一种仿生皮肤的制备装置及其制备方法与流程

1.本发明涉及仿生皮肤制造领域，尤其涉及一种仿生皮肤的制备装置及其制备方法。


背景技术：

2.随着人口老龄化加快及全民健身意识的增强，人们对疾病预防、科学健身、健康康复等的需求快速增长，以预防和数字化为主的健康医疗产业越来越受到人们的关注。健康医疗产业预防和数字化的基础是人体运动及生理参数的可穿戴/可植入监控技术，其对电子功能材料与器件的柔性，尤其是可延展性提出了迫切的需求。传统的刚性电子材料与器件面临着与人体表面、运动变形等不兼容的问题，柔韧、弹性的电子材料与器件是突破这一问题的必由之路，如何获得与人体兼容、满足人体运动和生理指标参数探测的高可靠性弹性电子材料与器件已经成为制约可穿戴/可植入运动和健康技术发展的瓶颈问题之一。
3.现有的弹性电子器件的表征测试通常都是在固定温度、湿度等环境下进行，这样得到的结果很难与弹性电子器件穿在人身上的实际应用场景相吻合，从而导致实验结果无法比较真实的反映实际的应用效果。因此，为了更加准确地表征弹性电子器件在人体穿戴的实际应用中的参数变化和可靠性等，本发明考虑人体的体温、出汗等环境条件，针对人体关节运动和呼吸运动等过程中人体出汗情况和体温变化等场景的变化，更加真实的表征弹性电子器件的应用性能。
4.专利文件cn113082286a公开了一种基于3d打印技术的三层仿生支架及其制备方法，包括分为三层，第一层为模仿表皮的致密层；第二、三层分别为模仿真皮、皮下组织的疏松层，具有相互连通的微通道及不同的孔径；还包括了每一层的材料配比，以及3d打印的工作参数。该通过3d打印的方式使得每次制备的仿生支架结构相同，但是基于3d打印的材料以及打印速度使得该仿生支架无法快速量产。
5.专利文献cn113345294a公开了一种仿生人体静脉刺穿教具及制备方法，包括仿生骨骼、仿生皮下组织、仿生血管和仿生皮肤基于3d打印技术的制备方法。通过计算机辅助打印模拟出人体静脉分布与结构，但是该技术方案生产效率低，不符合量产的需求。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种仿生皮肤的制备装置，该装置结构简单，操作方便，能同时进行多组仿生皮肤的生产，从而提高了仿生皮肤的生产效率。
7.一种仿生皮肤的制备装置，所述仿生皮肤包括弹性基体、铺设在所述弹性基体内的加热电路与排汗管道，以及用于监控仿生皮肤的表面温度与湿度的温度传感器与湿度传感器，所述制备装置包括凹槽模具，以及横跨凹槽模具槽口上方、与两端槽壁固定连接的固定支架板；所述凹槽模具内分为成型腔以及分布在成型腔两侧的浇铸腔；所述固定支架板上开有若干个用于排汗管道穿过的定位孔，所述成型腔槽底开有与所述定位孔对应设置的通孔，以及多个用于固定加热电路的限位块。
8.优选的，所述成型腔与两侧浇铸腔分别通过固定挡板隔断，所述固定挡板与成型腔槽底之间预留宽度为5-10mm的流通口，通过控制流通口的宽度，限定仿生皮肤的厚度。
9.优选的，所述制备装置还包括一对将排汗管道到汇集在一侧的导向板，所述导向板上设有用于排汗管道穿过的限位孔，所述成型腔内设有与所述导向板配合使用的安装凹槽，通过导向板将排汗管道固定，便于后续的浇注与集成。
10.优选的，所述成型腔内设有多对导向板，沿汇集方向每对导向板的限位孔个数依次叠加；使用时，其中一根排汗管道沿汇集方向要穿过所有路径上对应的限位孔，从而保证所有排汗管道的汇集方向一致且互不影响。
11.优选的，所述限位块为半圆弧限位块，便于柔性加热丝的铺设，同时避免在浇铸中出现空隙。
12.本发明还提供了一种仿生皮肤基于上述制备装置的制备方法，通过该方法可以将仿生皮肤的制备过程系统化，从而便于批量生产该仿生皮肤。
13.一种仿生皮肤的制备方法，所述制备方法基于上述的制备装置，包括：
14.s1制备弹性预聚体溶液：将原料组分a与组分b按质量比1:1混合均匀后抽真空，去除原料内气泡后获得0度硅胶溶液；
15.s2用固定挡板将成型腔与两侧的浇铸腔隔断，并安装固定支架板在凹槽模具上方；
16.s3将柔性加热丝与排汗管道布置在成型腔中:
17.s3.1将柔性加热丝沿着成型腔槽底半圆弧限位块的圆弧面，铺设出s型电路；
18.s3.2将排汗管道先穿过固定支架板的定位孔，然后从成型腔槽底对应的通孔穿出，构成穿设s型电路的排汗管道组；
19.s4往两侧的浇铸腔内注入0度硅胶溶液；等待0度硅胶溶液扩散至成形腔内，直至没过固定挡板底部。
20.s5将浇铸完成的凹槽模具放入干燥箱进行固化，获得弹性基体；
21.s6完成固化后，拆除安装在凹槽上方的固定支架板，将导向板对应安装凹槽依次布置在弹性基体上表面，并将裸露在外的排汗管道穿过导向板对应的限位孔，从而集成在一侧；
22.s7往每对导向板之间注入0度硅胶溶液，完成注入后将成型模具放入干燥箱进行固化；
23.s8完成固化降温至室温后完成脱模，进行后续处理，最终获得能模拟排汗与温度变化的仿生皮肤。
24.优选的，所述每两对导向板之间还设有一对用于排汗管道缠绕的导向轴，通过缠绕的方式为了排汗管道提供了形变余量，避免在仿生皮肤做拉伸测试时，因过于紧绷导致的排汗管道形变破裂问题。
25.优选的，所述s8中后续处理，具体为：
26.s8.1将弹性基体下表面多余的排汗管道切除；
27.s8.2将温度传感器与湿度传感器的探头布置弹性基体上表面，并涂覆0度硅胶溶液，放入鼓风干燥箱中固化封装。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果：
29.(1)通过该制备装置，可以快速制备出具有模拟排汗和温度变化的仿生皮肤；
30.(2)提供了适合该装置的使用方法，该方法简单易上手，适合批量生产的需求。
31.(3)通过固定支架板的定位孔与成型腔槽底的通孔配合，使排汗管道呈竖直状态，从而模拟人体汗腺的分布状态。
32.(4)通过导向板上的限位孔，将暴露在外的排汗管道都汇集到一侧便于后续制备工序。
33.(5)采用排汗管道与导向轴缠绕的方式，为导向轴提供了形变余量，从而避免仿生皮肤做极限测试时候出现排汗管道形变撕裂的问题。
附图说明
34.图1为本发明提供的制备装置的工程爆炸图；
35.图2为本发明提供的凹槽模具的俯视图；
36.图3为仿生皮肤的结构示意图；
37.图4为本发明提供的硅胶软管与导向轴的配合简图；
38.图中，1、硅胶软管；2、控制单元；3、湿度传感器；4、温度传感器；5、柔性加热丝；6、蠕动泵；7、凹槽模具；8、成型腔；9、第一导向轴；10、第二导向轴；11、夹块；12、安装孔；13、安装槽；14、固定挡板；15、浇铸腔；16、固定支架板；17、定位孔；18、导向板；19、限位孔；20、通孔；21、圆弧形限位块。
具体实施方式
39.如图1所示，一种模仿人体排汗和温度变化的仿生皮肤，包括弹性基体、铺设在所述弹性基体内的加热电路与排汗管道，以及用于监控仿生皮肤的表面温度与湿度的温度传感器与湿度传感器；其中加热电路由柔性加热丝5铺设而成，排汗管道由硅胶软管1与为硅胶软管1定量提供生理盐水的蠕动泵6构成，通过控制单元2调节柔性加热丝5两端电压来控制加热温度，通过调节蠕动泵6的输出转速来控制排汗的速度，其中硅胶软管1的外径为0.8mm，长度为1m；柔性加热丝由特种不锈钢丝多股编织而成，选用阻值5ω/米的柔性加热丝。
40.如图2、3所示，一种仿生皮肤的制备装置，包括凹槽模具7以及横跨凹槽模具7上方、与两端槽壁固定连接的固定支架板16；凹槽模具7内分为成型腔8以及设置在成型腔8两侧的浇铸腔15；固定支架板16上开有若干个用于硅胶软管1穿过的定位孔17，成型腔8槽底开有与定位孔17对应设置的通孔20，以及多个用于固定柔性加热丝5的圆弧形限位块21，其中成型腔8与两侧浇铸腔15分别通过固定挡板14隔断，固定挡板14与成型腔8槽底之间预留宽度为6mm的流通口。
41.固定支架板16上开有若干个用于硅胶软管1穿过的定位孔17，成型腔8槽底开有与定位孔17对应设置的通孔20，以及多个用于固定柔性加热丝的半圆弧限位块21。
42.在成型腔8内等间距设有多个安装槽13，用于固定导向板18，在安装完导向板后往安装槽内加塞进夹块11，从而避免在浇铸时发生错位；每对导向板18上都设有为硅胶软管1通过的限位孔19，沿着汇集方向每对导向板18上的限位孔19个数依次叠加，其中限位孔19与导向板18最近一侧之间设有便于硅胶软管1与导向板18分离的缝隙。
43.每两对导向板18之间还设有第一导向轴9和第二导向轴10，通过成型腔8两侧的安装孔12固定。
44.如图4所示，通过缠绕的方式为硅胶软管1提供了形变余量，其中第一导向轴9与第二导向轴10的圆心线与水平线夹角为45
°
，且暴露在弹性基体上表面的硅胶软管1先缠绕在第一导向轴9后穿过两轴之间的夹缝，再缠绕在第二导向轴10后通过导向板18上的限位孔19穿过导向板18，避免在仿生皮肤做拉伸测试时，因过于紧绷导致的硅胶软管1形变破裂问题。
45.一种仿生皮肤的制备方法，该制备方法是基于上述制备装置完成，包括：
46.s1制备弹性预聚体溶液：将原料组分a与组分b按质量比1:1混合均匀后抽真空，去除原料内气泡后获得0度硅胶溶液；
47.s2用固定挡板14将成型腔8与两侧的浇铸腔15隔断，并安装固定支架板16在凹槽模具7上方；
48.s3将柔性加热丝5与硅胶软管1布置在成型腔8中：
49.s3.1将柔性加热丝5沿着成型腔8槽底半圆弧限位块21的圆弧面，铺设出s型电路；
50.s3.2将硅胶软管1先穿过固定支架板16的定位孔17，然后从成型腔8槽底对应的通孔20穿出，构成穿设s型电路的硅胶软管组；
51.s4往两侧的浇铸腔15内注入0度硅胶溶液；等待0度硅胶溶液扩散至成形腔8内，直至没过固定挡板14底部。
52.s5将浇注完成的凹槽模具7放入干燥箱保持温度为60℃固化30分钟后，获得弹性基体；
53.s6完成固化后，拆除安装在凹槽上方的固定支架板16，将导向板18对应安装凹槽依次布置在弹性基体上表面，并将裸露在外的硅胶软管1穿过导向板18对应的限位孔19，从而集成在一侧；
54.s7往每对导向板18之间注入0度硅胶溶液，同时往浇铸腔15内注入0度硅胶溶液；完成注入后将成型模具放入干燥箱保持温度为60℃固化30分钟；
55.s8完成固化降温至室温后，拆除导向板18、第一导向轴9、第二导向轴10、夹块11以及固定挡板14完成脱模；
56.s8.1将弹性基体下表面多余的硅胶软管1切除；
57.s8.2将温度传感器与湿度传感器的探头布置弹性基体上表面，并涂覆0度硅胶溶液，放入干燥箱保持温度为60℃固化30分钟封装；最终获得能模拟排汗与温度变化的仿生皮肤。
58.本发明通过固定支架板上的定位孔与成型腔槽底的通孔配合，使得在浇铸第一阶段硅胶软管处于竖直状态，从而模拟人体皮肤的汗腺分布；通过成型腔槽底的半圆弧限位块，使柔性加热丝呈s型铺设在槽底，同时半圆弧的设计可以避免浇注时出现浇铸空隙的问题；第二阶段先通过导线板和导线轴配合将暴露在外侧的硅胶软管固定汇集到一侧，便于后续与蠕动泵的连接；同时通过缠绕的方式为硅胶软管提供了额外的形变余量，来应当仿生皮肤各种极端的测试情况。