南航姬科举课题组:兼具排汗透气与黏附的仿生健康监测电极

发布日期:2023-01-07

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生物电信号是人体最基本的生理信号之一,通过对生物电信号的监测可以对多种生理疾病进行诊断和预防。随着微电子科技的不断发展,越来越多的医疗科技选择使用电极贴片与诊断设备集成,以实现实时监测人体健康状况的医疗保健系统。监测系统对于突发性强、致命性高的心脑血管疾病有着显著的预防作用。

 

生物电监测电极作为系统硬件的重要组成单元,直接与人体接触采集生物电信号,是生物电传感系统的基础部件。常见的是银-氯化银(Ag/AgCl)凝胶电极,但由于凝胶或粘合剂会对皮肤产生刺激,很难用来长期监测生物电信号。为了实现长效与皮肤接触监测的功能,生物相容性良好的干电极技术近年来得到了一定的发展。然而,由于皮肤的弹性、粗糙质地,附加汗水,油脂、皮屑和毛发等表面特性,干电极技术在皮肤附着力、接触阻抗、透气性等创新优化方面仍面临较大挑战。

 

图1典型具有足端附着能力的生物结构与功能实现策略

 

由于自然环境下目标附着表面的复杂多样性,依靠单一的黏附机制往往不足以提供生物体稳定的附着和快速的运动的能力。几乎所有具有全空间运动能力的生物,均拥有两种及以上的界面附着策略,且生物体型越大,越需要多种附着方式协同作用来提升界面附着力以平衡自重。生物高鲁棒性的附着调控特性依赖于生物脚爪精细的跨尺度附着结构,以及附着结构所呈现的机制之间的协同作用。

 

图2兼具排汗透气与皮肤黏附的仿生电极设计

 

本研究介绍了一种兼具排汗透气性和多机制附着性能的健康监测电极贴片。贴片的排汗透气功能采用锥形通孔与蜂窝状微沟槽集成设计来实现,锥形通孔产生的拉普拉斯液相压差和微沟槽的毛细力协同实现了汗液的自驱导流作用;Ag/Ni微针阵列和PDMS-t粘附材料的多机制附着一定程度上保障了电极贴片与皮肤接触的力学稳定性,其中,Ag/Ni微针阵列通过高度控制,形成与皮肤角质层的接触,在保障安全性的前提下,实现了生物电信号采集通道的可靠性。

 

图3 仿生监测电极排汗透气通道结构形貌及其单向自驱导效果图

 

图4 仿生电极贴片切向摩擦力和法向黏附力量化测试实验

 

图5 仿生电极贴片心电监测性能及其与皮肤接触的生物相容性评价

 

仿生电极的皮肤界面阻抗测试显示,在100Hz以下,仿生电极的接触阻抗低于标准Ag/AgCl凝胶电极,在监测志愿者的EMG和ECG生物电信号应用中,仿生电极展示出了较好的静态和动态采集性能。这主要归因于微针阵列与皮肤高阻抗角质层形成机械锁合,与通孔阵列柔性聚合物黏附接触协同作用,增强了仿生电极与皮肤表面的附着力,减少了运动伪影。同时,仿生电极设计中汗液的自驱导流结构保障了皮肤排汗透气的需求,具有良好的皮肤接触生物相容性,为实现长效的健康监测提供了新思路和新途径。

 

本研究工作是建立在前期微针摩擦与树蛙湿黏附协同的仿生电极(Advanced materials interfaces, 2022, 2200532,封底论文)研究基础之上,着重探究了仿生电极自主排汗透气方面功能实现方法。相关研究成果以题为“Biomimetic Patch with Wicking-Breathable and Multi-mechanism Adhesion for Bioelectrical Signal Monitoring”发表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。论文第一作者为南京航空航天大学机电学院硕士研究生张迁,论文通讯作者为姬科举副研究员,南京航空航天大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、南京市医学科技发展基金、江苏省仿生功能材料重点实验室基金等项目的资助。

 

论文链接: 

https://doi.org/10.1021/acsami.2c13984

 

来源:高分子科技

 

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