可穿戴生理信號檢測設備被廣泛地應用于健康監(jiān)測、疾病早期診斷、運動管理等領域?，F(xiàn)有的商用產品可檢測多種體征信號，包括心電（ECG）等電生理信號，并實現(xiàn)日常生活或運動中的實時監(jiān)測，然而這些商用產品以及研究中所報道的可拉伸電極都未考慮在水下使用的情況。
隨著生活條件的提高，越來越多人開始參加游泳、潛水等水下活動，而在水中身體出現(xiàn)不適所帶來的危險遠高于在陸地上，尤其是突發(fā)心臟病的情況，病人會失去活動能力和呼救能力，很快溺水身亡。
實現(xiàn)水下的ECG實時監(jiān)測可以減少這類的風險，ECG波形的變化可用于對心臟疾病的判斷和預警，所得心率數(shù)據(jù)也可用于監(jiān)測其他突發(fā)身體狀況，或水下運動的記錄與管理，因此實現(xiàn)ECG的水下監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。在水下進行ECG的監(jiān)測需要電極同時具備水下黏附、對水的穩(wěn)定性、以及交流導電性，為了在運動過程中也能取得穩(wěn)定的信號，這些電極還要可與皮膚共形拉伸，同時符合這些條件的電極還未有報道。
【成果】
為了實現(xiàn)ECG的水下監(jiān)測，新加坡南洋理工大學陳曉東教授和天津大學楊輝教授在Advanced Materials發(fā)表題目為“Water-Resistant Conformal Hybrid Electrodes for Aquatic Endurable Electrocardiographic Monitoring”的研究文章，第一作者為新加坡南洋理工大學的姬少博。研究人員利用疏水的金/聚二甲基硅氧烷（Au/PDMS）膜作為基底，設計合成了可實現(xiàn)水下黏附和導電的聚合物，將二者結合得到防水可拉伸電極并實現(xiàn)了游泳過程中的ECG監(jiān)測。
Au/PDMS體系具有良好的拉伸導電性和對水的穩(wěn)定性，然而由于其疏水性質，Au/PDMS膜在水存在的情況下無法與皮膚黏附，不能使用。
為了將其應用于水下監(jiān)測，研究者為其設計了水下黏附層。黏附層的引入會為電極-皮膚界面帶來額外的電阻（圖1A）,為了使電生理信號（交流，如心電信號主要檢測范圍~0.5– 100 Hz）從皮膚傳遞到用于檢測的金層，該黏附層還必須具有一定的交流導電性。
為了滿足水下電極應用的全部要求，研究者對含多巴胺高分子體系進行了改進，使用三種單體共聚得到了目標高分子黏附層。
如圖1A所示，MEA作為主鏈不溶于水，賦予了該黏附層水穩(wěn)定性；DMA含有多巴胺基團，賦予黏附層水下黏附能力和與金層的高結合力；AA提供的羧基在水存在下可以電離，提供交流導電能力。
通過對照實驗，可以發(fā)現(xiàn)只有含有全部三種單體的黏附層（pDAM）才同時具備高的水下黏附力和交流導電性（圖1B），證實了分子設計的合理性和必要性。
將pDAM涂附于Au/PDMS的金表面，可以得到防水可拉伸電極，DAM。在與皮膚接觸后，原本平整透明的黏附層表面會出現(xiàn)圖案（圖1C），對應于皮膚的表面結構，說明該黏附層可根據(jù)皮膚表面發(fā)生形變，實現(xiàn)共形黏附，帶來更高的黏附力和穩(wěn)定性。
如圖2A所示，通過在手臂皮膚上的對比，可以看出商用凝膠電極在水下皮膚形變時會馬上脫落，而DAM防水可拉伸電極則會隨皮膚形變并保持黏附于皮膚上，證實了DAM在水下運動過程應用的可能性。通過在表面具有仿皮膚結構的PDMS基底（彈性模量~80kPa，與皮膚相似）上進行測量，可以發(fā)現(xiàn)在空氣中DAM具有與商用電極相近的黏附力，而在水中商用電極會失去其黏附力，DAM則幾乎不受水的影響（圖2B），證實了其水下黏附能力。
同時由于DAM的共形黏附和水穩(wěn)定性，它可以穩(wěn)定的黏附于仿皮膚PDMS基底；而商用凝膠電極會明顯溶脹，在靜態(tài)放置的條件下也會于50分鐘內脫落（圖2C）。這是由于皮膚表面結構與非共形黏附的商用凝膠電極之間會產生空隙，水可以滲入界面與凝膠接觸使其溶脹。水滲入電極-皮膚界面還會導致電學性質的變化，影響信號檢測的穩(wěn)定性和可靠性（圖2D）。與商用凝膠電極相比，DAM表現(xiàn)出了高水下黏附，高結構穩(wěn)定性，和高電學穩(wěn)定性。此外，將黏附于仿皮膚PDMS基底的DAM放入水中以300rpm的速度連續(xù)攪拌24小時后仍不會脫落，其黏附能力和電學性質不會發(fā)生明顯變化，進一步證實了其穩(wěn)定性。
由于良好的黏附性和穩(wěn)定性，DAM可黏附于皮膚并進行連續(xù)的ECG監(jiān)測，所得信號在1小時后仍保持穩(wěn)定（圖3A），相比之下商用電極靜態(tài)放置時在20分鐘內便會從皮膚脫落，無法用于長時間的監(jiān)測。此外，在不同條件的水下監(jiān)測中（圖3B），DAM所收集的信號都具有比商用凝膠電極更高的穩(wěn)定性（圖3C）。
而在泳池中，貼附于預處理的干燥皮膚上的商用凝膠電極會于8分鐘內脫落，貼附于未處理的濕皮膚上時則會于30秒內脫落，進入泳池后則無法貼附于皮膚；而DAM電極即使是進入泳池后在進行貼附，也可保持黏附并穩(wěn)定工作40分鐘以上。研究者將DAM電極與可穿戴ECG檢測設備相結合，得到了可穿戴水下ECG監(jiān)測系統(tǒng)（圖4A）。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)游泳過程中連續(xù)的ECG監(jiān)測，所得信號可以保持穩(wěn)定（圖4B,C）。所得的ECG波形可用于判斷心臟的狀況，用于心臟疾病預警等應用；同時從ECG中可以得到心率數(shù)據(jù)，也可用于健康管理和運動管理等領域。
【小結】
研究人員利用疏水的可拉伸Au/PDMS作為基底，設計合成了可水下黏附且離子導電的高分子黏附層，得到了防水的可拉伸電極。這些電極具有穩(wěn)定的水下黏附能力和電學性質，可在皮膚上實現(xiàn)水下心電信號的長時間實時監(jiān)測，所得信號在運動和水流沖擊的條件下都可以保持很高的穩(wěn)定性。該電極在使用過程中無需保護，可直接暴露于水環(huán)境中，與可穿戴設備結合后可用于游泳過程中的實時心電監(jiān)測，所得數(shù)據(jù)可用于對心臟狀況進行監(jiān)測，對運動情況進行評估和管理等。
參考文獻：
Shaobo Ji,Changjin Wan, Ting Wang, Qingsong Li, Geng Chen, Jianwu Wang, Zhiyuan Liu, HuiYang,* Xijian Liu, and Xiaodong Chen*. Water-Resistant Conformal HybridElectrodes for Aquatic Endurable Electrocardiographic Monitoring. Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202001496.
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