一种可视化柔性纱线应变传感器及其制备方法与应用

本发明涉及可穿戴医疗监测设备，具体涉及一种可视化柔性纱线应变传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、癫痫是一种具有持续性致痫倾向的神经系统疾病，在当前阶段主要以长期药物治疗为主，在癫痫的诊断中，详细的病历和发作情况至关重要，这是诊断癫痫的重要依据。然而，目前针对癫痫患者生理状态的实时监测通常不够完整，医生也无法获得详细的病人发病资料，患者在发病状态下如果不能及时被发现，很可能引发癫痫猝死，因此对癫痫患者进行实时疾病监测显得尤为重要。

2、可穿戴医疗设备在改善个体健康管理和预防方面具有巨大的潜力，可实时监测人体的生理信号和关节活动信号中，应变传感器作为可穿戴电子设备中的关键组件之一，可将机械信号转化为可检测的电阻信号，已广泛应用于健康监测、电子皮肤和智能机器人等领域。

3、与传统的传感器基板相比，纱线应变传感器可直接编织或绣在纺织品上，具有良好的拉伸性、耐磨性和可集成性，在柔性电子产品中表现出巨大的应用前景。然而，高灵敏度和宽传感范围之间的固有矛盾限制了它们作为高性能应变传感器的进一步发展，导致传感器在应用中受到限制，无法同时监测微弱的人体信号(应变≤1％)，如脉搏、心跳等和剧烈的人体运动，如跳跃、跑步等。为了开发可拉伸纱线应变传感器，不同的柔性聚合物，如聚二甲基硅氧烷、硅橡胶和聚氨酯等已被用作可拉伸支架，碳纳米管、银纳米线和导电聚合物等已被用作导电材料。

4、可穿戴技术越来越多地用于监测癫痫等神经系统疾病，柔性可拉伸应变传感器因其能够承受更大的外部应变并且在实时监测人体运动和健康方面存在巨大应用潜力而引起了广泛的研究兴趣。具有良好的稳定性、高灵敏度和宽应变范围对于可穿戴医疗监测设备的发展至关重要。然而，开发一种同时具备高灵敏度和宽工作范围的可拉伸纱线应变传感器是未来可穿戴传感技术的一个挑战。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对现有纱线应变传感器中存在高灵敏度和宽传感范围无法兼具、不能同时监测微弱的信号等技术问题，本发明提出一种可视化柔性纱线应变传感器及其制备方法与应用，制备的产品具有高灵敏度、宽应变范围、超低检测限和优异循环使用性，符合可穿戴医疗监测设备的需求。

2、技术方案：一种可视化柔性纱线应变传感器的制备方法，步骤如下：

3、步骤一、制备热塑性聚氨酯tpu和四苯基乙烯tpe混合纺丝液；

4、步骤二、制备多孔tpu-tpe纤维，将tpu和tpe混合纺丝液通过湿法纺丝工艺制备传感器的荧光柔性纤维基底tpu-tpe纤维；

5、步骤三、制备tts荧光多孔纤维，在基底上滴加pdms液珠并固化制备非均相结构得到tts荧光多孔纤维；

6、步骤四、制备tts@pda纱线，将步骤三制得的2根tts纤维通过捻线机进行加捻，纤维一端被握持，另一端绕着轴线回转，最终获得固定捻回数的纱线，加捻过程中，使纤维上的液珠交错排列，获得tts纱线，然后将tts纱线浸泡在多巴胺的tris缓冲液中，常温下反应，反应结束后清洗、干燥，获得表面负载聚多巴胺的tts@pda纱线；

7、步骤五、制备tts@pda@ppy纱线即可视化柔性纱线应变传感器，将负载了聚多巴胺的tts@pda纱线通过原位冷冻界面聚合法负载ppy，得到tts@pda@ppy纱线即可视化柔性纱线应变传感器(命名为scfy应变传感器)。

8、作为优选，所述步骤一中tpu和tpe混合纺丝液的制备方法如下：将tpu和tpe溶解于溶剂dmf中，放在50℃的震荡水浴锅中溶解获得tpu和tpe混合纺丝液，其中，混合纺丝液中tpu与dmf的比值为60g：147.6ml，tpe在混合纺丝液中的浓度为1～5mg/ml。

9、作为优选，所述步骤二中湿法纺丝工艺具体如下：分别以0.1～2ml/min的挤出速度将纺丝液注入ipa/水＝0～80wt％的混合凝固浴中，获得的纤维在凝固浴中充分交联24h后，获得多孔tpu-tpe纤维。

10、由于dmf扩散到水中比扩散到ipa中更容易，凝固浴中加入ipa可以减缓凝固速度，因此通过控制ipa的浓度使纤维内部形成均匀规则的孔隙。

11、作为优选，所述步骤三中在基底上滴加pdms液珠并固化制备非均相结构具体如下：采用平口针头在tpu-tpe纤维表面滴加pdms液珠，液珠的距离为1cm，构建纤维表面非均相液珠结构，然后放入60℃鼓风烘箱中固化12h，获得tpu-tpe@pdms荧光多孔纤维。

12、所述滴加pdms液珠并固化制备非均相结构，其为根据表面应力再分布原理，利用pdms在纤维表面滴加液珠设计非均相，通过pdms的重力和表面张力之间的平衡关系形成单边液珠结构，然后在烘箱中固化。

13、作为优选，所述步骤四中将tts纱线浸泡在含多巴胺的tris缓冲液中，纱线与含多巴胺的tris缓冲液的比值为0.2g：200ml，其中含多巴胺的tris缓冲液配制具体如下：将浓度为10mm的多巴胺da溶液溶解在tris缓冲液中，添加0.1m的hcl溶液将ph值调节为8.5；常温下反应36h，引发da的自聚合，反应结束后，用蒸馏水清洗，自然干燥，获得表面负载聚多巴胺的tts@pda纱线。

14、作为优选，所述步骤五中原位冷冻界面聚合法步骤如下：将tts@pda纱线放置在0.4m氯化铁和0.4m nassa的混合溶液的培养皿中，其中，tts@pda纱线与混合溶液的比值为0.1g：10ml，置于-5℃环境中冷冻2h；随后，将含有不同吡咯单体浓度的等体积环己烷溶液倒入上述培养皿中，继续冷冻1h，其中吡咯单体和氯化铁的摩尔比为(0.25～2):1；最后培养皿静态保持在5℃中聚合12h；取出纱线，用蒸馏水清洗，获得tts@pda@ppy纱线即可视化柔性纱线scfy应变传感器。

15、基于上述方法制备的一种可视化柔性纱线应变传感器。

16、基于上述一种可视化柔性纱线应变传感器在制备可穿戴传感设备中的应用。

17、作为优选，所述可穿戴传感设备为可穿戴医疗监测设备。

18、作为优选，所述医疗监测设备为癫痫患者医疗监测设备。

19、有益效果：本发明提出了固化液珠非均相结构结合加捻工艺的策略，制备的可视化柔性纱线应变传感器具有出色的电阻、荧光响应性能。

20、本发明基于纤维表面固化液珠的非均相结构和导电聚合物裂纹结构设计，协同提高应变传感器的灵敏度，随后通过液珠错位加捻成纱工艺提高应变传感范围，最终获得了纱线应变传感器(scfy应变传感器)。得益于这种双重结构的设计，scfy应变传感器获得了高灵敏度(应变为143-180％时，gf＝58.9)、宽应变范围(0-184％)、超低检测限(＜0.1％)和优异循环使用性(＞2000次循环)，符合可穿戴医疗监测设备的需求。通过模拟癫痫患者的发病过程，scfy应变传感器通过获取脉搏、心率、面部表情、关节活动等电阻信号实现对癫痫患者的实时监测。同时，利用scfy应变传感器荧光可视化的特点，通过自制监测装置实现对癫痫患者的夜间监护。

21、与现有技术相比，见下表1，本发明所制备的传感器不仅具有优异的光热响应性，还具有可视化的荧光裂纹特征。在可穿戴医疗监测设备的应用上，不仅可以实现对手指、手臂和膝盖等人体大应变的监测，还能实现对脉搏、心跳、面部表情的微小应变的监测。将该传感器应用于对癫痫患者的全方面实时监测，其监测数据不仅可以帮助癫痫患者及医生更客观全面地了解癫痫病发作的个性化特点，还为寻找癫痫病灶及制定治疗方案提供了可靠的依据。

22、表1

23、

24、注：

25、[1]xinxin,z.；hao,g.；peng,d.；wei,z.；chuntai,l.；changyu,s.；kun,d.hollow-porous fiber-shaped strain sensor with multiple wrinkle-crackmicrostructure for strain visualization and wind monitoring.nano energy2023,108,108197.

26、[2]song,y.；niu,l.；ma,p.；li,x.；feng,j.；liu,z.rapidpreparationofantifreezing conductive hydrogels for flexible strain sensors and supercapacitors.acsappl.mater.interfaces2023,15,10006-10017.

27、[3]yanli,w.；wenjing,q.；min,y.；zhenhao,t.；wenjin,g.；jinkun,s.；xiang,z.；bin,f.；baigang,a.；ruimin,s.；shougen,y.；zunfeng,l.high linearity,lowhysteresis ti3c2tx mxene/agnw/liquid metal self-healing strainsensormodulatedbydynamic disulfide andhydrogen bonds.adv.fun.mater.2023,33,2301587.