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  目前，柔性電極已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式醫(yī)療、康復(fù)、腦機(jī)接口和虛擬現(xiàn)實(shí)等方面，滿足了各種疾病的早期診斷和臨床治療的需求。一個(gè)合格的柔性電極應(yīng)能夠長(zhǎng)期可靠地連續(xù)監(jiān)測(cè)生理電信號(hào)，并且不會(huì)對(duì)人體皮膚造成機(jī)械或熱限制。許多正在進(jìn)行的研究致力于開發(fā)柔性的導(dǎo)電元件和微結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)較大的可拉伸性和較高的粘附性，從而保證信號(hào)記錄的可靠性。此外，電極高效的透氣性能夠保證汗液的及時(shí)蒸發(fā)，達(dá)到生物友好的目的。相較于容易脫水的濕電極，干電極在長(zhǎng)期生理電信號(hào)監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但是干電極獲取生理電信號(hào)的過(guò)程中容易受到復(fù)雜的身體活動(dòng)和各種環(huán)境擾動(dòng)的影響。雖然高粘性和自粘性的干電極擁有強(qiáng)大的界面結(jié)合力，能夠減少外部影響，但可能會(huì)導(dǎo)致皮膚不適甚至刺激，無(wú)法循環(huán)使用。

  針對(duì)以上問(wèn)題，南京醫(yī)科大學(xué)胡本慧教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種低黏附、抗脫落的透氣干電極，通過(guò)應(yīng)力松弛能夠消除電極隨皮膚拉伸和回彈過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而形成穩(wěn)定的人機(jī)界面，用于生理電信號(hào)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及信息交互。該電極以導(dǎo)電聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作為主體材料，通過(guò)一步法摻雜生物相容性的甘油和聚山梨醇酯獲得（命名為DrIE）。甘油和聚山梨醇酯的共摻雜使得PEDOT和PSS之間產(chǎn)生能夠減弱靜電相互作用的屏蔽效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生相分離，使電極具有較高的電導(dǎo)率（~130 S/cm）和可拉伸性（應(yīng)變＞90%）。由于增強(qiáng)的可拉伸性、導(dǎo)電性和降低的剛度，DrIE可以與人體皮膚共形貼附，相較于商用的Ag/AgCl電極，在20 Hz到10 kHz的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出更低的界面阻抗。

圖1. 抗脫落無(wú)感電極的設(shè)計(jì)和表征

  對(duì)生理信號(hào)的高保真度監(jiān)測(cè)，要求電極與皮膚以相同的速率拉伸或收縮，這樣就不會(huì)發(fā)生界面不穩(wěn)定和隨后的電極與皮膚之間的分離。為了提高電極的抗脫落性能，調(diào)整了DrIE薄膜的厚度和模量，以便最大限度地減少電極和皮膚之間的失配應(yīng)變。90°剝離實(shí)驗(yàn)測(cè)得電極的黏附力低至0.013 N/cm，并且在五次的循環(huán)貼附/剝離后黏附力達(dá)到平衡（0.005 N/cm）。在拉伸過(guò)程中參雜劑和PSS之間氫鍵的斷裂/重組和分子鏈的重排耗散了拉伸應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，減少了機(jī)械約束力和拉伸/壓縮過(guò)程中的脫離風(fēng)險(xiǎn)。在皮膚替代物上的拉伸測(cè)試和普適的力學(xué)模型也證實(shí)了電極在拉伸和回彈過(guò)程中的抗脫落性能。

圖2. 電極抗脫落性能驗(yàn)證

  電極較高的電導(dǎo)率、可拉伸性能和較低的楊氏模量、厚度使其能夠使其高保真的獲取生理電信號(hào)。連續(xù)獲取的肌電信號(hào)的信噪比高達(dá)35.23 dB，并且在12 h后沒(méi)有下降，證實(shí)了電極長(zhǎng)期貼附穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)獲取的不同手指彎曲的肌電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確度可達(dá)到93%。腦電信號(hào)和皮膚交感神經(jīng)活動(dòng)的成功采集表明了電極能夠采集微弱的生理電信號(hào)及抗身體活動(dòng)干擾的能力。另外，眼電信號(hào)的采集和分類后可用于飛機(jī)方向的控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖3. 肌電信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)及不同手指彎曲的識(shí)別

圖4. 微弱生理電信號(hào)的監(jiān)測(cè)及人機(jī)交互界面

  相關(guān)工作以“Delamination-Resistant Imperceptible Bioelectrode for Robust Electrophysiological Signals Monitoring”為題發(fā)表在《ACS Materials Letters》上，文章第一作者為南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院博士生唐文杰，教師周宇軒、余善成，碩士生陳士晟。通訊作者為胡本慧教授。該成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和江蘇省特聘教授項(xiàng)目等資助。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.1c00353