[發(fā)明專利]一種柔性壓電生理傳感器及其制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810329495.0
• 申請(qǐng)日: 2018-04-13
• 公開（公告）號(hào): CN108519111A
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 關(guān)麗;張美寧;康華;張帆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D5/14
• 分類號(hào): G01D5/14;A61B5/00
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢;王春霞

本發(fā)明公開了一種柔性壓電生理傳感器及其制備方法與應(yīng)用。所述聚偏氟乙烯納米復(fù)合材料由聚偏氟乙烯和表面修飾羧基的納米材料復(fù)合而成；表面修飾羧基的納米材料為二維片層狀納米材料或羧基化碳納米管。本發(fā)明通過在PVDF中摻雜表面修飾羧基的納米填料，表面修飾羧基的納米填料中的羧基與PVDF中的>CF₂之間的較強(qiáng)相互作用，使PVDF分子鏈的偶極矩都沿著一個(gè)方向排列，這種結(jié)構(gòu)就是β相分子結(jié)構(gòu)，從而使PVDF具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)。本發(fā)明利用PVDF納米復(fù)合材料在脈搏跳動(dòng)和其他生理活動(dòng)時(shí)對(duì)薄膜產(chǎn)生壓力，從而將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，用于監(jiān)測(cè)心跳和其他生理活動(dòng)，展現(xiàn)了PVDF納米復(fù)合材料作為柔性壓電傳感器的應(yīng)用潛力和前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種柔性壓電生理傳感器及其制備方法與應(yīng)用，屬于生物傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，微電子設(shè)備、微傳感器和便攜電子器件等微型機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在嵌入式系統(tǒng)、人體健康檢測(cè)系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)各種健康狀態(tài)的檢測(cè)和評(píng)估起到了巨大的推進(jìn)作用。但是，這些醫(yī)療設(shè)備迄今還存在諸多問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:

首先，幾乎所有調(diào)節(jié)或替代部分人體功能的置入式醫(yī)療設(shè)備都需要電池提供能量，如心臟起搏器、心臟除顫儀、胰島素泵、腦神經(jīng)刺激器、人工耳蝸、替代尿道括約肌的電磁閥等；而現(xiàn)在普遍應(yīng)用電源的還是鋰聚合物、鎳氫電池等化學(xué)電池。盡管目前各種電池的體積已經(jīng)顯著減小，能量?jī)?chǔ)備明顯增加，但使用壽命仍然有限，很少能為便攜或置入式設(shè)備提供更長時(shí)間的能源；電池能源耗竭時(shí)就必須手術(shù)更換，給患者帶來很多不便，包括額外的醫(yī)療費(fèi)、手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥及感染等風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)于微型機(jī)電設(shè)備，各種電池的體積仍然較大，限制了微型機(jī)電設(shè)備的進(jìn)一步微型化；此外，電池的化學(xué)毒性和污染問題仍無法避免。

其次，目前對(duì)各種監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求，更多地強(qiáng)調(diào)能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)的檢測(cè)以預(yù)防疾病；臨床工作中急需一種多功能、實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)的設(shè)備；特殊情況下(如飛行員飛行時(shí)的血壓)需要無損、便攜和連續(xù)的監(jiān)測(cè)。因而，現(xiàn)今的診療設(shè)備，如無線心臟監(jiān)護(hù)儀、實(shí)時(shí)腦血管監(jiān)測(cè)儀、實(shí)時(shí)血壓監(jiān)測(cè)儀、遠(yuǎn)程生命監(jiān)護(hù)儀等，仍需進(jìn)一步改善，達(dá)到微型化、方便，監(jiān)測(cè)更靈敏、準(zhǔn)確的目標(biāo)。

近年來柔性壓電器件研究的進(jìn)展，使延長電池壽命甚至取代電池，進(jìn)行人體生理功能監(jiān)測(cè)成為可能，為優(yōu)化改進(jìn)醫(yī)學(xué)診療設(shè)備提供了新的途徑。壓電材料在沿一定方向上受到外力作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又恢復(fù)到不帶電電中性的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。壓電材料一般可分為壓電晶體、壓電陶瓷、壓電聚合物及復(fù)合壓電材料等。壓電聚合物以其材質(zhì)柔韌、低密度、低阻抗和高壓電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。因此，亟需以壓電聚合物為基礎(chǔ)提供一種柔性壓電生理傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種柔性壓電生理傳感器，其由聚偏氟乙烯納米復(fù)合材料制成，可用于監(jiān)測(cè)心跳和其他生理活動(dòng)。

本發(fā)明首先提供一種聚偏氟乙烯納米復(fù)合材料，由聚偏氟乙烯和表面修飾羧基的納米材料復(fù)合而成。

具體地，所述表面修飾羧基的納米材料可為二維片層狀納米材料或羧基化碳納米管。

進(jìn)一步地，所述二維片層狀納米材料可為納米級(jí)氧化石墨烯；

所述聚偏氟乙烯納米復(fù)合材料中，所述納米級(jí)氧化石墨烯的質(zhì)量百分含量可為0％～4％，如0.5％～2％、0.5％、1％、1.5％或2％。

所述聚偏氟乙烯的分子量可為100000～600000。

所述聚偏氟乙烯納米復(fù)合材料可按照包括如下步驟的方法制備：