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  目前，柔性電極已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式醫(yī)療、康復(fù)、腦機(jī)接口和虛擬現(xiàn)實(shí)等方面，滿足了各種疾病的早期診斷和臨床治療的需求。一個合格的柔性電極應(yīng)能夠長期可靠地連續(xù)監(jiān)測生理電信號，并且不會對人體皮膚造成機(jī)械或熱限制。許多正在進(jìn)行的研究致力于開發(fā)柔性的導(dǎo)電元件和微結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)較大的可拉伸性和較高的粘附性，從而保證信號記錄的可靠性。此外，電極高效的透氣性能夠保證汗液的及時(shí)蒸發(fā)，達(dá)到生物友好的目的。相較于容易脫水的濕電極，干電極在長期生理電信號監(jiān)測方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但是干電極獲取生理電信號的過程中容易受到復(fù)雜的身體活動和各種環(huán)境擾動的影響。雖然高粘性和自粘性的干電極擁有強(qiáng)大的界面結(jié)合力，能夠減少外部影響，但可能會導(dǎo)致皮膚不適甚至刺激，無法循環(huán)使用。

  針對以上問題，南京醫(yī)科大學(xué)胡本慧教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種低黏附、抗脫落的透氣干電極，通過應(yīng)力松弛能夠消除電極隨皮膚拉伸和回彈過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而形成穩(wěn)定的人機(jī)界面，用于生理電信號的長期監(jiān)測及信息交互。該電極以導(dǎo)電聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作為主體材料，通過一步法摻雜生物相容性的甘油和聚山梨醇酯獲得（命名為DrIE）。甘油和聚山梨醇酯的共摻雜使得PEDOT和PSS之間產(chǎn)生能夠減弱靜電相互作用的屏蔽效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生相分離，使電極具有較高的電導(dǎo)率（~130 S/cm）和可拉伸性（應(yīng)變＞90%）。由于增強(qiáng)的可拉伸性、導(dǎo)電性和降低的剛度，DrIE可以與人體皮膚共形貼附，相較于商用的Ag/AgCl電極，在20 Hz到10 kHz的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出更低的界面阻抗。

圖1. 抗脫落無感電極的設(shè)計(jì)和表征

  對生理信號的高保真度監(jiān)測，要求電極與皮膚以相同的速率拉伸或收縮，這樣就不會發(fā)生界面不穩(wěn)定和隨后的電極與皮膚之間的分離。為了提高電極的抗脫落性能，調(diào)整了DrIE薄膜的厚度和模量，以便最大限度地減少電極和皮膚之間的失配應(yīng)變。90°剝離實(shí)驗(yàn)測得電極的黏附力低至0.013 N/cm，并且在五次的循環(huán)貼附/剝離后黏附力達(dá)到平衡（0.005 N/cm）。在拉伸過程中參雜劑和PSS之間氫鍵的斷裂/重組和分子鏈的重排耗散了拉伸應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，減少了機(jī)械約束力和拉伸/壓縮過程中的脫離風(fēng)險(xiǎn)。在皮膚替代物上的拉伸測試和普適的力學(xué)模型也證實(shí)了電極在拉伸和回彈過程中的抗脫落性能。

圖2. 電極抗脫落性能驗(yàn)證

  電極較高的電導(dǎo)率、可拉伸性能和較低的楊氏模量、厚度使其能夠使其高保真的獲取生理電信號。連續(xù)獲取的肌電信號的信噪比高達(dá)35.23 dB，并且在12 h后沒有下降，證實(shí)了電極長期貼附穩(wěn)定性。通過對獲取的不同手指彎曲的肌電信號進(jìn)行識別，準(zhǔn)確度可達(dá)到93%。腦電信號和皮膚交感神經(jīng)活動的成功采集表明了電極能夠采集微弱的生理電信號及抗身體活動干擾的能力。另外，眼電信號的采集和分類后可用于飛機(jī)方向的控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖3. 肌電信號的長時(shí)監(jiān)測及不同手指彎曲的識別

圖4. 微弱生理電信號的監(jiān)測及人機(jī)交互界面

  相關(guān)工作以“Delamination-Resistant Imperceptible Bioelectrode for Robust Electrophysiological Signals Monitoring”為題發(fā)表在《ACS Materials Letters》上，文章第一作者為南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院博士生唐文杰，教師周宇軒、余善成，碩士生陳士晟。通訊作者為胡本慧教授。該成果得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和江蘇省特聘教授項(xiàng)目等資助。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.1c00353