ACS Mater. Lett.┃不受汗液影响的高黏附可拉伸体表电极学术资讯

来源：X一MOL资讯

英文原题：Adhesive Biocomposite Electrodes on Sweaty Skin for Long-Term Continuous Electrophysiological Monitoring

通讯作者： Xiaodong Chen (陈晓东), School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore

Yew-Soon Ong, School of Computer Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore

作者：Hui Yang (杨辉), Shaobo Ji (姬少博), Iti Chaturvedi, Huarong Xia (夏华荣), Ting Wang (王婷), Geng Chen (陈庚), Liang Pan (潘亮), Changjin Wan (万昌锦), Dianpeng Qi (齐殿鹏), Yew-Soon Ong, and Xiaodong Chen (陈晓东)

人体电生理信号，如心电、肌电、脑电等，可提供信息用于疾病诊断、运动监测、身体状况管理等。便携式及可穿戴心电设备已经在远程健康监测、疾病早期诊断、身体状况管理等领域有所应用。在这些设备中，皮肤表面电极被用于信号的检测，常用的商业皮肤电极由银/氯化银导电电极和凝胶黏附层所构成，适用于静态电生理信号的采集。然而这一类电极不可拉伸，导致在动作过程中电极不能随皮肤发生形变和电极-皮肤接触界面不稳定（图1a-c）。而且，在长时间监测中，皮肤出汗难以避免，汗液会降低电极与皮肤的黏附（图1d），导致电极的自由移动甚至脱落。这些会影响相应状况下所收集的电生理信号的稳定性和可靠性，导致目前的商用的可穿戴设备在长时间动态电生理信号监测中出现问题。

图1.（a-c）皮肤电极可拉伸性对信号稳定性的影响。（a）静态下的皮肤-电极界面；（b）不可拉伸的商业电极不随皮肤发生形变，导致电极-皮肤实际接触面积发生变化，界面不稳定；（c）可拉伸共形电极随皮肤形变，保持稳定的实际接触面积和信号收集。（d）传统电极随湿度上升（模拟出汗情况）对皮肤表面的黏附力明显下降。
近日，新加坡南洋理工大学的陈晓东教授和Yew-Soon Ong教授团队结合前期工作基础，利用原位界面聚合制备了在出汗皮肤表面仍具有高黏附性能的可拉伸生物复合电极（CAPE），并成功将其应用于长时间动态电生理监测。
在此前研究，陈晓东教授团队实现了塑化亲水性丝素蛋白（SF），获得高拉伸性（> 100％）和可贴敷的电极。在这个工作中，丝素蛋白被作为黏附层应用于复合电极CAPE，使之能在汗液存在下保持高黏附性能。丝素蛋白黏附层随着含水量的增加，其杨氏模量会降低至与皮肤相近从而实现与皮肤的共形黏附，增强了复合电极CAPE与皮肤的界面黏附。导电聚合物聚吡咯（PPy）具有阻抗低、生物相容性好、成本低等优点，但其不可拉伸性限制了在可拉伸电极领域的应用。研究人员以预先加入丝素蛋白层中的Fe(III)离子为引发剂，引发吡咯单体在丝素蛋白层与单体溶液的界面聚合，得到了可拉伸复合电极CAPE。丝素蛋白黏附层与聚吡咯导电层之间通过界面聚合形成了互相穿插的三维网络结构（图2a），将丝素蛋白凝胶层良好的拉伸性能传递给聚吡咯，使之具有延展性，实现力学性能相互兼容（图2b），保证了电极的均匀拉伸性，且在典型的皮肤形变—30%的应变下保持良好的导电性能（图2c）。

图2.（a）复合电极CAPE截面的拉曼图谱显示出丝素蛋白黏附层与聚吡咯导电层相互穿插的联锁结构。（b）复合电极CAPE表现出良好的拉伸性能，而直接贴附电化学聚合所得聚吡咯膜于丝素蛋白层时（无联锁结构）其拉伸性很差。（c）不同引发剂（氯化铁）用量下复合电极CAPE的拉伸导电性能。
复合电极CAPE的高黏附性和可拉伸性使其表现出与皮肤的高度共形性和保角接触性，并且在皮肤变形较大的肘部运动时仍能与皮肤完美贴合（图3a）。在出汗的状态下（量化表征过程以相对湿度的提升进行模拟），复合电极CAPE也表现出了高的黏附性能（图3b），其机理是丝素蛋白层水响应性导致的电极模量下降（图3c），与皮肤相近的力学性能提升了其共形黏附的能力。复合电极CAPE的可拉伸性、良好的导电性和汗液存在下的高黏附性能，使其可以在人体运动并出汗的状态下稳定地记录动态电生理信号并表现出高的灵敏度，可用于人体长期动态电生理信号监测。

图3.（a）复合电极CAPE共形黏附于皮肤上并承受肘部运动时的形变。放大图中显示出复合电极CAPE表面出现了与皮肤相同的纹路，证实了共形黏附的发生。（b）商用凝胶电极及复合电极CAPE随湿度上升（模拟出汗状态）黏附力的变化。（c）随湿度上升复合电极CAPE模量下降，力学性能与皮肤接近，对皮肤表面黏附性能上升。
使用复合电极CAPE的可穿戴设备在跑步过程中实现了对心电信号的监测，不会受到运动过程中皮肤形变及汗液产生的影响（图4a）。长期动态生理信号监测可以获得大量数据用于各种应用：心电图可用于心脏疾病的早期诊断；监测运动时的心电波形及心率变化，为健康生活方式的科学运动安排提供参考；通过机器学习对大量心电信号进行分析用于情绪监测与管理（图4b-c）；通过不同的设备设置，复合电极CAPE还可应用于脑电图的记录，用来评估睡眠状态等。

图4.（a）使用商用电极（上）和复合电极CAPE（下）在跑步过程中监测心电信号。随着运动过程中汗液的累积，商用电极与皮肤的接触逐渐不稳定并脱落；可拉伸的复合电极CAPE电极保持良好的黏附性并持续收集稳定的信号。（b）使用已分类心电信号进行AI学习。（c）通过复合电极CAPE记录的实时心电信号对对象情绪进行判断和监测。
原文：Adhesive Biocomposite Electrodes on Sweaty Skin for Long-Term Continuous Electrophysiological MonitoringHui Yang, Shaobo Ji, Iti Chaturvedi, Huarong Xia, Ting Wang, Geng Chen, Liang Pan, Changjin Wan, Dianpeng Qi, Yew-Soon Ong*, Xiaodong Chen*ACS Materials Lett., 2020, 2, 478-484, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.0c00085Publication Date: March 31, 2020Copyright © 2020 American Chemical Society

来源：X-molNews X一MOL资讯

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