具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极及其制备方法

本发明涉及表面肌电电极和康复医学领域，具体为一种具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极及其制备方法。

背景技术：

1、肌电信号在智慧医疗，健康监测、康复医学方面具有广泛的应用价值。电极用于肌电传感器的信号采集，在使用过程中对其佩戴舒适性和信号采集准确性要求较高；现有文献表明，侵入式肌电电极在信号采集方面表现良好，但对人体表面皮肤以及浅层皮肤组织损伤较大，不宜长期使用。现有非侵入式肌电电极主要有湿电极以及与皮肤直接接触的表面肌电电极，湿电极需配合导电胶使用，而导电胶易失水干燥，不宜长期使用，表面肌电电极多为金属电极，金属材质较硬因而不能够与皮肤表面形成良好的共形贴合，且不具备良好的透湿性，长期使用极易引起使用区域皮肤的不适与病变，不宜长期佩戴；尤其是在康复医学领域开始采用表面肌电电极采集残肢肌肉电信号进行假肢运动控制，但是目前用于残肢肌电信号采集的电极常常由于所贴附皮肤处产生汗液累积而无法有效获取肌电信号数据，进而造成运动控制问题。因此亟需设计并制作一款具有良好柔性，能够与皮肤表面有效贴合，并且具有良好透气透湿性能的表面肌电电极。

技术实现思路

1、针对上述表面肌电电极技术现状，本发明提供了一种具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极及其制备方法，该肌电电极的结构设计借鉴了自然界中桃叶叶脉分级结构，通过设置孔径梯度产生毛细压力，为流体传输提供辅助驱动力，使其具有单向导流控湿性能，提高信号采集信噪比。同时三层材料存在亲水性差异，也为水分向外运输提供了吸引力，进一步保障单向导流控湿性能。

2、一种具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极，包括电极基底与电极层；电极基底由静电纺丝制备，包括内层、运输层和外层，运输层位于内层与外层之间，内层、运输层和外层均具有若干通孔，运输层的通孔孔径大于内层的通孔孔径、运输层的通孔孔径小于外层的通孔孔径，内层与皮肤接触，电极基底为柔性材质，与皮肤具有良好的共形性，电极层由导电材料经喷枪喷涂在电极基底上。

3、一种具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极的制备方法，包括以下步骤：

4、1）选择具有疏水透气的聚丙烯（pp）无纺布作为与皮肤接触的内层；

5、2）利用静电纺丝法制备亲水的运输层；

6、3）利用静电纺丝法制备外层；

7、4）将得到的内层、运输层和外层按顺序组合成的基底层润湿；

8、5）利用喷涂导电物质的方法制备电极层。

9、所述步骤1）的具体步骤是：

10、将pp（聚丙烯）无纺布裁剪合适的长度和宽度并将其固定在锡箔纸上后安装于静电纺丝机接收装置上。

11、所述步骤2）的具体步骤是：

12、配制与皮肤接触的运输层基底混合溶液，用若干注射器抽取，并安装静电纺丝针头；调整静电纺丝机的参数，无需更换锡箔纸，在步骤1）内层基底的基础上将所配置的静电纺丝混合溶液进行静电纺丝。

13、所述步骤3）的具体步骤是：

14、配制外层基底混合溶液，用若干注射器抽取，并安装静电纺丝针头；无需更换锡箔纸，在步骤2）所得内层和运输层基底的基础上将混合溶液进行纺丝，得到具有三层孔径大小梯度分布特点的基底层。

15、所述步骤4）的具体步骤是：

16、在步骤3）所得静电纺丝织物基底的合适位置裁剪一块合适大小的正方形，用滴管吸水将其润湿。

17、所述步骤5）的具体步骤是：

18、将由步骤1）、步骤2）、步骤3）和步骤4）得到的三层孔径梯度柔性基底的大孔径面朝上，小孔径面朝下放置，待步骤4）得到的基底处于半干状态时采用喷枪在大孔径面上均匀喷涂导电物质溶液，待其形成一层导电薄膜后，将涂有导电物质的基底放入真空干燥箱中烘干导电物质溶液与基底中水分。

19、所述步骤1）中的聚丙烯（pp）无纺布规格为每平方米30克。

20、所述步骤1）中的聚丙烯（pp）无纺布裁剪宽度为20cm,长度为30cm。

21、所述步骤2）中的混合基底溶液为β-环糊精/pan溶液，溶剂为n,n-二甲基甲酰胺溶液。

22、所述步骤2）中所用pan为20w～30w分子量，pan与n,n-二甲基甲酰胺溶液质量比为1：5～1：3，β-环糊精与pan质量比为1：1～5：4。

23、所述步骤2）中集热式恒温加热磁力搅拌器的转速为1000~1500rpm，温度为40℃～50℃。

24、所述步骤2）中静电纺丝所加电压为20kv～30kv，推注速度为0.4mm/min～0.6mm/min。

25、所述步骤2）中静电纺丝单层（10ml）所用时间为60min～90min。

26、所述步骤3）中的混合基底溶液为pan溶液，溶剂为n,n-二甲基甲酰胺溶液。

27、所述步骤3）中所用pan为20w～30w分子量，pan与n,n-二甲基甲酰胺溶液质量比为3：5～3：4。

28、所述步骤3）中集热式恒温加热磁力搅拌器的转速为1000~1500rpm，温度为40℃～50℃。

29、所述步骤3）中静电纺丝所加电压为20kv～30kv，推注速度为0.4mm/min～0.6mm/min。

30、所述步骤3）中静电纺丝单层（10ml）所用时间为60min～90min。

31、所述步骤4）中在锡箔纸中间部分裁剪的正方形尺寸大小为1.5cm×1.5cm。

32、所述步骤5）中的喷涂的导电物质为分散于可挥发性溶剂的导电纳米材料，如碳纳米管溶液、超细氧化锡锑溶液、银纳米线溶液等。

33、所述步骤5）中喷涂的导电物质为0.02~0.1ml/cm2。

34、所述步骤5）中真空干燥箱温度为45℃~60℃，干燥时间为2~4h。

35、本发明的有益效果：本发明的方法制备的一种具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极通过仿照桃叶叶脉的分级结构，控制β-环糊精与pan的比例，利用静电纺丝技术制备具有孔径及亲水性双重梯度变化的透气孔结构；该肌电电极既具有良好的导电性能又兼具柔性与单向导流控湿性，与皮肤贴合舒适有良好的共形性，安全无害，同时三层孔径梯度结构极大增加了导电层与皮肤的接触面积，能够收集到高信噪比的肌电信号。

技术特征：

1.具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极，其特征在于：包括电极基底与电极层（4）；电极基底由静电纺丝制备，包括内层（1）、运输层（2）和外层（3），运输层（2）位于内层（1）与外层（3）之间，内层（1）、运输层（2）和外层（3）均具有若干通孔，运输层（2）的通孔孔径大于内层（1）的通孔孔径、运输层（2）的通孔孔径小于外层（3）的通孔孔径，内层（1）与皮肤（5）接触，电极基底为柔性材质，电极层（4）由导电材料经喷枪喷涂在电极基底上。

2.权利要求1所述具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极的制备方法，其特征在于：

4.根据权利要求2所述的具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极的制备方法，其特征在于：

技术总结
一种具有三层孔径梯度的仿生柔性单向导流控湿肌电电极及其制备方法，电极包括电极基底与电极层；电极基底通过静电纺丝进行制备，仿照桃叶叶脉的分级结构设计为三层孔径梯度，包括具有大孔径的与皮肤接触的疏水内层、具有中等孔径大小亲水的运输层和具有小孔径的致密亲水外层；电极层由导电材料经喷枪喷涂在电极基底上。用导电元件将电极与信号采集板连接进行肌电信号的采集。该肌电电极既具有良好的导电性能又兼具柔性与单向导流控湿性，与皮肤贴合舒适有良好的共形性，安全无害，同时三层孔径梯度结构极大增加了导电层与皮肤的接触面积，能够收集到高信噪比的肌电信号，在运动与健康监测、康复医学等领域具有巨大的应用价值。

技术研发人员：钱志辉,刘蓓,孙怡霖,陈博雅,马愫倩,贾智萌,赵文娴,杨慧翔,任露泉
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12