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濟南大學趙松方/山東大學李陽/延世大學Jong-Hyun Ahn院士 AS：兼具低阻抗和皮膚共形能力的多功能表皮電極的制造方法

2023-11-29 來源：高分子科技

表皮電子器件在健康監測、疾病診斷及人機交互等領域的重要性日益凸顯。要獲得高質量的生理和生化信號，理想的表皮電極應具有高伸縮性、優異的機電穩定性、低阻抗、生物相容性和共形能力以便與皮膚大面積的集成。盡管在建立與皮膚共形的三維界面上有很多優秀的工作，由于各種加工工藝的不兼容，理想電極的制備仍然極具挑戰。合理選擇先進材料和微納結構對制備高質量表皮電極至關重要。

近期，濟南大學趙松方教授團隊、山東大學李陽教授團隊聯合延世大學Jong-Hyun Ahn院士團隊開發了一種高導電率、低阻抗、良好皮膚順應性的表皮電極。制備的電極顯示出優異的耐水/運動干擾性，在各種條件下（如汗液、濕潤和運動）都具有較低的界面阻抗和噪聲。即使在水沖洗和超聲波清洗后，電極也可監測到高質量的生物電信號。這些突出的優點使具有Kirigami結構的PEDOT：PSS/PVA/Ag NWs/PU電極能夠實時監測人體運動，并記錄各種條件下的表皮生物電信號，如心電圖、肌電圖和眼電圖，并控制外部電子設備，從而促進人機交互。相關工作以“Kirigami-Structured, Low-Impedance, and Skin-Conformal Electronics for Long-Term Biopotential Monitoring and Human–Machine Interfaces”為題發表在《Advanced Science》期刊上。

DMSO、PVA分別摻入PEDOT：PSS中改善PEDOT:PSS薄膜的電性能和機械性能；Ag NWs沉積在PEDOT：PSS/PVA薄膜上，實現組織中離子電流和記錄設備中電子電流的高效耦合過程；引入Kirigami結構，提高薄膜的拉伸性；然后轉移到PU膠帶上，使其更好地貼附皮膚。PEDOT：PSS可通過大共軛結構和離子對轉移電子和離子，而Ag NW可以轉移電子，PEDOT：PSS/PVA薄膜可為離子和電子傳輸提供雙重轉移途徑，從而實現更高效的生物電信號傳導和采集。PEDOT：PSS/PVA薄膜和Ag NWs之間很強的界面相互作用可防止Ag NW在應用過程中分離，并增強組分之間的離子/電子傳輸（圖1）。

圖1 Kirigami結構的表皮電極的制備和結構表征

在電極具有良好的拉伸性、導電性、電化學性能以及生物相容性的基礎上，對其機電性質和皮膚接觸阻抗進行測試，來衡量電極是否具有長期監測人體運動和記錄高保真生物電位的潛力（圖2）。電極受到拉伸時電阻變化規律穩定、具有循環穩定性和耐久性，可用作可拉伸電極和應變傳感器；電極通過獨特的Kirigami結構、高效的離子-電子雙傳導路徑和PU封裝的協同效應，實現了優異的電化學性能和低界面阻抗，具有采集和傳輸高質量生物電信號的潛力。

圖2 Kirigami結構的表皮電極的機電和電化學性能。

制備的表皮電極具有高拉伸性、優異的保形附著力和明顯的拉伸應變電阻變化，即使在大變形下也具有檢測人體大運動的能力，而不會因與皮膚的共形接觸而產生運動偽影（圖3）。由于具有高電導率、低界面阻抗和高電荷存儲容量等特點，Kirigami結構的表皮電極被用作可穿戴干電極來檢測電生理信號。該電極可以在不同極端條件下長期、穩定的監測心電信號（圖4）；可記錄高質量的肌電信號、眼電信號、腦電信號（圖5）。