基于柔性塑料基片的双面丝网印刷电极及其方法与流程

本发明属于植入式传感器领域，尤其涉及一种基于柔性塑料基片的双面丝网印刷电极及其方法。

背景技术：

植入式传感器对于实时测量人体内的生理生化参数有着极大的优势，通过将传感器电极植入到人体特定部位，在通过外部设备施加电压或者电流，可以实现实时监控人体内某些生理生化参数的目的，同时精确度更高，反应更灵敏。

例如，近年来随着糖尿病人的逐渐增多，人们对于糖尿病也愈加关注。在糖尿病的治疗过程中，监测血糖水平的变化是十分重要且有效的治疗手段。传统血糖仪通过指尖釆血的方式进行日常监测，但今年来动态血糖监测系统也逐渐成为常用的连续实时监测血糖的方法。其中，作为动态血糖系统核心部分的植入式血糖传感器更是决定了血糖监测的准确性和稳定性，不同种类的血糖传感器也被开发并应用于实际检测。

现阶段，常用的植入传感器主要是金属针电极，但是它的加工工艺比较复杂，同时成本较高，患者使用不适感强烈，所以需要进一步得优化。所以，丝网印刷电极也被开发设计用于植入式传感器的制备，它的主要优点在于柔性可弯曲并且制作成本低，加工工艺相较于金属针电极更简单。但是其加工方法和精度尚未完全优化，在实际使用中仍然存在一致性差，结构复杂的问题，限制了其在植入式传感器当中的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，针对现有植入式传感器中存在的加工工艺复杂、精度低以及患者体验差等问题，提出了一种结构优化的、适合植入的基于柔性塑料基片的双面丝网印刷电极及其方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于柔性塑料基片的双面丝网印刷电极的制备方法，其包括如下步骤：

s1：将柔性塑料材质的基片裁剪至印刷尺寸，然后将基片依次进行杂质清洗和烘干；

s2：在基片的一面印刷导电油墨，印刷完毕后烘干；

s3：在基片的另一面也印刷导电油墨，印刷完毕后烘干，得到双面丝网印刷电极前体；基片两面印刷的导电油墨层互不连通；

s4：将所述双面丝网印刷电极前体中两面均连续印刷有导电油墨层的区域一体切割成指定形状和大小，得到两面均印有导电油墨层的双面丝网印刷电极；基片两侧的导电油墨层分别作为工作电极和对电极。

作为优选，所述s4中，单次批量切割形成多条双面丝网印刷电极。

作为优选，所述导电油墨为导电碳浆、导电银浆或导电银/氯化银浆中的一种。

作为优选，所述柔性塑料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或聚酰亚胺中的一种。

作为优选，所述s1中裁剪后的基片先用无水乙醇超声清洗3分钟，再用去离子水清洗3分钟，之后在60℃的烘箱中烘干。

作为优选，s2和s3中所述烘干均是在130℃下完成的。

作为优选，所述双面丝网印刷电极的一端作为工作端，另一端作为触点端；工作端和触点端沿双面丝网印刷电极长度方向的横截面均为方形，且工作端的宽度小于触点端的宽度。

作为优选，将s3中所述双面丝网印刷电极前体的两侧导电油墨层上均部分印刷有绝缘层，印刷完毕后烘干，并进行s4步骤；最终得到的双面丝网印刷电极中，绝缘层均不覆盖工作电极和对电极的两个端侧。

作为优选，所述s4中使用自动切割机对双面丝网印刷电极前体进行切割。

本发明的另一目的在于提供了一种根据上述任一所述制备方法制备得到的双面丝网印刷电极。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明的双面丝网印刷电极中使用了柔性塑料材质的基片，使最后成形的电极具有柔性可弯曲的特性，在植入生物体内后可以减少不适感；

2)本发明的双面丝网印刷电极中使用了双面丝网印刷，通过在基片正反两面分开印刷工作电极和对电极，优化了电极结构，缩小了电极尺寸；

3)本发明的双面丝网印刷电极中使用了自动切割机将电极切割成形，克服了丝网印刷电极印刷精度低的问题，提高了电极的精度，缩小了电极尺寸。

附图说明

图1为本发明实施例1中电极一侧的曲线边缘设计图；

图2为本发明实施例1中电极的正、反面示意图；

图3为本发明实施例4中电极的剖面图；

图4为本发明实施例1中电极的爆炸图；

图5为本发明实施例1中电极的切割示意图；

图6为本发明实施例1中电极形状的几种设计图；

图中：1、工作电极；2、绝缘层；3、对电极；4、基片；5、修饰层；6、保护层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

实施例1

如图2和图4所示，本实施例提供了一种基于柔性塑料基片的双面丝网印刷电极，包括基片4、工作电极1和对电极3。基片上一面印刷有工作电极，另一面印刷有对电极。工作电极1和对电极3分别位于基片4的正反两面的相同位置，并且工作电极1和对电极3在基片4中心面上的垂直投影重合，也就是说工作电极1和对电极3的位置、形状大小均相同，以基片4构成镜面对称。除此之外，工作电极1和对电极3两者互不导通，均为独立的电极。

基片的材料选取范围广泛，任何可用于丝网印刷的绝缘柔性塑料都可用于电极基片。但为了使最后成形的电极具有柔性可弯曲的特性，在后续植入生物体内能够减少不适感，本实施例中的基片4采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚氯乙烯(pvc)或聚酰亚胺(pi)中的一种。

工作电极和对电极所用均为导电油墨，其成分可以根据具体要求选用不同成分的导电油墨。本实施例中采用导电碳浆、导电银浆或导电银/氯化银浆中的一种。

本实施例中的工作电极和对电极的外侧面上还印刷有绝缘油墨，作为绝缘层2，用于隔离出双面丝网印刷电极的工作区域和触点区域。绝缘层2不覆盖在工作电极1的两个端侧，也不覆盖在对电极3的两个端侧，具体结构如下：

电极一面的前端有一长方形区域未覆盖绝缘层，电极的前端作为工作端，该长方形区域作为电极工作区域，即用作电极发生电化学反应的区域，其长度由绝缘层所在位置的边缘线控制，其宽度由电极本身宽度控制。电极同一面的后端有另一长方形区域未覆盖绝缘层，电极的后端作为触点端，长方形区域作为电极触点区域，即用作电极与外部设备连接的区域，其长度由绝缘层所在位置的边缘线控制，其宽度由电极本身宽度控制。

上述绝缘层的结构在工作电极和对电极的外侧面均采用。但需要明确的是，绝缘层可以根据实际需要改变所在位置和形状大小，甚至可以不设置绝缘层，除此之外，工作电极和对电极两者外侧印刷的绝缘层也不用完全相同。

为了更好得规范电极尺寸，电极形状可以通过电脑设计，再由自动切割机切割获得(如图5所示的切割方式)，从而实现单次批量切割形成多条双面丝网印刷电极。切割后获得的电极形状最好为电极的触点端呈长方形，中间通过曲线圆滑过渡，电极由触点端到工作端逐渐变细，并且工作端也成长方形。当然，触点端和工作端也可以设计为其他形状，电极的中间部分也可以使用非曲线过渡。图6给出了几种不同的双面丝网印刷电极形状设计，图中，a)～d)图均为双面丝网印刷电极的一种形状设计示意图。需要说明的是，所有具有相似由粗到细结构的电极设计应均在本发明的保护范围内。

实际操作时，切割过程由计算机控制，即在已经完成印刷的电极片上切割出所需的电极形状，切割完成后的电极作为一个整体，可以进一步得加工和修饰。在本实施例中，电极的尺寸和形状如图1所示，电极中间部分的边缘呈s形曲线，触点端比工作端宽2mm，工作端、中间部分和触点端的长度分别为7.0mm、3.2mm和3.0mm，而且在设计电极形状时也可以采用图1中两个相切圆形作为辅助线来设计电极侧边缘，从而使得切割刀走刀时路径更为流畅，切割精度更高。

实施例2

本实施例提供了一种基于柔性塑料基片的双面丝网印刷电极的制备方法。需要说明的是，本实施例中，所使用的丝网印刷机为东莞市尤尼凯智能机器有限公司生产的全自动丝印机。本实施例中，一些步骤也结合该丝印机的一些功能，可能其他丝印机的结构和本实施例提供的结构不一致，但不能影响本发明所要保护的范围。同样的，本实施例中，所使用的自动切割机为深圳市经亿智能科技有限公司生产的全自动巡边模切机。本实施例中，一些步骤也结合该切割机的一些功能，可能其他切割机的结构和本实施例提供的结构不一致，但不能影响别发明所要保护的范围。

1)对基片进行预处理，具体如下：

11)首先将pet基片裁剪至印刷尺寸，印刷尺寸指的是所采用的丝印机所要求的长度和宽度，以便于印刷的尺寸。

12)将裁剪好的pet基片使用无水乙醇超声清洗3分钟，然后用去离子水清洗3分钟，以洗去基片表面的污垢杂质。最后放入烘干箱中，在60℃的条件下烘干基片表面残余的水分。

2)在基片的正面印刷工作电极，具体如下：

21)首先将印刷工作电极和绝缘层的网板固定在丝印机上。

22)随后将步骤1)中烘干好的基片放与丝印机平台上，并进行固定。

23)使用掺杂有普鲁士蓝的导电碳浆作为原料印刷工作电极，之后在130℃的条件下烘干。

24)使用绝缘油墨作为原料在工作电极的外侧面上印刷绝缘层，之后在130℃的条件下烘干。

3)在基片的反面印刷对电极，具体如下：

31)翻转已正面印刷好工作电极的基片，重新放置于丝印机平台上的相同位置，并进行固定。

32)移动基片位置进行校准，使待印刷的基片反面与已印刷好的基片正面印刷位置重合。

33)将印刷对电极和绝缘层的网板固定在丝印机上。

34)使用银/氯化银导电浆料作为原料印刷对电极，之后在130℃的条件下烘干。

35)使用绝缘油墨作为原料在对电极的外侧面上印刷绝缘层，之后在130℃的条件下烘干。此时得到双面丝网印刷电极前体，并且印刷好后的工作电极1和对电极3之间互不导通。

需要说明的是，本实施例为了区别工作电极和对电极，因此选用不同的导电油墨进行实验，但实际应用中印刷在基片正反两面的导电油墨可以采用相同的材料。

4)对印刷好后的双面丝网印刷电极前体进行切割，具体如下：

41)首先根据自动切割机的大小，对印刷好的基片进行裁剪，并做出标记点。

42)将裁剪好的基片固定在自动切割机平台上，开启机器，并导入切割图形。

43)校准标记点，根据切割图形将基片、工作电极和对电极一体切割成指定形状和大小，最终获得独立的双面丝网印刷电极。

实施例3

本实施例提供了一种基于柔性塑料基片的双面丝网印刷电极的制备方法。需要说明的是，本实施例中，所使用的丝网印刷机为东莞市尤尼凯智能机器有限公司生产的全自动丝印机。本实施例中，一些步骤也结合该丝印机的一些功能，可能其他丝印机的结构和本实施例提供的结构不一致，但不能影响本发明所要保护的范围。同样的，本实施例中，所使用的自动切割机为深圳市经亿智能科技有限公司生产的全自动巡边模切机。本实施例中，一些步骤也结合该切割机的一些功能，可能其他切割机的结构和本实施例提供的结构不一致，但不能影响别发明所要保护的范围。

1)对基片进行预处理，具体如下：

11)首先将pet基片裁剪成合适自动丝印机的大小，以便于印刷。

12)将裁剪好的pet基片使用无水乙醇超声清洗3分钟，然后用去离子水超声清洗3分钟，以洗去基片表面的污垢杂质。最后放入烘干箱中，在60℃的条件下烘干基片表面残余的水分。

2)对基片进行预切割处理，具体如下：

21)根据自动切割机的大小，首先对基片进行适当裁剪，并做出标记点。

22)将裁剪好的基片固定在自动切割机平台上，开启机器，并导入切割图形。

23)校准标记点，并进行切割。此时，只根据导入的切割图形切割出基片两侧的边缘形状，基片的上下位置不进行切割，以便于后续印刷操作。

24)将预切割后的基片用去离子水超声清洗3分钟，以洗去切割时产生的碎末，之后放入烘干箱中在60℃的条件下烘干基片表面残余的水分。

3)在基片的正面印刷工作电极，具体如下：

31)首先将印刷工作电极和绝缘层的网板固定在丝印机上。

32)随后将步骤1)中烘干好的基片放与丝印机平台上，并进行固定。

33)使用掺杂有普鲁士蓝的导电碳浆作为原料印刷工作电极，之后在130℃的条件下烘干。

34)使用绝缘油墨作为原料在工作电极的外侧面上印刷绝缘层，之后在130℃的条件下烘干。

4)在基片的反面印刷对电极，具体如下：

41)翻转已正面印刷好工作电极的基片，重新放置于丝印机平台上的相同位置，并进行固定。

42)移动基片位置进行校准，使待印刷的基片反面与已印刷好的基片正面印刷位置重合。

43)将印刷对电极和绝缘层的网板固定在丝印机上。

44)使用银/氯化银导电浆料作为原料印刷对电极，之后在130℃的条件下烘干。

45)使用绝缘油墨作为原料在对电极的外侧面上印刷绝缘层，之后在130℃的条件下烘干。此时得到双面丝网印刷电极前体，并且印刷好后的工作电极1和对电极3之间互不导通。

5)对印刷好后的双面丝网印刷电极前体进行切割，具体如下：

51)将印刷完成后的基片固定在自动切割机平台上，校准标记点。

52)开启机器，根据导入的切割图形将基片、工作电极和对电极一体的上下边缘切割成指定形状和大小，最终获得独立的双面丝网印刷电极。

实施例4

本实施例提供了一种基于柔性塑料基片的双面丝网印刷电极的应用，本实施例中双面丝网印刷电极的制备方法与实施例2中相同，在此不再赘述。

将通过实施例2中制备方法制备得到的双面丝网印刷电极进行电极修饰，具体如下：

1)将30mg/ml的葡萄糖氧化酶与30mg/ml的聚苯胺悬浮液按照体积比1:1进行混合，轻微搅拌后形成葡萄糖氧化酶固定液。

2)吸取2.5微升葡萄糖氧化酶固定液，并滴加到工作电极的工作区域，在25℃的条件下晾干半小时，形成葡萄糖氧化酶/聚苯胺修饰层5(如图3中的附图标记5所示)。

之后在带有葡萄糖氧化酶/聚苯胺修饰层的电极表面形成保护层，具体如下：

1)用四氢呋喃溶液溶解聚氨酯颗粒，制成质量分数3％的聚氨酯溶液。

2)将带有葡萄糖氧化酶/聚苯胺修饰层5的电极快速蘸取聚氨酯溶液三次，以在电极表面形成保护层6。电极的最终状态如图3所示。

最终制备得到的带有修饰层5和保护层6的双面丝网印刷电极可以用于检测人体的血糖水平，即将所述丝网印刷电极植入人体腹部皮肤下0.5mm，将电极连接至检测终端，施加恒定-0.2v电压，检测电极上的电流。

检测结果表明，使用本发明的双面丝网印刷电极能够达到与现有技术中常用的普通电极同样的效果，其rsd值(电极一致性指标)小于5％。但是本发明的电极中由于使用了柔性塑料材质的基片，使最后成形的电极具有柔性可弯曲的特性，在植入生物体内后可以减少不适感。而且，本发明使用了双面丝网印刷，通过在基片正反两面分开印刷工作电极和对电极，优化了电极结构，缩小了电极尺寸。除此之外，本发明在双面丝网印刷电极的制备过程中使用了自动切割机将电极切割成形，克服了丝网印刷电极印刷精度低的问题，提高了电极的精度，缩小了电极尺寸。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。