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西安交通大学:高渗透性、黏附和长时间耐用性的仿树蛙脚蹼的可穿戴柔性电极

更新时间:2024-06-14      点击次数:184


近年来,随着生理电信号在辅助医疗、科学训练及神经科学研究等的领域的不断深入和广泛应用,可穿戴柔性电极成为了众多学者的研究焦点。非侵入式柔性电极能够将人体内部的离子电信号转换为电子元器件可读取的电子信号,成为了连接这两者的桥梁。然而如何实现高质量信号的采集、实现不同皮肤状态下的长时间稳定粘附及提高长时间穿戴舒适性,是阻碍柔性电极应用的研究难点。尽管已有研究团队提出了许多能提高粘附力与增加透气性的结构,但仍旧难以实现稳定粘附性、低界面阻抗和高透气性的有机统一。因此,开发一款兼具高透水透气性和粘附稳定性的柔性电极十分必要。


近期,西安交通大学邵金友、田洪淼团队提出了一种仿树蛙脚蹼的非侵入式柔性可穿戴电极,用于生理电信号的长时间连续监测。该柔性电极是使用摩方精密nanoArch® S130(精度:2μm)高精度3D打印设备加工模具后使用导电复合材料翻模制备而成。相关研究成果以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability"发表在《Advanced Materials》上,西安交通大学兰天翔博士为论文的第一作者,西安交通大学邵金友教授和田洪淼教授为共同通讯作者。


图1 设计灵感来源及结构展示。 (A)仿生灵感来源,(B)电极结构示意,(C)相较于普通平膜的优势。


该柔性电极的设计灵感来源于红蹼树蛙脚蹼表面的分散六边形柱状结构及深层的粘液腺。六边形分散柱状结构可以将大液桥分散为多个小液桥,从而大幅提高树蛙脚蹼与各种表面之间的粘附力;分布于六边形柱状结构间隙的粘液腺,则可使得粘液在树蛙脚蹼间均匀分散,这两种结构共同实现了树蛙在多种表面的稳定黏附。


结合此两种结构,本文设计了一种兼具高透水透气性、稳定粘附性及长时间耐用性的柔性可穿戴电极。该电极可分为上下两层:下层为分散柱状结构,有利于实现高效而稳定的电极-皮肤界面接触(接触面积/总面积相较于平膜提升了近一倍)、低界面阻抗(面积标准化阻抗与商用Ag/AgCl凝胶电极相近)及稳定附着(在干/湿条件下的粘附力相较于无结构电极提升了2.79/13.16倍);上层为参照鸟喙和粘液腺设计的改进锥孔结构,有利于实现人体皮肤表面排泄物定向搬运,从而提高了该电极的透水透气性(正向透气性相较于棉纺织物提升近12倍,透水性相较于3M医用敷料提升了40倍以上)。该仿生电极在粘附稳定性、透水透气性和耐用性等方面都具有显著的优势。


首先,研究团队通过理论推导和仿真计算的方式得到了锥孔结构设计的合适参数区间,并将该结构的设计与电极底面分散柱状结构的设计解耦,大幅降低了分散柱状结构设计的复杂度。


底面离散化结构除了能实现高效而稳定的界面接触之外,还能有效降低汗腺的被堵塞率,从而避免排泄物的局部堆积导致的粘附效果降低。为此,研究团队采用图像处理技术及离散优化设计方法,量化计算了全部三种可单一平面密铺正多边形柱状结构在不同尺寸参数下的最大汗腺堵塞率(最大堵塞率越小代表该电极在湿润条件下的粘附越可靠)及理论有效面积(该值会影响接触阻抗进而影响采集的信号质量),并在综合考虑这两者之间的矛盾关系后,制造了优化设计的柔性可穿戴电极。


图2 结构优化设计。 (A)锥孔优化设计,(B)分散柱状机构可大幅降低汗腺的被堵塞率,(C)分散柱状结构尺寸参数,(D) 六边形柱状结构的最大汗腺堵塞率(E)不同形状及尺寸的分散柱状结构的未堵塞率和理论接触面积。


在设计完成电极的微观结构之后,研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻(PμSL)技术加工了具有良好一致性的树脂模具,并通过模塑工艺制造出了仿生电极和只含有锥孔的电极(对比组)。仿生电极相较于对比组的干/湿粘附力提升了2.79/13.16倍,实现了在干/湿环境下的稳定附着。


图3 微观形貌表征。 (A)锥孔模板,(B)只含锥孔的电极,(C)分散柱状结构模板,(D) 仿树蛙脚蹼电极(E)仿树蛙脚蹼电极截面轮廓,(F)粘附力表征。


之后,研究团队还测试了该仿生电极的正向和逆向水蒸气透过率,该电极的正向/逆向水蒸气透过率相较于棉织物提升了近12/6倍,实现了较好的透气性能。


图4 单向输水性及水蒸气透过率表征。 (A)各种结构的表面接触角变化,(B)各种结构表面接触角随时间的变化关系,(C)水蒸气透过率测试,(D) 仿生电极与多种常见织物的水蒸气透过率对比。


最后,研究团队采集了多种生理电信号,并对其进行了分析。该仿生电极采集出的生理电信号质量可与商用Ag/AgCl凝胶电极相媲美,并且长时间使用下安全性和稳定性性均优于商用Ag/AgCl凝胶电极。相较于已报道文献,本文所提出的仿生电极在机械性能、电学性能及电极性能方面表现出优异的均衡性能。


图5 多种生理电信号的测试与性能对比。 (A)长时间心电信号的测量及信号分析,(B)睁眼及闭眼时脑电信号的采集与分析,(C)肌电信号的采集与分析,(D) 仿生电极与多种电极的综合性能对比。


综上所述,本研究提出的基于树蛙脚蹼的仿生电极可以实现在干/湿皮肤表面的稳定粘附,且兼具高透水透气性、长时间穿戴舒适性及稳定的低接触阻抗等优点,有望促进生理电信号长时间持续检测的广泛应用。