一种可用于虚拟-现实交互的界面材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可用于虚拟

【技术实现步骤摘要】
一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于人机交互领域，特别涉及一种可用于虚拟
‑
现实交互的生物电信号传感界面材料。

技术介绍

[0002]元宇宙能够为人类建立一个和现实世界平行的虚拟世界，而实现虚拟
‑
现实的交互，需要开发相应的界面材料。生物电信号作为生物活动、医学诊疗和神经科学等领域的基础，是深入了解生物活动的规律和病理机制等的基础。在对生物电信号进行深入研究的过程中，检测方法至关重要。
[0003]然而，目前的生物电信号检测方法面临诸多挑战。侵入式电极作为目前通用的高精度检测方法，被广泛使用，例如中国专利CN202011078894.8，制备了一种用于采集神经信号的侵入式电极。但侵入式电极也面临着以下不足：(1)侵入造成的不适导致侵入式电极不能实施长期检测，(2)侵入造成的伤口会引发免疫反应，形成疤痕/生物膜界面和其他问题， (3)侵入式电极多为针状，所获得的信号范围偏小。这些缺陷限制了侵入式电极的使用。因此，非侵入式电极的使用势在必行。
[0004]干电极作为非侵入性电极被广泛研究，例如中国专利CN201921164026.4，制备了一种抗干扰的柔性生物电干电极。但是，由于皮肤褶皱的存在，干电极无法与皮肤完全贴合，从而形成电极与皮肤的空隙，因此在运动过程中，由于空隙会产生变化，导致干电极信号质量不稳定。同时干电极缺乏足够的电解质，导致电极
‑
皮肤界面阻抗极高(>100kΩ)。这些缺陷使得干电极获得的生物电信号质量极差。因此，湿电极作为一种柔性和高电导率的生物电传感材料，其发展吸引了越来越多的关注。
[0005]湿电极采用富含电解质的凝胶状材料作为电极
‑
皮肤界面(如现有的商用电极)，由于获得的界面阻抗低，它们通常用于临床诊断和科学研究。但现有的湿电极重复使用的性能不足，凝胶随着时间的推移会失水变干，导致信号质量急剧下降。因此，生物电传感材料的升级显得尤为迫切。
[0006]由于出色的导电性、柔性、生物相容性和形状/结构的可设计性，离子导电水凝胶已被广泛用作生物机器人、生物传感器、电子皮肤以及脑机接口材料等。然而，现有的离子导电水凝胶仍然面临着一些挑战，如缺乏粘性、保水性不足、与皮肤机械性能不匹配以及电信号传输效率低下等。由于出色的保水性以及环境适应性，离子导电型有机水凝胶已经受到了日益剧增的关注。例如：基于有机水凝胶的应变传感器(ACS Appl.Mater.Interfaces 2021,13,1474
‑
1485)；基于有机水凝胶的离子微器件(ACS Appl.Mater.Interfaces 2020,12, 56393
‑
56402)；用于离子皮肤的有机水凝胶(Chem.Eng.J.2021,404,126559)。以上工作也为将离子导电有机水凝胶应用于生物电传感领域提供了思路。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料及其制
备方法，以克服现有商用电极无法重复使用以及侵入式电极会对生物体造成伤害的缺陷。
[0008]本专利技术提供一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料，使用生物相容性优异的水凝胶作为基底，获得低模量，引入可逆的化学键，提高弹性，优化皮肤顺应性；使用有机溶剂提高保水性，75％乙醇消毒后，检测性能稳定，使其可重复使用；基于生物电信号的离子传输理论，加入碱金属盐来提高离子电导率；加入丹宁酸赋予粘性，避免产生电极
‑
皮肤空隙，从而获得高生物电灵敏度与低界面阻抗。
[0009]其中所述的紫外光固化法是使用紫外灯进行辐照合成预凝胶；所用的原料为丙烯酰胺、氯化钠、丹宁酸、光引发剂I2959以及交联剂N
‑
异丙基丙烯酰胺；所合成的预凝胶已具有离子导电性和自粘性。
[0010]所述的溶剂置换法是将预凝胶浸泡于有机溶剂中进行溶剂置换；所用的有机溶剂为乙二醇。
[0011]本专利技术还提供上述可消毒高灵敏度可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料的制备方法，包括：
[0012](1)配制预聚液：将凝胶单体、碱金属盐、丹宁酸、光引发剂I2959以及交联剂亚甲基双丙烯酰胺溶于水溶液中，制得预聚液；
[0013](2)紫外光固化法：将步骤(1)所得预聚液倒入模具中，在紫外灯下光照后，制得预凝胶；
[0014](3)溶剂置换法：将步骤(2)所得预凝胶置于有机溶剂中浸泡进行溶剂置换，获得可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料。
[0015]所述步骤(1)中，凝胶单体为丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸钠、N
‑
异丙基丙烯酰胺中的一种或几种；碱金属盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾中的一种或几种；凝胶单体在水溶液中的浓度为1～5mol/L；碱金属盐在水溶液中的浓度为0.1～3mol/L；丹宁酸在水溶液中的浓度为0.5～3g/L。
[0016]所述步骤(2)中，紫外灯波长为305～395nm，功率为20～200W；紫外灯辐照时间为3～60min。
[0017]所述步骤(3)中，有机溶剂的为乙二醇、丙三醇、二甲基亚砜中的一种或几种；浸泡时间为1～24h。
[0018]本专利技术所制备的可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料可经由75％乙醇进行消毒后重复使用，为非侵入式界面材料，具有优异的灵敏度和稳定性。
[0019]有益效果
[0020](1)克服了传统商用电极材料的不足：传统商用电极为一次性消耗品。而本专利技术的可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料在检测60天后可以获得精确的心电信号；在100次消毒后，心电信号质量依然稳定。
[0021](2)微伏级生物电信号检测灵敏度：在临床听觉脑干反应测试中，将本专利技术的虚拟
‑ꢀ
现实交互界面材料用于非侵入式检测，获得了与侵入式电极相同的灵敏度(微伏级)。
附图说明
[0022]图1为本专利技术中所制的可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料生物电信号传感功能示意图，包括脑电信号、心电信号、肌电信号。
[0023]图2为本专利技术中所制的可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料的制备流程示意图。
[0024]图3为实施例1制得的可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料封装于两片不锈钢片之间所测得的 101～105Hz频率范围的交流阻抗图。
[0025]图4为实施例1制得的可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料封装于不锈钢片与猪皮之间所得的交流阻抗图。
[0026]图5为实施例1制得的可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料在不锈钢、橡胶、有机玻璃、猪皮上的剪切粘性。
[0027]图6为实施例1制得的可用于虚拟
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料，其特征在于：所述界面材料为凝胶体系，且为具有自粘性的有机水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料，其特征在于：所述的有机水凝胶为离子导电。3.根据权利要求1所述的一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料，其特征在于：所述的界面材料厚度可在100μm～10mm之间适应性调控。4.根据权利要求1所述的一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料，其特征在于：所述的自粘性是通过在有机水凝胶中加入丹宁酸实现。5.根据权利要求2所述的一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料，其特征在于：所述的离子导电，是通过在有机水凝胶中加入碱金属盐实现。6.根据权利要求1所述的一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料，其特征在于：所述的界面材料可经由75％乙醇消毒后重复使用，且具有非侵入、高灵敏、高稳定的特点。7.一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料制备方法，包括：(1)配制预聚液：将凝胶单体、碱金属盐、丹宁酸、光引发剂I2959以及交联剂亚甲基双丙烯酰胺溶于水溶液中，制得预聚液；(2)紫外光固化法：将步骤(1)所得预聚液倒入模具中，在紫外灯下辐照后，制得预凝胶；(3)溶剂置换法：将步骤(2)所得预凝胶置于有机溶剂中浸泡进行溶剂置换，获得可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料——有机凝胶。8.根据权利要求6所述的一种可用于虚拟
‑
现实交互的界面材料制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中凝胶单体为丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸钠、N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洋，刘志福，
申请(专利权)人：上海未乐科技有限公司，
类型：发明
国别省市：