本发明涉及水凝胶制备，具体涉及一种超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶及其制备方法与应用。
背景技术：
1、近年来，柔性可穿戴电子设备因其能够连续监测并记录人体生理信号，避免了传统且繁琐的、需要大型仪器的长期健康监测，受到了研究人员的广泛关注。这些可穿戴设备为一些需要长期监测以诊断的疾病提供了关键数据，也进一步为个性化医疗的实现提供了便利。越来越多的研究集中于开发基于柔性基材的可穿戴电子设备，如应变传感器、电子皮肤和软机器人，此类设备通过将外部刺激转化为电信号来模拟人类皮肤的感知，或直接转导人体内多种微弱的电信号，最终实现对人体生理信号的实时监测。柔性可穿戴设备的核心在于导电填料和基体材料的选择以及其结构的设计。多种结合了导电填料的柔性基体，例如导电聚合物、碳纳米管、石墨烯等，被开发并引入到柔性可穿戴设备的设计和制备中。然而，由于导电材料与部分柔性基底的相容性差，与皮肤贴合性不佳，导致此类可穿戴设备存在灵敏度低、佩戴体验欠佳和监测信号不全等问题。因此，需要选择合适的柔性基底与导电材料以制备高性能可穿戴电子器件。
2、水凝胶因其独特的三维(3d)网络结构、良好的柔韧性、伸展性和生物相容性，成为构筑柔性可穿戴电子设备的理想材料。近年来，导电水凝胶的制备取得了重大进展，但力学性能不佳，电导率低和抗疲劳性难以满足长时间监测需求等诸多不利特性严重阻碍了其在构筑高性能柔性电子设备中的应用。此外，传统导电水凝胶难以同时实现对全尺度人体活动和微小电生理信号的高灵敏低噪声监测，这也限制了其在人体健康监测和智慧医学诊断领域中的应用。
3、在水凝胶中引入多种功能材料和网络结构为解决水凝胶设计中的现有难题提供了一种潜在的解决方案，然而这些方法通常需要复杂的程序和较长的制造时间，并且往往依赖于外部能量的输入(如光、热或超声波)。这些不仅对相关设备和设施提出了更高的要求，同时也增加了生产过程中的成本和安全问题。此外，复杂的制造过程和较长的时间周期也限制了这些多功能水凝胶的规模化生产。因此，如何简化制备过程、降低能量依赖性和生产成本，成为多功能水凝胶研究中的重要课题。当前导电水凝胶领域的前沿研究方向之一是通过合理的结构设计和功能材料的引入，在赋予水凝胶材料优异力学性能，传感性能和多功能性的同时，简化制备步骤，并尽可能减少对外部能源的依赖。这有助于克服导电水凝胶在柔性可穿戴设备中的应用限制，推动其在更广泛的使用场景中得到应用。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶及其制备方法与应用，以解决现有导电水凝胶难以在简化制备步骤并缩短成胶时间的同时保持水凝胶的多种机械性能和传感性能，导电水凝胶的多功能性的问题。
2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
3、一种超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)将mxene材料、金属框架材料、氧化海藻酸钠、亲水性单体和金属离子盐共同分散于水中，得到前驱体溶液；
5、(2)向前驱体溶液中加入过硫酸盐溶液，混合均匀后，进行反应，制得。
6、本发明的有益效果为：本发明提供了一种超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶的制备方法，制备方法简单，凝胶速率快，该导电水凝胶具有超拉伸，高灵敏和抗疲劳等特点，能够被应用于组装可穿戴人体生理信号监测传感器。
7、进一步地，步骤(1)中mxene材料为二维ti2c3tx mxene纳米片，质量为前驱体溶液总质量的0.1％-0.5％；金属有机框架材料为fe-mil-88nh2，质量为前驱体溶液总质量的0.002％-0.008％。
8、优选地，步骤(1)中mxene材料为二维ti2c3tx mxene纳米片，质量为前驱体溶液总质量的0.25％；金属有机框架材料为fe-mil-88nh2，质量为前驱体溶液总质量的0.004％。
9、采用上述进一步技术方案的有益效果为：本发明引入新型的二维mxene材料，其具有优异的电导率和丰富的表面官能团(-oh，-o，-f等)，作为高性能导电填料的同时，也能与具有过氧化物酶活性的fe-mil-88nh2在常温下催化过硫酸盐快速分解，生成自由基。最终与氧化海藻酸钠与ca2+组成双网络结构，得到了具备超拉伸，高灵敏和抗疲劳特性的导电水凝胶。
10、进一步的，亲水性单体为丙烯酸，质量为前驱体溶液总质量的10％-30％。
11、优选地，亲水性单体为丙烯酸，质量为前驱体溶液总质量的21％。
12、进一步地，步骤(1)中亲水性单体与氧化海藻酸钠的质量比为10：1-100：1；亲水性单体与金属离子盐的质量比为2：1-10：1，金属离子盐包括氯化钙、氯化铁和氯化锆中的至少一种。
13、优选地，步骤(1)中亲水性单体与氧化海藻酸钠的质量比为30：1；亲水性单体与金属离子盐的质量比为5：1，金属离子盐为氯化钙。
14、采用上述进一步技术方案的有益效果为：本发明通过亲水性单体、功能性填料和氧化海藻酸钠组合的方式进行了双网络导电水凝胶结构的制备，双网络水凝胶结构的第一层网络结构由氧化海藻酸钠与金属离子组成，第二层网络结构由亲水性单体聚合物和mxene，fe-mil-88nh2和金属离子组成。双网络结构以及水凝胶内部包括多重氢键、离子键和配合键在内的丰富的键合作用，赋予导电水凝胶优异的力学性质，自粘附性和导电性。
15、进一步地，步骤(2)中过硫酸盐溶液的浓度为100-200mg/ml，过硫酸盐溶液和前驱体溶液的体积比为1：5-1：20；过硫酸盐为过硫酸钠。
16、优选地，步骤(2)中过硫酸盐溶液的浓度为120mg/ml，过硫酸盐溶液和前驱体溶液的体积比为1：10；过硫酸盐为过硫酸钠。
17、采用上述进一步技术方案的有益效果为：本发明以过硫酸盐为引发剂，与mxene发生氧化还原反应，利用fe-mil-88nh2优异的催化性，生成大量自由基，从而实现了亲水性单体的快速聚合形成水凝胶的主体结构，同时mxene与fe-mil-88nh2具有多种表面官能团(-oh、-o和-nh2等)，能够取代传统交联剂，与聚合物链段形成交联网络，再结合osa和ca2+共同构建双网络高韧性水凝胶：聚丙烯酸/mxene/氧化海藻酸钠/fe-mil-88nh2(paa/mxene/osa/fe-mil-88nh2，简写为pmxofy，其中x和y分别是mxene和fe-mil-88nh2质量与前驱体溶液中丙烯酸单体的质量百分比)。
18、进一步地，步骤(2)中反应温度为20-30℃，时间为10-900s。
19、采用上述进一步技术方案的有益效果为：本发明在常温条件下即可以快速成胶，制备方法简单快速，成本低廉，可实现大规模生产。
20、一种超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶，采用上述制备方法制得。
21、上述超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶在制备传感器中的应用。
22、一种传感器，包括上述超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶。
23、本发明的有益效果为：以本发明所得水凝胶为原件制备得到的传感器具有优异的传感性能，经过本发明实验结果可知，该水凝胶传感器具有高灵敏度和良好的循环稳定性。
24、上述传感器在人体关节活动和电生理信号监测中的应用。
25、本发明的有益效果为：以本发明所得水凝胶为原件制备得到的传感器能够很好的监测人体运动时产生的应变信号，对监测人体运动具有良好的可靠性，同时组装得到的心电测试设备和肌电测试系统能够很好的显示心电信号和肌电信号，相比商用凝胶电极，具有更加清晰的信号，更低的信噪比，具有实时监测人体电生理信号的能力。
26、本发明具有以下有益效果：
27、(1)本发明结合mxene自身还原性质，以及利用fe-mil-88nh2过氧化物酶特性，构建高效催化体系催化过硫酸盐分解，产生自由基，在无外部能量输入的情况下，几十秒内形成水凝胶。同时mxene也作为水凝胶体系中的导电填料和交联剂，参与成胶过程。在无需引入传统水凝胶交联剂以及外部能源的情况下，在数十秒内制备得到了高性能导电水凝胶，制备方法简单快速，成本低廉，可实现大规模生产。
28、(2)本发明通过优异的结构设计和功能材料的引入，赋予双网络导电水凝胶多种优异的性能，包括超拉伸性能，强粘附性，抗疲劳性和高导电性。经过进一步组装后，不仅可以用于监测人体运动，还能够组装成导电贴片，实时监测包括心电和肌电在内的电生理信号，并表现出比商用凝胶更优的信号。
29、(3)本发明通过控制前驱体溶液中fe-mil-88nh2加入的量能够有效控制导电水凝胶的多种性质，包括拉伸性，粘附性，导电性和稳定性，进而有潜力实现基于导电水凝胶的柔性可穿戴设备的个性化定制。
1.一种超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中mxene材料为二维ti2c3tx mxene纳米片，质量为前驱体溶液总质量的0.1％-0.4％；金属有机框架材料为fe-mil-88nh2，质量为前驱体溶液总质量的0.0025％-0.0075％。
3.根据权利要求1所述的超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中亲水性单体为丙烯酸，质量为前驱体溶液总质量的20％-30％。
4.根据权利要求1所述的超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中亲水性单体与氧化海藻酸钠的质量比为15：1-100：1；亲水性单体与金属离子盐的质量比为4：1-10：1，金属离子盐包括氯化钙、氯化铁和氯化锆中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中过硫酸盐溶液的浓度为100-200mg/ml，过硫酸盐溶液和前驱体溶液的体积比为1：5-1：20；过硫酸盐为过硫酸钠。
6.根据权利要求1所述的超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中反应温度为20-30℃，时间为10-900s。
7.一种超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的制备方法制得。
8.权利要求7所述的超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶在制备传感器中的应用。
9.一种传感器，其特征在于，包括权利要求7所述的超拉伸高灵敏抗疲劳导电水凝胶。
10.权利要求9所述的传感器在人体关节活动、面部微表情、声音和电生理信号识别与监测中的应用。
