一种基于液态金属传感的人造皮肤的制作方法

本发明属于人造皮肤传感技术领域，特别涉及一种基于液态金属传感的人造皮肤。

背景技术：

皮肤是人体最外面的一层结构，是人体最大的器官，皮肤覆盖全身，承担着保护身体免受物理、化学和微生物侵袭，感受温度及压力等功能。然而皮肤作为覆盖和保护体表的重要组织器官，非常容易受到外伤、烧伤、炎症等因素的损害，对于大面积烧伤患者，植皮是为了救命，医生必须及时封闭创面，给创面覆盖上一层保护膜，给受伤的皮肤一个能重新生长的环境。这层保护膜要尽可能接近人体自然皮肤，否则会被人体排斥，因此医生经常面临没有完整或者自身皮肤来移植的困境，这使得可代替人体自身皮肤的人造皮肤应运而生。

人造皮肤是利用工程学和细胞生物学的方法，在体外研制皮肤替代品，用来修复、替代损伤皮肤。现在常用的人造皮肤制造技术为首先创造出一种三维生长支架，然后将由机体分离出的表皮细胞或纤维细胞进行体外复合培养，形成人工再生的皮肤，最后将其移植于需要修复、重建的皮肤病损处。然而细胞培养需要一个相对较长的过程，对于烧伤患者而言，时间就是生命，不允许等待这么长的时间。因此开发一种无个体排斥性的、便于保存和运输的人体皮肤代替品是非常重要的。临床当中首先考虑的是从别的动物身上取下真皮层，作为敷料覆盖创面，小白猪的真皮与人体皮肤构造最为接近，制备成本较低，故临床当中使用最多，但由于不是都能适合人类自身需要，故逐渐被用胶原蛋白培养的人造皮所取代。现在比较成熟的有蚕丝蛋白人造皮，它像一层凝胶，在显微镜下能看到多孔的海绵状细微结构，它可在一定的温度下冷藏，可用来覆盖在创伤表面，帮助人体皮肤再生，临床研究表明，这种蚕丝蛋白人造皮在促进愈合、减轻疼痛方面效果较明显。然而这些人造皮肤在移植初期并不能完全代替正常皮肤行使皮肤触觉功能，这使得开发一种具有触觉功能、无个体差异、便于保存和运输的人造皮肤是极其重要的。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于液态金属传感的人造皮肤，实现了液态金属在皮肤电子方面的应用，能够克服传统人造皮肤无触觉功能，具有人体排异性的缺点，扩大人造皮肤在皮肤移植和机器人仿生皮肤中的应用范围。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于液态金属传感的人造皮肤，包括：

交联聚合物层101、液态金属电路102、中央处理器103；其中，

所述交联聚合物层101用于模拟正常皮肤的功能；

所述液态金属电路102，通过电路连接，使其具有包括阻抗和容抗在内的电学性质；

所述中央处理器103，用于将液态金属电路102的电信号变化转化为神经系统能够识别的信号，并传递给神经组件。

所述交联聚合物层101选用可调的有机硅基材料，具有与皮肤一致或者类似的弹性、收缩性、粘附性和封闭性，能快速愈合且不需要热或光介导激发。

所述液态金属电路102紧敷在交联聚合物层101上，以使电路的电阻电容能随交联聚合物层101形变而发生变化，由此导致电路输出的电信号发生变化。

所述液态金属电路102通过表面直写、掩膜喷印或刻蚀槽道并填充打印制造，或用印章压印法快速制造，或通过液态金属纳米颗粒高温烧结的方法制作得到微米级的液态金属电路。

所述印章压印法中，首先通过光刻的方式制造硅模板，然后在硅模板上浇入PDMS并固化，由此便得到PDMS印章201，将液态金属202填充在PDMS印章201的槽道中，印制成功后在电路上方覆盖一层交联聚合物层101实现封装；

所述液态金属纳米颗粒高温烧结的方法中，利用喷枪喷头301将液态金属纳米颗粒分散液302喷至位于交联聚合物层101上方的掩膜303上，掩膜303上的掩膜缝隙只允许单个液态金属纳米颗粒通过，然后进行高温烧结处理，使得单个分散的液态金属纳米颗粒紧密连接具有导电功能，由此形成高精度的电路结构305。

所述液态金属电路102中采用的液态金属材料包括镓或铟、锡、锌、铋、银、铝中的至少一种金属与镓组成的二相或多相合金，利用其常温下的柔性，实现液态金属电路的传感功能。

所述的人造皮肤移植于人体表面后，液态金属电路102与人体表皮神经末梢相连接，从而将人造皮肤表面的电信号变化，通过人造皮肤上的中央处理器103转化为人体能够识别的神经信号，并通过神经末梢传递给神经系统，进而使皮肤能够感受到不同的压力、弹性等。

所述人造皮肤能够通过液态金属电路102产生的电流进行经皮神经刺激，使年老或损伤皮肤恢复灵敏触觉，而且还能增加一定的药物传递功能来加速皮肤愈合，并且治愈一定的皮肤疾病。

所述液态金属电路102中的导线、阻容均完全利用液态金属打印,电阻电容根据电路的具体功能，进行功能化的设计，如设计一个具有温度监测与温度调节的电路，液态金属电路102被封装在交联聚合物层101中。

与现有技术相比，本发明基于液态金属传感的人造皮肤，能够将外界感受到的压力、弹性等触觉转化为交联聚合物层的形变，由于液态金属电路紧贴于交联聚合物层，故该电路电阻、电容发生变化，之后中央处理器能够将电路电信号的变化转化为人体能够识别的神经信号传递给神经系统，进而使皮肤能够感受不同的压力、弹性等。此新型的基于液态金属电路的人造皮肤，具有灵敏的触觉功能，无个体差异，便于保存和运输等优点，可广泛应用于皮肤移植和机器人仿生皮肤中。

附图说明

图1为本发明基于液态金属传感的人造皮肤的结构示意图。

图2为本发明基于液态金属传感的人造皮肤实现的液态金属电路印章压印的一实施例的示意图。

图3为本发明基于液态金属传感的人造皮肤实现的液态金属电路纳米颗粒掩膜喷印的一实施例的示意图。

图4为本发明基于液态金属传感的人造皮肤传输电信号实现的触觉功能的一实施例的过程示意图。

图5为本发明基于液态金属传感的人造皮肤实现的电流经皮神经刺激的一实施例的过程示意图。

图6为本发明基于液态金属传感的人造皮肤实现的面部电刺激美容面膜的一实施例的过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本系统结构公开一种基于液态金属传感的人造皮肤的实施结构，包括：

交联聚合物层101、液态金属电路102、中央处理器103；其中，

所述交联聚合物层101，可选用可调的有机硅基材料，用于模拟正常皮肤的功能，具有极好的弹性、收缩性、粘附性和封闭性。101是一种有机硅基材料，该材料能够快速愈合皮肤表面，且不需要热或光介导激发；

所述液态金属电路102，由于封装在在交联聚合物层里，故该电路的电阻、电容能够随着交联聚合物的形变而发生变化，由此导致其电路的输出电信号发生变化。可通过传统的表面直写、掩膜喷印或刻蚀槽道并填充等方法打印液态金属电路，也可以用印章压印的方法快速制造电路，若需要高精度的液态金属电路，可以通过液态金属纳米颗粒高温烧结的方法制作微米级的液态金属电路；

所述中央处理器103，能够将液态金属电路的电信号变化转化为人体能够识别的神经信号并传递给神经系统，进而使皮肤能够感受到不同的压力、弹性等，因而所制造的人造皮肤具有灵敏的触觉功能。

下面对本发明的具体打印方式和实现过程进行详细说明。

图2为本发明基于液态金属传感的人造皮肤实现的液态金属电路印章压印的一实施例的示意图。其中，201为PDMS(聚二甲基硅氧烷)印章，首先通过光刻的方式制造硅模板，然后在硅模板上浇入PDMS并固化，由此便得到PDMS印章201，202为填充在槽道中的液态金属，将液态金属202填充在槽道后用刀片将在槽道外的多余的液态金属刮出干净，101为交联聚合物层，在液态金属电路印制成功后再在电路上方覆盖一交联聚合物层101，实现对液态金属电路的封装。该印章压印的方法能够批量化快速制造具有特定功能的液态金属电路，从而便于实现人造皮肤的工业化生产，但其电路的精度有待提高。

图3为本发明基于液态金属传感的人造皮肤实现的液态金属电路纳米颗粒掩膜喷印的一实施例的示意图。其中，301为喷枪喷头，302为喷出的液态金属纳米颗粒分散液，303为掩膜，该掩膜缝隙只允许单个液态金属纳米颗粒通过，101为交联聚合物层，305为喷墨打印形成的电路，306为该液态金属电路部分放大图，可以看出该电路是由液态金属纳米颗粒单个连续排列而成，喷墨打印后将该液态金属电路进行印后高温烧结处理，便能将单个分散的液态金属纳米颗粒紧密连接使其具有导电功能。该方法能够实现微米级液态金属电路的制造，但其工艺较为复杂，当对液态金属电路的精度有较高要求时可以考虑此方法。

图4为本发明基于液态金属传感的人造皮肤传输电信号实现的触觉功能的一实施例的过程示意图。401为人体正常皮肤，402为移植于人体的人造皮肤，403为人造皮肤与神经中枢的神经通路，用于传递经人造皮肤中央处理器转化过的电信号，404为人体神经中枢，这里特指大脑，用于接收生物电信号以感受人造皮肤处的触觉感应，405为经神经通路403传递的生物电信号，此生物电信号的产生是由于402处的受到外界的压力或拉伸力等，使交联聚合物层发生形变，由于液态金属电路紧贴于交联聚合物层，故该电路电阻、电容发生变化，之后中央处理器将电路电信号的变化转化为人体能够识别的神经信号通过神经通路传递给神经系统，此神经信号变为生物电信号405。由于此生物电信号最终传递到了人体的神经中枢，故使得该人造皮肤具有一定的触觉功能。

图5为本发明基于液态金属传感的人造皮肤实现的电流经皮神经刺激的一实施例的过程示意图。501为人体腿部正常皮肤，502为移植于人体小腿部位的人造皮肤，由于该人造皮肤中包含有特定的电子电路，故该人造皮肤能够将特定的低频脉冲电流输入人体以增强人体的神经感觉刺激功能，并且还能在一定程度上起到止痛的疗效，503为外部施加的特定电刺激，504为弯曲的膝关节，505为经过电刺激后伸开一定角度的膝关节，由于该人造皮肤能够将电流信号转化为神经信号传导到人的神经中枢，故能够通过外部施加不同的电流刺激来产生不同的神经信号，以实现不同的运动控制。

图6为本发明基于液态金属传感的人造皮肤实现的面部电刺激美容面膜的一实施例的过程示意图。601为由该人造皮肤材料制成的人面膜美容面膜，该面膜包含电流信号中央处理器602，以及液态金属刺激电路603。由于该人造皮肤材料具有良好的透气性，皮肤粘附性以及生物相容性，故适合做面膜材料，并且其优异的生物弹性能够使其在贴附皮肤表面后使皮肤富有弹性，有效减缓皮肤的褶皱状况。液态金属电路能够通过特定微电流的波长、频率以及强度促进面部血液循环、肌肉收缩等。因此此面部电刺激美容面膜还能够对面部受损神经的恢复和防止肌肉萎缩起到一定的治愈效果。

本发明具有如下优点：

1、该基于液态金属传感的人造皮肤，利用液态金属在室温下的柔性以及电学特性，使得液态金属电路在发生一定形变时其电阻电容能够产生相应的变化，进而实现液态金属的传感功能；

2、该人造皮肤制作简单，且具有灵敏的触觉功能，且无个体差异，对机体没有免疫排斥反应，无毒无害，便于保存和运输；

3、该人造皮肤克服传统人造皮肤无触觉功能，具有人体排异性的缺点，扩大人造皮肤在皮肤移植和机器人仿生皮肤中的应用范围，提供一种新型的基于液态金属触觉传感的人造皮肤，实现液态金属在皮肤电子方面的应用。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。