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濟南大學(xué)趙松方/山東大學(xué)李陽/延世大學(xué)Jong-Hyun Ahn院士 AS：兼具低阻抗和皮膚共形能力的多功能表皮電極的制造方法
2023-11-29  來源：高分子科技

  表皮電子器件在健康監(jiān)測、疾病診斷及人機交互等領(lǐng)域的重要性日益凸顯。要獲得高質(zhì)量的生理和生化信號，理想的表皮電極應(yīng)具有高伸縮性、優(yōu)異的機電穩(wěn)定性、低阻抗、生物相容性和共形能力以便與皮膚大面積的集成。盡管在建立與皮膚共形的三維界面上有很多優(yōu)秀的工作，由于各種加工工藝的不兼容，理想電極的制備仍然極具挑戰(zhàn)。合理選擇先進材料和微納結(jié)構(gòu)對制備高質(zhì)量表皮電極至關(guān)重要。


  近期，濟南大學(xué)趙松方教授團隊、山東大學(xué)李陽教授團隊聯(lián)合延世大學(xué)Jong-Hyun Ahn院士團隊開發(fā)了一種高導(dǎo)電率、低阻抗、良好皮膚順應(yīng)性的表皮電極。制備的電極顯示出優(yōu)異的耐水/運動干擾性，在各種條件下（如汗液、濕潤和運動）都具有較低的界面阻抗和噪聲。即使在水沖洗和超聲波清洗后，電極也可監(jiān)測到高質(zhì)量的生物電信號。這些突出的優(yōu)點使具有Kirigami結(jié)構(gòu)的PEDOT：PSS/PVA/Ag NWs/PU電極能夠?qū)崟r監(jiān)測人體運動，并記錄各種條件下的表皮生物電信號，如心電圖、肌電圖和眼電圖，并控制外部電子設(shè)備，從而促進人機交互。相關(guān)工作以“Kirigami-Structured, Low-Impedance, and Skin-Conformal Electronics for Long-Term Biopotential Monitoring and Human–Machine Interfaces”為題發(fā)表在《Advanced Science》期刊上。


  DMSO、PVA分別摻入PEDOT：PSS中改善PEDOT:PSS薄膜的電性能和機械性能；Ag NWs沉積在PEDOT：PSS/PVA薄膜上，實現(xiàn)組織中離子電流和記錄設(shè)備中電子電流的高效耦合過程；引入Kirigami結(jié)構(gòu)，提高薄膜的拉伸性；然后轉(zhuǎn)移到PU膠帶上，使其更好地貼附皮膚。PEDOT：PSS可通過大共軛結(jié)構(gòu)和離子對轉(zhuǎn)移電子和離子，而Ag NW可以轉(zhuǎn)移電子，PEDOT：PSS/PVA薄膜可為離子和電子傳輸提供雙重轉(zhuǎn)移途徑，從而實現(xiàn)更高效的生物電信號傳導(dǎo)和采集。PEDOT：PSS/PVA薄膜和Ag NWs之間很強的界面相互作用可防止Ag NW在應(yīng)用過程中分離，并增強組分之間的離子/電子傳輸（圖1）。 


圖1 Kirigami結(jié)構(gòu)的表皮電極的制備和結(jié)構(gòu)表征


  在電極具有良好的拉伸性、導(dǎo)電性、電化學(xué)性能以及生物相容性的基礎(chǔ)上，對其機電性質(zhì)和皮膚接觸阻抗進行測試，來衡量電極是否具有長期監(jiān)測人體運動和記錄高保真生物電位的潛力（圖2）。電極受到拉伸時電阻變化規(guī)律穩(wěn)定、具有循環(huán)穩(wěn)定性和耐久性，可用作可拉伸電極和應(yīng)變傳感器；電極通過獨特的Kirigami結(jié)構(gòu)、高效的離子-電子雙傳導(dǎo)路徑和PU封裝的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能和低界面阻抗，具有采集和傳輸高質(zhì)量生物電信號的潛力。 


圖2 Kirigami結(jié)構(gòu)的表皮電極的機電和電化學(xué)性能。


  制備的表皮電極具有高拉伸性、優(yōu)異的保形附著力和明顯的拉伸應(yīng)變電阻變化，即使在大變形下也具有檢測人體大運動的能力，而不會因與皮膚的共形接觸而產(chǎn)生運動偽影（圖3）。由于具有高電導(dǎo)率、低界面阻抗和高電荷存儲容量等特點，Kirigami結(jié)構(gòu)的表皮電極被用作可穿戴干電極來檢測電生理信號。該電極可以在不同極端條件下長期、穩(wěn)定的監(jiān)測心電信號（圖4）；可記錄高質(zhì)量的肌電信號、眼電信號、腦電信號（圖5）。 


圖3 Kirigami結(jié)構(gòu)的表皮電極應(yīng)變傳感器，用于人體運動檢測。 


圖4 Kirigami結(jié)構(gòu)的表皮電極記錄心電信號。

圖5  Kirigami 結(jié)構(gòu)的 表皮電極和商業(yè)電極記錄的EMG和EOG信號。


  基于生物電信號的人機界面在人工智能領(lǐng)域具有重要意義。Kirigami結(jié)構(gòu)的表皮電極能夠穩(wěn)定捕獲高質(zhì)量的生物電信號，適用于HMI應(yīng)用。記錄高質(zhì)量和穩(wěn)定的生物電信號的卓越能力使具有Kirigami結(jié)構(gòu)的表皮電極可以靈敏、準(zhǔn)確地操縱音樂播放/切換和玩貪蛇游戲，而不會出現(xiàn)明顯的延遲（圖6）。 


圖6 Kirigami結(jié)構(gòu)的表皮電極在HMI中的應(yīng)用。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202304871

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