新加坡南洋理工大学陈晓东团队:不受汗液影响的高黏附可拉伸皮肤电极

皮肤电极能够贴合于皮肤表面,长时间监测人体的电生理信号,如心电、肌电、脑电等体征信号,在远程健康监测、疾病早期诊断以及人类情绪管理等医疗健康领域具有应用前景。现有的商业皮肤电极主要由银/氯化银导电电极和聚甲基丙酸甲酯类聚合物凝胶粘附层所构成,被广泛应用于采集静态电生理信号,无法应用于长时间动态人体电生理信号监测。这是因为这些商业电极在此类应用中存在一些重要问题:商业电极不能够随皮肤形变而拉伸,导致在身体动态过程中电极-皮肤接触界面不稳定;此外,在长时间监测中,皮肤出汗难以避免,汗液会降低粘附层与皮肤表面的粘附能,导致电极在皮肤表面的自由移动甚至脱落。这些问题会影响长时间动态人体电生理监测信号的稳定性和可靠性,特别是对心脏疾病早期诊断具有临床诊断依据的长时间动态心电监测。

【成果】

为了解决上述问题,新加坡南洋理工大学陈晓东教授Yew-SoonOng教授在《ACS Materials Letters》发表题目为“Adhesive Bio-compositeElectrodes on Sweaty Skin for Long-term Continuous ElectrophysiologicalMonitoring”的研究文章,共同第一作者为天津大学杨辉教授和新加坡南洋理工大学的姬少博。研究人员利用原位界面聚合成功制备了在出汗皮肤表面具有高粘附的生物复合电极(CAPE),并将其应用于长时间动态电生理监测。

文章的设计思想是基于丝素蛋白的水分响应使生物复合电极在汗液存在下可以保持高黏附能。丝素蛋白黏附层随着含水量的增加,其杨氏模量降低至与皮肤相近从而实现了丝素蛋白层与皮肤的共形黏附(conformal adhesion),增强了复合电极与皮肤间的界面黏附性能。聚吡咯作为一种导电聚合物,具备阻抗低、良好的生物相容性、成本低的优点,但不可拉伸限制了其在柔性可拉伸电极领域的应用。研究人员以预先加入丝素蛋白层中的Fe(III)离子为引发剂,引发吡咯在离子交联的丝素蛋白凝胶表面发生界面聚合,得到了可拉伸生物复合电极。丝素蛋白黏附层与聚吡咯导电层之间通过界面聚合形成了紧密的联锁结构,使界面具备了互相穿插的三维网络结构,这种结构将丝素蛋白凝胶层良好的拉伸性能传递给聚吡咯,使之具有延展性,实现力学性能相互兼容,保证了电极的均匀拉伸性,且在典型的皮肤形变30%的应变下保持良好的电稳定性。

新加坡南洋理工大学陈晓东团队:不受汗液影响的高黏附可拉伸皮肤电极
a) 生物复合电极(CAPE)截面的拉曼图谱显示出界面处相互穿插的联锁结构。b) 生物复合电极表现出良好的拉伸性能,而直接贴附电化学聚吡咯于丝素蛋白层所得的膜(无联锁结构)拉伸性很差。

生物复合电极的高黏附性能,可拉伸性,和良好的导电性,使其可以在人体运动过程中出汗状态下稳定地记录动态电生理信号,且其灵敏度高于商用凝胶电极,可用于人体长期动态电生理信号监测。另外,柔性可拉伸电极复合电极在皮肤变形时与皮肤完美贴合,表现出与皮肤的高度共形性和保角接触性,在皮肤变形较大的肘部运动时也能稳定黏附在人体表皮。

新加坡南洋理工大学陈晓东团队:不受汗液影响的高黏附可拉伸皮肤电极
生物复合电极可以共形黏附于皮肤上并承受肘部运动时的形变。放大图中显示出生物复合电极共形黏附后表面出现了与皮肤相同的纹路。

研究人员还向我们展示了复合电极监测人体动态生理信号的各种应用:如应用于心电图的测量,可用于早期诊断潜在冠心病;用于体育管理,监测运动时的心率变化,为健康生活方式的科学运动安排提供参考;通过机器学习对心电图信号进行分析用于情绪监测;或者将复合电极应用于脑电图的记录,用来评估睡眠状态等。

新加坡南洋理工大学陈晓东团队:不受汗液影响的高黏附可拉伸皮肤电极
a) 使用商用电极(上)和生物复合电极(下)在跑步过程中监测心电图。随着运动过程中汗液的累积,商用电极与皮肤的接触逐渐不稳定并脱落;生物复合电极保持良好的粘附性并持续收集稳定的心电图信号。b)使用已分类心电图信号进行机器学习。c)通过生物复合电极记录的实时心电图对对象情绪进行判断和监测。

【小结】

研究人员通过界面聚合设计制备了一种基于丝素蛋白和聚吡咯的全聚合物柔性可拉伸电极,克服了目前开发的皮肤柔性电极在皮肤出汗时黏附性能下降、易从表皮脱离的缺陷,在出汗的皮肤表面表现出高黏附性能,实现了运动时长期的人体动态生理信号监测,可应用于体育管理、情绪监测、疾病诊断等领域。

参考文献:

Hui Yang#, ShaoboJi#, Iti Chaturvedi, Huarong Xia, Ting Wang, Geng Chen, Liang Pan, Changjin Wan,Dianpeng Qi, Yew-Soon Ong*, and Xiaodong Chen* Adhesive Bio-composite Electrodeson Sweaty Skin for Long-term Continuous Electrophysiological Monitoring. ACSMaterials Letters, 2020, 2, 478-484.

全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.0c00085

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