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天津工业大学刘皓教授、王威教授《ACS AMI》:规整微纳米柱阵列结构低动态噪声心电干电极
2022-07-17  来源:高分子科技

  柔性生物电干电极是长期医疗健康监测系统的重要组成部分,其可以在不使用导电凝胶的情况满足长期使用要求,生物电干电极的微纳米结构表面是干电极设计的重要方面。近期,天津工业大学刘皓教授、王威教授团队通过设计连续可调的氧化阳极氧化铝(AAO)模板,分别制备了PANI/TPU单层微纳米柱阵列结构干电极和双层微纳米柱阵列结构干电极。与平面结构相比,微纳米柱阵列结构可以减小电极与皮肤之间的接触间隙,增大接触面积,从而显示出较低的接触阻抗和较高的信号质量。此外,由于微纳结构的表面增大了接触面积,双层结构电极的剥离强度比平面结构电极提高了约210.7% ,在动态心电图测量中显示出较低的基线漂移,适合于动态测量。该项工作以 Ordered Nanopillar Arrays of Low Dynamic Noise Dry Bioelectrodes for Electrocardiogram Surface Monitoring 为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上(DOI: 10.1021/acsami.2c08318),文章第一作者为博士研究生牛鑫,通讯作者为刘皓教授、王威教授。


1 PANI/TPU微纳米柱阵列结构干电极制备过程


  在电极与人体皮肤接触界面,由于人体皮肤角质层的接触阻抗较高,将导致皮肤-电极界面的电信号传输受阻,是生物电信号监测过程中的主要问题。接触阻抗由皮肤特性、接触面积等因素共同控制。对于具有相同尺寸的表面干电极,其与皮肤的有效接触面积越大,接触阻抗就越低,从而采集到的信号质量就越高。与平面干电极相比,具有微纳米表面形貌的干电极在相同尺寸下具有更大的表面积,可以有效减少皮肤-电极接触阻抗。该团队通过设计不同结构的氧化阳极氧化铝(AAO)模板,制备了PANI/TPU微纳米柱阵列结构干电极,该电极的微纳米结构可有效增加剥离强度,从而具有更好的动态信号采集性能。


 2 不同尺寸的多孔阳极氧化铝(AAO)模板


 图3 利用不同尺寸的AAO模板制备的PANI/TPU微纳米柱阵列


  微纳米柱阵列结构可以增大电极与皮肤间的剥离强度,因此在动态采集中具有一定优势,为了验证电极在动态测试中的稳定性,利用微纳米柱阵列结构电极采集了静坐、摆臂、转体和走路状态时的心电信号,并测试了剥离强度,结果发现,双层微纳米柱阵列结构电极在动态采集中显示出较低的基线漂移,剥离强度得到了显著提升,而剥离强度的增加是由于接触面积增加的结果,所以微纳米柱结构的电极在心电图测试中显示出更好的测试结果,降低了运动状态对采集信号的干扰。


利用PANI/TPU微纳米柱阵列结构电极采集的心电图


 图5 PANI/TPU微纳米柱阵列结构电极的剥离强度、拉伸强度、信号特征


  论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c08318


  作者简介:


  刘皓教授,天津工业大学纺织科学与工程学院智能可穿戴电子纺织品研究所副所长,纺织材料测试中心主任,其负责的团队长期致力于柔性传感器、智能服装服饰、柔性发电和储能装置、柔性电子电路与元件等方向的研究,承担了科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项“冬季运动与训练比赛高性能服装研发关键技术”中积极保暖服装的研发工作,同时也主持了国家自然科学基金面上项目、天津市自然科学基金面上项目等20余项纵向和横向项目,刘皓教授获得了2019年的纺织之光奖教金,第二届中国国际新纤维产业链博览会2021年度的十佳“新纤人”等荣誉。


  王威教授,智能可穿戴电子纺织品研究所副所长,中国纺织服装教育学会理事。其主要研究方向为针织服装设计与工艺、毛衫设计与工艺、智能纺织品、绿色纺织品。王威教授曾获“纺织之光”针织内衣创新贡献奖、“纺织之光”教学成果奖、天津市“大亨杯”服装设计比赛奖、教育部优秀学术成果奖、天津市教育系统优秀工作者等省部级奖励和荣誉多项。

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(责任编辑:xu)
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