一种导电复合海绵和导电复合海绵传感器及其应用的制作方法

本发明属于生物医用材料领域，也属于高分子材料领域。具体涉及一种导电复合海绵、以该导电复合海绵为材料制成的传感器及其在评价模型动物周围神经修复的应用。

背景技术：

柔性、灵敏的压力传感器在人体运动监测、人机界面、语音识别、个性化健康监测、机器人假肢、电子皮肤、便携式健康监护仪、甚至康复的实时测量具有广泛应用。近年来，人们探索了许多用于高压缩性、高灵敏度压力传感器的新材料，它们用作监测人类健康和活动的压力传感器引起了人们极大的关注。各种压力传感器的转换机制可分为压缩电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。其中，压缩电阻式传感器将外界压力转换为电阻信号，具有制作简单、成本低、信号采集方便等优点。在这种传感器中，导电弹性体复合材料或海绵在压缩力作用下形成更多的导电通路，导致传感器电阻降低，这种传导机制被称为负性压阻效应。良好的机械弹性、高压缩性和良好的导电性是压阻传感器材料的基本要求。近年来，许多柔性、海绵状和导电材料被用于制备压力传感器的三维导电海绵。三维导电海绵根据其结构和组成可分为四种类型:(1)单纯的导电海绵；(2)复合材料导电海绵；(3)浸渍弹性体的导电海绵；(4)涂覆导电材料的导电海绵。每种导电海绵材料都有自己的特点和缺点:单纯的导电海绵是指仅由导电材料组装而成的三维多孔海绵结构。碳材料(碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯)是目前最常用的构建高导电性、超低密度三维导电海绵的材料。虽然这种导电海绵具有超低密度、高导电性、良好的热稳定性和化学稳定性，但由于其固有的机械刚性和脆性，这些材料可能具有有限的敏感性和压缩应变范围。复合导电海绵是在导电材料组装过程中加入聚合物粘结剂，或将导电材料与聚合物组分混合，再通过发泡、冻干等方法制备而成，在制备过程中导电材料和聚合物的不均匀分散是复合导电海绵材料的一个棘手问题。弹性体浸渍导电海绵是指将规整的导电海绵浸渍/涂覆弹性聚合物，以增强海绵的稳定性和压缩性。聚合物浸渍导电海绵的缺点是电导率明显降低，密度增大。导电材料涂敷海绵是指通过溅射、浸涂、原位聚合等方法将导电材料涂覆在非导电聚合物海绵上制成的导电海绵。非导电聚合物海绵也可以通过直接浸渍在溶液中或分散在碳和金属中转化为导电材料，而此类导电海绵的缺点即作为导电涂层的碳纳米管、石墨烯、银等成本昂贵，且制备工艺复杂。

上述四种导电海绵材料中，导电材料涂覆海绵具有较好的实用性和稳定性。而在前期的研究中，我们制备了一种具有形状记忆功能即弹性和回复性良好的羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵(专利号：201710370099.8，一种水敏感形状记忆功能的羟乙基纤维素/大豆蛋白质复合海绵及其制备方法)，发现其具有良好的生物相容性、降解性和组织再生功能。能否将该海绵应用于导电材料涂覆海绵，制备出价格低廉、绿色环保、具有良好弹性导电海绵材料，需要进一步研究。

在神经组织工程基础研究中，常以大鼠、兔子或狗等动物为模型，通过手术造成周围神经缺损，再以各种神经导管进行桥接，对神经缺损进行修复，并通过一系列方法评价其修复效果。目前，通常在一定修复时间后，麻醉状态下进行手术暴露神经进行电生理检测神经修复情况。或在动物处死后，进一步用he切片、免疫荧光切片和透射电镜切片等方法来评价修复效果以及研究修复机理。如果有实时跟踪的压力传感器与被修复的部位或肢端相连接,也许它可以直接评价修复效果而无需麻醉、手术和处死动物,至少可以减少对动物的伤害,实现动态观察，提供一个更有效的方法来评价神经修复。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种导电复合海绵，在zl201710370099.8公开的技术方案制备的具有形状记忆功能即弹性和回复性良好的羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵的基础上，使用原位聚合苯胺的方式可获得羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺复合导电海绵材料。而该海绵不仅具有原始羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵的弹性和回复性能，同时还赋予了导电性，而且其电阻与施加的压力有关，是一种很好的压力敏感型导电材料。

本发明的第二目的是提供一种导电复合海绵传感器，是在本发明提供的导电复合海绵对侧均匀涂布导电银油并接上铜线，与数字源表相连组装成新型压缩电阻式导电复合海绵传感器装置。该传感器的灵敏度、响应时间和稳定性达到较高水平，为评价神经组织工程基础研究中的动物模型的周围神经损伤的修复提供了一种新的评价装置和评价方法。

本发明的第三个目的是提供导电复合海绵传感器在制备评价神经组织工程基础研究中的动物模型的周围神经损伤的修复的装置中的应用，导电复合传感器与大鼠坐骨神经手术肢连接应用于评价大鼠坐骨神经修复的程度，整个过程避免麻醉和手术等操作损伤动物，其评价效果与电生理评价效果相当。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，提供一种羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺导电复合海绵，由以下步骤制备获得：

(1)羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵的制备：将羟乙基纤维素和大豆蛋白质先分别溶解在去离子水和4～5wt％氢氧化钠水溶液中，然后按比例共混，羟乙基纤维素和大豆蛋白质的质量比为90:10～30:70，搅拌得到均匀的共混液，向上述共混溶液中加入羟乙基纤维素和大豆蛋白质总质量的10-50％的环氧氯丙烷或乙二醇二缩水甘油醚室温下搅拌混匀进行交联反应，经离心脱气后置于-20℃下放置12h，再转入-80℃下放置24h后经冷冻干燥，然后用稀醋酸中和至ph为7，清水漂洗即得复合海绵；

(2)羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺导电复合海绵的制备：将苯胺单体溶解在0.5～2m盐酸溶液中，苯胺的终浓度为0.1～1m，快速混合，将步骤(1)获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵放入溶液中搅拌，每1l盐酸/苯胺溶液加入1克羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵，将与盐酸/苯胺溶液等体积的0.1～1m过硫酸铵溶液缓慢滴入苯胺/盐酸溶液中，诱导苯胺聚合反应，聚合完成后流水冲洗，冷冻干燥，即得到羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺导电复合海绵。

本申请羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵的制备方法均参考“专利号：201710370099.8，一种水敏感形状记忆功能的羟乙基纤维素/大豆蛋白质复合海绵及其制备方法”中公开的技术方案。

第二方面，提供一种导电复合海绵传感器，由以下步骤制备获得：将本申请制得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺导电复合海绵对侧均匀涂布导电银油并接上铜线，与数字源表相连组装成传感器装置，得到导电复合海绵传感器。

第三方面，提供上述导电复合海绵传感器在制备评价神经组织工程基础研究中的动物模型的周围神经损伤的修复的装置中的应用，该应用具体为将导电复合海绵传感器与模型动物大鼠的坐骨神经损伤的手术肢的脚底想接触，在大鼠自由行动过程中，完成收集来自传感器的信号，用于评价其神经修复效果。

与现有技术相比，本发明的突出优点在于：

(1)充分利用来源丰富、价格低廉、绿色环保以及具有降解性能的羟乙基纤维素和大豆蛋白质原料，而且复合海绵材料包括聚苯胺，具有生物相容性。

(2)以羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵作为海绵弹性体，聚苯胺作为导电海绵的导电材料，所制备的复合海绵材料既保留了羟乙基纤维素/大豆蛋白质生物材料的良好弹性，导电海绵在常规的按压下电流波形一致，电流由最大值变为初始值所需的时间为0.14s,证明这种海绵传感器可以用于一般的运动功能检测。同时弥补了聚苯胺生物材料弹性的不足。

(3)羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵传感器在进行10％形变的按压100个循环之后，电流波形没有发生明显改变，证明此类海绵具有良好的可重复性和稳定性。

(4)以电生理实验为对照，本发明制备的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵传感器用于评价神经修复的方法与电生理检测方法比较，其具有无需麻醉和处死动物、无损和动态监控等显著优势，而且其评价效果与电生理评价效果相当。对神经组织工程的基础研究具有重要意义。

附图说明

图1为实施例1中获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵(左)和羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵(右)光镜图。

图2实施例1中获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵(左上，左下)和羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵(右上，右下)sem电镜图。

图3实施例1中获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺导电海绵的电阻应变系数。

图4实施例1中获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺导电海绵反应时间。

图5实施例1中获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺导电海绵循环压缩性能。

图6实施例1和例2中获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺导电海绵进行检测坐骨神经自体移植手术后修复情况检测的示意图。

图7实施例5中获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺复合导电海绵进行检测坐骨神经自体移植手术后的检测结果(右)与电生理检测结果(左)对比。

具体实施方式

通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本发明的特点和优点。所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。

【实施例1】

2g羟乙基纤维素溶解于98g去离子水中制得2％的羟乙基纤维素溶液，1g大豆蛋白溶于6g去离子水和3g5％氢氧化钠溶液中制得10％大豆蛋白溶液，以3:7的干重比例将羟乙基纤维素和大豆蛋白溶液进行混合，以20％的羟乙基纤维素和大豆蛋白质干重比例加入环氧氯丙烷交联剂进行交联反应40分钟，2000rpm离心15分钟除去复合溶液中气泡，将复合溶液倒入10×10cm²模具当中并放入-20度冷冻12小时，真空冷冻干燥48小时即得羟乙基纤维素/大豆蛋白质复合海绵。将苯胺单体溶解在1m盐酸溶液中，苯胺终浓度为0.2m，苯胺与盐酸的摩尔浓度比为1:5，使用磁力搅拌器进行混合，将羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵放入溶液中继续搅拌30分钟，每1l盐酸/苯胺溶液加入1克羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵，与盐酸/苯胺溶液同体积的过硫酸铵溶液(0.2m)缓慢滴入苯胺/盐酸溶液中，诱导苯胺聚合反应。聚合2小时后流水冲洗24小时，冷冻干燥，即得到新型羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺复合导电海绵。

图1和图2为实施例1中所获得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺复合导电海绵的光镜图和扫描电镜图。如图1所示，羟乙基纤维素/大豆蛋白质为白色，聚合苯胺2小时之后变为黑色。如图2所示，羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵和羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵均具有多孔结构，但羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺复合海绵与纯羟乙基纤维素/大豆蛋白质海绵相比，表面增加了聚苯胺颗粒且分布较为均匀。

【实施例2】

将羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵两侧均匀涂布导电银油并接上铜线，制作成海绵传感器。与数字源表连接之后，通过施加压力致使海绵发生不同程度的形变，检测海绵相应形变的电阻，得到海绵的敏感性参数-电阻应变系数。电阻应变系数(gf)＝((r-r0)/r0)/strain,r0是海绵的初始电阻，r是海绵发生相应形变的电阻，strain是海绵的形变。

图3为实施例1和实施例2中所获得的复合海绵的应变系数。如图所示，羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵经过不同的形变，数字源表中收集其电阻数据并作图3，电阻应变系数(gf)＝-0.29。

【实施例3】

将【实施例2】的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵传感器进行常规按压，与数字源表连接之后，检测海绵相应形变的电流，得到海绵的另一重要参数——反应时间。其中i0是海绵的在3v电压下的初始电流，i是海绵在3v电压下发生相应形变的电流。

图4为实施例1和实施例3中所获得的电流变化曲线图。如图所示，导电海绵在常规的按压下电流波形一致，在其中的放大图中可以看到电流由最大值变为初始值所需的时间为0.14s,证明这种海绵传感器可以用于一般的运动功能检测。

【实施例4】

将【实施例2】羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵传感器进行10％形变的按压，与数字源表连接之后，检测海绵相应形变的电流变化，检测海绵的稳定性能。

图5为实施例1和实施例4中所获得所获得的电流变化曲线图。如图所示，羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺海绵传感器在进行10％形变的按压100个循环之后，电流波形没有发生明显改变，证明此类海绵具有良好的可重复性和稳定性。

【实施例5】

将制得的羟乙基纤维素/大豆蛋白质/聚苯胺复合导电海绵对侧均匀涂布导电银油并接上铜线，与数字源表相连组装成传感器装置，将导电海绵传感器与大鼠坐骨神经进行自体神经移植手术后的手术肢连接后(如图6所示)用于评价大鼠神经修复效果程度。

图7(a)-(f)为实施例5所获得不同时间点神经修复情况下电生理方法与传感器方法结果比较。由图可知，电生理结果在进行自体神经移植手术后，随着修复时间的增加，电生理的复合肌肉动作电位(cmaps)峰值升高，但是修复12周之后与正常神经相比仍有一定的差距。随着修复时间增加，通过传感器方法收集到的电流信号在变化强度以及信号频率上均有一定的增加，同样修复12周之后与正常侧后肢所产生的电流信号相比还有一定的差异。电生理的复合肌肉动作电位与传感器检测所得的电流信号具有相近的增强趋势，两种方法的神经修复评价效果相当，但是电生理需要对动物进行麻醉和手术，需要专业麻醉和手术技能才能完成，处理不当容易麻醉过度甚至导致动物死亡。而我们使用此传感器进行检测不需要进行麻醉和手术，没有损伤随时可测，还可进行连续动态的观察，尤其是对同一只动物可以进行长期观察，前后比较修复效果。图7g、h的normal代表的是正常老鼠，即没有经过手术处理的老鼠的电生理实验结果与传感器检测的结果，没有时间点的差异，只是完全正常老鼠所产生的结果。该装置有望作为一种新的评价方法，用于模型动物周围神经缺损的修复效果评价。