一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置的制作方法

1.本发明属于电子材料制备及其器件加工技术领域，特别是涉及一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置。


背景技术：

2.当前，柔性技术被视为下一代智能硬件的主流交互形态之一，柔性设备也以指数级的规模快速增长。柔性设备的快速发展引起了人们对许多应用的极大兴趣，如健康监控设备、电子皮肤和可植入设备。同时，健康中国理念的深入人心也对检测装置的便捷性要求越来越高，能够实时监测生物体表及内部的运动状态，有助于迅速、全面掌握生物体的机能特征，这对于提高健康质量是十分有必要的。其中，电连接体的质量对生物体运动状态的实时监测至关重要。柔性电连接体的弹性、可弯曲性和可拉伸性，可以很好的适应生物体表皮与组织的拉伸与弯曲，使其制备的装置可实时、精准地测量生物体表面的运动状态。同时，采用3d打印制备的仿生体，通过选取与生物体理化性能相近的丙烯酸树脂材料，可模仿生物体的理化性质，达到真实模拟生物体特征的目的，并通过在其内表面制备装置，模拟生物内体的运动状态并实现实时监测，为深入研究生物体内的运动状态提供一种有效的手段。
3.液态金属本身具有很好的导电性，并且在常温下处于液体状态，因而可以作为柔性导电材料，并通过打印的方式制作柔性电连接体。液态金属制备的电连接体有着能够快速制造，环境友好，可用于制作柔性可弯曲，可拉伸电连接体等诸多优点。然而，液态金属制备的电连接体需要使用一定的封装技术，将导线与外界环境相隔离，避免液态金属导线的氧化或物理性破坏。目前液态金属制备电连接体通常使用pdms或硅胶等材料，将未固化的pdms或硅胶材料填充到液态金属制备的电连接体表面，利用高温或者自然固化，使得封装材料凝固，并起到保护电连接体的作用。这种方法需要等待较长时间，且由于使用自然固化方法，封装厚度以及均匀度都很难得到保证。同时，液态金属对制备载体的选择性高，这也进一步限制了其应用推广。


技术实现要素：

4.基于背景技术所述存在的技术问题，本发明的目的是提供了一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置，采用高粘度高分子聚合物溶胶在生物体表面或仿生体内表面涂覆、干燥后获得高分子聚合物固化膜，然后使用改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料在其表面制备电连接体，并贴装运动状态监测、供能及控制模块。该装置制备简单、安全性高，使用的改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料具有良好的载体适应性，可在高分子聚合物固化膜表面制备出均匀、稳定的电连接体，且不需要额外的表面封装处理、适用范围广。同时，制备的电连接体具有高导电性和柔性，可满足生物体表或仿生体内表面运动状态监测的应用需求。具体技术方案如下：
5.一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置，其制备方法包括以下步骤：
6.(1)将高粘度的高分子聚合物溶胶a涂覆在生物体的表面或仿生体的内表面，然后
使用红外干燥或低温干燥的方式进行固化，获得紧贴生物体表面或仿生体内表面的高分子聚合物固化膜，红外干燥的功率为10
‑
50w，红外干燥时间为3
‑
5min；低温干燥的温度为40
‑
60℃，低温干燥时间为5
‑
10min；
7.(2)使用改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b在高分子聚合物固化膜表面制备电连接体，制备的电连接体为半固态，可均匀附着于高分子聚合物固化膜表面，无需额外增加封装工艺；所述改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b制备电连接体的方法包括挤出、电流体动力学直写、毛笔绘制中的一种或几种；
8.(3)在电连接体表面贴装运动状态监测、供能、信号传输、及控制模块，获得用于生物体表或仿生体内表面运动状态监测的装置。
9.所述的高分子聚合物溶胶包括pvp水溶胶、pvp
‑
peg水溶胶、pvp
‑
pla水溶胶、pvp
‑
peg
‑
pla水溶胶中的一种或几种，所述高分子聚合物溶胶的粘度为1,000
‑
4,000cp。所选高分子聚合物溶胶材料，对生物具有良好的相容性和低毒性，且来源丰富，因而不需要担心生物安全问题。
10.所述的仿生体采用光固化3d打印丙烯酸复合树脂的方式制备，所述丙烯酸复合树脂由二丙烯酸(1,4
‑
丁二醇)酯、二(乙二醇)二甲基丙烯酸酯、1,4
‑
丁二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸2
‑
羟乙基酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的两种或两种以上的树脂混合而成。所选的仿生体材料采用光固化处理后具有良好的弹性、韧性及可拉伸性，因而可作为生物体结构和功能的仿生材料。
11.所述改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b的制备过程为：将改性石墨烯、液体金属和酯类溶剂按照(0.001
‑
0.03)：(0.1
‑
0.2)：1的比例混合，并采用球磨的方式混匀后真空干燥，球磨转速为100
‑
300rpm，球磨时间为6
‑
24h，真空干燥的温度为120
‑
180℃，真空干燥时间为4
‑
6h。石墨烯是一类具有优异的电学、热学、力学等物理化学性能的二维碳纳米材料，但其片层之间具有很强的π
‑
π相互作用以及高比表面能，导致其具有很强的化学惰性，易趋于聚集，限制其优异的性能的发挥。通过对石墨烯进行表面修饰，一方面可以提高石墨烯在酯类溶剂中的分散性，有利于石墨烯掺杂到液态金属中；另一方面可以增加石墨烯与液态金属之间的化学键和分子间作用力，进而获得可在高分子聚合物固化膜表面均匀、稳定附着的改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料。
12.所述改性石墨烯包括卤族元素修饰还原氧化石墨烯、高活性氧含量修饰氧化石墨烯中的一种或几种。
13.所述卤族元素修饰还原氧化石墨烯的制备过程为：将氧化石墨烯与浓度为1mol
·
l
‑1的卤素修饰液按照质量比(0.01
‑
0.25)：1混合后加热、离心、干燥，加热温度为60
‑
90℃，加热时间为6
‑
12h，所述的卤素修饰液中含有ali3、albr3、fei2、febr2中的一种或几种。
14.所述高活性氧含量修饰氧化石墨烯的制备过程为：将氧化石墨烯放入h2so4和hno3等体积混合的氧化液中，真空条件下回流加热8
‑
18h，加热温度为70
‑
90℃，然后将二次氧化后的氧化石墨烯使用去离子水反复冲洗三次后，重复上述步骤三次，离心获得高活性氧含量修饰氧化石墨烯。
15.所述的液态金属为镓基液态金属，金属镓含量为65
‑
95质量份、金属铟含量为5
‑
25质量份，金属锡含量为0
‑
25质量份，所述镓基液态金属的熔点为3
‑
40℃。
16.所述的酯类溶剂包括甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、甲酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸乙
酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的一种或几种。
17.所述的运动状态监测模块包括用于测量温度、压力、无机盐/糖类/酶/抗体等物质的监测模块中的一种或几种。
18.本发明的有益效果是：通过设计并制备了一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置。该装置制备简单、安全性高，改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料具有良好的载体适应性，可在高分子聚合物固化膜表面制备出均匀、稳定的电连接体，且不需要额外的表面封装处理、适用范围广。同时，制备的电连接体具有高导电性、柔性、可靠性以及适用范围，可满足生物体表或仿生体内表面运动状态监测的应用需求。
附图说明
19.图1为本发明实施例1中使用的改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料的sem图；
20.图2为本发明实施例1中改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料在pvp固化膜表面制备的电连接体的相干干涉图；
21.图3为本发明对比例2中不使用改性石墨烯掺杂的液态金属在pvp固化膜表面制备的电连接体的相干干涉图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的内容仅仅是本发明的一部分，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方式，都属于本发明保护的范围。
23.为了解决现有技术中液态金属直接制备的电连接体均匀性差，对载体的选择性高，适用范围狭窄，以及采用液态金属制备电连接体的工艺繁复、安全性差等问题。本发明设计并制备了一种用于生物体表或仿生体内表面运动状态监测的装置，采用高粘度高分子聚合物溶胶在生物体表面或仿生体内表面涂覆、干燥后获得高分子聚合物固化膜，然后使用改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料在其表面制备电连接体，并贴装运动状态监测、供能及控制模块。该方法制备简单、安全性高，改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料具有良好的载体适应性，可在高分子聚合物固化膜表面制备出均匀、稳定的电连接体，且不需要额外的表面封装处理。同时，制备的电连接体具有高导电性和柔性，可满足生物体表或仿生体内表面运动状态监测的应用需求。
24.实施例1
25.本发明提供的一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置，其制备方法包括以下步骤：
26.(1)将pvp水溶胶涂覆在生物体的表面或仿生体的内表面，然后使用红外干燥的方式进行固化，获得紧贴生物体表面或仿生体内表面的高分子聚合物固化膜，红外干燥的功率为50w，红外干燥时间为5min；
27.(2)使用改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b(如图1所示)在高分子聚合物固化膜表面制备电连接体(如图2所示)，制备的电连接体为半固态，可均匀附着于高分子聚合物固化膜表面；电连接体通过挤出的方法制备，获得的电连接体的电阻为2ω；
28.(3)在电连接体表面贴装运动状态监测、供能、信号传输、及控制模块，获得监测生
物体表或仿生体内表面运动状态的装置。
29.pvp水溶胶的粘度为4,000cp。
30.所述的仿生体采用光固化3d打印丙烯酸复合树脂的方式制备，所述丙烯酸复合树脂由二丙烯酸(1,4
‑
丁二醇)酯、二(乙二醇)二甲基丙烯酸酯混合而成。
31.所述改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b的制备过程为：将改性石墨烯、液体金属和酯类溶剂按照0.03：0.1：1的比例混合，并采用球磨的方式混匀后真空干燥，球磨转速为100rpm，球磨时间为6h，真空干燥的温度为180℃，真空干燥时间为6h。
32.所述改性石墨烯为卤族元素修饰还原氧化石墨烯。
33.所述卤族元素修饰还原氧化石墨烯的制备过程为：将氧化石墨烯与浓度为1mol
·
l
‑1的卤素修饰液按照质量比0.01：1混合后加热、离心、干燥，加热温度为60℃，加热时间为12h，所述的卤素修饰液中含有ali3和albr3。
34.所述的液态金属为镓基液态金属，金属镓含量为70质量份、金属铟含量为5质量份，金属锡含量为25质量份。
35.所述的酯类溶剂为甲酸甲酯和乙酸甲酯按照质量比1:1混合。
36.所述的运动状态监测模块包括用于测量温度、压力、无机盐/糖类/酶/抗体等物质的监测模块中的一种或几种。
37.实施例2
38.本发明提供的一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置，其制备方法包括以下步骤：
39.(1)将pvp
‑
peg
‑
pla水溶胶涂覆在生物体的表面或仿生体的内表面，然后使用低温干燥的方式进行固化，获得紧贴生物体表面或仿生体内表面的高分子聚合物固化膜；低温干燥的温度为60℃，低温干燥时间为10min；
40.(2)使用改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b在高分子聚合物固化膜表面制备电连接体，制备的电连接体为半固态，可均匀附着于高分子聚合物固化膜表面；电连接体通过电流体动力学直写的方法制备，获得的电连接体的电阻为1ω；
41.(3)在电连接体表面贴装运动状态监测、供能、信号传输、及控制模块，获得监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置。
42.pvp
‑
peg
‑
pla水溶胶的粘度为1,000cp。
43.所述的仿生体采用光固化3d打印丙烯酸复合树脂的方式制备，所述丙烯酸复合树脂由1,4
‑
丁二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸2
‑
羟乙基酯、甲基丙烯酸羟丙酯混合而成。
44.所述改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b的制备过程为：将改性石墨烯、液体金属和酯类溶剂按照0.001：0.2：1的比例混合，并采用球磨的方式混匀后真空干燥，球磨转速为300rpm，球磨时间为24h，真空干燥的温度为120℃，真空干燥时间为4h。
45.所述改性石墨烯为高活性氧含量修饰氧化石墨烯。
46.所述高活性氧含量修饰氧化石墨烯的制备过程为：将氧化石墨烯放入h2so4和hno3等体积混合的氧化液中，真空条件下回流加热18h，加热温度为70℃，然后将二次氧化后的氧化石墨烯使用去离子水反复冲洗三次后，重复上述步骤三次，离心获得高活性氧含量修饰氧化石墨烯。
47.所述的液态金属为镓基液态金属，金属镓含量为80质量份、金属铟含量为10质量
份，金属锡含量为10质量份。
48.所述的酯类溶剂为甲酸乙酯、乙酸乙酯按照质量比1:3混合。
49.所述的运动状态监测模块包括用于测量温度、压力、无机盐/糖类/酶/抗体等物质的监测模块中的一种或几种。
50.实施例3
51.本发明提供的一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置，其制备方法包括以下步骤：
52.(1)将pvp
‑
pla水溶胶涂覆在生物体的表面或仿生体的内表面，然后使用红外干燥的方式进行固化，获得紧贴生物体表面或仿生体内表面的高分子聚合物固化膜，红外干燥的功率为10w，红外干燥时间为3min；
53.(2)使用改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b在高分子聚合物固化膜表面制备电连接体，制备的电连接体为半固态，可均匀附着于高分子聚合物固化膜表面；电连接体通过毛笔绘制的方法制备，获得的电连接体的电阻为2ω；
54.(3)在电连接体表面贴装运动状态监测、供能、信号传输、及控制模块，获得监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置。
55.pvp
‑
pla水溶胶的粘度为2,000cp。
56.所述的仿生体采用光固化3d打印丙烯酸复合树脂的方式制备，所述丙烯酸复合树脂由二(乙二醇)二甲基丙烯酸酯、1,4
‑
丁二醇二甲基丙烯酸酯混合而成。
57.所述改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b的制备过程为：将改性石墨烯、液体金属和酯类溶剂按照0.001：0.1：1的比例混合，并采用球磨的方式混匀后真空干燥，球磨转速为150rpm，球磨时间为12h，真空干燥的温度为140℃，真空干燥时间为5h。
58.所述改性石墨烯为卤族元素修饰还原氧化石墨烯。
59.所述卤族元素修饰还原氧化石墨烯的制备过程为：将氧化石墨烯与浓度为1mol
·
l
‑1的卤素修饰液按照质量比0.2：1混合后加热、离心、干燥，加热温度为90℃，加热时间为6h，所述的卤素修饰液中含有ali3和fei2。
60.所述的液态金属为镓基液态金属，金属镓含量为95质量份、金属铟含量为5质量份。
61.所述的酯类溶剂为甲酸丁酯和乙酸丙酯按照质量比1:10混合。
62.所述的运动状态监测模块包括用于测量温度、压力、无机盐/糖类/酶/抗体等物质的监测模块中的一种或几种。
63.实施例4
64.本发明提供的一种监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置，其制备方法包括以下步骤：
65.(1)将pvp
‑
peg水溶胶涂覆在生物体的表面或仿生体的内表面，然后使用低温干燥的方式进行固化，获得紧贴生物体表面或仿生体内表面的高分子聚合物固化膜，低温干燥的温度为40℃，低温干燥时间为5min；
66.(2)使用改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b在高分子聚合物固化膜表面制备电连接体，制备的电连接体为半固态，可均匀附着于高分子聚合物固化膜表面；电连接体通过电流体动力学直写的方法制备，获得的电连接体的电阻为1.5ω；
67.(3)在电连接体表面贴装运动状态监测、供能、信号传输、及控制模块，获得监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置。
68.pvp
‑
peg水溶胶的粘度为3,000cp。
69.所述的仿生体采用光固化3d打印丙烯酸复合树脂的方式制备，所述丙烯酸复合树脂由二丙烯酸(1,4
‑
丁二醇)酯、1,4
‑
丁二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟丙酯混合而成。
70.所述改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料b的制备过程为：将改性石墨烯、液体金属和酯类溶剂按照0.03：0.2：1的比例混合，并采用球磨的方式混匀后真空干燥，球磨转速为220rpm，球磨时间为18h，真空干燥的温度为160℃，真空干燥时间为4.5h。
71.所述改性石墨烯为高活性氧含量修饰氧化石墨烯。
72.所述高活性氧含量修饰氧化石墨烯的制备过程为：将氧化石墨烯放入h2so4和hno3等体积混合的氧化液中，真空条件下回流加热8h，加热温度为90℃，然后将二次氧化后的氧化石墨烯使用去离子水反复冲洗三次后，重复上述步骤三次，离心获得高活性氧含量修饰氧化石墨烯。
73.所述的液态金属为镓基液态金属，金属镓含量为65质量份、金属铟含量为25质量份。
74.所述的酯类溶剂为甲酸丙酯和乙酸丁酯按照质量比1:5混合。
75.所述的运动状态监测模块包括用于测量温度、压力、无机盐/糖类/酶/抗体等物质的监测模块中的一种或几种。
76.对比例1
77.将实施例1的技术方案改为：不使用高分子聚合物溶胶在生物体表或仿生体内表面涂覆高分子聚合物固化膜，而直接将改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料制备在生物体表或仿生体内表面，液态金属中的少量金属元素会经由体表浸入到生物体内，造成一定的安全隐患。而且，改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料无法直接在生物体表制备出均匀、连贯的高质量电连接体，会导致运动状态监测的可靠性降低。
78.对比例2
79.将实施例1的技术方案改为：不使用改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料制备的电连接体，获得的电连接体的电阻为50ω，且无法在高分子聚合物固化膜表面制备出的均匀、连续的高质量电连接体。图3为本发明对比例2中不使用改性石墨烯掺杂的液态金属在pvp固化膜表面制备的电连接体的相干干涉图。
80.由以上内容可见，通过本发明实施例制备的监测生物体表或仿生体内表面运动状态的装置，制备过程简单、安全性高，改性石墨烯掺杂的液态金属复合材料具有良好的载体适应性，可在高分子聚合物固化膜表面制备出均匀、稳定的电连接体，且不需要额外的表面封装处理。同时，制备的电连接体具有高导电性和柔性，可满足监测生物体表或仿生体内表面运动状态的应用需求。
81.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。