聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法、凝胶及应用

本发明属于新材料，具体涉及一种聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法、凝胶及应用。

背景技术：

1、人口老龄化加速与慢性病管理需求的持续增长，使得长期实时健康监测，特别是生理信号及心电信号采集与监测的重要性日益凸显。采用可穿戴心电监测系统时，采集的心电信号质量依赖于皮肤-电极的稳定结合。然而，目前广泛应用的银/氯化银电极的生物相容性和长期穿戴时的自粘性不足，导致皮肤刺激或过敏以及采集信号可靠性的下降。因此需要开发一种界面阻抗低而稳定、自粘性强、具备良好机械顺应性和生物相容性的心电电极。

2、导电水凝胶是皮肤贴附式心电电极的理想候选材料，其主要导电策略分为离子导电和电子导电。相比离子导电策略，同等条件下，电子导电型导电水凝胶往往具备更优异的环境稳定性，不易因水分流失造成导电性能断崖式衰减，有助于满足长期穿戴条件下的可靠信号传导需求。电子导电可选的导电聚合物包括聚吡咯、聚苯胺和聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)等。其中，聚吡咯具备生物相容性、环境稳定性和可观电导率，广泛应用于导电水凝胶的制备。然而，聚吡咯具有疏水性及强π–π相互作用，直接引入水凝胶体系易发生聚集，导致导电通路不连续，损害凝胶机械性能和导电性能。并且，聚吡咯的固有可见光吸收特性及其聚集导致的光散射降低凝胶光学透明度，从而影响对粘附效果的实时、目视检查。因此，有必要引入纳米纤维素作为沉积模板和机械填料，改善聚吡咯的分散性，开发获得一种透明、机械及电气性能优秀、可实现持久粘附的导电水凝胶。

3、因此，针对上述技术问题，有必要提供一种聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法、凝胶及应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法、凝胶及应用。

2、为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供的技术方案如下：

3、持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，包括：

4、步骤1，制备磷酸化纤维素纳米纤维：将纸浆纤维浸渍到磷酸氢二铵和尿素混合水溶液中，加热浸泡处理后干燥、固化、洗涤，再调节ph值至碱性（可以采用滴加氢氧化钠稀溶液等碱溶液实现），高压状态下进行纤丝化得到分散有磷酸化纤维素纳米纤维的第一分散液；

5、步骤2，制备聚吡咯-磷酸化纤维素纳米纤维导电填料：向磷酸化纤维素纳米纤维分散液缓慢滴加吡咯，在冰水浴搅拌条件下，缓慢滴加三氯化铁-盐酸混合溶液以氧化聚合，聚合反应完成后对产物进行离心分离、洗涤并冷藏保存；

6、步骤3，过硫酸铵预处理纳米填料：将适量过硫酸铵加入分散有填料的第二分散液中，超声处理，随后在室温条件下静置老化；

7、步骤4，制备持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素水凝胶：将明胶、过硫酸铵预处理的纳米填料和去离子水混合，加热搅拌至充分分散，随后依次加入聚合单体、n,n′-亚甲基双丙烯酰胺和2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌获得均一前驱体溶液，紫外光照射固化即可获得目标形态的水凝胶。

8、在本发明的一个或多个实施例中，步骤4中聚合单体包括丙烯酸、丙烯酰胺和n-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺中的任意一种。

9、在本发明的一个或多个实施例中，步骤4中纳米填料的填料固体质量占明胶及聚合单体总质量的0.4-1.6%。

10、在本发明的一个或多个实施例中，步骤4中聚合单体与明胶的质量比为（2-4）：1。

11、在本发明的一个或多个实施例中，步骤1中碱性为溶液ph为8-10。

12、在本发明的一个或多个实施例中，步骤1中混合溶液的组成为：纸浆纤维中纤维素的无水葡萄糖单元、磷酸氢二铵与尿素的摩尔比为1.0:（0.4-0.8）:（2.8-3.6）。

13、在本发明的一个或多个实施例中，步骤2中磷酸化纤维素纳米纤维、吡咯、盐酸中氯化氢（这里指质量比的计算中，盐酸中以氯化氢的质量计量）与六水合三氯化铁的质量比为1:1:（0.8-2.7）:（4.0-15.4）。

14、在本发明的一个或多个实施例中，步骤3中过硫酸铵与第二分散液中填料的质量比为（2.5-7.5）:1。

15、在本发明的一个或多个实施例中，持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶，由前述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法制得。

16、在本发明的一个或多个实施例中，持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶在可穿戴技术中的应用。

17、与现有技术相比，本发明的聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法、凝胶及应用，通过利用磷酸化纤维素纳米纤维作为机械填料和聚吡咯的沉积模板，构建稳定导电通路，并提高了凝胶的机械性能。利用过硫酸铵预处理聚吡咯-磷酸化纤维素纳米纤维，将聚吡咯聚集体转变为更分散的导电相，可制备得到具光学透明性的导电水凝胶。制备得到的水凝胶电极具备持久粘附性，能够实现生理信号的可靠采集。

1.一种持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，包括：

2.根据权利要求1所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤4中所述聚合单体包括丙烯酸、丙烯酰胺和n-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤4中所述纳米填料的填料固体质量占明胶及聚合单体总质量的0.4-1.6%。

4.根据权利要求1所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤4中所述聚合单体与明胶的质量比为（2-4）：1。

5.根据权利要求1所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1中所述碱性为溶液ph8-10。

6.根据权利要求1所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1中所述混合溶液的组成为：纸浆纤维中纤维素的无水葡萄糖单元、磷酸氢二铵与尿素的摩尔比为1.0:（0.4-0.8）:（2.8-3.6）。

7.根据权利要求1所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2中所述磷酸化纤维素纳米纤维、吡咯、盐酸中氯化氢与六水合三氯化铁的质量比为1:1:（0.8-2.7）:（4.0-15.4）。

8.根据权利要求1所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3中所述过硫酸铵与第二分散液中填料的质量比为（2.5-7.5）:1。

9.持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶，由根据权利要求1-8任一所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶的制备方法制得。

10.根据权利要求9所述的持久皮肤粘附性透明聚吡咯-纳米纤维素导电水凝胶在可穿戴技术中的应用。