一种用于心电监测的磁性液态金属基柔性电极及其制备方法

本发明属于心电监测，具体涉及一种用于心电监测的磁性液态金属基柔性电极及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着心电信号监测技术的不断发展，人们对心电信号监测设备的要求也越来越高。传统的心电监测设备使用的是刚性电极，以最常用的商用电极银/氯化银为主，上述电极一般由金属材料制成，具有较好的导电性能。然而，传统刚性电极存在一些不足之处，限制了其在心电监测领域的应用。首先，传统刚性电极对人体皮肤的适应性较差。由于刚性电极在使用过程中需要粘贴在人体皮肤上，而人体皮肤有不同的弯曲和结构变化。传统刚性电极无法很好地与人体皮肤接触，容易造成不适感，甚至引起皮肤损伤。其次，传统刚性电极的使用不够灵活。传统刚性电极需要使用粘贴剂或胶带等固定在人体皮肤上，使用过程相对较为繁琐，并且对于需要长时间监测心电信号的患者来说，刚性电极的使用会造成一定的不便。此外，传统刚性电极容易受到运动干扰。由于刚性电极无法与人体皮肤充分接触，随着人体的运动，心电信号与电极之间的接触可能会出现间隙，导致监测结果的不准确。

2、为了解决传统刚性电极的这些问题，研究人员提出了柔性电极的概念和技术。柔性电极使用柔软的材料制成，能够更好地与人体皮肤接触，提高适应性和舒适性。而且，柔性电极具有良好的柔韧性，能够适应人体皮肤的弯曲和结构变化，从而更好地保持心电信号的稳定检测。另外，柔性电极的使用也更加方便灵活。柔性电极一般采用可粘性材料制成，可以直接贴附在人体皮肤上，使用过程更加简单快捷。对于需要长时间监测心电信号的患者来说，柔性电极更加方便舒适。

3、中国专利文件cn202010236049.2公开了一种蚕丝柔性电极及其制作方法。该蚕丝柔性电极包括背衬，所述背衬上设置有第一导电胶；纺织基底，所述纺织基底放置在所述第一导电胶上方；金属丝功能层，所述金属丝功能层为网状结构，并在相交的位置上具有编织结点，所述金属丝功能层覆盖在所述纺织基底上方；蚕丝复合膜，所述蚕丝复合膜由蚕丝溶液和聚合物溶液混合而成，所述蚕丝复合膜贴附在所述金属丝功能层上方，并且所述蚕丝复合膜上设置有第二导电胶；保护层，所述保护层设置在所述第二导电胶上方。类似地，现有用于心电监测的柔性电极，导电材料大多是采用刚性的金属材料，而刚性金属导电材料的硬度较高，导致柔韧性差，难以适应复杂的曲面或动态变形的场景。此外，由于刚性材料的影响使得电极整体的贴合性能较差，无法与被检测物体或表面实现紧密贴合，容易产生信号干扰，影响测量的准确性。因此，在需要更好的柔韧性、贴合性、耐久性和适应性的应用中，本发明提出一种具有自适应性、高导电性、良好贴合性的磁性液态金属基柔性电极，对于实现更准确、便捷的可穿戴心电监测具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种用于心电监测的磁性液态金属基柔性电极及其制备方法。本发明提出了一种具备自适应性、高导电性、良好贴合性的磁性液态金属基柔性电极。通过与生物兼容性材料的结合，提高了其在可穿戴心电监测设备和心脏健康监测中的应用潜力。该电极利用磁性液态金属的特殊性质，设计出了这种自适应的心电监测柔性电极，可以在不同身体部位和运动状态下保持稳定连接，从而准确获取心电信号。并且，该电极在0-100hz的心电信号范围内展现出了极好的导电性。同时，该柔性电极具有优异的贴合性，能够紧密贴合人体皮肤，减少信号干扰，提供更精确的心电监测。其不仅能够适应静态状态下的监测，还能敏锐地捕捉到心脏活动的瞬时变化。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种用于心电监测的磁性液态金属基柔性电极，自下而上包括电极及柔性基底层、传输层、封装层；

4、所述电极及柔性基底层包括电极层和位于电极层上方的柔性基底层，电极层由三个或三个以上互不接触的电极片组成，电极片分布在柔性基底层底部；电极片为磁性液态金属和硅胶溶液混合，然后通过磁场将磁性液态金属颗粒聚集在电极片底部最后破裂流出在电极片底部附着为导电层得到；传输层位于柔性基底层上层，由三个或三个以上的磁性液态金属导线ⅰ组成，磁性液态金属导线ⅱ穿过柔性基底层，将磁性液态金属导线ⅰ与电极层的电极片连接。

5、作为本发明的优选实施方案，所述柔性基底层为硅胶溶液凝固得到。所述硅胶溶液为加成型硅胶，市售产品。硅胶溶液包括a组分和b组分，a组分包括二氧化硅和乙烯基硅油，b组分为铂金催化剂。

6、作为本发明的优选实施方案，所述a组分和b组分的质量比为3：2。

7、作为本发明的优选实施方案，所述磁性液态金属包括液态金属和镍粉，液态金属和镍粉质量比为9：1；液态金属为液态金属镓和铟按照质量比为3：1在90℃下搅拌得到。

8、作为本发明的优选实施方案，磁性液态金属与硅胶混合后磁性液态金属呈颗粒状，磁性液态金属颗粒为微米级球形颗粒。

9、作为本发明的优选实施方案，所述磁性液态金属导线ⅰ为磁性液态金属和硅胶溶液混合，然后通过磁场将磁性液态金属颗粒聚集在磁性液态金属导线ⅰ顶部最后破裂流出在磁性液态金属导线ⅰ顶部附着为导电线得到。

10、作为本发明的优选实施方案，所述磁性液态金属导线ⅱ穿过柔性基底层，将磁性液态金属导线ⅰ顶部导电线的一端与电极层底部的导电层连接。

11、作为本发明的优选实施方案，所述磁性液态金属导线ⅰ与电极层的电极片的数量相同。

12、所述磁性液态金属导线ⅰ相互独立，之间互不接触。一端通过磁性液态金属导线ⅱ与电极片的导电层相连，另一端通过磁性液态金属导线ⅲ与心电模块端口相连，即与功能电路板接口连接。

13、本发明还要求保护所述用于心电监测的磁性液态金属基柔性电极的制备方法，包括如下步骤：

14、(1)将液态镓和液态铟在90℃下搅拌10h得到镓铟液态金属；将镓铟液态金属和镍粉混合搅拌得到磁性液态金属；

15、(2)将a组分和b组分在常温下搅拌均匀得到硅胶溶液；

16、(3)将硅胶溶液和磁性液态金属混合后，倒满电极及柔性基底层模具中的三个或三个以上电极片中，然后在其上方倒入硅胶溶液至模具充满；

17、(4)在模具底部施加均匀的磁场将磁性液态金属颗粒聚集在电极片底部，然后静置30min后得到处于半凝固状态的电极及柔性基底层；

18、(5)将硅胶溶液和磁性液态金属混合后，倒入传输层模具中，然后将电极及柔性基底层模具和传输层模具合模，同时在传输层模具上方施加均匀的磁场，待电极及柔性基底层和传输层凝固后，去除磁场并脱模，脱模后由于电极片底部和传输层顶部的磁性液态金属颗粒破裂，分别在电极片底部和传输层中磁性液态金属导线ⅰ顶部连通形成导电层或导电线；

19、(6)在电极片的导电层和传输层的导电线一端之间构建通孔，然后在通孔中注入磁性液态金属，连接电极片的导电层和传输层的导电线，最后在传输层上层涂覆一层硅胶溶液进行封装；

20、(7)凝固后在传输层导电线另一端对应的封装层位置构建孔洞，在孔洞中注入磁性液态金属，得到用于心电监测的磁性液态金属基柔性电极。

21、作为本发明的优选实施方案，利用激光打标机构建通孔和孔洞。

22、作为本发明的优选实施方案，所述硅胶溶液和磁性液态金属的质量比为2：1。

23、作为本发明的优选实施方案，所述电极及柔性基底层模具和传输层模具中物质在半凝固状态时进行合模，然后同时凝固。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

25、本发明所述用于心电监测的磁性液态金属基柔性电极，包含柔性基底层、导电主体和封装层。首先，电极层的磁性液态金属电极片确保了卓越的导电性，并且该电极片稍微凸起，确保使用过程中始终与皮肤接触，从而能够精确采集生物电信号。其次，电极片的整体柔韧性让电极完美贴合身体曲线，适应身体运动，显著减少信号干扰。本发明中对磁性液态金属采用特殊的禁锢方式，将磁性液态金属球形颗粒的大部分体积固定在柔性基底层中，只有小部分球面裸露在底部。这种设计既可以储存磁性液态金属，又能利用液态金属独特的黏附力吸引裸露部分，防止其流失或遗留在皮肤上。此外，该结构还增强了电极的可靠性，确保其在使用过程中能够稳定工作。传输层中的磁性液态金属导线ⅰ作为连接电极和心电模块的桥梁，在很大程度上提高信号传输的稳定性。另外通孔结构的设计在信号传输方面发挥了重要作用，通过磁性液态金属在通孔中的连接，实现了电极层和传输层之间的高效信号传输，确保了信号的质量和稳定。封装层采用同样配比的硅胶溶液不仅能保护传输层，还能确保整体的柔韧性和增强整体的安全性和耐久性。