一种可监测皮肤生理信号的水凝胶基可穿戴变色传感器

1.本发明属于可穿戴设备领域，具体涉及用于监测皮肤生理信号的变色传感器。


背景技术：

2.通过可穿戴健康监测设备实时对皮肤生理信号进行分析判断，可提升健康与疾病防治水平。但是，大多数用于可穿戴健康监测设备的柔性电子器件是将皮肤生理信号转化为电信号，需要大量外部仪器设备对转化后的电信号进行收集分析，导致监测过程繁琐复杂。可穿戴变色传感器是将生理信号直接转变为肉眼可见的光学信号，在监测过程中实时性更强，成为健康监测设备的重要组成部分。
3.国内外研发的可穿戴变色传感器，一方面通过引入可逆变色材料实现对生理信号的连续监测，例如中国专利cn109425428a公开的可穿戴uv暴露传感器、cn106521987a公开的ph敏感变色面料等；另一方面通过引入粘附性基底材料实现对生理信号的长期稳定监测，例如中国专利cn114149544a公开的粘性光子晶体水凝胶传感器、cn109331216a公开的快速止血水凝胶。但是目前的技术瓶颈在于，此类变色传感器在同时监测多个信号时，一般是采用能够响应不同生理信号的变色材料，存在信息干扰且无法连续响应的问题。为此，中国专利cn214906799u公开的可检测温度的体温贴采用了由导热层、温变层和可视层形成的复合层结构，且温变层包含多组温变区。但是，该专利的复合层结构设计导致皮肤不能与变色材料进行物质交换和传递，并不适用于同时监测uv、ph和温度的传感器，且响应速度较慢。
4.另外，上述粘附性基底材料尽管改善了与皮肤贴合时的粘附性，但这类基底材料往往可塑性差，不利于在其上分区设置不同的变色材料。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可监测皮肤生理信号的水凝胶基可穿戴变色传感器，该传感器结构简单、加工容易，能够实现同时对多个生理信号进行快速监测。
6.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
7.该变色传感器包括水凝胶基底以及设置在水凝胶基底上的多个填充槽，填充槽内设置有用于响应皮肤生理信号的变色染料固结体。
8.优选的，所述变色染料固结体是通过将变色染料经有机溶剂润湿或分散后进行干燥(干燥的主要目的是去除有机溶剂)而形成的。
9.优选的，所述有机溶剂选自丙酮、乙酸乙酯、领苯二甲酸酯等中的一种或多种，可采用溶剂成分相同或相似的指甲油代替。
10.优选的，所述水凝胶基底上的不同填充槽内分别含有用于响应ph、紫外线(uv)、温度等中的多种不同皮肤生理信号的变色染料。
11.优选的，所述水凝胶基底上的不同填充槽内分别含有用于响应不同温度区间的变色染料。
12.优选的，所述水凝胶基底采用聚丙烯酸水凝胶制成。
13.优选的，所述水凝胶基底由丙烯酸、丙烯酰胺和单宁酸于模具中交联而成。
14.优选的，所述丙烯酸在交联体系中的初始浓度为0.1-0.5g/ml，丙烯酰胺在交联体系中的初始浓度为0.01-0.05g/ml，单宁酸在交联体系中的初始浓度为0.05-0.09g/ml。
15.优选的，所述交联采用的引发剂选自过二硫酸钾(potassium persulfate,kps)、过二硫酸铵(ammonium persulfate,aps)等中的一种或多种，引发剂在交联体系中的初始浓度为10-20mg/ml。
16.优选的，所述交联采用的交联剂选自n,n
’‑
methylene bis acrylamide(mba)、poly(ethylene glycol)diacrylate-700(pegda-700)中的一种或多种，交联剂在交联体系中的初始浓度为5-7mg/ml。
17.优选的，所述交联的反应条件包括：惰性气氛下于20-27℃放置8-14小时。
18.优选的，所述变色传感器还包括阻水保护膜，阻水保护膜设置在水凝胶基底不与皮肤贴合的表面上。
19.优选的，所述填充槽位于所述不与皮肤贴合的表面上，阻水保护膜覆盖填充槽外侧的水凝胶基底表面区域。
20.优选的，所述阻水保护膜为塑料薄膜。
21.优选的，所述变色染料固结体与皮肤的间隔距离为0.5-1.5mm。
22.本发明的有益效果体现在：
23.本发明的可穿戴变色传感器采用水凝胶作为基底材料，并通过设置多个填充槽，使得变色材料可以针对该基底材料的皮肤贴合粘附区域的生理信号进行快速响应，达到了对多个皮肤生理信号连续且无干扰的进行实时及长期稳定监测的效果。
24.进一步的，本发明中水凝胶基底由丙烯酸、丙烯酰胺和单宁酸交联而成，使得可穿戴变色传感器的基底部分可在模具中一体成型，并且容易与模具分离，具有方便快捷的特点，促进了水凝胶基变色传感器在健康监测领域的广泛应用。
25.进一步的，本发明中水凝胶基底通过在聚丙烯酸水凝胶交联体系基础上引入并调节单宁酸的浓度，可以改善粘附性。
26.进一步的，本发明中通过引入阻水保护膜，可以减少水凝胶基底的水分损失，使得可穿戴变色传感器可多次与皮肤剥离-粘附，提升水凝胶基变色传感器在健康监测领域的使用性能和寿命。
27.进一步的，本发明中利用填充槽的深度控制变色染料固结体与皮肤之间所间隔的基底水凝胶材料的厚度，不仅使得可穿戴变色传感器可独立且连续监测多个生理信号，而且可以保证用户在同一时间通过变色结果读取不同生理信号。
附图说明
28.图1为模具的结构示意图：图1中，1-上封板，2-下封板，3-垫板，4-定型板，5-安装孔。
29.图2为填充变色染料前(a)、后(b)可穿戴变色传感器的示意图；图2中，6-变色染料，7-凹槽，8-水凝胶基底。
30.图3为水凝胶材料的拉伸、压缩及粘附示意图。
31.图4为利用模具制备的可监测多种皮肤生理信号的可穿戴变色传感器工作示意图。
32.图5为利用模具制备的可监测皮肤温度信号的可穿戴变色传感器工作示意图。
33.图6为对ph、温度及紫外线响应变色的三种染料的变色区间示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
35.(一)可穿戴变色传感器的制备
36.第一步如图1所示，用激光切割机在聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)板上加工三层模具的结构件。
37.所述模具的第一层包括按以下尺寸参数切出的四角具有安装孔5的上封板1(
×
1块)：长30mm，宽20mm，厚2mm；安装孔直径2mm(孔心距边3mm)。
38.所述模具的第二层包括按以下尺寸参数切出的两侧具有安装孔5的垫板3(
×
2块)：长30mm，宽4mm，厚2mm；安装孔直径2mm(孔心距边3mm)。第二层还包括按以下尺寸参数切出的定型板4(
×
3块)：长4-10mm(例如5mm)，宽4-10mm(例如5mm)，厚1mm，即定型板4既可以是正方形，也可以是长方形，同时可采用具有圆滑倒角的相应形状。
39.所述模具的第三层包括按以下尺寸参数切出的四角具有安装孔5的下封板2(
×
1块)：长30mm，宽20mm，厚2mm；安装孔直径2mm(孔心距边3mm)。
40.第二步三层模具的组装
41.将三块定型板4并排等间隔粘接固定在上封板1或下封板2的一侧表面上，并与上封板1或下封板2两侧边缘的安装孔5留出一定间距，然后将两个垫板3的安装孔5与上封板1或下封板2两侧边缘的安装孔5分别对准，并使得垫板3的长边与上封板1或下封板2的长边平齐，然后将上封板1与下封板2在两块垫板3支撑下进行叠加，并使得上封板1与下封板2各自的安装孔5一一对准，通过螺丝、螺母将上封板1、垫板3及下封板2于对准的安装孔5处紧固。以上结构件由于采用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)板加工而成，故组装形成的相应模具的外观呈无色透明状。
42.第三步将组装的三层模具放置在以单体(丙烯酸和丙烯酰胺)、引发剂、交联剂及单宁酸为溶质所形成的混合水溶液(10ml)中，通氮气去除该溶液中的氧气，通氮气10min后，无需uv照射，直接放置在常温12小时即可在三层模具中(具体是在上、下封板1、2及垫板3之间的模具半封闭内部空间中)形成自粘附水凝胶(由进入上述内部空间的混合水溶液中的丙烯酸、丙烯酰胺及单宁酸交联而成，参见表1)，拆开三层模具后可以得到如图2a所示的水凝胶基底8(由位于上述内部空间中的三个定型板4作为形成水凝胶基底8上的三个凹槽7的内模)。
43.表1.自粘附水凝胶的交联参数
[0044][0045]
表2.自粘附水凝胶的性能测试数据
[0046] 粘附力拉伸力压缩力可塑性致敏性实例114.8kpa305kpa398kpa良好未见红肿、瘙痒实例214.5kpa297kpa400kpa良好未见红肿、瘙痒实例313.7kpa301kpa382kpa良好未见红肿、瘙痒对照129.5kpa155kpa312kpa良好未见红肿、瘙痒对照25.4kpa312kpa402kpa良好未见红肿、瘙痒
[0047]
参见表2，实例1、2、3所制备的自粘附水凝胶具有较强的粘附性，但对照1制得的水凝胶(图3)过强的粘附，导致其通过交联形成后不易与模具分离。
[0048]
第四步将不同的刺激响应变色染料6嵌入到水凝胶基底8上的不同凹槽7中，即可制备出可穿戴变色传感器(图2b)。
[0049]
为了防止水凝胶基底8所含水分的挥发，可以在水凝胶基底8嵌入有变色染料6的一侧表面上贴覆一层聚氯乙烯(pvc)薄膜，该薄膜不覆盖变色染料6。在使用可穿戴变色传感器时，将所述水凝胶基底8的另一侧表面贴合在皮肤上即可。
[0050]
(二)利用可穿戴变色传感器监测ph、温度及紫外线生理信号
[0051]
按照实例1制备水凝胶基底8。将分别对ph、温度及紫外线响应变色的三种染料嵌入到水凝胶基底8上的三个凹槽7中。其中，对紫外线变色响应的染料(photochromic dye)和对温度变色响应的染料(thermochromic dye)可购买获得，对ph变色响应的染料是溴百里酚蓝(bromothymol blue)。染料嵌入工艺具体如下：采用指甲油将上述三种染料分别配制成浆料，将每一种染料的浆料加入对应一个凹槽7中，并填满该凹槽，然后室温下自然挥干，形成固结在凹槽7中的具有一定硬度的染料块。
[0052]
实验结果表明，所得传感器可粘贴在皮肤的任何部位，可对ph(皮肤外环境)、温度(皮肤表面)及紫外光(皮肤外环境)进行监测(图4、图6)，监测条件：环境温度为15～35℃、湿度为40％～70％。
[0053]
(三)利用可穿戴变色传感器监测皮肤温度信号
[0054]
按照实例1制备水凝胶基底8。将分别对不同温度响应变色的染料(thermochromic dye)嵌入到水凝胶基底8上的三个凹槽7中。
[0055]
将所得传感器贴合在人体皮肤表面，用户可通过三个分区(即对应三个凹槽7的区域)染料的颜色，直接判断出皮肤表面相应区域的温度，从而让用户可以随时随地的了解自己的健康信息，且准确度与测温仪一致(图5)，测试前用适度热水对传感器将贴合皮肤局部
进行了预热。参照图6可知，该传感器三个分区的染料从上到下所反映的温度分别为33℃(图5中测温仪的激光位置就是最上面一个分区的位置)、35℃及38℃。