一种双芯水凝胶纤维传感器及其连续成型方法与应用

本发明涉及功能纤维制造与生物电子传感，具体涉及一种双芯水凝胶纤维传感器及其连续成型方法与应用。

背景技术：

1、多模态植入式或贴附式传感器需要在微小纤维尺度内集成多种信号通道，以实现对复杂生理环境中多指标信息的同步采集。公开的微流控纺丝技术已经能够制备同轴、janus、空心或多材料复合微纤维，公开的水凝胶光纤技术也能够利用透明水凝胶网络进行光学传感，导电水凝胶纤维技术则能够实现柔性电化学信号采集。然而，上述技术多分别解决“成纤”“光学传感”或“电学传感”中的单一问题，并未有效解决在同一微尺度水凝胶纤维内连续稳定形成两个互不混合功能芯层的问题。

2、在多通道水凝胶纤维连续成型过程中，两个芯层需要在层流条件下同时经过喷头挤出、凝胶浴初步定型、光固化和牵伸。由于光学芯层、电学芯层和皮层之间通常存在黏度、表面张力、交联速率和溶胀行为差异，微尺度芯层容易发生横向偏移、毛细断裂、界面融合或截面畸变。特别是在芯层间距降低至百微米量级时，仅依靠常规同轴包覆或后组装方法，难以同时获得连续长度、芯层独立性和截面稳定性。

3、已有公开研究分别从连续微流控成纤、柔性水凝胶波导和响应型水凝胶光学传感角度验证了相关单元技术的可行性。例如，onoe等采用同轴层流微流控方法制得米级细胞负载微纤维（onoe h.等，metre-long cell-ladenmicrofibres exhibittissuemorphologies and functions，naturematerials，2013，12：584-590，doi：10.1038/nmat3606）；choi等报道了由生物相容性水凝胶构成的阶跃折射率光纤（choim.等，step-index optical fibermade of biocompatible hydrogels，advancedmaterials，2015，27：4081-4086，doi：10.1002/adma.201501603）；yetisen等进一步利用3-丙烯酰胺苯硼酸功能化的am-co-pegda水凝胶光纤实现葡萄糖响应（yetisen a. k.等，glucose-sensitivehydrogel optical fibers functionalized with phenylboronic acid，advancedmaterials，2017，29：1606380，doi：10.1002/adma.201606380）。上述文献证明了单芯水凝胶纤维的连续制造及光学功能化具有可行性，但未公开在同一共有皮层内连续构筑物理隔离的光学芯层和酶电化学芯层，也未解决三种前驱液流变性质不同条件下的双芯位姿锁定、梯度固化和同步信号串扰问题。

4、现有技术还存在光电信号相互干扰的问题。当导电聚合物、碳材料或金属颗粒直接掺入光传输路径时，颗粒散射、吸收损耗和局部折射率不均会降低光学传感灵敏度；而若将光学传感单元和电化学传感单元后组装于不同纤维或不同基底上，则会引入位置差异、贴附差异和运动伪差，难以实现同位点、同步化的代谢监测。

5、本发明采用共有sa/pam复合皮层对两芯层实施空间隔离和同步机械约束：两条芯层在喷头内保持独立层流，在进入凝胶浴后由sa-ca2+初生网络优先锁定其横截面位置，随后由光交联形成的pam皮层和光学芯网络承担轴向牵伸。由此，pedot:pss等吸光、导电组分被限制在电学芯层，不进入光学传输路径；光学芯层的体积变化和电学芯层的酶促反应又可在相同空间位置、相同温度、ph和形变条件下同步记录。共有皮层使两个通道承受一致的贴附与运动扰动，物理隔离则避免材料互混和反应副产物直接耦合，从而兼顾同位点监测与信号独立性。

6、此外，基于苯硼酸的光学葡萄糖传感通常会受到ph、离子强度和局部组织微环境变化的影响，单一光学读数难以区分葡萄糖浓度真实变化与生理环境扰动。因此，业界长期存在如下技术需求：在微观尺度下同时实现芯层结构稳定、功能通道独立和连续纺丝，并利用相互独立的双通道信号对单模态传感误差进行原位校准。

7、因此，有必要提供一种并非简单并列组合的双芯水凝胶纤维传感器及连续成型工艺，使复合皮层、双内芯流场、离子初凝、光固化时机和牵伸过程形成协同作用，从而解决连续制备、结构失稳、光电串扰和单模态信号易受环境干扰等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种双芯结构水凝胶纤维传感器的连续成型方法，以解决多芯水凝胶纤维在连续制备过程中易断裂、易偏移和易融合的问题，并降低导电组分对光学通道的干扰，进一步提高葡萄糖和乳酸同步代谢监测的可靠性。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种双芯水凝胶纤维传感器的连续成型方法，采用包括两个内芯流道和一个外包覆流道的三流道微流控同轴纺丝喷头，在同一复合水凝胶皮层内同步成型彼此物理隔离且平行延伸的光学芯层和电学芯层，所述连续成型方法包括以下步骤：

3、s1、配制复合皮层前驱液，所述复合皮层前驱液包括质量分数为1-6wt%的海藻酸钠、质量分数为5-25wt%的丙烯酰胺单体，以及用于形成聚丙烯酰胺网络的交联剂和光引发剂；

4、s2、配制光学芯层前驱液，所述光学芯层前驱液包括丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、3-丙烯酰胺苯硼酸和光引发剂；

5、s3、配制电学芯层前驱液，所述电学芯层前驱液包括导电聚合物分散液、成纤聚合物支架和乳酸氧化酶，所述导电聚合物包括pedot:pss和/或聚苯胺，所述成纤聚合物支架包括聚乙烯醇和/或芳纶纳米纤维；

6、s4、将光学芯层前驱液和电学芯层前驱液分别送入两个内芯流道，将复合皮层前驱液送入外包覆流道，采用三流道微流控同轴纺丝喷头进行同轴湿法纺丝，使两条功能芯层在同一复合皮层内平行成型且间隔50~150um，外包覆流与两个内芯流的流量比设定为2~3:1:1，挤出纤维先进入含ca2+的凝胶浴中进行初步定型0.5-8s，然后进行紫外光引发聚合，得到双芯水凝胶纤维传感器。

7、作为本发明的进一步优选技术方案，所述凝胶浴中cacl2浓度为20-150mmol/l；和/或，所述紫外光引发聚合的紫外光强为5-40mw/cm2；和/或，所述同轴湿法纺丝的牵伸线速度为4-10cm/min。

8、作为本发明的进一步优选技术方案，所述光学芯层包括am-co-pegda凝胶网络和接枝于所述凝胶网络中的3-丙烯酰胺苯硼酸，其中3-丙烯酰胺苯硼酸占光学芯层单体总量的5-20mol%，光学芯层固化后的可见光透过率为89%-95%。

9、作为本发明的进一步优选技术方案，所述电学芯层前驱液由浓度为1.0~2.0wt%的导电聚合物分散液与浓度为3~6wt%的成纤聚合物支架水溶液混合后加入乳酸氧化酶配制而成，其中导电聚合物分散液与成纤聚合物支架水溶液的体积比为1:2~5，乳酸氧化酶的加入量为1.0-3.0 u/ml，优选为1.9 u/ml。

10、作为本发明的进一步优选技术方案，所述电学芯层在0.4-0.8 v恒电位范围内采集乳酸催化电流信号；和/或，所述电学芯层的电导率不低于48ms/m，优选电导率为50-100ms/m。

11、作为本发明的进一步优选技术方案，所述的双芯水凝胶纤维传感器连续成型长度不低于30m，且连续成型过程中双芯层不发生融合或断裂。

12、根据本发明的第二方面，本发明还提供了一种双芯水凝胶纤维传感器，其采用第一方面所述的连续成型方法制得。

13、作为本发明的进一步优选技术方案，其皮层表面修饰有由[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺构成的抗生物污染屏蔽层，优选其厚度为5-50μm。该表面修饰方法包括：首先将双芯水凝胶纤维传感器浸泡于含二苯甲酮的溶液中以使二苯甲酮吸附于皮层表面，洗涤；然后，再浸入由[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺（mbaa）和引发剂lap的pbs溶液中，取出经紫外照射，洗涤，使得纤维皮层表面修饰有由[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺构成的抗生物污染屏蔽层。其中利用二苯甲酮在纤维皮层表面建立“界面光引发位点”，使后续抗污染水凝胶层通过光接枝与原有 pam 皮层形成共价连接，而不是仅靠物理吸附覆盖。

14、根据本发明的第二方面，本发明还提供了一种双芯水凝胶纤维传感器用于同步检测葡萄糖和乳酸中的应用，如作为葡萄糖和乳酸同步检测的代谢监测器件，可用于人体健康数据监测。其中光学芯层基于苯硼酸与葡萄糖的可逆结合引发体积变化并调制透射光强，电学芯层基于乳酸氧化酶催化反应产生电流响应。

15、与现有技术相比，本发明可以达到如下有益效果：

16、（1）提高连续成型稳定性：sa离子初生交联骨架和pam韧性网络在同一皮层内分阶段发挥作用，可同时满足快速锁形和牵伸承载要求，降低双芯结构在挤出、凝胶浴定型和牵伸过程中的断裂、偏移和融合风险。

17、（2）降低光电串扰：光学芯层和电学芯层在同一皮层内保持物理隔离，导电组分不进入光学芯层，有利于减少mie散射、吸收损耗和电化学反应副产物对光传输路径的影响。

18、（3）形成非简单叠加的协同效果：复合皮层、三流道流场、光固化时机和牵伸条件共同限定了双芯水凝胶纤维的动态稳定成型窗口，使连续长度、芯层独立性和双模态传感能力能够在同一纤维中同时实现。

19、（4）提高代谢监测准确性：基于光学葡萄糖响应和电学乳酸响应的同步采集及加权补偿策略，可降低单一光学血糖传感对ph和环境扰动的依赖。

20、（5）改善长期稳定性：皮层表面可进一步修饰抗生物污染屏蔽层，以降低蛋白吸附和生物污染对传感性能的影响。