济南大学赵松方/山东大学李阳/延世大学Jong-Hyun Ahn院士 AS：兼具低阻抗和皮肤共形能力的多功能表皮电极的制造方法

2023-11-29 来源：高分子科技

表皮电子器件在健康监测、疾病诊断及人机交互等领域的重要性日益凸显。要获得高质量的生理和生化信号，理想的表皮电极应具有高伸缩性、优异的机电稳定性、低阻抗、生物相容性和共形能力以便与皮肤大面积的集成。尽管在建立与皮肤共形的三维界面上有很多优秀的工作，由于各种加工工艺的不兼容，理想电极的制备仍然极具挑战。合理选择先进材料和微纳结构对制备高质量表皮电极至关重要。

近期，济南大学赵松方教授团队、山东大学李阳教授团队联合延世大学Jong-Hyun Ahn院士团队开发了一种高导电率、低阻抗、良好皮肤顺应性的表皮电极。制备的电极显示出优异的耐水/运动干扰性，在各种条件下（如汗液、湿润和运动）都具有较低的界面阻抗和噪声。即使在水冲洗和超声波清洗后，电极也可监测到高质量的生物电信号。这些突出的优点使具有Kirigami结构的PEDOT：PSS/PVA/Ag NWs/PU电极能够实时监测人体运动，并记录各种条件下的表皮生物电信号，如心电图、肌电图和眼电图，并控制外部电子设备，从而促进人机交互。相关工作以“Kirigami-Structured, Low-Impedance, and Skin-Conformal Electronics for Long-Term Biopotential Monitoring and Human–Machine Interfaces”为题发表在《Advanced Science》期刊上。

DMSO、PVA分别掺入PEDOT：PSS中改善PEDOT:PSS薄膜的电性能和机械性能；Ag NWs沉积在PEDOT：PSS/PVA薄膜上，实现组织中离子电流和记录设备中电子电流的高效耦合过程；引入Kirigami结构，提高薄膜的拉伸性；然后转移到PU胶带上，使其更好地贴附皮肤。PEDOT：PSS可通过大共轭结构和离子对转移电子和离子，而Ag NW可以转移电子，PEDOT：PSS/PVA薄膜可为离子和电子传输提供双重转移途径，从而实现更高效的生物电信号传导和采集。PEDOT：PSS/PVA薄膜和Ag NWs之间很强的界面相互作用可防止Ag NW在应用过程中分离，并增强组分之间的离子/电子传输（图1）。

图1 Kirigami结构的表皮电极的制备和结构表征

在电极具有良好的拉伸性、导电性、电化学性能以及生物相容性的基础上，对其机电性质和皮肤接触阻抗进行测试，来衡量电极是否具有长期监测人体运动和记录高保真生物电位的潜力（图2）。电极受到拉伸时电阻变化规律稳定、具有循环稳定性和耐久性，可用作可拉伸电极和应变传感器；电极通过独特的Kirigami结构、高效的离子-电子双传导路径和PU封装的协同效应，实现了优异的电化学性能和低界面阻抗，具有采集和传输高质量生物电信号的潜力。

图2 Kirigami结构的表皮电极的机电和电化学性能。

制备的表皮电极具有高拉伸性、优异的保形附着力和明显的拉伸应变电阻变化，即使在大变形下也具有检测人体大运动的能力，而不会因与皮肤的共形接触而产生运动伪影（图3）。由于具有高电导率、低界面阻抗和高电荷存储容量等特点，Kirigami结构的表皮电极被用作可穿戴干电极来检测电生理信号。该电极可以在不同极端条件下长期、稳定的监测心电信号（图4）；可记录高质量的肌电信号、眼电信号、脑电信号（图5）。

图3 Kirigami结构的表皮电极应变传感器，用于人体运动检测。

图4 Kirigami结构的表皮电极记录心电信号。

图5 Kirigami 结构的表皮电极和商业电极记录的EMG和EOG信号。

基于生物电信号的人机界面在人工智能领域具有重要意义。Kirigami结构的表皮电极能够稳定捕获高质量的生物电信号，适用于HMI应用。记录高质量和稳定的生物电信号的卓越能力使具有Kirigami结构的表皮电极可以灵敏、准确地操纵音乐播放/切换和玩贪蛇游戏，而不会出现明显的延迟（图6）。

图6 Kirigami结构的表皮电极在HMI中的应用。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202304871

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（责任编辑：xu）

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