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天津大學(xué)黃顯教授團(tuán)隊(duì) ACS Nano：基于光固化導(dǎo)電油墨的在體制備電極及全集成柔性心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
2023-05-20  來(lái)源：高分子科技

  在公共衛(wèi)生危機(jī)中，快速部署大量可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備有助于及時(shí)獲取大范圍人口的健康狀況，準(zhǔn)確識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)并調(diào)整疾病預(yù)防政策。然而大量電子設(shè)備的快速制造和部署成本高昂且實(shí)現(xiàn)難度大，并且預(yù)先制備的設(shè)備佩戴位置和樣式固定，難以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象和變化的監(jiān)測(cè)需求。噴墨打印、氣溶膠打印等原位制造技術(shù)為上述問(wèn)題提供了可能的解決方案。然而，制備可低溫固化的生物相容性材料并實(shí)現(xiàn)其在復(fù)雜表面上的快速涂覆仍然具有挑戰(zhàn)性。


  近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院黃顯教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了具有生物相容性的光固化導(dǎo)電油墨并構(gòu)建了一種全集成的柔性系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)表皮電極的原位制備，并獨(dú)立完成心電信號(hào)的采集和傳輸（圖1）。該油墨可通過(guò)注射的方式到達(dá)皮膚表面，先自發(fā)相變固化再通過(guò)光固化實(shí)現(xiàn)更高水平的聚合交聯(lián)和致密化，最終形成具有高機(jī)械強(qiáng)度（7.48 MPa）和超高電導(dǎo)率（3.57×105 S/m）的表皮電極。柔性系統(tǒng)主要由硅膠封裝的FPCB、柔性光波導(dǎo)和油墨腔體組成，總體尺寸約為8×2×2.5 cm3。FPCB上集成紫光LED，其出射光在經(jīng)過(guò)柔性光波導(dǎo)散射后，以0.74 mW的平均功率密度照射在油墨表面，并在5 min內(nèi)迅速完成油墨的光固化。 


圖1 光固化導(dǎo)電油墨和全集成柔性系統(tǒng)的示意圖


  光固化電極可承受反復(fù)的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足作為表皮電極的柔韌性要求。通過(guò)油墨的流變性能表征，確定了油墨的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變溫度約為33.2 ℃。電極具有良好的水蒸氣透過(guò)性能，不會(huì)造成皮膚上汗液的滯留。另外，油墨具有良好的透光性，結(jié)合光引發(fā)劑的光漂白特性，有助于實(shí)現(xiàn)底層油墨的光固化（圖2）。 


圖2 光固化電極的機(jī)械性能、電學(xué)性能、流變性能、水蒸氣透過(guò)性能和光學(xué)性能表征


  光固化電極具有良好的適形性能，不受毛發(fā)干擾并可自動(dòng)填充皮膚紋理，在皮膚上的最大剝離強(qiáng)度可達(dá)1.96 N/cm。電極在8 g的加速度下和大量出汗的極端情況下仍可實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的穩(wěn)定采集。另外，電極具有良好的生物相容性，可長(zhǎng)時(shí)間粘附在皮膚表面用于生理電信號(hào)的測(cè)量（圖3）。 


圖3 光固化電極的適形性能和生物相容性表征


  柔性光波導(dǎo)由PVA芯層和PDMS包層組成，而芯層包括圓環(huán)、圓盤(pán)和其底面的立方體陣列。LED光首先進(jìn)入PVA圓環(huán)，然后在圓盤(pán)內(nèi)多次反射和折射，最后在光波導(dǎo)的PDMS底面和側(cè)面出射，照射在油墨表面實(shí)現(xiàn)油墨的固化。有限元仿真和實(shí)驗(yàn)證明了柔性光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提高油墨表面光均勻程度的有效性（圖4）。 


圖4 柔性光波導(dǎo)性能表征


  柔性系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下仍然可以采集到清晰的QRS特征峰，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的心電信號(hào)監(jiān)測(cè)。另外，該系統(tǒng)還可以對(duì)自由移動(dòng)的個(gè)體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)程心電監(jiān)測(cè)，并可捕獲異常的rSr''波群，具有輔助診斷心臟異常的潛力（圖5）。 


圖5 光固化電極和系統(tǒng)的心電信號(hào)傳感性能


  該工作已于5月16日以“In situ formation of conductive epidermal electrodes using a fully integrated flexible system and injectable photocurable ink”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。本文的第一作者為天津大學(xué)精儀學(xué)院博士研究生晚春雪和吳子悅，通訊作者為黃顯教授。上述工作得到了浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021C05005，2021C05007-2）和國(guó)家自然科學(xué)基金（52121002）的支持。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01902

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（責(zé)任編輯：xu）
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