一种水凝胶电子皮肤及其制备方法

本发明属于天然高分子材料领域，更具体地，涉及一种水凝胶电子皮肤及其制备方法。

背景技术：

1、随着人工智能时代的到来，仿生电子皮肤(e-skin)作为一种新型的人机交互界面，在医疗健康监测、智能机器人、虚拟现实等领域有着广泛的应用前景。然而，目前的仿生电子皮肤通常由一些金属、半导体、弹性体等材料制成，它们不具备优异的柔韧性、优良的组织界面顺应附着性和生物相容性，难以贴合到真实皮肤表面。

2、导电水凝胶兼具优良导电性和柔韧性，是仿生电子皮肤制备的理想候选材料。将导电纳米材料或导电聚合物填充到基质中是导电水凝胶的常规制备方法，但无机导电粒子在弹性凝胶基质中易聚集，难以均匀分散；导电聚合物直接混入凝胶基底，难以形成连续导电网络，无法实现其高灵敏传感。此外，导电聚合物中活性基团的缺乏，难以确保与组织或细胞具有优良的相容性。在实际应用中，也需要有较强的抗菌活性，防止引起炎症感染。

3、胶原是构成天然细胞外基质的主要成分，具有优异的生物降解性、生物活性和生物相容性，是构筑仿生皮肤的理想原料，且其自身在一定条件下可通过非共价键作用直接自组装形成水凝胶。将其作为水凝胶基底具有天然的优势，然而其凝胶稳定性和机械性能不太好，导电性也很弱。采用接枝改性等方式对胶原进行处理，或是与其他凝胶网络复合，可形成更稳定的网络。但难以维持其良好的柔韧性能和界面顺应附着性，且制备流程繁琐、条件严格，难以大规模应用。因此很有必要开发一种制备方法简便、导电性能高、传感性能灵敏、抗菌性能好、黏附性优良的导电水凝胶，为电子皮肤的未来应用提供可能性。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种水凝胶电子皮肤及其制备方法。基于本发明方法获得的水凝胶电子皮肤导电性能高、抗菌性能好、黏附性优良，可实现人体剧烈运动和精细动作的实时监测。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种水凝胶电子皮肤的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

3、s1：将吡咯单体与胶原溶液混合分散均匀，得到第一混合溶液；

4、s2：将盐酸多巴胺与所述第一混合溶液混合分散均匀，得到第二混合溶液；将氧化剂与所述第二混合溶液混合搅拌并反应，得到反应物；将所述反应物置于缓冲溶液中浸泡，得到凝胶；

5、s3：将所述凝胶置于交联剂溶液中浸泡，水洗，得到所述水凝胶电子皮肤(多巴胺掺杂的聚吡咯/胶原水凝胶)。

6、根据本发明，优选地，所述胶原溶液的浓度为4-12g/l。

7、根据本发明，优选地，胶原为猪皮胶原、草鱼皮胶原、牛跟腱胶原和多宝鱼胶原中的至少一种。

8、根据本发明，优选地，所述第一混合溶液中的吡咯单体的质量分数为4-10％。

9、在本发明中，作为优选方案，所述吡咯单体为100-400μl，所述胶原溶液的浓度为4-12mg/ml，所述胶原溶液的用量为1-5ml，使得所述第一混合溶液中的吡咯单体的质量分数为4-10％。

10、根据本发明，优选地，所述盐酸多巴胺、所述胶原溶液和所述交联剂溶液的用量比为(80-120)：(1-5)：(50-150)g/l/l。

11、根据本发明，优选地，所述氧化剂为氯化铁粉末和/或硫酸铁粉末。

12、根据本发明，优选地，将所述氯化铁粉末与所述第二混合溶液混合搅拌1-3h，得到反应物；

13、所述氯化铁粉末与所述吡咯单体的物质的量的比为(1-5)：1。

14、根据本发明，优选地，将所述反应液置于缓冲溶液中浸泡20-60min，得到凝胶；

15、所述缓冲溶液为pbs缓冲溶液、tris-hcl缓冲溶液和mes缓冲溶液中的至少一种；所述缓冲溶液的ph为5-8。

16、根据本发明，优选地，所述交联剂溶液为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐与n-羟基丁二酰亚胺的混合液(edc/nhs溶液)，所述1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐与n-羟基丁二酰亚胺的质量比为(1-4)：1；

17、将所述凝胶置于交联剂溶液中浸泡过夜，优选地，浸泡时间为12-24h。

18、在本发明中，所述水洗为用高纯水反复浸泡洗涤所述水凝胶电子皮肤。

19、本发明另一方面提供了所述的水凝胶电子皮肤的制备方法制备得到的水凝胶电子皮肤。

20、本发明的技术方案的有益效果如下：基于本发明方法获得的水凝胶电子皮肤导电性能高、抗菌性能好、黏附性优良，可实现人体剧烈运动和精细动作的实时监测，有望应用于可穿戴设备、柔性机器人和可植入式医疗器械等领域。具体地：

21、(1)优异的传感性能：本发明以自组装的胶原蛋白为水凝胶主体材料，以吡咯为单体，多巴胺为掺杂剂，采用原位化学氧化聚合使形成的导电相(多巴胺掺杂的聚吡咯)均匀稳定分散于凝胶主体中，提高导电网络的连续性，获得分散均一、导电性优良的三维多孔水凝胶电子皮肤。本发明方法获得的水凝胶电子皮肤应用于身体各部位(面部、声带、手肘、手掌、膝盖等)的检测，表现出灵敏的应变传感响应。

22、(2)优异的粘附性：本发明基于多巴胺上的邻苯二酚基团与胶原凝胶基底存在的相互作用，使得该水凝胶具有优异的基底自黏附性能。

23、(3)优良的抗菌/抑菌性能：防止表面上的细菌生长和繁殖对于电子皮肤的功能保持和避免感染非常重要。采用抑菌圈法和展板法评估了本发明的水凝胶电子皮肤的抗菌能力，证实多巴胺掺杂的聚吡咯/胶原水凝胶电子皮肤具有较好的抗菌性能。

24、(4)简单的制备方法：本发明以胶原、盐酸多巴胺、氯化铁粉末、吡咯为原料，只需通过原位混合聚合制备分散液，再添加交联剂，在常温条件下即可快速形成均相水凝胶，本发明制备方法简单，无毒。

25、本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

1.一种水凝胶电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的水凝胶电子皮肤的制备方法，其中，所述胶原溶液的浓度为4-12g/l。

3.根据权利要求1所述的水凝胶电子皮肤的制备方法，其中，胶原为猪皮胶原、草鱼皮胶原、牛跟腱胶原和多宝鱼胶原中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的水凝胶电子皮肤的制备方法，其中，所述第一混合溶液中的吡咯单体的质量分数为4-10％。

5.根据权利要求1所述的水凝胶电子皮肤的制备方法，其中，所述盐酸多巴胺、所述胶原溶液和所述交联剂溶液的用量比为(80-120)：(1-5)：(50-150)g/l/l。

6.根据权利要求1所述的水凝胶电子皮肤的制备方法，其中，所述氧化剂为氯化铁粉末和/或硫酸铁粉末。

7.根据权利要求6所述的水凝胶电子皮肤的制备方法，其中，将所述氯化铁粉末与所述第二混合溶液混合搅拌1-3h，得到反应物；

8.根据权利要求1所述的水凝胶电子皮肤的制备方法，其中，将所述反应液置于缓冲溶液中浸泡20-60min，得到凝胶；

9.根据权利要求1所述的水凝胶电子皮肤的制备方法，其中，所述交联剂溶液为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐与n-羟基丁二酰亚胺的混合液，所述1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐与n-羟基丁二酰亚胺的质量比为(1-4)：1；

10.权利要求1-9中任意一项所述的水凝胶电子皮肤的制备方法制备得到的水凝胶电子皮肤。