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天津工業(yè)大學(xué)劉皓教授、何崟副教授《ACS AMI》:受“蒼耳子”啟發(fā)的低動(dòng)態(tài)噪聲心電干電極
2022-03-17  來源:化學(xué)與材料科學(xué)

  自然界中,生物適應(yīng)環(huán)境才能生存。在漫長的進(jìn)化過程中,生物為了生存、自衛(wèi)、競爭和發(fā)展的需要,逐漸形成了許多優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和特殊功能,值得人們?cè)诟鞣N研究中很好地借鑒。如蒼耳的果實(shí)“蒼耳子”表面有許多鉤刺,當(dāng)動(dòng)物經(jīng)過時(shí)可以鉤掛在動(dòng)物的毛皮上,有利于果實(shí)和種子傳播到遠(yuǎn)方,擴(kuò)大了蒼耳的分布范圍,幫助植物種子和果實(shí)的搬家和遷移。


  基于此,天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院劉皓教授、何崟副教授團(tuán)隊(duì)該研究提出了一種“疊層模板”法,以低成本和大面積快速制備微結(jié)構(gòu)干電極,團(tuán)隊(duì)采用該方法制備了三種微結(jié)構(gòu)Ag/AgCl-TPU電極,測(cè)試了電極的動(dòng)態(tài)摩擦、抗頭發(fā)干擾、電化學(xué)和心電圖(ECG)信號(hào)采集性能,并利用模擬儀器對(duì)電極的動(dòng)態(tài)噪聲特性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。與平面結(jié)構(gòu)相比,仿“蒼耳子”(FXbs電極的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)提高了38.8%并且具有較強(qiáng)的抗毛發(fā)干擾能力,此外,FXbs電極在信號(hào)方面表現(xiàn)出較低的動(dòng)態(tài)噪聲和與濕電極相當(dāng)?shù)男阅?/span>。因此,制備的FXbs電極增加了電極與皮膚之間的摩擦系數(shù),并且能避免毛發(fā)影響,可以有效地解決生物電信號(hào)中與動(dòng)態(tài)噪聲相關(guān)的問題,適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1 利用疊層模板法制備微結(jié)構(gòu)電極示意圖。

  長期可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(LWHMs)是降低慢性心血管疾病患者死亡率的有效方法,其中與人體皮膚接觸的表面生物電極是可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵方面,但是在動(dòng)態(tài)條件下,電極和皮膚之間的壓力波動(dòng)和相對(duì)位移會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)噪聲,這會(huì)對(duì)人體生物電信號(hào)的信息收集、識(shí)別和解釋產(chǎn)生負(fù)面影響,該問題限制了可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。為了解決這些問題,劉皓教授團(tuán)隊(duì)提出了一種“疊層模板”法,該方法成本低、工藝簡單,可大面積制備微結(jié)構(gòu)電極,利用該方法制備的仿“蒼耳子”Ag/AgCl-TPU微結(jié)構(gòu)電極具有高摩擦系數(shù)、高抗頭發(fā)干擾性能以及低動(dòng)態(tài)噪聲。

2 仿“蒼耳子”電極的動(dòng)摩擦性能、電性能、抗毛發(fā)干擾性能


3 利用仿“蒼耳子”電極采集的心電圖


  仿“蒼耳子”結(jié)構(gòu)可以增大電極與皮膚間的摩擦系數(shù),因此在動(dòng)態(tài)采集中具有一定優(yōu)勢(shì),為了驗(yàn)證電極在動(dòng)態(tài)測(cè)試中的穩(wěn)定性,劉皓教授團(tuán)隊(duì)利用自研的“生物電電極評(píng)價(jià)系統(tǒng)”,在有源測(cè)量和無源測(cè)量模式下,對(duì)電極的電極阻抗、靜態(tài)開路電位(SOCP)、動(dòng)態(tài)開路電位(DOCP進(jìn)行了全面測(cè)試。該工作有效地解決了與動(dòng)態(tài)噪聲相關(guān)的問題,使其成為智能服裝中獲得長期生物電信號(hào)的理想候選者。


4 利用“生物電電極評(píng)價(jià)系統(tǒng)”對(duì)電極進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果

  相關(guān)工作以“Fructus Xanthii-Inspired Low Dynamic Noise Dry Bioelectrodes for Surface Monitoring of ECG為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上DOI: 10.1021/acsami.1c22303), 文章第一作者為博士研究生牛鑫,通訊作者為劉皓教授、何崟副教授。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c22303

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