一种全丝素蛋白基导电凝胶传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于可穿戴传感器技术领域，具体为一种全丝素蛋白基导电凝胶传感器及其制备方法。本发明专利技术首先利用梯度碳化程序制备兼具良好分散性能和高导电性能的碳化丝纤维，结合脱胶丝纤维制备导电的全丝素蛋白基凝胶，制备过程快捷、高效，制备的凝胶性能稳定，可以进行大规模制备；通过VHB胶带的夹心式封装，得到新型丝蛋白凝胶传感器。该丝蛋白凝胶传感器可用于实现温度感知、心电信号测量以及辅助盲文识别，表现出优异的稳定性、安全性、准确性和高效性。本发明专利技术也可用于人个体健康监测，实现接触感知和无接触感知，可望成为下一代可穿戴柔性电子产品。产品。产品。

【技术实现步骤摘要】
一种全丝素蛋白基导电凝胶传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于可穿戴传感器
，具体涉及一种全丝素蛋白基导电凝胶传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近几十年来，新一轮科技革命和产业变革所带来的发展机遇，全球科技创新空前密集活跃，呈现爆炸式快速上升发展趋势。其中，以大数据管理与分析、云计算、区块链、物联网 (IoT)、人工智能 (AI)、第五代移动通信技术 (5G) 等为代表的新一代信息技术日新月异，对人们的社会生产和日常生活带来了全面而深远的影响。如今，各式各样的智能穿戴设备逐渐走进了大众的视野，从蓝牙耳机到智能手表，再到智能服装和饰品，凭借新颖、时尚、潮流、智能和便携实用的特点，智能可穿戴设备及人机交互 (HMI) 这一热点领域已经引起了人们的极大的关注，并逐步改变了人们与环境的交流方式 (Advanced Functional Materials,2021; 31(11):2008936; Small Methods,2021; 5(3):2001041)。
[0003]在智能可穿戴设备风靡使用的时候，其发挥作用的关键仍是传感器的广泛应用。到目前为止，越来越多的功能复合材料作为传感器元件在多功能感知系统、健康监测、信息加密、智能盲文识别和高级人机交互等领域得到了深入的发展和应用 (Advanced Materials, 2019, 31(44), 1904720)。通常为了提高传感器的灵敏度，会引入像MXenes、碳纳米管 (CNTs)、石墨烯 (Gr) 和银纳米线 (AgNW) 等导电填料。然而，由于复杂的结构设计、昂贵的制造成本、潜在的生物毒性、大规模制造困难以及多功能集成技术限制等因素，这些改善材料导电性的策略使用往往会严重阻碍智能可穿戴传感器的创新和广泛应用 (ACS Applied Materials & Interfaces, 2020; 12(10):11825
‑
11832)。近年来，天然物质的碳基化材料因其良好的导电性、有大规模制备的可能性、相对便宜的制备成本和环境友好性而受到广泛的关注和研究。例如，清华大学张莹莹课题组报道了一种基于碳化蚕丝织物的应变传感器，该传感器具有高灵敏度和良好可拉伸性能，可用于多种人体运动的监测 (Advanced Materials2016; 28(31):6640
‑
6648)。然而到目前为止，利用廉价的天然丝素蛋白制备低生物毒性、长期耐用和高性能的柔性传感器件仍然是一个挑战。因此，基于仿生的理念去开发制备无毒、高生物相容性、柔性、高性能的蚕丝基触觉传感器是一个有价值和意义的研究方向。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种全丝素蛋白基导电凝胶传感器及其制备方法和在智能可穿戴传感器领域的应用，以克服现有传感器制备过程复杂、单一器件制造成本高昂、传感器多功能化集成困难等缺陷。
[0005]本专利技术首先有效地利用梯度碳化程序制备了兼具良好分散性能和高导电性能的碳化丝纤维，结合脱胶丝纤维制备导电的全丝素蛋白基凝胶，制备过程快捷、高效，制备的凝胶性能稳定，可以进行大规模制备。通过结合VHB胶带的夹心式封装得到可用于实现温度
感知、心电信号测量、以及辅助盲文识别的新型丝蛋白凝胶传感器。
[0006]本专利技术提供的全丝素蛋白基导电凝胶传感器的制备方法，具体步骤如下：（1）制备脱胶蚕丝纤维：先用0.02
ꢀ‑
0.1 M的Na2CO3开水溶液煮沸蚕丝纤维30
‑
60 min，重复两次，后用去离子水彻底洗涤多次去除丝胶成分，然后在25
‑
40 ℃下进行干燥12
‑
24 h；（2）制备部分碳化的蚕丝纤维：将脱胶蚕丝纤维进行部分可控碳化，其程序为：(i) 在氩气 (99.999%) 气氛中以5
‑
10 ℃ min
‑1的升温速率从25
‑
50 ℃ 缓慢升温到330
‑
360 ℃；(ii) 在330
‑
360 ℃下继续恒定温度1
‑
2小时；(iii) 自然冷却至室温，得到被部分碳化的蚕丝纤维；（3）制备全蚕丝蛋白基导电凝胶：将步骤（2）制备的碳化蚕丝纤维加入到甲酸和氯化钙的混合酸体系中，经搅拌、超声、离心，除去不溶沉淀物；然后加入步骤（1）中制备的脱胶蚕丝纤维，经搅拌、超声、离心；然后挥发去除甲酸（比如将上述溶液倒入到玻璃皿中，在通风橱中甲酸完全挥发）；加去离子水置换形成“碳化蚕丝凝胶”(All
‑
silk based gel)；（4）传感器的制备：利用VHB胶带对碳化蚕丝凝胶进行夹心式封装，两端采用导线外延方式进行连接，构建得到全丝素蛋白基导电凝胶传感器。
[0007]本专利技术步骤（1）、（2）中，所述蚕丝纤维为家蚕桑蚕丝所吐的丝纤维 (家蚕饲养地不限) ，目的是使制备的蚕丝凝胶性能更稳定。
[0008]本专利技术步骤（3）中，所述甲酸和氯化钙的混合酸体系中，甲酸和氯化钙的质量比为100: 7~ 10（优选为100: 7.12）；脱胶丝纤维与甲酸的质量比为2:100 ~ 10:100，对应丝纤维的质量分数为2%
‑
10%；碳化蚕丝纤维与脱胶丝纤维的质量比范围为0.05% ~ 0.5%。
[0009]本专利技术步骤（3）中，碳化蚕丝纤维加入到甲酸和氯化钙的混合酸体系后，搅拌6 h，超声1 h，然后8000 rpm离心20 min，去除不溶沉淀物。
[0010]本专利技术步骤（3）中，加入脱胶蚕丝纤维后，搅拌2 h，超声10 min，5000 rpm离心5 min。
[0011]本专利技术制备得到的全丝素蛋白基导电凝胶传感器，是一种碳化丝凝胶基电阻响应型可穿戴传感器。可用于ECG信号测量、高温烫伤危险感知，辅助盲文识别等。
[0012]所述用于ECG信号测量，包括：用导电碳化丝凝胶替代原有ECG（心电电极）电极上商用电极，搭配商用手持式心电测量仪进行心电信号数据的获取。
[0013]本专利技术具有如下技术特点和功能优势。
[0014]（1）本专利技术提出的丝纤维高效梯度碳化程序，实现了对脱胶丝纤维进行了可控碳化，在保留溶解性能同时，还可以实现高导电性能。
[0015]（2）本专利技术利用甲酸/氯化钙溶剂体系可以溶解部分碳化的丝纤维和脱胶丝纤维，巧妙地以特定比例将二者有机结合起来，开发出全新的全丝素蛋白基导电碳化丝凝胶。
[0016]（3）本专利技术制备的碳化丝凝胶由于具有较高的粘附性和生物相容性，可以进一步改进用于测量ECG信号的导电电极使用，兼顾对休息状态和运动后机体身体心电信号的检测。水凝胶导电成分主要由碳化丝纤维和Ca
2+
提供；由于凝胶的良好贴合性和导电能力，将碳化丝凝胶用作测量心电信号 (ECG) 的心电电极凝胶贴片，能够准确诊断成年志愿者处于休息状态和运动后的心电波形。本专利技术的凝胶传感器还可以实现非接触式智能感知，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全丝素蛋白基导电凝胶传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）制备脱胶蚕丝纤维：先用0.02
ꢀ‑
0.1 M的Na2CO3开水溶液煮沸蚕丝纤维30
‑
60 min，重复两次，后用去离子水彻底洗涤多次去除丝胶成分，然后在25
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40 ℃下进行干燥12
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24 h；（2）制备部分碳化的蚕丝纤维：将脱胶蚕丝纤维进行部分可控碳化，其程序为：(i) 在氩气 气氛中以5
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10 ℃ min
‑1的升温速率从25
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50 ℃ 缓慢升温到330
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360 ℃；(ii) 在330
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360 ℃下继续恒定温度1
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2小时；(iii) 自然冷却至室温，得到被部分碳化的蚕丝纤维；（3）制备全蚕丝蛋白基导电凝胶：将步骤（2）制备的碳化蚕丝纤维加入到甲酸和氯化钙的混合酸体系中，经搅拌、超声、离心，除去不溶沉淀物；然后加入步骤（1）中制备的脱胶蚕丝纤维，经搅拌、超声、离心；然后挥发去除甲酸；加去离子水置换形成碳化蚕丝凝胶；（4）传感器的制备：利用VHB胶带对碳化蚕丝凝胶进行夹心式封装，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程宝昌，冯嘉春，武培怡，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：