一种自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极制造技术

一种自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极及其制备方法，该仿生章鱼吸盘微纳结构干电极包括柔性复合材料膜，所述柔性复合材料膜的一面上具有由多个微型腔体组成的腔体阵列，所述微型腔体的腔口的尺寸小于内腔的尺寸而形成倒“凸”型腔体，所述微型腔体的底部涂覆有热响应水凝胶，所述热响应水凝胶具有低于人体皮肤正常温度的低临界溶液温度，当所述柔性复合材料膜贴附在人体皮肤表面时，人体皮肤温度使得所述热响应水凝胶收缩而减少所述微型腔体内的压强，从而使所述微型腔体对人体皮肤表面产生吸附作用。该干电极拥有良好的粘附性、疏水性、导电性、力学传递特性和生物相容性。

【技术实现步骤摘要】
一种自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极
本专利技术涉及用于临床医学与医疗监控设备的电极，特别是涉及一种自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极。
技术介绍
随着人们生活品质和医疗水平的不断进步，可穿戴医疗监测设备也在逐渐的普及。生物医用电极作为一种能够有效地将生物体电化学活动产生的离子电位转换成测量系统电子电位的传感器,广泛应用于现代临床检测和生物医学测量,其中包括心电图ECG、脑电图EEG、肌电图EMG、眼电图EOG、胃电活动GEA、神经电位以及电阻抗成像EIT等。而传统的医用电极存在着单次使用、无法长时间佩戴、需要导电银浆等无法避免的问题。受壁虎、蜘蛛、甲虫等出色攀爬能力的启发，仿生干粘附功能结构的设计及其界面行为研究引起了学术界的广泛关注，在拾取机械手、攀爬机器人、太空操作等诸多领域展现出良好的应用前景。但目前对于自贴附微纳仿生结构的研究重点仍然在粘附性，其他方面的性能导致其无法应用于实际人体信号采集。目前应用于临床医学与医疗监控设备的电极主要分为四种类型。第一种为湿电极，将导电膏涂敷在Ag/Agcl电极与皮肤之间，以此来增加导电性，减少皮肤阻抗干扰，是目前应用最广泛的一种医用电极。但是湿电极只能一次性使用，并且无法长时间佩戴，否者会导致皮肤红肿瘙痒、粘附性降低甚至脱落、电学信号给随着导电膏的干涸产生失真等问题。第二种为非接触电极，通过电极、介质和皮肤之间电容耦合的方式进行测量，此种电极可以用于衣物和座椅等场景。但是非接触电极测得的人体信号微弱，容易受外界噪声影响。第三种为刺入式电极，此种电极刺入人体皮肤角质层来采集人体信号，信号失真小，抗噪声能力强。但是刺入式电极会对人体皮肤产生微小创伤，有一定的感染风险且佩戴不便捷，无法反复使用。第四种为接触式干电极，通过柔性材料与导电微粒材料的复合制备成可贴附结构用于人体信号采集。但是目前接触式干电极难以在粘附性、导电性和生物相容性等多方面的性能上实现较好的兼容。另外自贴附仿生微纳结构的粘附性研究多停留在对光滑表面，对于类似于人体皮肤的粗糙表面粘附性能还无法满足要求。需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服上述
技术介绍
存在的问题，提供一种自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极，包括柔性复合材料膜，所述柔性复合材料膜的一面上具有由多个微型腔体组成的腔体阵列，所述微型腔体的腔口的尺寸小于内腔的尺寸而形成倒“凸”型腔体，所述微型腔体的底部涂覆有热响应水凝胶，所述热响应水凝胶具有低于人体皮肤正常温度的低临界溶液温度，当所述柔性复合材料膜贴附在人体皮肤表面时，人体皮肤温度使得所述热响应水凝胶收缩而减少所述微型腔体内的压强，从而使所述微型腔体对人体皮肤表面产生吸附作用。进一步地：所述热响应水凝胶为聚N-异丙基丙烯酰胺pNIPAM(Poly-N-isopropylacry-lamide)水凝胶。所述柔性复合材料膜为多壁碳纳米管(MWCNT)和具有粘性的水凝胶的复合材料。所述具有粘性的水凝胶为PDA-caly-PAM水凝胶，优选的，多壁碳纳米管与PDA-clay-PAM水凝胶的质量比为3-7:100,优选质量比5:100。所述微型腔体的腔口和内腔均为圆柱形，所述微型腔体具有微米级尺寸。一种所述的自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极的制备方法，包括如下步骤：S1、在硅片上形成牺牲层；S2、在所述牺牲层上涂覆第一光刻胶并固化为第一光刻胶层；S3、在所述第一光刻胶层上涂覆第二光刻胶并固化为第二光刻胶层，所述第一光刻胶的显影速率大于所述第二光刻胶；优选地，所述第一光刻胶为LOR光刻胶，所述第二光刻胶为AZ5214；S4、用掩膜板对硅片进行紫外光曝光；S5、将硅片进行烘烤，使所述第二光刻胶层的显影特性由正胶转变为负胶；S6、不使用掩膜板的情况下对硅片再一次进行紫外光曝光；S7、对硅片进行显影，控制显影时长以形成由尺寸较大的剩余第二光刻胶层和尺寸较小的剩余第一光刻胶层组成的多个倒“凸”型结构；S8、将流体态的柔性复合材料涂敷在具有所述多个倒“凸”型结构的硅片上并使其固化为膜；S9、用腐蚀液去除硅片表面的所述牺牲层，使柔性复合材料膜连同所述多个倒“凸”型结构从硅片上脱离；S10、将所述多个倒“凸”型结构从所述柔性复合材料膜上去除，得到具有多个倒“凸”型腔体的柔性复合材料膜；S11、在所述倒“凸”型腔体的底部涂覆热响应水凝胶。进一步地，所述柔性复合材料为多壁碳纳米管(MWCNT)和具有粘性的水凝胶的复合材料；优选地，所述具有粘性的水凝胶的复合材料通过原位聚合法制作而成，包括如下过程：将多巴胺(DA)插入多层粘土纳米片夹层中，在受限的纳米空间中DA的氧化受到限制，从而产生带有自由邻苯二酚基团的PDA夹层粘土纳米片；加入丙烯酰胺(AM)单体，在引发剂和交联剂的作用下进行自由基原位聚合，形成独立的、具有粘性的PDA-clay-PAM水凝胶；优选的，多壁碳纳米管与PDA-clay-PAM水凝胶的质量比为3-7:100,优选质量比5:100。所述热响应水凝胶为聚N-异丙基丙烯酰胺pNIPAM(Poly-N-isopropylacry-lamide)水凝胶。一种用于制备所述的自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极的模具的制作方法，包括如下步骤：S1、在硅片上形成牺牲层；S2、在所述牺牲层上涂覆第一光刻胶并固化为第一光刻胶层；S3、在所述第一光刻胶层上涂覆第二光刻胶并固化为第二光刻胶层，所述第一光刻胶的显影速率大于所述第二光刻胶；优选地，所述第一光刻胶为LOR光刻胶，所述第二光刻胶为AZ5214；S4、用掩膜板对硅片进行紫外光曝光；S5、将硅片进行烘烤，使所述第二光刻胶层的显影特性由正胶转变为负胶；S6、不使用掩膜板的情况下对硅片再一次进行紫外光曝光；S7、对硅片进行显影，控制显影时长以形成由尺寸较大的剩余第二光刻胶层和尺寸较小的剩余第一光刻胶层组成的多个倒“凸”型结构。步骤S4中，使用365nmI线紫外光，设定曝光功率为10-11mW/cm2,优选10.5mW/cm2,曝光时间为4-6秒，优选5秒；步骤S6中，使用同样的曝光条件进行无掩膜曝光40-60秒，优选52秒；步骤S7中，显影时长为20-30秒，优选25s。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提出了一种基于章鱼吸盘结构的自贴附微纳仿生干电极，该结构拥有良好的粘附性，疏水性，导电性、力学传递特性和生物相容性。可以在无其他辅助措施的情况下实现对人体皮肤的自粘附，自身的疏水特性能够减少人体出汗对与粘附的影响，所采用的导电复合材料能够良好的传递人体电学信号，良好的保形延展性能够较为保真地传递人体的力学信号，所使用的水凝胶材料使电极具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极，其特征在于，包括柔性复合材料膜，所述柔性复合材料膜的一面上具有由多个微型腔体组成的腔体阵列，所述微型腔体的腔口的尺寸小于内腔的尺寸而形成倒“凸”型腔体，所述微型腔体的底部涂覆有热响应水凝胶，所述热响应水凝胶具有低于人体皮肤正常温度的低临界溶液温度，当所述柔性复合材料膜贴附在人体皮肤表面时，人体皮肤温度使得所述热响应水凝胶收缩而减少所述微型腔体内的压强，从而使所述微型腔体对人体皮肤表面产生吸附作用。/n

【技术特征摘要】
1.一种自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极，其特征在于，包括柔性复合材料膜，所述柔性复合材料膜的一面上具有由多个微型腔体组成的腔体阵列，所述微型腔体的腔口的尺寸小于内腔的尺寸而形成倒“凸”型腔体，所述微型腔体的底部涂覆有热响应水凝胶，所述热响应水凝胶具有低于人体皮肤正常温度的低临界溶液温度，当所述柔性复合材料膜贴附在人体皮肤表面时，人体皮肤温度使得所述热响应水凝胶收缩而减少所述微型腔体内的压强，从而使所述微型腔体对人体皮肤表面产生吸附作用。


2.如权利要求1所述的自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极，其特征在于，所述热响应水凝胶为聚N-异丙基丙烯酰胺pNIPAM(Poly-N-isopropylacry-lamide)水凝胶。


3.如权利要求1或2所述的自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极，其特征在于，所述柔性复合材料膜为多壁碳纳米管(MWCNT)和具有粘性的水凝胶的复合材料。


4.如权利要求3所述的自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极，其特征在于，所述具有粘性的水凝胶为PDA-caly-PAM水凝胶，优选的，多壁碳纳米管与PDA-clay-PAM水凝胶的质量比为3-7:100,优选质量比5:100。


5.如权利要求1至4任一项所述的自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极，其特征在于，所述微型腔体的腔口和内腔均为圆柱形，所述微型腔体具有微米级尺寸。


6.一种如权利要求1至5任一项所述的自贴附仿生章鱼吸盘微纳结构干电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在硅片上形成牺牲层；
S2、在所述牺牲层上涂覆第一光刻胶并固化为第一光刻胶层；
S3、在所述第一光刻胶层上涂覆第二光刻胶并固化为第二光刻胶层，所述第一光刻胶的显影速率大于所述第二光刻胶；优选地，所述第一光刻胶为LOR光刻胶，所述第二光刻胶为AZ5214；
S4、用掩膜板对硅片进行紫外光曝光；
S5、将硅片进行烘烤，使所述第二光刻胶层的显影特性由正胶转变为负胶；
S6、不使用掩膜板的情况下对硅片再一次进行紫外光曝光；
S7、对硅片进行显影，控制显影时长以形成由尺寸较大的剩余第二光刻胶层和尺寸较小的剩余第一光刻胶层组成的多个倒“凸”型结构；
S8、将流体态的柔性复合材料涂敷在具有所述多个倒“凸”型结构的硅片上并使其固化为膜；
S9、用腐蚀液去除硅片...

【专利技术属性】
技术研发人员：董瑛，陈飞虎，王晓浩，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44