵敏度和更低的检测时限，因此生物传感领域正逐渐吸纳和融合晶体管技术。应用如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、尼龙、聚对二甲苯等20种柔性聚合物电极，使得纸张和纺织品也能作为柔性生物传感器的基底，可进一步制成试纸、皮肤贴片、功能纹身、功能衣物、探测电极等本质为柔性生物传感器的产品。另外，当物质的尺度小至纳米级时，可使材料的性能发生转变，例如陶瓷摔不碎、金属变绝缘、物料抗断裂能力显著提高等。在生物传感器中引入纳米技术，如纳米粒子利用碳纳米管和量子点的改性，可以有效提高传感元件和分析物之间的反应性，提高转换效率，从而提高传感器的灵敏度。
[0003]在电极
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皮肤接触界面处，人体皮肤角质层的高接触阻抗会导致电信号传输受阻，这是生物电信号监测过程中的一个主要问题。目前，商用的探测电极为Ag/AgCl湿电极，它采用导电凝胶以及皮肤预处理来填充皮肤气隙，增加湿润度，从而降低接触阻抗。但这种方式，导电凝胶容易挥发变干，不利于长期监测，液态凝胶也容易造成皮肤发炎。近年来，干电极由于其无需导电凝胶，操作简单，可长期使用而不影响信号质量，而被认为是可取代湿电极的优良方式。穿透式干电极可有效刺穿角质层，在不损害皮肤组织的情况下，可高效降低阻抗，但这依然容易造成皮肤过敏或发炎，且穿透式干电极尖端过于坚硬锐利，缺乏舒适感。相比之下，柔性干电极可自然贴合皮肤表面，极大减少了炎症风险。柔性干电极通常是利用水凝胶作为导电物质的载体，保持低理论阻抗的同时还更具舒适性和生物相容性，从而得到生物电信号健康监测领域的青睐，但现有技术中的柔性干电极用于接触的部分体积过大，不利于充分贴合皮肤，宏观上例如图1所示的情形，水凝胶8会成片地被皮屑91或毛发架空，与皮肤9接触面积偏小，微观上例如图2所示的情形，皮肤9并不是平整的，水凝胶8实际上不能很好地适应皮肤9的坑坑洼洼，电极粘附性差，容易产生运动伪影，实际阻抗比较大。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种金属包覆的水凝胶电极及其制备方法，制得的水凝胶电极能更好地与皮肤贴合。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：第一方面，本申请提供一种金属包覆的水凝胶电极的制备方法，包括以下步骤：将铝片加工成多孔氧化铝模板：
在所述多孔氧化铝模板上聚合出具有导电能力的水凝胶柱；在所述水凝胶柱的顶端制作具有导电能力及柔性的连通层；除去所述多孔氧化铝模板；以所述连通层作为一极进行电化学沉积，在所述水凝胶柱表面沉积金属层，得到所述金属包覆的水凝胶电极。
[0006]本申请提供的金属包覆的水凝胶电极的制备方法在多孔氧化铝模板的空洞上生长出柱状的水凝胶，利用连通层将水凝胶柱连接在一起且电连通，除去多孔氧化铝模板后，水凝胶柱存在游离端，有利于避开皮肤上的皮屑、灰尘，且能更好地适应皮肤的粗糙度。另一方面，水凝胶柱比现有技术中的柔性干电极水凝胶尺寸小得多，相应地，在水凝胶柱表面包覆了金属，既减小了电极的电阻，也增强了水凝胶柱与皮肤之间的摩擦力。
[0007]进一步地，所述将铝片加工成多孔氧化铝模板的步骤包括：以纯铝片作为一极，以0.3M
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0.6M的草酸作为电解液，在40V
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50V氧化电压下进行第一交流电化学处理2h
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6h；将第一交流电化学处理后的铝片浸泡在0.3M
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0.6M的磷酸溶液中30min以上；将在磷酸中浸泡过的铝片作为一极，以0.3M
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0.6M的草酸作为电解液，在40V
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50V氧化电压下进行第二交流电化学处理3h，然后将氧化电压逐渐降低至15V；继续在0.3M
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0.6M的磷酸溶液中浸泡5min得到所述多孔氧化铝模板。
[0008]第一交流电化学处理后浸泡磷酸实现扩孔和降低氧化铝势垒层厚度，第二交流电化学处理收尾时逐渐降低电压有利于降低势垒层厚度。
[0009]进一步地，所述纯铝片预先经过化学抛光处理，抛光液为高氯酸与乙醇的混合液。抛光完成后铝片呈现出光亮光泽，即刻使用去离子水反复冲洗，有利于消除铝片表面的机械损伤，有利于后续步骤中铝片表面电场均匀。
[0010]进一步地，所述在所述多孔氧化铝模板上聚合出具有导电能力的水凝胶柱的步骤包括：以所述多孔氧化铝模板作为一极进行电化学聚合1h
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4h，形成所述水凝胶柱；其中，电解液为导电聚合物单体与高氯酸锂的混合溶液，电压为15V交流电。使得单体在多孔氧化铝模板的孔洞中合成出导电聚合物并原位生长成柱状。
[0011]进一步地，所述在所述水凝胶柱的顶端制作具有导电能力及柔性的连通层的步骤包括：按质量计，取10份聚二甲基硅氧烷预聚物、1份聚二甲基硅氧烷交联剂、5份
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10份导电填料混合成预聚体溶液；将所述预聚体溶液涂抹在所述水凝胶柱的顶端，厚度1mm
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2mm；静置1h后在60℃
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80℃环境中烘2h
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6h实现固化，形成所述连通层。
[0012]该预聚体溶液黏度高，能够稳定分布在水凝胶柱的顶端，固化后具有弹性，导电填料提供导电能力，使所有水凝胶柱的一端固定在连通层，且电学上连通。
[0013]进一步地，所述除去所述多孔氧化铝模板的步骤包括：用5%的氢氧化钠浸泡所述多孔氧化铝模板。
[0014]氢氧化钠不损伤连通层和水凝胶柱，除去多孔氧化铝模板后，水凝胶柱背离连通层的一端游离可摆动，由于水凝胶柱原本从多孔氧化铝模板中生成出来，因此在除去多孔
氧化铝模板后，各条水凝胶柱条干分明，不相互粘连，具有多个用于与皮肤接触的接触点。
[0015]进一步地，所述以所述连通层作为一极进行电化学沉积，在所述水凝胶柱表面沉积金属层的步骤中，电解液含有金属离子盐和硼酸，pH为4；工作电流密度为6mA/cm2，工作电压15V，处理时间30min
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60min。该步骤需要严格控制处理条件，避免在沉积金属层过程中水凝胶柱互相粘连。
[0016]进一步地，所述金属离子盐选自NiSO4·
6H2O，CuSO4·
5H2O，CoSO4·
7H2O，AgCl
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6H2O中的一种或多种。
[0017]第二方面，本申请提供一种金属包覆的水凝胶电极，由第一方面所述的方法制备而成。该电极具有多个接触点，能适应皮肤在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属包覆的水凝胶电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铝片加工成多孔氧化铝模板：在所述多孔氧化铝模板上聚合出具有导电能力的水凝胶柱；在所述水凝胶柱的顶端制作具有导电能力及柔性的连通层；除去所述多孔氧化铝模板；以所述连通层作为一极进行电化学沉积，在所述水凝胶柱表面沉积金属层，得到所述金属包覆的水凝胶电极。2.根据权利要求1所述的金属包覆的水凝胶电极的制备方法，其特征在于，所述将铝片加工成多孔氧化铝模板的步骤包括：以纯铝片作为一极，以0.3M
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0.6M的草酸作为电解液，在40V
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50V氧化电压下进行第一交流电化学处理2h
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6h；将第一交流电化学处理后的铝片浸泡在0.3M
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0.6M的磷酸溶液中30min以上；将在磷酸中浸泡过的铝片作为一极，以0.3M
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0.6M的草酸作为电解液，在40V
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50V氧化电压下进行第二交流电化学处理3h，然后将氧化电压逐渐降低至15V；继续在0.3M
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0.6M的磷酸溶液中浸泡5min得到所述多孔氧化铝模板。3.根据权利要求2所述的金属包覆的水凝胶电极的制备方法，其特征在于，所述纯铝片预先经过化学抛光处理，抛光液为高氯酸与乙醇的混合液。4.根据权利要求1所述的金属包覆的水凝胶电极的制备方法，其特征在于，所述在所述多孔氧化铝模板上聚合出具有导电能力的水凝胶柱的步骤包括：以所述多孔氧化铝模板作为一极进行电化学聚合1h
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4h，形成所述水凝胶柱；其中，电解液为导电聚合物单体与高氯酸锂的混合溶液，电压为15V交流电。5.根据权利要求1所述的金属包覆的水凝胶电极的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宾剑雄，牛兰，康晓洋，张立华，
申请(专利权)人：季华实验室，
类型：发明
国别省市：