[发明专利]一种基于水凝胶光纤力学传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于水凝胶光纤力学传感器及其制备方法，包括：将芯层纺丝液、皮层纺丝液经同轴针头挤出至凝固浴的水浴中，并在喷丝口设置的紫外点光源进行固化，得到的初生水凝胶纤维，经过动态牵伸后卷绕收集，即得。本发明所得水凝胶在力学传感器中具有极大的应用前景，具有检测范围大，灵敏度高的特点，并且具有优异的生物相容性特性。

技术领域

本发明属于双网络水凝胶及其制备领域，特别涉及一种基于水凝胶光纤力学传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，具有优异光导特性的水凝胶材料受到关注并广泛应用于光动力治疗、光热消融、手术治疗以及生物传感器等领域。特别是纤维状水凝胶材料对光信号及能量具有精确定向、高效传输作用，而特别适合用于制备植入式水凝胶光导纤维器件。然而，水凝胶纤维一般机械强度不大，断裂拉伸强度较小而难以适应人体动作活动和体内器官位移，从而极大限制其应用。目前，一种有效的路劲是通过离子交联和共价键交联实现水凝胶高弹高韧特性，并且传统光导纤维不具有可拉伸性质，因而这种具有高拉伸性质的水凝胶纤维用于制备力学传感器具有极大的优势，在生物动作识别，医疗健康保健领域具有极大的应用价值。

目前，制备这种具有皮芯结构的双网络水凝胶纤维制备仍然存在一定的困难，Seok-Hyun Yun等人通过模板法(Adv.Mater.2017,29,1606380)制备得到了具有皮芯结构的水凝胶光导纤维，但是这种方法制备得到的材料的尺寸和长度会受到模板材料的极大限制，而且制备方法复杂，因而难以实现规模化连续制备。CN109503757A公开了一种新型双网络水凝胶的制备及得到的双网络水凝胶与应用,但是这种方法仅仅得到双网络结构的水凝胶，而无法加工成水凝胶纤维。CN106243296A公开了一种二次交联提高水凝胶力学性能的方法，但是这种方法仅仅适用于单一相的水凝胶纤维，而无法制备得到具有多级结构的水凝胶纤维，特别是皮芯结构水凝胶纤维。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于水凝胶光纤力学传感器及其制备方法，克服现有制备方法复杂，受模板材料的限制，无法实现规模化连续制备的技术缺陷，本发明中包括用海藻酸钠与不同含量的丙烯酰胺(AM)单体溶液为皮、芯层纺丝液，并利用横向同轴针头作为纺丝喷丝口；以CaCl₂水溶液为凝固浴固化纺丝液中海藻酸钠，加以紫外光源引发纺丝液中AM的自由基聚合反应；牵伸后最终得到具有皮芯结构的双网络水凝胶光纤，在力学传感器中具有极大的应用前景。

本发明的一种双网络水凝胶光纤的制备方法，包括：

(1)将含有2wt％的海藻酸钠，30wt％-60wt％丙烯酰胺，1.5wt‰交联剂，5wt‰光引发剂的水溶液作为芯层纺丝液；

将含有2wt％的海藻酸钠，10wt％-30wt％丙烯酰胺，1.5wt‰交联剂，5wt‰光引发剂的水溶液作为皮层纺丝液；所述芯层、皮层纺丝液均避光搅拌均匀后待用；

(2)将上述芯层纺丝液、皮层纺丝液经同轴针头挤出至凝固浴的水浴中，并在喷丝口1-10cm处设置紫外点光源，纺丝液由于水浴Ca离子的存在而固化形成离子型交联网络，单体部分在进入到紫外固化区后固化形成共价交联网络结构，得到的初生水凝胶纤维，经过动态牵伸后卷绕收集，即得皮芯结构双网络水凝胶光纤。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中海藻酸钠分子量为M_w＝4000-1000000。

所述步骤(1)中交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)中的一种或几种，PEGDA的重均分子量为275-20000；光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮IRGACURE 2959，IRGACURE500，IRGACURE700中的一种或几种。

所述步骤(2)中凝固浴为CaCl₂水溶液，质量分数为1-1.5％。