心電(ECG)、肌電(EMG)和腦電(EEG)等生物電信號(hào)是反映人體健康狀況的重要生理指標(biāo)??纱┐麟姌O是準(zhǔn)確檢測(cè)這些生物電信號(hào)的重要設(shè)備,尤其是在日常生活中針對(duì)心臟疾病的長(zhǎng)期或持續(xù)性監(jiān)測(cè)。目前臨床普遍使用是一次性的Ag/AgCl凝膠電極,由于溶劑揮發(fā)導(dǎo)致的信號(hào)衰變和電解質(zhì)刺激皮膚等問(wèn)題,這類(lèi)凝膠電極不適合長(zhǎng)期穩(wěn)定檢測(cè)生物電信號(hào)。干電極是一種適于長(zhǎng)期檢測(cè)生物電信號(hào)的穿戴式電極,但在文獻(xiàn)里報(bào)道的干電極與皮膚之間的貼合性較差,尤其是在身體運(yùn)動(dòng)和皮膚出汗等狀況下,造成明顯的信號(hào)噪音和運(yùn)動(dòng)偽像干擾,限制了干電極的實(shí)際性能。
針對(duì)這一問(wèn)題,新加坡國(guó)立大學(xué)歐陽(yáng)建勇教授課題組和任洪亮教授課題組合作,在世界上首次研發(fā)了可拉伸,自粘附和高電導(dǎo)的導(dǎo)電高分子并且證明它們可用為高效的生物干電極(PWS干電極)。該材料由生物可相容的高分子和有機(jī)分子構(gòu)成,同時(shí)具有高導(dǎo)電性(>390?S/cm)和高拉伸性(斷裂伸長(zhǎng)率>43%),能夠貼敷于細(xì)微的皮膚紋路,牢固的粘附在干甚至濕皮膚表面,即使在皮膚拉伸變形、震動(dòng)等狀態(tài)下,PWS干電極基本不脫落。PWS干電極還表現(xiàn)出拉伸應(yīng)變不靈敏的特點(diǎn)(440次拉伸循環(huán)后電阻變化<?6.5%)。
圖1.?PWS干電極的制備材料(a)、制備過(guò)程及其表皮生物電信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用(b)。
圖2.?PWS的微觀結(jié)構(gòu)及其拉伸、電學(xué)性能。a, b?PWS干電極薄膜表面的原子力顯微鏡相圖;c?PWS干電極薄膜表面的原子力顯微鏡3D形貌;PWS薄膜的拉伸性能(d)和導(dǎo)電率(e)隨著PEDOT:PSS含量的變化;f?440次循環(huán)拉伸(30%應(yīng)變)過(guò)程中PWS薄膜的電阻變化。
圖3.?PWS薄膜的粘附性能。a?承載250g重物的PWS薄膜牢固粘附在ITO玻璃,構(gòu)成穩(wěn)定的導(dǎo)電回路;b PWS薄膜牢固粘附在光滑、帶毛發(fā)皮膚、濕潤(rùn)皮膚以及拉伸變形的皮膚表面;c?PWS薄膜緊密貼合于皮膚復(fù)制物表面的微細(xì)紋路;d?將PWS薄膜按壓貼敷于皮膚復(fù)制物表面,揭下的PWS薄膜可復(fù)制出皮膚紋路;e?PWS薄膜在皮膚或基底表面的粘附力測(cè)試;f?PWS薄膜在干、濕皮膚、玻璃及豬皮表面的粘附力。
與文獻(xiàn)中的干電極和商業(yè)化的凝膠電極相比,PWS干電極具有較低的皮膚接觸阻抗(82 KΩ?cm2@10?Hz)和優(yōu)異的穩(wěn)定性,在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)噪音極低,可以實(shí)現(xiàn)在干、濕皮膚以及身體運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜狀況下高分辨檢測(cè)心電、肌電以及腦電等信號(hào)。而且,可以作為新型人機(jī)界面交互式電子皮膚,利用肌電信號(hào)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制機(jī)械手臂精確運(yùn)動(dòng)。
圖4. PWS干電極檢測(cè)心電信號(hào)性能。a,?b?PWS干電極檢測(cè)心電的貼敷位置;c?PWS干電極(藍(lán)色)和商業(yè)化Ag/AgCl凝膠電極(紅色)檢測(cè)的心電信號(hào);d?PWS干電極檢測(cè)的心電脈沖圖譜(頻率0-45Hz);e,?f粘附性PWS干電極、輕微粘附PW干電極和不粘的PEDOT薄膜電極在震動(dòng)皮膚表面測(cè)試心電信號(hào)。
通過(guò)與新加坡國(guó)立醫(yī)院的Raymond Seet教授的合作,他們深入研究了PWS干電極在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用性能。針對(duì)患有心房纖維性顫動(dòng)疾病的高齡病人,PWS電極可以有效檢測(cè)到病人的心律不齊及心電P波異常缺失等癥狀。另外,利用PWS干電極能夠快速準(zhǔn)確檢測(cè)出病人肱二頭肌持續(xù)性收縮,以及肱二頭肌肌腱應(yīng)激反應(yīng)過(guò)程中的肌電信號(hào),用于協(xié)助肌肉神經(jīng)康復(fù)的診斷和治療,表現(xiàn)出優(yōu)異的臨床應(yīng)用性能。
圖5.?PWS干電極檢測(cè)肌電和腦電信號(hào)。a PWS干電極檢測(cè)肌電信號(hào)并利用肌電遠(yuǎn)程控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng);b?PWS干電極檢測(cè)不同手指運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的肌電信號(hào);c?三維結(jié)構(gòu)PWS干電極穿過(guò)頭發(fā)檢測(cè)后腦頭皮的腦電信號(hào)。
該成果以“Fully organic compliant dry electrodes self-adhesive to skin for long-term motion-robust?epidermal biopotential monitoring”為題發(fā)表在《NATURE COMMUNICATIONS》。通訊作者是歐陽(yáng)建勇教授和任洪亮教授,第一作者是張磊博士和Kirthika?Senthil Kumar。
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