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天津工業(yè)大學(xué)劉皓教授、王威教授《ACS AMI》:規(guī)整微納米柱陣列結(jié)構(gòu)低動(dòng)態(tài)噪聲心電干電極
2022-07-17  來(lái)源:高分子科技

  柔性生物電干電極是長(zhǎng)期醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,其可以在不使用導(dǎo)電凝膠的情況滿足長(zhǎng)期使用要求,生物電干電極的微納米結(jié)構(gòu)表面是干電極設(shè)計(jì)的重要方面。近期,天津工業(yè)大學(xué)劉皓教授、王威教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)連續(xù)可調(diào)的氧化陽(yáng)極氧化鋁(AAO)模板,分別制備了PANI/TPU單層微納米柱陣列結(jié)構(gòu)干電極和雙層微納米柱陣列結(jié)構(gòu)干電極。與平面結(jié)構(gòu)相比,微納米柱陣列結(jié)構(gòu)可以減小電極與皮膚之間的接觸間隙,增大接觸面積,從而顯示出較低的接觸阻抗和較高的信號(hào)質(zhì)量。此外,由于微納結(jié)構(gòu)的表面增大了接觸面積,雙層結(jié)構(gòu)電極的剝離強(qiáng)度比平面結(jié)構(gòu)電極提高了約210.7% ,在動(dòng)態(tài)心電圖測(cè)量中顯示出較低的基線漂移,適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量。該項(xiàng)工作以 Ordered Nanopillar Arrays of Low Dynamic Noise Dry Bioelectrodes for Electrocardiogram Surface Monitoring 為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上(DOI: 10.1021/acsami.2c08318),文章第一作者為博士研究生牛鑫,通訊作者為劉皓教授、王威教授。


1 PANI/TPU微納米柱陣列結(jié)構(gòu)干電極制備過(guò)程


  在電極與人體皮膚接觸界面,由于人體皮膚角質(zhì)層的接觸阻抗較高,將導(dǎo)致皮膚-電極界面的電信號(hào)傳輸受阻,是生物電信號(hào)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的主要問題。接觸阻抗由皮膚特性、接觸面積等因素共同控制。對(duì)于具有相同尺寸的表面干電極,其與皮膚的有效接觸面積越大,接觸阻抗就越低,從而采集到的信號(hào)質(zhì)量就越高。與平面干電極相比,具有微納米表面形貌的干電極在相同尺寸下具有更大的表面積,可以有效減少皮膚-電極接觸阻抗。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的氧化陽(yáng)極氧化鋁(AAO)模板,制備了PANI/TPU微納米柱陣列結(jié)構(gòu)干電極,該電極的微納米結(jié)構(gòu)可有效增加剝離強(qiáng)度,從而具有更好的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集性能。


 2 不同尺寸的多孔陽(yáng)極氧化鋁(AAO)模板


 圖3 利用不同尺寸的AAO模板制備的PANI/TPU微納米柱陣列


  微納米柱陣列結(jié)構(gòu)可以增大電極與皮膚間的剝離強(qiáng)度,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,利用微納米柱陣列結(jié)構(gòu)電極采集了靜坐、擺臂、轉(zhuǎn)體和走路狀態(tài)時(shí)的心電信號(hào),并測(cè)試了剝離強(qiáng)度,結(jié)果發(fā)現(xiàn),雙層微納米柱陣列結(jié)構(gòu)電極在動(dòng)態(tài)采集中顯示出較低的基線漂移,剝離強(qiáng)度得到了顯著提升,而剝離強(qiáng)度的增加是由于接觸面積增加的結(jié)果,所以微納米柱結(jié)構(gòu)的電極在心電圖測(cè)試中顯示出更好的測(cè)試結(jié)果,降低了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)采集信號(hào)的干擾。


利用PANI/TPU微納米柱陣列結(jié)構(gòu)電極采集的心電圖


 圖5 PANI/TPU微納米柱陣列結(jié)構(gòu)電極的剝離強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、信號(hào)特征


  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c08318


  作者簡(jiǎn)介:


  劉皓教授,天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院智能可穿戴電子紡織品研究所副所長(zhǎng),紡織材料測(cè)試中心主任,其負(fù)責(zé)的團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于柔性傳感器、智能服裝服飾、柔性發(fā)電和儲(chǔ)能裝置、柔性電子電路與元件等方向的研究,承擔(dān)了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)“冬季運(yùn)動(dòng)與訓(xùn)練比賽高性能服裝研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”中積極保暖服裝的研發(fā)工作,同時(shí)也主持了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、天津市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等20余項(xiàng)縱向和橫向項(xiàng)目,劉皓教授獲得了2019年的紡織之光獎(jiǎng)教金,第二屆中國(guó)國(guó)際新纖維產(chǎn)業(yè)鏈博覽會(huì)2021年度的十佳“新纖人”等榮譽(yù)。


  王威教授,智能可穿戴電子紡織品研究所副所長(zhǎng),中國(guó)紡織服裝教育學(xué)會(huì)理事。其主要研究方向?yàn)獒樋椃b設(shè)計(jì)與工藝、毛衫設(shè)計(jì)與工藝、智能紡織品、綠色紡織品。王威教授曾獲“紡織之光”針織內(nèi)衣創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、“紡織之光”教學(xué)成果獎(jiǎng)、天津市“大亨杯”服裝設(shè)計(jì)比賽獎(jiǎng)、教育部?jī)?yōu)秀學(xué)術(shù)成果獎(jiǎng)、天津市教育系統(tǒng)優(yōu)秀工作者等省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)多項(xiàng)。

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