[发明专利]一种柔性可拉伸水凝胶光导纤维传感器及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种柔性可拉伸水凝胶光导纤维传感器及其制备和应用，所述光导纤维为皮芯结构，其中皮层为透明硅胶毛细管；芯层为含溴化锂的聚丙烯酰胺水凝胶。将丙烯酰胺溶于溴化锂水溶液后注入硅胶管内聚合，所得到水凝胶光导纤维可对外界环境刺激做出响应。本发明制备的水凝胶光导纤维传感器有着制备简单、柔性可拉伸、压力感应灵敏、信号传输稳定等特点，因而有着大规模制备的潜力和广阔的商业应用前景。

技术领域

本发明属于光导纤维及其制备和应用领域，特别涉及一种柔性可拉伸水凝胶光导纤维传感器及其制备和应用。

背景技术

如今，基于电学信号检测的传感器大多是通过检测外界刺激如人体运动、环境温度改变等造成的电流、电阻或电容变化的数据。但这种传感器存在很大缺点，如在使用过程中，传感器所检测到的电学信号容易受到电磁干扰，从而造成信号的丢失或错乱。而基于光学信号制作的传感器，相比于传统的电子传感器，具有质量轻、不受电磁干扰、灵敏度高等优点。传统的光纤传感器如已商业化的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)和“Lab-on-Fiber”技术的光纤材质仍基于传统的硬质透明玻璃或塑料(如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等)，形变量不足1％且生物相容性差，难以匹配可穿戴领域对柔性和拉伸性的要求(如指关节形变量至少大于30％)。具有与人体皮肤模量相匹配的水凝胶由于高含水率，力学性能、透明性、折射率等性质广泛可调，材料结构易于设计以及优异的柔韧性和生物相容性成为光导纤维材料的理想选择。例如，《生物技术和生物工程》(Biotechnol.Bioeng.2009,103,725)报道了具有生物相容性和生物降解性的凝胶芯和琼脂糖包层的光传导，其中包层的引入有效改善了光传输效率。《生物医学光学快报》(Biomed.Opt.Express 2015,6,4221)报道，丝素蛋白经过处理后作为纤芯封装在水凝胶中，通过玻璃光纤耦合可将生物相容水凝胶光学传导与传统光学系统连接在一起。《先进材料》(Adv.Mater.2015,27,4081)报道，将交联聚乙二醇二丙烯酸酯制备成水凝胶光导纤维，可用于小鼠体内生物信息光学检测。《先进材料》(Adv.Mater.2016,28,10244)报道，由不同固含量的海藻酸钙-聚丙烯酰胺水凝胶制成的阶跃型光导纤维可赋予该纤维高度的可拉伸性和优异的光传导性能。

虽然上述的水凝胶光导纤维解决了光学传感器柔性和光传导性的问题，但是水凝胶暴露在空气中极易失水造成信号传输不稳定，非常不利于体外环境下的使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性可拉伸水凝胶光导纤维传感器及其制备和应用，克服现有技术中水凝胶光导极易失水造成信号传输不稳定，不利于体外环境下使用的技术缺陷。本发明选择合适的皮层材料，并调节纤芯水凝胶折射率以满足柔性光纤传感器的要求，利用低折射率的透明柔性硅胶毛细管为皮层，并向聚丙烯酰胺水凝胶中引入高折射率的盐(溴化锂)以增加芯层折射率。

本发明的一种水凝胶光导纤维，所述光导纤维为皮芯结构，其中皮层为透明硅胶毛细管；

芯层为含溴化锂的聚丙烯酰胺水凝胶。

本发明的一种水凝胶光导纤维的制备方法，包括：

(1)溴化锂水溶液与丙烯酰胺单体混合，得到混合溶液；

(2)混合溶液中加入光引发剂、交联剂，然后注入透明硅胶毛细管内，紫外光固化，即得水凝胶光导纤维。

所述步骤(1)中溴化锂水溶液的质量百分浓度为50wt％-60wt％；混合溶液中丙烯酰胺单体的质量百分浓度为30-40wt％。

所述步骤(1)中混合溶液具体为：丙烯酰胺单体加入溴化锂水溶液中，振荡溶解然后超声除去气泡。

所述溴化锂水溶液的制备具体为：将称量好的无水溴化锂移入去离子水中，振荡溶解然后超声除去气泡。