CN105286855B - 一种干性心电电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种干性心电电极的制备方法，通过该方法制备的干性心电电极具有良好导电性、柔性和生物兼容性，并且通过装置金属按扣导联接口可直接连接现有心电信号检测***，使用方便，可以避免传统具有导电胶的心电湿电极带来的长时间皮肤刺激和信号下降的问题，且随着近年来人们对健康关注程度和连续性观察需求不断提高，这种具有良好导电性，能长时间保持人体体表生物兼容性，且具有一定柔韧性的心电干电极，将具有强大的市场潜力。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械的技术领域，更具体地说，涉及一种干性心电电极的制备方法。
背景技术
据《中国心血管病报告2013》指出，目前全国有心血管病患者约2.9亿，每年死于心血管疾病的患者约350万人，占总死亡原因的41％，心血管疾病已成为威胁人类健康的头号杀手。在现代医学中，心电图是诊断心血管疾病的重要依据。现阶段医学常通过心电电极获取人体体表的微弱心电信号，通过放大滤波等处理后得到心电图。心电电极作为体表心电信号传感的关键器件，通常要具备良好的导电性和生物兼容性。目前医学使用的心电电极有两种，一种是常见于静息心电图的金属电极，具体为连接肢体导联的夹式电极和胸导联的吸式电极，此电极体积较大，可以反复使用，测量时要求被测者躺卧，测量短时间的心电图片段；另一种是一次性粘性湿电极，这种电极体积较小，在人体皮肤和电极之间涂覆导电凝胶以增加导电性，但若长期佩戴导电凝胶则会引起皮肤刺激或者过敏，严重影响了被测试者的舒适感。
石墨烯(Graphene)是一种只有一层或几层原子厚度的纯碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜二维材料，是目前最薄却也是最坚硬的纳米材料，常温下电子迁移率超过15000cm2/V·s，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜和银更低，为目前世界上电阻率最小的材料，同时石墨烯具有较好的生物兼容性。聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)是一种高分子有机硅化合物，是一种具有良好生物兼容性的柔性基质材料，通常被称为有机硅，PDMS具有良好弹性，有着价格便宜、光学透明、透气、疏水和防水等优点，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃，PDMS是最广泛使用的硅为基础的有机聚合物材料，其运用在生物微机电中的微流道***、填缝剂、润滑剂、隐形眼镜。
高质量和稳定的心电信号是保证心电检测***进行后续处理的关键和前提，目前使用的心电电极，在长时间检测的稳定性和舒适性都存在问题，近年来，国内外已有不少关于新型心电电极的研究，主要分为织物电极和干电极两大方向。织物电极是以导电织物为电极材料，能嵌入随身衣服、系带特定位置，公开号为CN104523267A的中国专利中，公开了一种包括导电纱线、织物、导电胶和金属导联扣的心电电极，该电极是以刺绣的方式将导电纱线与植物连接，将织物一面的导电纱线剪断，以在织物的一面形成由导电纱线构成的多根绒毛，所述的多根绒毛构成电极导电层。这种纺织结构的电极质地柔软，穿戴舒适性较好，但无法与皮肤充分接触，电极—皮肤界面阻抗比较大，当人体发生运动的时候，电极与皮肤容易产生位移，从而影响心电信号的稳定性。另一研究方向为以金属薄片邦定在柔性基质制成的干电极，在公开号为CN103300845A的中国专利中，公开了一种柔性薄膜心电干电极及其制造工艺。该电极的电极点露出于电极封装底部，按扣露出于封装上部，电极点和所述按扣之间设置有接口层并通过导电胶进行粘合。该电极是以硅片为基底，通过旋涂光刻胶、曝光、显影及图形化光刻胶层，再溅射金属层Ti或Ag作为电极点，最后将未受光刻胶保护的金属区域作为金属按扣的节点。该电极点贴在皮肤表面，电极接收体表生理信号，通过按扣引出导线连接到外部的测量电路。此类干电极以金属为导电材料，具有较高的导电率，干电极也不会像传统一次性粘性湿电极引起皮肤过敏，但金属材料作为电极，其抗腐蚀性、抗干扰性和抗噪声能力均较差，在微电流通过的时候容易产生极化，而且金属的柔韧性也相对较差。另外，在公开号为CN104739403A的中国专利中，公开了一种石墨烯纳米墙柔性心电电极及其制备方法，该电极包括柔性衬底层和石墨烯纳米墙层，层间用粘合剂进行粘合，通过使用等离子体增强气相沉积法在金属片表面沉积一层石墨烯纳米墙膜，在石墨烯纳米墙层边缘涂有一层导电银胶，用于连接金属导线；将含有导电银胶和金属导线的石墨烯纳米墙薄膜转移到柔性衬底上，再去除金属片即得石墨烯纳米墙柔性心电电极，这种方法仍然存在缺陷，该方法在金属表面沉积石墨烯，不容易把石墨烯转移到柔性衬底上，另外这种电极没有金属纽扣接口，无法与现有心电采集***进行直接相连。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干性心电电极的制备方法，解决了现有技术中心电电极使用不方便、佩戴不舒适、电信号不稳定以及制备复杂等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种干性心电电极的制备方法，包括如下步骤：
S1、取石墨烯加入至聚二甲基硅氧烷溶液中，搅拌混合后，充分研磨使石墨烯均匀分散在聚二甲基硅氧烷中，得到石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物；
S2、在容器中放置丙烯圆片，并在丙烯圆片上放置心电测量***所用导联线的金属按扣，将丙烯圆片的圆心与金属按扣的圆心相互对应上；
S3、取聚二甲基硅氧烷倒入所述容器中，对所述容器进行加热烘烤，使聚二甲基硅氧烷固化完全，做成电极片主模；
S4、将所述电极片主模从容器中分离出来，抽出所述电极片主模中的丙烯圆片，进而在所述电极片主模的丙烯圆片的位置留出预留空间；
S5、把所述电极片主模固定于旋涂机圆盘上，将分散均匀的石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物均匀填充到所述电极片主模的预留空间，并旋涂；
S6、旋涂完成后，对所述电极片主模烘烤，使石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物定型，然后把带金属按扣的心电干电极将定型后的石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物从电极片主模中剥离，得到基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷的干性心电电极。
在本发明的制备方法中，在步骤S1中，所述石墨烯的用量占石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物的总量的1wt％-10wt％。
在本发明的制备方法中，在步骤S1中，所述石墨烯的用量占石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物的总量的3wt％-6wt％。
在本发明的制备方法中，在步骤S1中，使用三辊研磨机充分研磨4小时-8小时进而使石墨烯均匀分散在聚二甲基硅氧烷中。
在本发明的制备方法中，在步骤S2中，所述丙烯圆片的直径为10mm-50mm，厚度为0.5cm-5cm。
在本发明的制备方法中，在步骤S2中，所述丙烯圆片的直径为20mm-30mm，厚度为1cm-3cm。
在本发明的制备方法中，在步骤S3中，对所述容器进行加热烘烤的条件是先在90℃-110℃下烘烤0.5小时-1.5小时，然后再在115℃-130℃下烘烤0.5小时-1.5小时。
在本发明的制备方法中，在步骤S5中，旋涂的时间为2小时-5小时。
在本发明的制备方法中，在步骤S6中，对所述电极片主模烘烤的条件是在100℃-130℃下烘烤0.5小时-2小时。
在本发明的制备方法中，在步骤S1和S3中，所述聚二甲基硅氧烷的纯度为90％-99％。
实施本发明的干性心电电极的制备方法，具有以下有益效果：通过该方法制备的干性心电电极具有良好导电性、柔性和生物兼容性，并且通过装置金属按扣导联接口可直接连接现有心电信号检测***，使用方便，可以避免传统具有导电胶的心电湿电极带来的长时间皮肤刺激和信号下降的问题，且随着近年来人们对健康关注程度和连续性观察需求不断提高，这种具有良好导电性，能长时间保持人体体表生物兼容性，且具有一定柔韧性的心电干电极，将具有强大的市场潜力。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的干性心电电极的制备方法作进一步说明：
本发明提供一种干性心电电极的制备方法，该方法制备的心电电极具有良好导电性、柔性和生物兼容性，并且通过装置金属按扣导联接口可直接连接现有心电信号检测***，使用方便。
该制备方法具体包括如下步骤。
S1、称取定量的石墨烯，加入至纯度为90％-99％的聚二甲基硅氧烷溶液中，搅拌混合后，使用三辊研磨机充分研磨4小时-8小时，使石墨烯均匀分散在聚二甲基硅氧烷中，得到石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物。其中聚二甲基硅氧烷的纯度优选为99％，在其它实施例中也可以为90％或95％。称取的石墨烯的用量占石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物的总量的1wt％-10wt％(即质量比)；优选地，石墨烯的用量占石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物的总量的3wt％-6wt％；更优选地，石墨烯的用量占石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物的总量的4.5wt％。在该步骤中，所使用的三辊研磨机在使用时，辊间间距设为1mm，转速设为250rpm，研磨时间优选为4-6小时，更优选为5小时；在其它实施例中还可以使用球磨机、或研钵和杵进行研磨。
S2、在容器中放置丙烯圆片，并在丙烯圆片上放置心电测量***所用导联线的金属按扣，将丙烯圆片的圆心与金属按扣的圆心相互对应上。所用容器可以是培养皿、烧杯等等。所用丙烯圆片直径为10mm-50mm，厚度为0.5cm-5cm；优选地，丙烯圆片的直径为20mm-30mm，厚度为1cm-3cm；更优选地，丙烯圆片的直径为25mm，厚度为2cm。
S3、取纯度为90％-99％的聚二甲基硅氧烷倒入上述容器中，对上述容器进行加热烘烤，先在90℃-110℃下烘烤0.5小时-1.5小时，然后再在115℃-130℃下烘烤0.5小时-1.5小时，使聚二甲基硅氧烷固化完全，做成电极片主模。同样聚二甲基硅氧烷的纯度优选为99％，在其它实施例中也可以为90％或95％。加热烘烤的条件优选是在100℃下烘烤1小时，然后再在120℃下烘烤1小时。
S4、将上述电极片主模从容器中分离出来，抽出上述电极片主模中的丙烯圆片，进而在上述电极片主模的丙烯圆片的位置留出预留空间；
S5、把上述电极片主模固定于旋涂机圆盘上，使用注射器或滴管将分散均匀的石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物均匀填充到上述电极片主模的预留空间，并旋涂。其中旋涂机圆盘的转速设为4000rpm，旋涂时间为2小时-5小时，优选为3-5小时，更优选为3小时。
S6、旋涂完成后，对上述填充石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物后的电极片主模烘烤，在100℃-130℃下烘烤0.5小时-2小时，使石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物定型，然后把带金属按扣的心电干电极将定型后的石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物从电极片主模中剥离，得到基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷的干性心电电极。其中烘烤条件优选为在110℃-120℃下烘烤1小时-2小时，更优选为在120℃下烘烤1小时。
通过上述方法制备的干性心电电极具有良好导电性、柔性和生物兼容性，并且通过装置金属按扣导联接口可直接连接现有心电信号检测***，使用方便，可以避免传统具有导电胶的心电湿电极带来的长时间皮肤刺激和信号下降的问题，且随着近年来人们对健康关注程度和连续性观察需求不断提高，这种具有良好导电性，能长时间保持人体体表生物兼容性，且具有一定柔韧性的心电干电极，将具有强大的市场潜力。
实施例1：
称取定量的石墨烯，加入至纯度为99％的聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液中，搅拌混合后，使用三辊研磨机(转速设为250rpm，辊间间距设为1mm)充分研磨5小时，以使石墨烯均匀分散在PDMS中，制成含石墨烯4.5wt％的石墨烯/PDMS混合物；在培养皿中放置直径为25mm，厚度为2cm的丙烯圆片，并在同心圆的圆心位置上放置心电测量***常用导联线的金属按扣；把纯度为99％的PDMS倒入培养皿，培养皿放到加热台上，100℃烘烤1h，再于120℃烘烤1h，保证PDMS固化完全，做成电极片主模；将电极片主模从培养皿中分离出来，抽出电极片主模中的丙烯圆片，在电极片主模的丙烯圆片的位置留出预留空间，然后把电极片主模固定于旋涂机圆盘上(转速设为4000rpm)，使用注射器把石墨烯/PDMS混合物均匀填充到电极片主模的预留空间里，旋涂时间为3h；旋涂完成后，将电极片主模放置在120℃中烘烤1h，使PDMS/石墨烯混合物定型，然后将其从电极片主模中剥离，得到基于石墨烯和PDMS的干性心电电极。
实施例2：
称取定量的石墨烯，加入至纯度为90％的聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液中，搅拌混合后，使用球磨机充分研磨4小时，以使石墨烯均匀分散在PDMS中，制成含石墨烯1wt％的石墨烯/PDMS混合物；在烧杯中放置直径为50mm，厚度为5cm的丙烯圆片，并在同心圆的圆心位置上放置心电测量***常用导联线的金属按扣；把纯度为90％的PDMS倒入烧杯中，将烧杯放到加热台上，110℃烘烤1.5h，再于130℃烘烤1.5h，保证PDMS固化完全，做成电极片主模；将电极片主模从烧杯中分离出来，抽出电极片主模中的丙烯圆片，在电极片主模的丙烯圆片的位置留出预留空间，然后把电极片主模固定于旋涂机圆盘上(转速设为4000rpm)，使用注射器把石墨烯/PDMS混合物均匀填充到电极片主模的预留空间里，旋涂时间为5h；旋涂完成后，将电极片主模放置在130℃中烘烤2h，使PDMS/石墨烯混合物定型，然后将其从电极片主模中剥离，得到基于石墨烯和PDMS的干性心电电极。
实施例3：
称取定量的石墨烯，加入至纯度为95％的聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液中，搅拌混合后，使用研钵和杵手动充分研磨8小时，以使石墨烯均匀分散在PDMS中，制成含石墨烯10wt％的石墨烯/PDMS混合物；在培养皿中放置直径为10mm，厚度为0.5cm的丙烯圆片，并在同心圆的圆心位置上放置心电测量***常用导联线的金属按扣；把纯度为95％的PDMS倒入培养皿，培养皿放到加热台上，90℃烘烤1.2h，再于115℃烘烤1.2h，保证PDMS固化完全，做成电极片主模；将电极片主模从培养皿中分离出来，抽出电极片主模中的丙烯圆片，在电极片主模的丙烯圆片的位置留出预留空间，然后把电极片主模固定于旋涂机圆盘上(转速设为4000rpm)，使用滴管把石墨烯/PDMS混合物均匀填充到电极片主模的预留空间里，旋涂时间为2h；旋涂完成后，将电极片主模放置在125℃中烘烤0.5h，使PDMS/石墨烯混合物定型，然后将其从电极片主模中剥离，得到基于石墨烯和PDMS的干性心电电极。
实施例4：
称取定量的石墨烯，加入至纯度为99％的聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液中，搅拌混合后，使用三辊研磨机(转速设为250rpm，辊间间距设为1mm)充分研磨6小时，以使石墨烯均匀分散在PDMS中，制成含石墨烯3wt％的石墨烯/PDMS混合物；在培养皿中放置直径为20mm，厚度为1cm的丙烯圆片，并在同心圆的圆心位置上放置心电测量***常用导联线的金属按扣；把纯度为99％的PDMS倒入培养皿，培养皿放到加热台上，105℃烘烤0.5h，再于125℃烘烤0.5h，保证PDMS固化完全，做成电极片主模；将电极片主模从培养皿中分离出来，抽出电极片主模中的丙烯圆片，在电极片主模的丙烯圆片的位置留出预留空间，然后把电极片主模固定于旋涂机圆盘上(转速设为4000rpm)，使用注射器把石墨烯/PDMS混合物均匀填充到电极片主模的预留空间里，旋涂时间为2.5h；旋涂完成后，将电极片主模放置在110℃中烘烤2h，使PDMS/石墨烯混合物定型，然后将其从电极片主模中剥离，得到基于石墨烯和PDMS的干性心电电极。
实施例5：
称取定量的石墨烯，加入至纯度为99％的聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液中，搅拌混合后，使用三辊研磨机(转速设为250rpm，辊间间距设为1mm)充分研磨4.5小时，以使石墨烯均匀分散在PDMS中，制成含石墨烯6wt％的石墨烯/PDMS混合物；在培养皿中放置直径为30mm，厚度为3cm的丙烯圆片，并在同心圆的圆心位置上放置心电测量***常用导联线的金属按扣；把纯度为99％的PDMS倒入培养皿，培养皿放到加热台上，100℃烘烤1h，再于120℃烘烤1h，保证PDMS固化完全，做成电极片主模；将电极片主模从培养皿中分离出来，抽出电极片主模中的丙烯圆片，在电极片主模的丙烯圆片的位置留出预留空间，然后把电极片主模固定于旋涂机圆盘上(转速设为4000rpm)，使用注射器把石墨烯/PDMS混合物均匀填充到电极片主模的预留空间里，旋涂时间为4h；旋涂完成后，将电极片主模放置在115℃中烘烤1h，使PDMS/石墨烯混合物定型，然后将其从电极片主模中剥离，得到基于石墨烯和PDMS的干性心电电极。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进或变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种干性心电电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取石墨烯加入至聚二甲基硅氧烷溶液中，搅拌混合后，充分研磨使石墨烯均匀分散在聚二甲基硅氧烷中，得到石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物；
S2、在容器中放置丙烯圆片，并在丙烯圆片上放置心电测量***所用导联线的金属按扣，将丙烯圆片的圆心与金属按扣的圆心相互对应上；
S3、取聚二甲基硅氧烷倒入所述容器中，对所述容器进行加热烘烤，使聚二甲基硅氧烷固化完全，做成电极片主模；
S4、将所述电极片主模从容器中分离出来，抽出所述电极片主模中的丙烯圆片，进而在所述电极片主模的丙烯圆片的位置留出预留空间；
S5、把所述电极片主模固定于旋涂机圆盘上，将分散均匀的石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物均匀填充到所述电极片主模的预留空间，并旋涂；
S6、旋涂完成后，对所述电极片主模烘烤，使石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物定型，然后将定型后的石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合物从电极片主模中剥离，得到基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷的干性心电电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述石墨烯的用量占石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物的总量的1wt％-10wt％。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述石墨烯的用量占石墨烯/聚二甲基硅氧烷的混合物的总量的3wt％-6wt％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，使用三辊研磨机充分研磨4小时-8小时进而使石墨烯均匀分散在聚二甲基硅氧烷中。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述丙烯圆片的直径为10mm-50mm，厚度为0.5cm-5cm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述丙烯圆片的直径为20mm-30mm，厚度为1cm-3cm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，对所述容器进行加热烘烤的条件是先在90℃-110℃下烘烤0.5小时-1.5小时，然后再在115℃-130℃下烘烤0.5小时-1.5小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S5中，旋涂的时间为2小时-5小时。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S6中，对所述电极片主模烘烤的条件是在100℃-130℃下烘烤0.5小时-2小时。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1和S3中，所述聚二甲基硅氧烷的纯度为90％-99％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180216 Termination date: 20181124 |