一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器。

背景技术

可穿戴柔性皮肤传感器可以实时监测用户的身体活动以及生命体征，其基本原理是将其佩戴在人体身上或者贴合在皮肤表层，随后人体的物理、化学以及生物环境状况可以通过各种柔性传感器进行监测。作为一种跨越多个学科的交叉实用技术，可穿戴设备的监测项目包括心率、血压、运动等，涉及物理、化学、生物、医学等学科的相互融合，其在医疗保健、生命健康以及消费等领域都拥有广泛的应用。

可穿戴传感器通常需要具备强力的黏附性能，使其能与皮肤形成强黏附力的紧密接触，从而拥有连续的准确的稳定的治疗或检测效果，但是当贴片在使用后从皮肤上取下时，通常需要很强的剥离力，这会导致皮肤疼痛。因此，开发出在使用时和使用后能够切换黏附性能的智能的传感器材料是必要的。此外，抗菌性能对于柔性可穿戴传感器也是必不可少的。抗菌性能可以防止与传感器直接接触的皮肤出现过敏症状，延长设备的使用寿命，减少设备的可更换频率。

基于此，用有机聚合物(有机硅，有机树脂等)、改性的镓基合金纳米粒子和导电纳米粒子(炭黑，碳纳米管，银纳米线等)混合制备了一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器。

本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器，包括支撑层(2)、纳米颗粒(3)和导电颗粒(4)；该传感器杀菌性能好、生物相容性好、黏附性具有可逆的明显的温度响应性，且在监测运动时具有很快的响应性和很高的灵敏度。

进一步的，所述纳米颗粒(3)和导电颗粒(4)在支撑层(2)的内部和表面都均匀分布。

进一步的，所述的纳米颗粒(3)是由聚多巴胺层(5)包覆镓基合金(6)形成的。

进一步的，所述的支撑层(2)为实心结构，材质为有机聚合物。

进一步的，所述的有机聚合物包括有机硅、有机树脂以及聚氨酯。

进一步的，所述的导电颗粒(4)具有很好的导电性能，包括炭黑、碳纳米管和银纳米线中的一种或多种材质混合，因此电学性能很好，轻微的形变就可使得传感器的阻抗产生灵敏的显著的变化。

进一步的，所述的镓基合金(6)中含有多种金属，根据镓基合金(6)中金属种类和含量比例的不同，镓基合金熔点可变，通过调控镓基合金中金属种类和含量比例，镓基合金的熔点变化范围为10～72℃。

进一步的，所述的传感器中镓基合金(6)的熔点为40℃，当温度从低温度升到超过40℃时，镓基合金会从固态转变为液态，使传感器硬度明显降低，黏附附性明显降低；当温度从大于40℃高温又降低到低于40℃低温时，黏附垫材料的增强，粘附力降低；从而便于传感器的便携式穿戴。

进一步的，所述的使用聚多巴胺5修饰镓基合金后得到的纳米颗粒(3)能够在溶液中稳定地单独存在，且具备超强的杀菌性能。

进一步的，所述的传感器材料具有自愈合的性质，镓纳米粒子能够促进支撑层中未反应完成的乙烯基发生交联，引发聚合，产生自愈效果，使用寿命更长。

本发明有益效果如下：

根据本发明所提供的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器，材料中的镓基合金纳米粒子，对整个材料的抗菌性、机械硬度及黏附性有很大影响，镓的独特的抗菌性能使得本发明传感器具有很好的抗菌性能。本发明传感器中的镓基合金的熔点为40℃，当温度时超过40℃时，镓基合金会从固态转变为液态，这会使得传感器硬度明显降低，黏附附性明显降低。然而当温度(40℃)从高温降回低温(10℃)时，传感器硬度增强，黏附力亦随之增强降低。本发明传感器材料含有碳纳米管和炭黑等导电粉末，具有很好的导电性能，轻微的形变(拉伸，按压，弯曲等)就可使得传感器的阻抗产生灵敏的明显的变化。本发明传感器具有很好的响应性和灵敏度，其在监测人体(手指，手腕，膝盖等)运动时的响应时间均小于150ms。优异的抗菌性能、智能可切换的黏附性能和灵敏的运动监测性能使得本发明传感器在可穿戴柔性皮肤电子产品领域有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例二中涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器的组成结构示意图。

图2是本发明实施例三中涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器测试装置示意图。

图3是本发明实施例三中传感器在监测手指运动时的电阻率变化图。

图4是本发明实施例四中传感器在监测手腕运动时的电阻率变化图。

图5是本发明实施例五中传感器在监测膝盖运动时的电阻率变化图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步的说明：

本发明提供一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器。此传感器杀菌性能好，生物相容性好，黏附性具有可逆的明显的温度响应性，且在监测运动时具有很快的响应性和很高的灵敏度。传感器材料中的镓基合金对整个材料的黏附性和抗菌性有很大影响。镓的杀菌性能很好，使得本发明传感器具备优异的抗菌性能。本发明传感器中镓基合金的熔点为40℃，当温度从低温度升到超过40℃时，镓基合金会从固态转变为液态，这会使得传感器硬度明显降低，黏附附性明显降低。然而当温度从高温(>40℃)又降低到低温(<40℃)时，传感器硬度明显增强，粘附力降低。本发明传感器由于含有碳纳米管、炭黑等导电性性极好的粉末具备很好的电学性能，轻微的形变(拉伸，按压，弯曲等)就可使得传感器的阻抗产生灵敏的明显的变化。本发明传感器具有很好的响应性和灵敏度，其在监测人体(手指，手腕，膝盖等)运动时的响应时间均小于150ms优异的抗菌性能、智能可切换的黏附性能和灵敏的运动监测性能使得本发明传感器在可穿戴柔性皮肤电子产品领域有很好的应用前景。

优选地，本发明所涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器还可以具有这样的特征：传感器材料中所用的镓基合金是一种很好的抗菌剂，其释放的镓离子(Ga

优选地，传感器材料中的镓基合金对传感器的黏附性能有很大影响。在本发明中，镓基合金的熔点为40℃，将温度加热到超过40℃时，镓基合金纳米粒子会从固态转变为液态，这会使得传感器硬度明显降低，黏附性明显减弱。然而将温度从高温(>40℃)冷却至低温时(<10℃)，镓基合金纳米粒子会转变回为固态，传感器硬度明显增强，黏附性明显增强。

优选地，本发明所涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器还可以具有这样的特征：镓基合金纳米粒子中含有多种金属，如铟和锡等。根据镓基合金纳米粒子中金属的种类和含量的不同，镓基合金纳米粒子熔点也可不同。通过调控合金中的金属种类和含量比例，可使镓合金的熔点变化范围为10～72℃。

优选地，本发明所涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器还可以具有这样的特征：镓基合金纳米粒子在介质中的分散性很差，容易在液体中团聚和沉积。因此使用聚多巴胺(PDA)修饰镓基合金纳米粒子，PDA-镓基合金纳米粒子可以在溶液中稳定地单独存在。

优选地，本发明所涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器还可以具有这样的特征：本发明的传感器支撑层的有机成分主要是有机硅聚合物和有机树脂聚合物，此类物质表面能低，抗污性能好，且无毒生物相容性好。

优选地，本发明所涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器还可以具有这样的特征：本发明的传感器材料具有自愈合的性质，镓纳米粒子可以促进支撑层中(有机硅中)未反应完成的乙烯基发生交联，引发聚合，产生自愈效果，使黏附垫的使用寿命更长。

优选地，本发明所涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器还可以具有这样的特征：本发明传感器材料包含碳纳米管、导电炭黑和银纳米线等导电性极好的粉末，使得本发明传感器电学性能很好。

优选地，本发明所涉及的一种抗菌的可穿戴的人体运动监测传感器还可以具有这样的特征：本发明传感器可以监测辨别人体全身部位的运动状态，如说话时脸部的变化及喉咙的震动，抓取东西时手指弯曲程度变化，和跑步和走路时膝盖和脚踝的变化等。

实施例1

抗大肠杆菌(E.coli)和抗金黄色葡萄球菌(S.aureus)的测试：首先用Nacl、酵母浸膏、胰蛋白胨和无菌水中制备Luria-Bertani(LB)液体培养基，然后再于LB液体培养基配方中加入琼脂，即可得到LB固体培养基；其次，将E.coli和S.aureus加入LB液体培养基中，37℃培养12h，之后将玻璃片、传感器和有机聚合物方片(20mm×20mm)放入E.coli和S.aureus的液体液体培养基中(20mL)，37℃培养12h。第三步，将玻璃片、传感器和有机聚合物方片从细菌溶液中取出，用无菌水清洗方片表面多余的细菌，然后将方片于无菌水中超声5min，震落附着在方片表面的细菌。将稀释1000倍后的含有震落的细菌的菌液涂于LB固体培养基上，37℃培养12h，然后拍摄LB固体培养基照片，计数菌落数量。以玻璃片为对照组，采用平板计数法评价传感器对E.coli和S.aureus的抑菌活性。

表1为抗E.coli和S.aureus的测试结果，与空白玻璃板相比，本发明所用的有机聚合物基体和本发明传感器对E.coli抗菌率分别为20％和99％，对S.aureus的抗菌率分别为24％和99％，表明本发明传感器具备很好的抗菌特性。

表1

实施例2

如图1所示，本实施例2所提供的抗菌的智能的可穿戴的人体运动监测传感器1包括支撑层2、聚多巴胺层5包覆镓基合金6的纳米颗粒3和导电颗粒4。支撑层2为实心结构，材质为有基硅氧烷和有机树脂等聚合物。纳米颗粒3和导电颗粒4在支撑层2的内部和表面都均匀分布。

采用自制的黏附力测试装置，在5毫牛负载下，使用直径为5毫米的红宝石作为接触探针，进行黏附力和摩擦力测试。

常温下纯PDMS片：黏附力为16千帕，摩擦力为25千帕。

10℃下传感器方片：黏附力为50千帕，摩擦力为70千帕。.

45℃下传感器方片：黏附力为20千帕，摩擦力为25千帕。

经过1000次重复测试后，常温下纯PDMS片：黏附力为11千帕，摩擦力为20千帕。

经过1000次重复测试后，10℃传感器方片：黏附力为49千帕，摩擦力为68千帕。

经过1000次重复测试后，45℃下传感器方片：黏附力为19千帕，摩擦力为24千帕。

基于如上测试数据得到三个结论。首先，PDMS(polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)中加入含有镓基合金的纳米颗粒3和导电纳米颗粒4后，黏附力增强，这表明纳米颗粒的加入有效提高了材料的黏附性能。其次，在加入两种颗粒后，传感器的黏附性能明显对温度有了很大的响应性，这主要是由镓基合金纳米颗粒引起的，10℃时镓基合金纳为固态45℃时为液态，这种固态液态之间的转化使得传感器的黏附性能有了很大的变化。最后，还可观察到，在加入两种颗粒后，传感器的耐久性明显得到提升，这是因为镓可以促进有机硅烷中未反应完的乙烯基继续反应，使材料具备了自修复性能。

实施例3

本发明传感器监测手指活动的测试。采用图2的装置将本发明传感器贴在手指上来监测其运动，图2的中S1为传感器测试装置，S2为长条状的传感器，S3为铜箔胶带，S4为铜线。将传感器S2贴在手指上进行了90°弯曲和恢复的运动，图3显示了在手指活动的过程中传感器电阻率变化。从图3可知，手指进行多次弯曲-恢复活动后，传感器的电阻率变化幅度变化很小，表明传感器在监测手指活动时有很好的稳定性。此外还可从图3看出，传感器在监测到手指弯曲运动的响应时间约为100ms，表明传感器有很灵敏的响应性。

实施例4

本发明传感器监测手腕弯曲运动的测试。采用图2的装置将本发明传感器贴在手腕处来监测其运动。将传感器贴在手腕处监测了其向掌心弯曲和恢复的运动，图4显示了在手腕活动的过程中传感器电阻率变化。从图4可知，手腕进行多次弯曲-恢复活动后，传感器的电阻率变化幅度变化较小，表明传感器在监测手腕活动时有很好的稳定性。此外还可从图4看出，传感器在监测到手指弯曲运动的响应时间约为150ms，表明传感器在监测手腕活动时有很灵敏的响应性。

实施例5

本发明传感器监测膝盖活动的测试。采用图2的装置将本发明传感器贴在膝盖上来监测其运动。将传感器贴在膝盖上监测了深蹲-起立的运动，图5显示了在进行深蹲-起立时膝盖的运动的过程中传感器电阻率变化。从图5可知，进行多次深蹲-起立活动后，传感器的电阻率变化幅度变化很小，表明传感器在膝盖处监测深蹲-起立运动时很好的稳定性。此外还可从图5看出，传感器在监测到手指弯曲运动的响应时间约为120ms，表明传感器在膝盖处监测深蹲-起立运动时有很快速的响应性。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。