一种Janus结构葡萄糖传感纱线及其制备方法和应用

本发明属于可穿戴传感，特别涉及一种janus结构葡萄糖传感纱线及其制备方法和应用。

背景技术：

1、汗液中含有丰富的生理相关信息，可以揭示我们身体更深层次的生物分子状态。因此，在过去的几年中，汗液传感已成为一种很有前途的非侵入性健康监测技术。汗液中的各种化学成分，如na+、k+、葡萄糖和乳酸等，因其在健康监测中的潜在应用而被广泛研究。

2、目前，大多数可穿戴汗液传感器通过激光雕刻，3d打印，丝网印刷和卷对卷印刷等方法在柔性基板(例如pet，pdms)上形成电路，随后沉积传感活性材料(如离子载体，生物酶)。柔性基板与人体的直接紧密接触带来了较高的灵敏度。然而，这些基板的透气性差，长时间使用会引起皮肤刺激和过敏。

3、由纤维材料织成的纺织品具有天然的透气性，因此，利用纺织材料开发非植入式传感器已成为汗液监测进展的一个重要方向。例如公开号为cn114509484a的发明专利通过在超疏水织物衬底上刺绣多种芯鞘传感纱线来开发可穿戴微流体电化学织物传感器；通过构建由多层棉鞘和碳纳米管传感纤维芯组成的芯鞘传感纱线，形成集汗液捕获/输送、收集/分析的微流体通道；利用芯鞘传感纱线与超疏水织物衬底之间存在的明显亲疏水差异，使汗液在芯鞘传感纱线之间富集，减少无效扩散，从而显著提高汗捕获效率和动态测试稳定性。但是该方法的芯鞘传感纱线对汗液传输的控制有限，无法解决汗液在传感的同时不断蒸发的问题，需要持续稳定的汗液供给。

4、因此，迫切需要开发一种舒适透气、可对汗液进行微流控的高灵敏度和稳定性可穿戴汗液传感器，来进行人体汗液葡萄糖浓度的实时无创监测并预警异常信号。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种janus结构葡萄糖传感纱线及其制备方法和应用，该纱线实现了汗液的无泵微流控，具有快速、灵敏、稳定的特点。

2、本发明提供了一种janus结构葡萄糖传感纱线，所述纱线自内向外分别为经过亲水处理的导电芯纱、葡萄糖传感活性材料以及纳米纤维鞘层；其中，所述纳米纤维鞘层由疏水聚合物制备而得。

3、优选的，所述导电芯纱为碳纤维。较优选的，所述导电芯纱为多束微米级碳纤维单丝构成的复丝丝束。优选的，碳纤维单丝的直径范围为6.5～7um。相较其他导电纱线，如铜丝、镀银尼龙等具有更好的抗拉强度和拉伸电阻稳定性。

4、优选的，所述葡萄糖传感活性材料为葡萄糖氧化酶。

5、优选的，所述疏水聚合物为聚丙烯腈。由于丙烯腈单体分子结构中含有氰基，因此聚丙烯腈具有固有的疏水性，但纳米结构赋予聚丙烯腈纳米纤维高表面能和大量毛细通道，在本发明的葡萄糖传感纱线中起到迅速捕获汗液并向内传递和减缓传感过程中汗液快速蒸发的作用。纳米纤维直径为300～600nm，较佳地为450～500nm。

6、所述鞘层含无数纳米通道，其强大的毛细作用可迅速抓取人体分泌的微量汗液。所述鞘层与导电芯纱对汗液的推(疏)-拉(亲)效应使其被定向传导至芯纱表面，反应传出电信号。所述鞘层的拉普拉斯压差有利于旧汗液的缓慢排出。这种动态循环可使所述葡萄糖传感纱线实现汗液的无泵微流控，获得快速、灵敏、稳定的汗液葡萄糖传感。

7、本发明还提供了一种janus结构葡萄糖传感纱线的制备方法，包括如下步骤：

8、(1)对碳纤维进行亲水处理；

9、(2)首先在上述碳纤维表面沉积普鲁士蓝介质；将葡萄糖氧化酶溶液与壳聚糖-碳纳米管溶液混合，随后滴铸到所述碳纤维表面，得到葡萄糖传感芯纱；

10、(3)通过静电纺丝将聚丙烯腈纳米纤维包覆到上述葡萄糖传感芯纱表面，得到janus结构葡萄糖传感纱线。

11、优选的，所述步骤(1)中的亲水处理具体为：将碳纤维浸泡在硫酸/硝酸混合物中，超声处理；用去离子水多次冲洗，干燥，即可。

12、优选的，所述步骤(2)中的沉积普鲁士蓝介质采用的电解液组成为：2.5-5mmfecl3、100-200mm kcl、2.5-5mm k3fe(cn)6和100-200mm hcl。较薄的普鲁士蓝介质层可以提供更好的灵敏度，较佳地电沉积圈数为2圈。

13、优选的，所述步骤(2)中的葡萄糖氧化酶溶液与壳聚糖-碳纳米管溶液的体积比为1:1。由于壳聚糖的存在，葡萄糖传感芯纱的亲水性被进一步提高。

14、优选的，所述步骤(3)中的静电纺丝工艺参数为：纺丝电压±10kv，两针间距20cm，流速0.8～1ml/h，较佳地为0.8ml/h，收卷辊线速度2m/min，金属圆盘转速200r/min。

15、本发明还提供了一种janus结构葡萄糖传感纱线在汗液葡萄糖监测中的应用。

16、进一步的，将所述janus结构葡萄糖传感纱线和参比电极纱线与疏水纺织品基底结合，并与集成芯片相连，得到织物基汗液传感器。

17、进一步的，所述参比电极纱线的制备方法为：

18、(1)对碳纤维进行亲水处理，处理方法如上所述；

19、(2)配备含有5mm agno3和1m kno3的新鲜溶液作为电解液，在上述碳纤维表面电沉积银；

20、(3)将上述碳纤维浸入10mm kcl和100mm hcl溶液中进行循环伏安法氯化；

21、(4)疏水纳米纤维鞘层的制备方法如上所述。

22、进一步的，葡萄糖传感纱线和参比电极纱线与疏水纺织品基底的结合方式为：

23、(1)将5ml乙烯基三乙氧基硅烷和5ml氨水组成的混合溶液边搅拌边加入50g无水乙醇中，继续搅拌30min；

24、(2)将涤棉纱在步骤(1)的澄清溶液中浸泡2小时，干燥备用。

25、(3)以疏水纱线、葡萄糖传感纱线和参比电极纱线为原料，在横机上进行织造，较佳地葡萄糖传感纱线和参比电极纱线以衬垫的形式与疏水纱线织物基底结合。纱线电极在基布背面每隔两列形成非封闭弧，未形成弧的地方有浮线，最终将整个纱线电极隐藏在基布背面。这种集成方式对织物基底外观的影响最小，允许纱线电极和皮肤之间的接触面积最大。纱线电极和织物基材之间亲疏水性能的差异将吸汗区域限制在纱线电极上，有利于有效汗液的吸收。此外，线圈结构赋予织物基汗液传感器良好的透气性，确保传感系统的长时间穿着舒适性。

26、进一步的，纱线电极与集成芯片相连，在用户出汗后传出有关汗液葡萄糖浓度的电信号信息，即使洗涤后，仍可获得稳定的电信号。鉴于个体差异，在对特定用户进行长时间监测后，建立自定义的正常监测范围。在读数超过这些预定义限制的情况下，应用程序通过振动和闪烁红灯发出警报，旨在提示及时的治疗干预以停止警报。

27、有益效果

28、(1)本发明通过纱线结构和特性调控，在无需任何额外动力的情况下实现了对汗液吸收、传递和排出过程的微流控，具有快速、灵敏、稳定的特点，可以灵活的与疏水纺织品基底结合，即使在多次洗涤循环后，也能实现实时汗液葡萄糖监测，具有良好的市场应用前景。

29、(2)本发明以一种与皮肤接触面积最大化的方式将纱线电极与疏水织物基底结合，实现了人体微量汗液的高效利用，且织物基底具有良好的透气性，可以在人体汗液葡萄糖浓度的长期实时监测中保证舒适性。