[发明专利]一种柔性可穿戴纳米纤维织物传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，涉及一种柔性可穿戴纳米纤维织物传感器及其制备方法，应用于人体健康监测系统，具体属于可穿戴电子皮肤领域。

背景技术

智能可穿戴健康设备近几年来引领了医疗潮流，特别是可穿戴医疗设备，对于实时监测身体健康情况，为使用者提供准确、实时的身体数据，起到决定性的作用。柔性，低成本，低功耗，已经成为可穿戴电子设备关注的焦点。而可穿戴电子皮肤，因其贴合人体，无疑在穿戴舒适度、柔性方面，具有明显的优势。可穿戴电子皮肤，即新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，是一种可测量心率、血压和脉搏的检测技术。该电子皮肤由于能够通过监测脉搏、心跳、体温、肌肉群震动等人体健康生理指标，对人体健康数据变化及时做出反馈，甚至实现疾病的前期预防和诊断，已经吸引越来越多的科学工作者的研究热情。尤其是现代生活水平显著提高，人们对健康的要求越来越高，无形中增加了可穿戴电子皮肤的性能要求。然而，基于金属或者半导体材料制备的传统传感器显示了较低的敏感性、较窄的传感范围、又或者较差的力学性能（如拉伸、弯曲等），严重限制了其的应用。因此，发展一种柔软的、高灵敏性的、具有较大传感范围的可穿戴电子皮肤显得尤其重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种柔性可穿戴纳米纤维织物传感器及其制备方法，这种织物传感器不仅具有较好的力学自适应性，而且显示了超高的灵敏度以及较宽的传感范围。在人体监测系统中，可实现从微弱压力的心率监测到较大压力的肢体运动监测。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种柔性可穿戴纳米纤维织物传感器，它是由静电纺纳米纤维加捻形成纳米纤维纱线，然后在纳米纤维纱线中纤维表面聚合包覆一层导电聚合物，在此基础上，利用机织的方法将纱线交织形成纳米纤维织物，通过在纳米纤维织物上下表面复合带有导电铜丝的凝胶膜获得柔性可穿戴纳米纤维织物传感器。

所述的纳米纤维由高分子聚合物构成，纳米纤维的直径为100-900nm；所述的高分子聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）、聚氨酯（PU）的一种或几种，所述高分子聚合物的分子量≥100000。

所述的纳米纤维纱线的直径为60-500μm。

所述的导电聚合物为聚3, 4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）、聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPY）或聚乙炔（PAC）中的一种或几种。

所述纳米纤维织物的层数≥1，织物结构为平纹组织、凹凸组织或蜂窝组织中的一种或几种，纳米纤维织物的经密10-500根/5cm，纳米纤维织物的纬密10-500根/5cm。

所述的凝胶膜为聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，凝胶膜的厚度0.01-10 mm，

所述铜丝的直径为0.1-10 mm。

所述的纳米纤维织物传感器长度≥5 mm，宽度≥5 mm，厚度≥0.01 mm。

所述的柔性可穿戴纳米纤维织物传感器的制备方法，步骤如下：

（1）将高分子聚合物溶解于质量比为1:1的N,N二甲基甲酰胺（DMF）和四氢呋喃的混合溶剂中，于30-100℃下搅拌1-10 h得到质量分数为10%-30%的聚合物溶液；

（2）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（1）中的聚合物溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线；

（3）将步骤（2）中制得的纳米纤维纱线浸泡在质量浓度为30%-100%的乙醇溶液中10-30 h，取出后用去离子水清洗置换出残留的乙醇；

（4）将步骤（3）制备的纳米纤维纱线浸泡在物质的量浓度0.5-10 mol/L的氢氧化钾溶液和质量浓度1%-10%高锰酸钾溶液组成的混合溶液中10-100 min，其中混合溶液中氢氧化钾溶液和高锰酸钾溶液的质量比为1:1，取出后浸泡在质量浓度为1%-10%的硫酸氢钠溶液中直至纱线颜色完全变白色，然后用去离子水清洗去除残留NaHSO₄溶液；

（5）将步骤（4）制备的纳米纤维纱线浸泡在质量浓度为5%-100%的过氧化氢溶液中10-100 min，取出后用去离子水清洗去除H₂O₂溶液，然后置于30-90℃的真空烘箱中干燥；

（6）将步骤（5）制备的纳米纤维纱线浸泡在物质的量浓度为30-100 mol/L的三氯化铁溶液中5-100 min，取出后置于30-90℃的真空烘箱中干燥；