CN111110222A

CN111110222A - 一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极及其制备方法

Info

Publication number: CN111110222A
Application number: CN201911366751.4A
Authority: CN
Inventors: 陶虎; 张瑜伽
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-05-08

Abstract

本发明涉及一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极及其制备方法，该制备方法包括：S1、制备塑化生物蛋白溶液；S2、在预设模板表面涂覆塑化生物蛋白溶液，通过固化干燥制备出第一塑化生物蛋白膜；S3、制备掩膜板，将掩膜板贴合在第一塑化生物蛋白膜上；S4、在已贴合第一塑化生物蛋白膜的掩膜板的表面涂覆导体浆液，通过固化干燥制备出第二塑化生物蛋白膜，第二塑化生物蛋白膜具有电极结构；S5、分离第二塑化生物蛋白膜，通过裁剪和封装制备出生物蛋白柔性皮肤贴服式电极；本发明中电极由人体生物兼容材料组成，不会造成免疫反应，且可牢固贴附于人体表面采集人体表面电生理与化学信号，进而监测人体生理状态的实时变化情况。

Description

一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及植入式医疗发电机技术领域，特别是涉及一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极及其制备方法。

背景技术

目前，市场上出现的电极片，多为皮肤粘附式电极片，其主要的作用用于肌电和心电采集，皮肤粘附式电极片的主要结构和原理为：金属固体电极(约5mm—1cm厚)，通过导电离子凝胶直接粘贴于皮肤上，电极四周通过类似膏药的粘性纱布与周围皮肤固定；皮肤电生理信号在皮肤表层与电极之间形成局部微电场，从而可以被外部电子设备采集并测量。

但是，现有的皮肤粘附式电极片存在一定的缺点或不足：一电极贴片直径约5-10cm，且只能作为一个电极，而测量皮肤生理电信号需要2到3个电极形成回路，即需要2到3个贴片，整体覆盖面积过大；由于金属固体电极厚度过大，单一电极贴服于皮肤后必须依靠粘性纱布进行固定，严重限制人体运动幅度与使用舒适性，且揭下时极易造成痛感甚至损伤，因此此类电极也无法应用于伤口或敏感皮肤组织，毛发过重区域，和易出汗皮肤表面。此类电极所用材料生物兼容性有限，且不是绿色环保生物可降解材料，因此一次性使用过后会造成潜在环境污染。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极及其制备方法，电极由人体生物兼容材料组成，接触人体皮肤后不会造成免疫反应，同时与皮肤力学性质一致，可牢固贴附于人体表面采集人体表面电生理信号与化学信号，进而监测人体生理状态的实时变化情况。

为了解决上述问题，本发明提供了一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备塑化生物蛋白溶液；

S2、在预设模板表面涂覆所述塑化生物蛋白溶液，通过固化干燥制备出第一塑化生物蛋白膜；

S3、制备掩膜板，将所述掩膜板贴合在所述第一塑化生物蛋白膜上；

S4、在已贴合第一塑化生物蛋白膜的所述掩膜板的表面涂覆导体浆液，通过固化干燥制备出第二塑化生物蛋白膜，所述第二塑化生物蛋白膜具有电极结构；

S5、分离所述第二塑化生物蛋白膜，通过裁剪和封装制备出生物蛋白柔性皮肤贴服式电极。

进一步地，在所述S1步骤中，所述塑化生物蛋白溶液通过将蚕丝蛋白、蜘蛛丝蛋白、节支弹性蛋白、甘油、氯化钙和去离子水按照预设比例制备而成，其中，所述甘油占据所述塑化生物蛋白溶液质量的5％～25％，所述氯化钙占据所述蛋白溶液质量的0.5％～3％，所述去离子水用于调节浓度，所述去离子水体积占所述蛋白溶液体积0％到50％。

进一步地，在所述S1步骤中，所述塑化生物蛋白溶液需要去除表面气泡，并且在第一预设温度下进行保存，所述第一预设温度为4℃。

进一步地，在所述S2步骤中，所述预设模板为聚二甲基硅氧烷模板、玻璃模板、特氟龙模板、聚乙烯模板或硅胶模板中一种。

进一步地，在所述S2步骤中，需要在恒温恒湿箱进行固化干燥制备所述第一塑化生物蛋白膜，所述固化干燥过程中环境温度为25℃、环境湿度为30％和干燥固化时间为12小时。

进一步地，在所述S3步骤中，所述掩膜板按照预设的电极图形进行制备。

进一步地，在所述S4步骤中，所述掩膜板分为基于金属制备的掩膜板和基于硅片制备的掩膜板，其中，所述基于金属制备的掩膜板包括：铝板、铜板、钢板或合金板中一种，所述基于硅片制备的掩膜板包括硅板、氧化硅板、玻璃板和氮化硅板中一种。

进一步地，在所述S4步骤中，所述固化干燥分为快速固化和慢速固化；

所述快速固化需要在加热板上固化，所述固化干燥过程中加热温度为80℃的环境温度和干燥固化时间为5分钟；

所述慢速固化需要在恒温恒湿箱中固化，所述固化干燥过程中环境温度为25℃、环境湿度为30％和干燥固化时间为12小时。

进一步地，在所述S4步骤中，所述导体浆液包括石墨烯、碳纳米管或银纳米线中一种。

本发明还提供了一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极，采用上述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法进行制备，所述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的长度不超过4厘米、宽度不超过3厘米和厚度不超过50微米。

本发明提供的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极及其制备方法，具有以下有益效果：

1)本发明的电极由人体生物兼容材料组成，接触人体皮肤后不会造成免疫反应。

2)本发明的电极整体厚度小于50微米，与皮肤力学性质一致，自身具有粘性，可牢固贴附于人体表面采集人体表面电生理信号与化学信号，监测人体生理状态的实时变化情况。

3)本发明的电极使用过后，可通过大量水冲洗电极，干燥后实现电极自脱落，不会对皮肤造成损伤，且电极可以被环境绿色降解，无废料污染。

4)本发明的电极可于室温密封情况下长期保存，一般大于6个月，且耐高温一般大于140摄氏度和耐弯曲形变的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例提供的生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的实验一的结果示意图；

图4是本发明实施例提供的实验二的结果示意图；

图5是本发明实施例提供的实验三的结果示意图；

图中：1-塑化蛋白基底，2-导电件，21-第一导电件，22-第二导电件，23-第三导电件。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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的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。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

实施例一

本实施例一提供一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、制备塑化生物蛋白溶液；

进一步地，所述S5步骤还包括：

取下所述预制膜板和所述掩膜板，使所述第二塑化生物蛋白膜分离；

将分离的所述第二塑化生物蛋白膜进行裁剪和密封保存，其中，所述密封保存的条件为在恒温恒湿箱中进行保存、保存过程中环境温度为25℃和环境湿度为30％。

本实施例还提供了一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极，采用上述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法进行制备，所述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极包括塑化蛋白基底1和设置在所述塑化蛋白基底1上的导电件2，所述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的长度不超过4厘米、宽度不超过3厘米和厚度不超过50微米，能够与皮肤力学性质一致，自身具有粘性，可牢固贴附于人体表面采集人体表面电生理信号与化学信号，监测人体生理状态的实时变化情况。

进一步地，所述导电件2的图案可以根据设计电极图形进行改变。

如图2所示，所述导电件2采用三种不同电极材料，所述导电件2包括第一导电件21、第二导电件22和第三导电件23，所述第一导电件21、所述第二导电件22和所述第三导电件23分别对应一种电极材料，所述第一导电件21、所述第二导电件22和所述第三导电件23之间的电极材料各不相同，此三种所述电极材料可以采用不同的人体生物兼容材料，所述人体生物兼容材料包括石墨烯、碳纳米管或银纳米线中一种，在接触人体皮肤后不会造成免疫反应。

进一步地，所述塑化生物蛋白基底1由塑化生物蛋白溶液制备而成，所述塑化生物蛋白溶液通过将蚕丝蛋白、蜘蛛丝蛋白、节支弹性蛋白、甘油、氯化钙和去离子水按照预设比例制备而成，其中，所述甘油占据所述塑化生物蛋白溶液质量的5％～25％，所述氯化钙占据所述蛋白溶液质量的0.5％～3％，所述去离子水用于调节浓度，所述去离子水体积占所述蛋白溶液体积0％～50％。

具体地，对所述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极进行实验一，将不同材料的皮肤电极黏附于猪皮上模仿人体体表环境，通过力学测试仪测量将电极揭下所需的拉力与位移曲线；如图3所示，其实验结果表明本发明的生物蛋白柔性皮肤贴服式电极无论在干燥还是湿润(汗水)状态下都具有极高的皮肤表面粘附性，远超过普通蛋白膜。

具体地，对所述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极进行实验二，将生物蛋白柔性皮肤贴服式电极黏附于人体体表不同部位，例如胸口、手臂和眼皮等处，通过示波器即可测量人体的多种电生理信号；如图4所示，其实验结果表明本发明的生物蛋白柔性皮肤贴服式电极可准确采集多种电信号；主要是源于良好的皮肤表面贴附性与极低的接触电阻，从中可以得到多种人体关键生理指标，如心跳、肌肉劳损、人体困倦程度等等。

具体地，对所述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极进行实验三，将生物蛋白柔性皮肤贴服式电极黏附于人体体表，通过电阻分析仪即可测量人体的多种化学生理信号，这里以细菌作为表征之一；如图5所示，其实验结果表明本发明的生物蛋白柔性皮肤贴服式电极可准确监测皮肤表面的细菌滋生情况，不同浓度的细菌有不同的电学响应，对人体皮肤健康程度有着至关重要的意义。

本实施例提供了一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极及其制备方法，该电极使用过后，可通过大量水冲洗电极，干燥后实现电极自脱落，不会对皮肤造成损伤，且电极可以被环境绿色降解，无废料污染，同时该电极可于室温密封情况下长期保存，一般大于6个月，且耐高温一般大于140摄氏度和耐弯曲形变的干扰。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制备塑化生物蛋白溶液；

2.根据权利要求1所述的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，在所述S1步骤中，所述塑化生物蛋白溶液通过将蚕丝蛋白、蜘蛛丝蛋白、节支弹性蛋白、甘油、氯化钙和去离子水按照预设比例制备而成，其中，所述甘油占据所述塑化生物蛋白溶液质量的5％～25％，所述氯化钙占据所述蛋白溶液质量的0.5％～3％，所述去离子水用于调节浓度，所述去离子水体积占所述蛋白溶液体积0％到50％。

3.根据权利要求2所述的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，在所述S1步骤中，所述塑化生物蛋白溶液需要去除表面气泡，并且在第一预设温度下进行保存，所述第一预设温度为4℃。

4.根据权利要求1所述的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，在所述S2步骤中，所述预设模板为聚二甲基硅氧烷模板、玻璃模板、特氟龙模板、聚乙烯模板或硅胶模板中一种。

5.根据权利要求4所述的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，在所述S2步骤中，需要在恒温恒湿箱进行固化干燥制备所述第一塑化生物蛋白膜，所述固化干燥过程中环境温度为25℃、环境湿度为30％和干燥固化时间为12小时。

6.根据权利要求1所述的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，在所述S3步骤中，所述掩膜板按照预设的电极图形进行制备。

7.根据权利要求1所述的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，在所述S4步骤中，所述掩膜板分为基于金属制备的掩膜板和基于硅片制备的掩膜板，其中，所述基于金属制备的掩膜板包括：铝板、铜板、钢板或合金板中一种，所述基于硅片制备的掩膜板包括硅板、氧化硅板、玻璃板和氮化硅板中一种。

8.根据权利要求7所述的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，在所述S4步骤中，所述固化干燥分为快速固化和慢速固化；

9.根据权利要求8所述的一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法，其特征在于，在所述S4步骤中，所述导体浆液包括石墨烯、碳纳米管或银纳米线中一种。

10.一种生物蛋白柔性皮肤贴服式电极，其特征在于，采用如权利要求1-9项中任意一项所述的生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的制备方法进行制备，所述生物蛋白柔性皮肤贴服式电极的长度不超过4厘米、宽度不超过3厘米和厚度不超过50微米。