类海胆结构高分子复合传感材料的制备及其可穿戴诊疗性能研究
可穿戴电子传感器在多功能电子皮肤、个性化健康监测、智能人机交互、智慧医疗等领域受到了人们的广泛关注。然而，要同时实现高灵敏、快速响应、低检测下限和出色循环稳定性的优异传感性能，用于全方位的人体健康检测，仍然具有很大的挑战。与此同时，传统的柔性可穿戴传感器在进行人体医疗监测和智慧医学诊断后，缺乏进一步及时治疗的能力。并且，许多可穿戴电子设备与人体皮肤机械性能不匹配，佩戴舒适性差,阻碍了其在人体健康监测和精确疾病诊断方面的应用前景。在此，受高传感灵敏性皮肤微结构启发，我们开发了一种类海胆结构的高分子复合传感材料与可穿戴传感器，展现了良好的传感性能以及可靠的光热转化性能,可用于全方位的人体健康监测，以及肘部关节炎等疾病的诊断治疗。 (1)以聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇(PBA)为软段、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)为硬段、1,4-丁二醇(BDO)为扩链剂制备了聚己二酸丁二醇酯聚氨酯(PBAPU)弹性体基体材料，该弹性体表现出了良好的拉伸强度(18.87 MPa)、高拉伸性(1200％)以及与人体皮肤相近的弹性模量(1.7MPa)。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)浇筑在平铺有野菊花花粉颗粒的聚酰亚胺(PI)胶带上，获得含有花粉模板结构的凹模版，并将PBAPU弹性体基体材料浇筑在凹模板上制备出表面具有类海胆结构的PBAPU基体材料，随后将MXene纳米片涂布在其表面，成功制备并表征了表面涂布有MXene的类海胆结构PBAPU复合材料(PBAPU/MXene)。 (2)将表面涂布有MXene的类海胆结构PBAPU/MXene复合材料与印刷有叉指电极的PBAPU薄膜进行面对面组装，得到了具有良好柔性和顺应性的多功能压力传感器。在外部压力作用下，类海胆结构与底部电极发生接触并产生应力集中，使接触面积与导电路径明显增加，从而有效提升了传感器的灵敏度。该传感器展现了优异的传感性能(高灵敏度(784.02 kPa-1)、宽检测范围(高达300kPa)、低检测下限(2.8Pa)、快速响应时间(9ms)、可靠的循环稳定性(高达15000次循环))，可应用于人体运动监测(如肘部弯曲和吞咽等)和微小电生理信号检测(如心电信号(ECG)和肌电信号(EMG))。 (3)PBAPU/MXene复合材料具有良好的光热转化性能，可应用于手腕关节炎、肘部关节炎的光热治疗。二维纳米片MXene可以实现接近100％的光热转化效率。在808 nm近红外光(NIR)照射下，PBAPU/MXene复合材料可实现较快的加热速度(近红外光密度为0.50W/cm-2,80s从室温升温至54℃),可控的温度调节能力和优异的光热稳定性。通过PBAPU/MXene柔性传感器检测人体运动信号，可以为相关疾病(手腕关节炎、肘部关节炎)进行医学诊断。借助PBAPU/MXene复合材料的良好光热转化性能，可以加速血液循环，缓解手腕、肘部等僵硬和疼痛，从而实现对关节炎等疾病的高效诊断和治疗。
可穿戴医学传感器;高分子复合材料;类海胆结构;传感性能;光热转化性能
北京化工大学
硕士
材料与化工
万鹏博;任景怡
2023
中文
TP212.3
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）