一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法

1.本发明涉及人体监测传感器技术领域，具体地说就是一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法。


背景技术：

2.根据对身体各部位的运动状态的跟踪和检测，可以评估人体运动机能及健康状况，初步了解人们是否患有某些运动相关疾病，例如帕金森、糖尿病足、关节炎等，并判断其发病阶段。
3.步姿分析作为运动分析的一大类，在运动员的专业训练、普通人的日常健身、及相关疾病临床检测和恢复等方面都具有潜在价值。
4.步态分析的前提条件是步态检测，最开始的方法就是利用视觉观察记录，但随着科技的发展，人们可以通过各种方法进行客观的测量与评价。prakash等人提出了一种基于2d标记获取人体步态的分析方法，该方法将肩部、臀部、膝盖、脚踝和脚趾作为人体关节坐标获取步长、步态速度和关节角度等信息[步态分析2]。
[0005]
进而，研究人员将3d分析引入步态分析中。mihradi等人使用光学运动捕捉系统获取人体步态，要求受试者在指定路径上行走，通过2台摄像机捕捉人体7个部位的发光二极管标记闪光，来获取人体步态的相关信息。这类检测方法依赖于光学传感器进行测量，需要配备摄像机和相对较长的平面，并且在特定的检测环境下，患者行为会受到主观意识的影响，导致准确性降低。因此使用可穿戴进行检测受到了科研人员极大地关注。
[0006]
caramia等人利用imu传感器对帕金森病进行分级，该传感器采用了8个惯性测量单位、1个采集硬件和1个专用软件组成，通过采集运动数据分析人体运动步速和步长等时空参数，imu传感器通常直接与步态运动有关的人体部位相连，但无法直接测得力学信号。因此人们迫切的需要一种灵活的、可以用于日常监测的步态检测装置。
[0007]
本发明要解决的技术问题是：设计一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法，对人体的步态运动等进行高效监测。


技术实现要素：

[0008]
为解决上述问题，本发明提供了一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法。
[0009]
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法，包括pani@(pva-paa)三元网络水凝胶和传感器，所述传感器与pani@(pva-paa)三元网络水凝胶粘结，所述pani@(pva-paa)三元网络水凝胶由pva-paa水凝胶基质和pani导电网络组成。
[0010]
一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器制备方法，用于制备上述三网络水凝胶基传感器，包括如下步骤：
[0011]
s1.pva溶液的制备：将0.2份的聚乙烯醇溶于10份的去离子水中，加热至90～100
℃，搅拌1.5～2h，得到质量分数为2％pva溶液；
[0012]
s2.aa-pva混合溶液的制备：将4份的聚丙烯酸加入步骤s1中所得的pva溶液中，在氮气冒泡环境下搅拌1h，排出溶液中的氧气；
[0013]
s3.双网络水凝胶的形成：将1ml质量分数为0.04％过硫酸铵溶液溶于步骤s2所得的aa-pva混合溶液中，磁力搅拌30min，将aps-aa-pva混合溶液转移到水浴锅中逐渐升温至70℃，静置4h，即得的pva-paa水凝胶基质，将pva-paa水凝胶转移到定向冷冻装置中，冷冻2h即得形成双网络的pva-paa水凝胶；
[0014]
s4.水凝胶切割：根据传感器的连接需求，将步骤s3中合成的双网络的pva-paa水凝胶进行分割成块；
[0015]
s5.ani溶液的制备：将1.5ml液态ani转入50ml1mol/l盐酸溶液中，磁搅拌30min，得到0.30mol/l的ani溶液；
[0016]
s6.pani@(pva-paa)三元网络水凝胶制备：将步骤s4切割得到的块状双网络的pva-paa水凝胶浸泡入步骤s5的ani溶液中，浸泡11-13h，浸泡完成后，将双网络的pva-paa水凝胶基质转移至aps溶液中继续浸泡11-13h,形成pani@(pva-paa)三元网络水凝胶；
[0017]
s7.pani@(pva-paa)三元网络水凝胶洗涤：将步骤s6所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶使用蒸馏水洗涤3～5次即可；
[0018]
s8.成品制备：将步骤s7所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶与传感器粘结，即得pani@(pva-paa)三元网络水凝胶基传感器。
[0019]
作为优化，步骤s3中，所述冷冻装置中，pva-paa水凝胶基质的底面环境温度为-25～-27℃，pva-paa水凝胶基质的侧面与pva-paa水凝胶基质的顶部使用隔热泡沫包裹。
[0020]
作为优化，步骤s6所述的aps溶液的物质的量为0.3mol/l，ani与aps的摩尔比为1:1。
[0021]
作为优化，所述的传感器为imu传感器。
[0022]
本方案的有益效果是，一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法，具有以下有益之处：
[0023]
本技术的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶具有导电性强、抗压性能好、制备成本低的优点，pani@(pva-paa)三元网络水凝胶基传感器在使用过程中能够有效识别肩膀、膝盖甚至足底的运动状态，进行高效的步态监测，能够对人体运动进行高效实时监测，不受人体部位不同结构的限制，应用率高，适应性强，特别适用于监测高压低频足底运动；
[0024]
本技术的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶制备方法中，aa单体进行自由基聚合交联，形成paa网络，经冻融处理后，pva与paa在paa网络中形成氢键，形成第二个网络，将水凝胶浸入ani-hcl溶液中浸泡后，再加入到aps溶液中，在双网络水凝胶中，通过ani与aps的氧化反应形成第三个网络，得到pani@(pva-paa)三元网络水凝胶；制备过程简单，单轴取向多孔和三元网络的构建使pani@(pva-paa)水凝胶具有优良的抗压力学性能、良好的电导率、优异的耐久性和良好的灵敏度；
[0025]
三元共聚物网络的构建和单轴取向的多孔结构促进了pani在pani@(pva-paa)三元网络水凝胶中的均匀分布，促进了导电路径的形成，提高了pani@(pva-paa)水凝胶传感器的纵向电阻变化率，使本技术的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶能够对人力运动进行灵敏的检测，大大提高对人体运动检测的精准性，方便对人体健康状态的研究。
附图说明
[0026]
附图1为本发明反应式示意图。
[0027]
附图2为本发明aa聚合反应式示意图。
[0028]
附图3为本发明pani极化子的形成反应式示意图。
具体实施方式
[0029]
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清楚、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
[0030]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0031]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0032]
一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法，包括pani@(pva-paa)三元网络水凝胶和传感器，所述传感器与pani@(pva-paa)三元网络水凝胶粘结，所述pani@(pva-paa)三元网络水凝胶由pva-paa水凝胶基质和pani导电网络组成。
[0033]
实施例1：
[0034]
一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器制备方法，用于制备上述三网络水凝胶基传感器，反应原理为附图1所述，包括如下步骤：
[0035]
s1.pva溶液的制备：将0.2份的聚乙烯醇溶于10份的去离子水中，加热至90℃，搅拌1.5h，得到质量分数为2％pva溶液；
[0036]
s2.aa-pva混合溶液的制备：将4份的聚丙烯酸加入步骤s1中所得的pva溶液中，在氮气冒泡环境下搅拌1h，排出溶液中的氧气；
[0037]
s3.双网络水凝胶的形成：将1ml质量分数为0.04％过硫酸铵(aps)溶液溶于步骤s2所得的aa-pva混合溶液中，磁力搅拌30min，将aps-aa-pva混合溶液转移到水浴锅中逐渐升温至70℃，静置4h，即得的pva-paa水凝胶基质，反应原理如附图2所示，将pva-paa水凝胶基质转移到定向冷冻装置中，冷冻2h即形成双网络的pva-paa水凝胶基质；
[0038]
s4.水凝胶切割：根据传感器的连接需求，将步骤s3中合成的双网络的pva-paa水凝胶基质进行分割成块；
[0039]
s5.ani溶液的制备：将1.5ml液态ani转入50ml1mol/l盐酸溶液中，磁搅拌30min，得到0.30mol/l的ani溶液；反应原理如图3所示；
[0040]
s6.pani@(pva-paa)三元网络水凝胶制备：将步骤s4切割得到的块状双网络的pva-paa水凝胶基质浸泡入步骤s5的ani溶液中，浸泡11h，浸泡完成后，将双网络的pva-paa水凝胶基质转移至aps溶液中继续浸泡11h,形成pani@(pva-paa)三元网络水凝胶；
[0041]
s7.pani@(pva-paa)三元网络水凝胶洗涤：将步骤s6所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶使用蒸馏水洗涤3次即可；
[0042]
s8.成品制备：将步骤s7所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶与传感器粘结，即得pani@(pva-paa)三元网络水凝胶基传感器。
[0043]
步骤s3中，所述冷冻装置中，pva-paa水凝胶基质的底面环境温度为-25℃，pva-paa水凝胶基质的侧面与pva-paa水凝胶基质的顶部使用隔热泡沫包裹。
[0044]
步骤s6所述的aps溶液的物质的量为0.3mol/l，ani与aps的摩尔比为1:1。
[0045]
所述的传感器为imu传感器。
[0046]
实施例2：
[0047]
一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器制备方法，用于制备上述三网络水凝胶基传感器，反应原理为附图1所述，包括如下步骤：
[0048]
s1.pva溶液的制备：将0.2份的聚乙烯醇溶于10份的去离子水中，加热至100℃，搅拌2h，得到质量分数为2％pva溶液；
[0049]
s2.aa-pva混合溶液的制备：将4份的聚丙烯酸加入步骤s1中所得的pva溶液中，在氮气冒泡环境下搅拌1h，排出溶液中的氧气；
[0050]
s3.双网络水凝胶的形成：将1ml质量分数为0.04％过硫酸铵(aps)溶液溶于步骤s2所得的aa-pva混合溶液中，磁力搅拌30min，将aps-aa-pva混合溶液转移到水浴锅中逐渐升温至70℃，静置4h，即得的pva-paa水凝胶基质，反应原理如附图2所示，将pva-paa水凝胶基质转移到定向冷冻装置中，冷冻2h即形成双网络的pva-paa水凝胶基质；
[0051]
s4.水凝胶切割：根据传感器的连接需求，将步骤s3中合成的双网络的pva-paa水凝胶基质进行分割成块；
[0052]
s5.ani溶液的制备：将1.5ml液态ani转入50ml1mol/l盐酸溶液中，磁搅拌30min，得到0.30mol/l的ani溶液；反应原理如图3所示；
[0053]
s6.pani@(pva-paa)三元网络水凝胶制备：将步骤s4切割得到的块状双网络的pva-paa水凝胶基质浸泡入步骤s5的ani溶液中，浸泡13h，浸泡完成后，将双网络的pva-paa水凝胶基质转移至aps溶液中继续浸泡13h,形成pani@(pva-paa)三元网络水凝胶；
[0054]
s7.pani@(pva-paa)三元网络水凝胶洗涤：将步骤s6所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶使用蒸馏水洗涤3～5次即可；
[0055]
s8.成品制备：将步骤s7所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶与传感器粘结，即得pani@(pva-paa)三元网络水凝胶基传感器。
[0056]
步骤s3中，所述冷冻装置中，pva-paa水凝胶基质的底面环境温度为-27℃，pva-paa水凝胶基质的侧面与pva-paa水凝胶基质的顶部使用隔热泡沫包裹。
[0057]
步骤s6所述的aps溶液的物质的量为0.3mol/l，ani与aps的摩尔比为1:1。
[0058]
所述的传感器为imu传感器。
[0059]
实施例3：
[0060]
一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器制备方法，用于制备上述三网络水凝
胶基传感器，反应原理为附图1所述，包括如下步骤：
[0061]
s1.pva溶液的制备：将0.2份的聚乙烯醇溶于10份的去离子水中，加热至95℃，搅拌1.7h，得到质量分数为2％pva溶液；
[0062]
s2.aa-pva混合溶液的制备：将4份的聚丙烯酸加入步骤s1中所得的pva溶液中，在氮气冒泡环境下搅拌1h，排出溶液中的氧气；
[0063]
s3.双网络水凝胶的形成：将1ml质量分数为0.04％过硫酸铵(aps)溶液溶于步骤s2所得的aa-pva混合溶液中，磁力搅拌30min，将aps-aa-pva混合溶液转移到水浴锅中逐渐升温至70℃，静置4h，即得的pva-paa水凝胶基质，反应原理如附图2所示，将pva-paa水凝胶基质转移到定向冷冻装置中，冷冻2h即形成双网络的pva-paa水凝胶基质；
[0064]
s4.水凝胶切割：根据传感器的连接需求，将步骤s3中合成的双网络的pva-paa水凝胶基质进行分割成块；
[0065]
s5.ani溶液的制备：将1.5ml液态ani转入50ml1mol/l盐酸溶液中，磁搅拌30min，得到0.30mol/l的ani溶液；反应原理如图3所示；
[0066]
s6.pani@(pva-paa)三元网络水凝胶制备：将步骤s4切割得到的块状双网络的pva-paa水凝胶基质浸泡入步骤s5的ani溶液中，浸泡12h，浸泡完成后，将双网络的pva-paa水凝胶基质转移至aps溶液中继续浸泡12h,形成pani@(pva-paa)三元网络水凝胶；
[0067]
s7.pani@(pva-paa)三元网络水凝胶洗涤：将步骤s6所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶使用蒸馏水洗涤4次即可；
[0068]
s8.成品制备：将步骤s7所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶与传感器粘结，即得pani@(pva-paa)三元网络水凝胶基传感器。
[0069]
步骤s3中，所述冷冻装置中，pva-paa水凝胶基质的底面环境温度为-26℃，pva-paa水凝胶基质的侧面与pva-paa水凝胶基质的顶部使用隔热泡沫包裹。
[0070]
步骤s6所述的aps溶液的物质的量为0.3mol/l，ani与aps的摩尔比为1:1。
[0071]
所述的传感器为imu传感器。
[0072]
对比例1：
[0073]
pva-paa水凝胶传感器，通过如下步骤制备：
[0074]
s1.pva溶液的制备：将0.2份的聚乙烯醇溶于10份的去离子水中，加热至95℃，搅拌1.7h，得到质量分数为2％pva溶液；
[0075]
s2.aa-pva混合溶液的制备：将4份的聚丙烯酸加入步骤s1中所得的pva溶液中，在氮气冒泡环境下搅拌1h，排出溶液中的氧气；
[0076]
s3.双网络水凝胶的形成：将1ml质量分数为0.04％过硫酸铵(aps)溶液溶于步骤s2所得的aa-pva混合溶液中，磁力搅拌30min，将aps-aa-pva混合溶液转移到水浴锅中逐渐升温至70℃，静置4h，即得的pva-paa水凝胶基质；
[0077]
s4.根据传感器的连接需求，将步骤s3中合成的pva-paa水凝胶基质进行分割成块，与传感器粘结，即得pva-paa水凝胶基传感器。
[0078]
所述的传感器为imu传感器。
[0079]
实施例1～3所得的pani@(pva-paa)三元网络水凝胶和对比例1所得的pva-paa水凝胶物理性能：
[0080] 实施例1实施例2实施例3对比例1
抗压力学性能(kpa)419.11423.44421.07227.22导电率(s/m)1.962.011.971.15加/卸载周期(个)487500492217导电响应时间(ms)203200202492
[0081]
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书的一种用于步态监测的三网络水凝胶基传感器及其制备方法且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。