遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展和普及對(duì)便攜式電生理監(jiān)測(cè)設(shè)備提出了更高的要求。表皮電極作為電生理信號(hào)（如肌電（EMG）、心電（ECG）和腦電（EEG）等）采集的核心接口，在確保信號(hào)精確、穩(wěn)定和持續(xù)采集與傳輸起著關(guān)鍵作用。然而，目前商用Ag/AgCl表皮電極存在三個(gè)局限性：（1）離子導(dǎo)電水凝膠電導(dǎo)率低，對(duì)皮膚阻抗高；（2）水凝膠電極缺乏粘附性，依賴無紡布膠帶固定；（3）無紡布膠帶與人體皮膚的模量失配，限制了表皮電極與人體皮膚的共形集成，降低了電生理信號(hào)采集的可靠性。因此，開發(fā)兼具低模量、強(qiáng)粘附性和高導(dǎo)電性的表皮電極仍然是材料工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)，對(duì)推進(jìn)下一代可穿戴設(shè)備至關(guān)重要。
針對(duì)上述問題，華南理工大學(xué)劉嵐教授團(tuán)隊(duì)將聚乙烯吡咯烷酮引入聚α-硫辛酸（PTA）中，通過在PTA網(wǎng)絡(luò)和液態(tài)金屬顆粒表面原位形成離子團(tuán)簇，來提高柔性PTA的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，及其與液態(tài)金屬的界面作用。進(jìn)而報(bào)道了一種具有高柔軟性（楊氏模量為175.86 kPa，低于人體皮膚）、高粘附韌性（1604 J m-2）、高拉伸性（>20000%）、快速自愈合性和良好生物相容性的表皮電極（PTPL）。得益于離子團(tuán)簇的橋接作用，液態(tài)金屬顆粒的剝離燒結(jié)，使得PTPL表皮電極表現(xiàn)出高電導(dǎo)率（26.19 mΩ sq-1）和低皮膚阻抗，提供了高信噪比（28.07 dB），及人體電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的高準(zhǔn)確性。這項(xiàng)工作為平衡聚合物材料的柔韌性、自粘性和導(dǎo)電性以適用于表皮電極提供了一種新策略。
該工作以“In Situ Formation of Ion-Clusters on Liquid Metals Surface for Simultaneously Improving Adhesive Toughness and Conductivity Toward Epidermal Electrodes”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》，第一作者為華南理工大學(xué)碩士研究生陳心渝，共同通訊作者為安徽大學(xué)陳松老師和華南理工大學(xué)劉嵐教授。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金，安徽省自然科學(xué)基金和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
圖1. PTPL表皮電極的制備、特性和應(yīng)用示意圖。
圖2. PTP彈性體的表征和機(jī)械性能。a) FTIR光譜。b) 2DCOS同步和異步譜。c) 不同熱訓(xùn)練時(shí)間后的流變掃頻曲線。d) 時(shí)間-溫度疊加流變主曲線。e) 通過Arrhenius方程或Williams-Landel-Ferry（WLF）方程進(jìn)行Ea擬合。f) 70 °C下不同加熱時(shí)間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其相應(yīng)的g) 楊氏模量和拉伸韌性。
圖3. PTP彈性體的高自粘附性能。a) 自粘附機(jī)理示意圖。b) 在不同基材上的界面韌性。c) 不同加熱時(shí)間下的界面韌性及其相應(yīng)的d) 剝離力-位移曲線。e) 構(gòu)建拉拔模型以模擬PTP彈性體和基材之間的粘附分離過程。f-g) PTP彈性體與玻璃/PET界面拉拔分離過程模擬。
圖4. LMs@PVP顆粒的制備和復(fù)合區(qū)域的特性。a) 超聲制備LMs@PVP顆粒。b) 復(fù)合區(qū)域橫截面的SEM圖像及其元素映射。c) PTP彈性體與LMs導(dǎo)電層復(fù)合前后的粘附性能以及d) 力學(xué)性能對(duì)比。e) 商用Ag/AgCl表皮電極和PTPL表皮電極的皮膚阻抗對(duì)比。
圖5. PTPL表皮電極的生物相容性測(cè)試和肌電信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。a) PTPL表皮電極和Ag/AgCl表皮電極的數(shù)碼照片及其b) 皮膚接觸測(cè)試。c) 72 小時(shí)的細(xì)胞活力測(cè)試（L929成纖維細(xì)胞，CCK-8）。d) 與HUVEC和L929成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)24小時(shí)后的活/死細(xì)胞雙重染色熒光顯微鏡圖像。e) Ag/AgC1表皮電極和PTPL表皮電極記錄的EMG信號(hào)對(duì)比。f) PTPL表皮電極記錄的EMG信號(hào)頻譜圖。g) EMG結(jié)果經(jīng)過1Hz、20Hz和50Hz高通濾波器濾波后的信號(hào)。
圖6. PTPL表皮電極的心電和腦電監(jiān)測(cè)應(yīng)用。a) 單個(gè)心電周期顯示PRQST波形。b) 連續(xù)佩戴24小時(shí)內(nèi)，PTPL表皮電極記錄的心電信號(hào)。c) 腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)示意圖。d) PTPL表皮電極捕獲的10秒EEG信號(hào)切片。e) 睜/閉眼實(shí)驗(yàn)中EEG時(shí)頻圖顯示的α節(jié)律以及f) 幅頻圖顯示的經(jīng)典α振蕩包絡(luò)。g) SSVEP實(shí)驗(yàn)中PTPL表皮電極捕獲的EEG信號(hào)以及h) 相應(yīng)的幅頻關(guān)系（左：7.14 Hz，中：10.0 Hz，右：12.5 Hz）。
來源：高分子科學(xué)前沿
聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>
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