本发明属于生物材料和柔性可穿戴健康电子设备，具体涉及一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备及应用。
背景技术：
1、柔性可穿戴电子传感器的开发是当前电子科技领域的热点之一。随着人们对健康监测、运动追踪和生活便利性的需求不断增加，传统的硬性电子设备不能完全满足人们的需求。柔性可穿戴电子传感器可以为这些需求提供强大的支持。
2、目前，科研人员通过将多种高性能导电材料，例如还原氧化石墨烯、银纳米线、二维mxene纳米片、导电聚合物以及碳纳米管等，与弹性体复合材料基底结合，成功开发了功能多样、电导率优异和机械柔韧性好的柔性传感器。这些创新设计不仅拓宽了柔性传感器的应用范围，还显著提升了其在实际使用中的稳定性和耐用性。
3、传统的传感器多用金属、单晶硅等刚性材料，虽然灵敏度高，但大多数材料大多与人体界面适应性差，与皮肤界面可能存在刺激和损伤。
4、但目前具有良好生物相容性的柔性应变和温度传感器大多灵敏度不高，线性度不高、大多数为单模态监测。例如在一种基于水凝胶的热敏电阻的表皮传感器，利用邻苯二酚化学启发的单宁酸包覆纤维素纳米晶来提供粘连平衡和优越的热敏性，其用来监测人体的表皮温度，该传感器热敏性(tcr＝1.43％/℃)，其单模态的热敏性小于本技术中的温度模态的热敏性(tcr＝1.7％/℃)
5、而针对人体生理监测，构建多模态，稳定，高灵敏度的柔性材料仍然是关键与挑战。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备及应用，通过设计“i”和“s”形状的水凝胶传感器来分别监测应变及温度信号，“s”形状相对“i”传感器应变信号几乎可以忽略，这样能达到两种模态互不干扰。具有高强度、高韧性、按需剥离、良好的抗氧化、抗菌性的特点。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备方法，包括以下步骤：
4、步骤1：将丙烯酰胺单体、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、pedot:pss(基于聚(3,4-乙基二氧噻苯)、β-环糊精以及没食子酸混合；
5、步骤2：混合后置于甘油和去离子水的混合溶液中，在常温下搅拌均匀，得到导电水凝胶前体溶液；
6、步骤3：将过硫酸铵加入水凝胶前体溶液中混匀，得到水凝胶的前体溶液；
7、步骤4：利用激光切割机进行“i”和“s”形状模具的切割，将步骤3中的前体溶液倒入模具中，在加热条件下得到导电水凝胶；
8、步骤5：将导电胶带或导线置于导电水凝胶的左右两侧并直接延伸用作与外界设备相连的引线，使用防水透气胶带进行封装，“i”形水凝胶为应变传感器，“s”形水凝胶为温度传感器，构成“is”可穿戴传感器，即用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器。
9、所述步骤1中，丙烯酰胺的质量分数为40～60％，n,n-亚甲基双丙烯酰胺的质量分数为0.1％～0.2％；所述pedot:pss的质量分数为5％～10％；所述β-环糊精，没食子酸的质量分数均为1％～5％，过硫酸铵的质量分数为0.5％～0.1％，其余为水和甘油；将上述成分加入甘油和水中。
10、质量比分别为甘油与水的比例为1:2～1:4，所述甘油与丙烯酰胺的比例2:3～2:3.5，甘油与n,n-亚甲基双丙烯酰胺的比例为200:1～200:2，甘油与过硫酸铵的比例为80：1～80：2，甘油与pedot:pss的比例为5:1～5:2,甘油与β-环糊精，没食子酸的比均为40：1～20:1。
11、所述步骤2中，搅拌为磁力搅拌，磁力搅拌的速度为500r/min～800r/min，磁力搅拌的时间为10min～15min。
12、所述步骤4中，加热条件为在50℃-80℃的真空干燥箱中聚合反应1～4h。
13、所述步骤4中，导电水凝胶为三维网络结构，所述三维网络结构由没食子酸引入互穿网络构成，所述互穿网络由pedot:pss导电聚合物引入共聚物凝胶网络形成，所述共聚物凝胶网络由丙烯酰胺单体嫁接到β-环糊精骨架上形成，所述没食子酸作为水凝胶网络之间的键桥。
14、pedot:pss为导电聚合物网络，其与共聚物凝胶网络互穿，形成水凝胶网络。
15、三维网络结构具有均匀的孔隙，且平均孔径为20～30μm。
16、所述的“is”可穿戴传感器对温度和应变分别在10-50℃的温度范围内和0-600％的大应变范围内具有快速的响应和良好的线性关系，满足人体的温度和应变监测需求。
17、所述可穿戴水凝胶传感器应用用于关节大形变条件下的康复训练和健康监测。
18、所述“is”可穿戴传感器贴在皮肤表面。
19、所述“is”可穿戴传感器中，通过基本的应力应变数据模拟验证出“s”形和“i”形传感器在受到相同应变时，“s”形传感器用于温度监测，避免应变干扰，测知温度后使用“i”形水凝胶用于应变监测，测得的电学数值对应所在温度的线性关系推算出实际应变量，从而进行应变监测。
20、所述“is”可穿戴传感器具有良好的导电性、生物相容性、抗菌性、保水性、透气性、黏附性和按需剥离等性能，适合贴在皮肤表面应用，稳定性好。
21、所述“is”可穿戴传感器具有良好的导电性(导电率>0.025s/m)、生物相容性(溶血率＜2.20％)、抗菌性(金黄色葡萄球菌抑制率>82％，大肠杆菌抑制率＞90％)、保水性(常温保存30天保水率>65％)、透气性(>3000g/m3/12h)、黏附性(在玻璃、塑料、皮肤、金属等多种基底上实现强黏附)和按需剥离(粘贴在皮肤上冷敷可以按需剥离)等性能，适合贴在皮肤表面应用，稳定性好。
22、所述“is”可穿戴传感器中，通过基本的应力应变数据模拟验证出“s”形和“i”形传感器在受到相同应变时，其“s”形所受应力几乎可以忽略，因此“s”形传感器用于温度监测，避免应变干扰，测知温度后使用“i”形水凝胶用于应变监测，测得的电学数值对应所在温度的线性关系可以推算出实际应变量，从而进行应变监测。
23、通过上述特点，本发明可以同时监测温度和应变传感数据，实现双功能传感器的解耦，可以响应可穿戴设备中关节处大变形的应变和温度改变情况，避免信号相互干扰。
24、本发明的有益效果：
25、本发明的温度传感原理是热敏的pedot:pss在高温下可以提供更多的载流子且温度的升高可以大大促进电子跳变概率和跳变距离，从而能降低电阻值。应变传感原理是拉伸引起长度和横截面积变化，从而协同增加电阻值。
26、本发明制备的柔性可穿戴水凝胶传感器材料选用原料为聚丙烯酰胺、β-环糊精、没食子酸，三者均为优良生物相容性的物质。
27、本发明制备的柔性导电水凝胶具有皮肤粘附性、保水性、溶胀性、抗氧化、防紫外和可视化等优异性能。所制备的可穿戴传感器具有良好的应变和温度响应性，灵敏度高、线性度好，能互相解耦。
1.一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，丙烯酰胺的质量分数为40～60％，n,n-亚甲基双丙烯酰胺的质量分数为0.1％～0.2％；所述pedot:pss的质量分数为5％～10％；所述β-环糊精，没食子酸的质量分数均为1％～5％，过硫酸铵的质量分数为0.5％～0.1％，其余为水和甘油；将上述成分加入甘油和水中。
3.根据权利要求2所述的一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，质量比分别为甘油与水的比例为1:2～1:4，所述甘油与丙烯酰胺的比例2:3～2:3.5，甘油与n,n-亚甲基双丙烯酰胺的比例为200:1～200:2，甘油与过硫酸铵的比例为80：1～80：2，甘油与pedot:pss的比例为5:1～5:2,甘油与β-环糊精，没食子酸的比均为40：1～20:1。
4.根据权利要求1所述的一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，搅拌为磁力搅拌，磁力搅拌的速度为500r/min～800r/min，磁力搅拌的时间为10min～15min。
5.根据权利要求1所述的一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，加热条件为在50℃-80℃的真空干燥箱中聚合反应1～4h。
6.根据权利要求1所述的一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，导电水凝胶为三维网络结构，所述三维网络结构由没食子酸引入互穿网络构成，所述互穿网络由pedot:pss导电聚合物引入共聚物凝胶网络形成，所述共聚物凝胶网络由丙烯酰胺单体嫁接到β-环糊精骨架上形成，所述没食子酸作为水凝胶网络之间的键桥。
7.根据权利要求1所述的一种用于应变温度双模监测的可穿戴水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，所述的“is”可穿戴传感器对温度和应变分别在10-50℃的温度范围内和0-600％的大应变范围内具有快速的响应和良好的线性关系，满足人体的温度和应变监测需求。
8.基于权利要求1-7任一项方法制备的可穿戴水凝胶传感器的应用，其特征在于，所述可穿戴水凝胶传感器应用用于关节大形变条件下的康复训练和健康监测。
9.根据权利要求8所述的可穿戴水凝胶传感器的应用，其特征在于，所述“is”可穿戴传感器贴在皮肤表面。
10.根据权利要求8所述的可穿戴水凝胶传感器的应用，其特征在于，所述“is”可穿戴传感器中，通过基本的应力应变数据模拟验证出“s”形和“i”形传感器在受到相同应变时，“s”形传感器用于温度监测，避免应变干扰，测知温度后使用“i”形水凝胶用于应变监测，测得的电学数值对应所在温度的线性关系推算出实际应变量，从而进行应变监测。
