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    西安交通大學(xué):高滲透性、黏附和長(cháng)時(shí)間耐用性的仿樹(shù)蛙腳蹼的可穿戴柔性電極

    更新時(shí)間:2024-06-14      點(diǎn)擊次數:54


    近年來(lái),隨著(zhù)生理電信號在輔助醫療、科學(xué)訓練及神經(jīng)科學(xué)研究等的領(lǐng)域的不斷深入和廣泛應用,可穿戴柔性電極成為了眾多學(xué)者的研究焦點(diǎn)。非侵入式柔性電極能夠將人體內部的離子電信號轉換為電子元器件可讀取的電子信號,成為了連接這兩者的橋梁。然而如何實(shí)現高質(zhì)量信號的采集、實(shí)現不同皮膚狀態(tài)下的長(cháng)時(shí)間穩定粘附及提高長(cháng)時(shí)間穿戴舒適性,是阻礙柔性電極應用的研究難點(diǎn)。盡管已有研究團隊提出了許多能提高粘附力與增加透氣性的結構,但仍舊難以實(shí)現穩定粘附性、低界面阻抗和高透氣性的有機統一。因此,開(kāi)發(fā)一款兼具高透水透氣性和粘附穩定性的柔性電極十分必要。


    近期,西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團隊提出了一種仿樹(shù)蛙腳蹼的非侵入式柔性可穿戴電極,用于生理電信號的長(cháng)時(shí)間連續監測。該柔性電極是使用摩方精密nanoArch® S130(精度:2μm)高精度3D打印設備加工模具后使用導電復合材料翻模制備而成。相關(guān)研究成果以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability"發(fā)表在《Advanced Materials》上,西安交通大學(xué)蘭天翔博士為論文的第一作者,西安交通大學(xué)邵金友教授和田洪淼教授為共同通訊作者。


    圖1 設計靈感來(lái)源及結構展示。 (A)仿生靈感來(lái)源,(B)電極結構示意,(C)相較于普通平膜的優(yōu)勢。


    該柔性電極的設計靈感來(lái)源于紅蹼樹(shù)蛙腳蹼表面的分散六邊形柱狀結構及深層的粘液腺。六邊形分散柱狀結構可以將大液橋分散為多個(gè)小液橋,從而大幅提高樹(shù)蛙腳蹼與各種表面之間的粘附力;分布于六邊形柱狀結構間隙的粘液腺,則可使得粘液在樹(shù)蛙腳蹼間均勻分散,這兩種結構共同實(shí)現了樹(shù)蛙在多種表面的穩定黏附。


    結合此兩種結構,本文設計了一種兼具高透水透氣性、穩定粘附性及長(cháng)時(shí)間耐用性的柔性可穿戴電極。該電極可分為上下兩層:下層為分散柱狀結構,有利于實(shí)現高效而穩定的電極-皮膚界面接觸(接觸面積/總面積相較于平膜提升了近一倍)、低界面阻抗(面積標準化阻抗與商用Ag/AgCl凝膠電極相近)及穩定附著(zhù)(在干/濕條件下的粘附力相較于無(wú)結構電極提升了2.79/13.16倍);上層為參照鳥(niǎo)喙和粘液腺設計的改進(jìn)錐孔結構,有利于實(shí)現人體皮膚表面排泄物定向搬運,從而提高了該電極的透水透氣性(正向透氣性相較于棉紡織物提升近12倍,透水性相較于3M醫用敷料提升了40倍以上)。該仿生電極在粘附穩定性、透水透氣性和耐用性等方面都具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。


    首先,研究團隊通過(guò)理論推導和仿真計算的方式得到了錐孔結構設計的合適參數區間,并將該結構的設計與電極底面分散柱狀結構的設計解耦,大幅降低了分散柱狀結構設計的復雜度。


    底面離散化結構除了能實(shí)現高效而穩定的界面接觸之外,還能有效降低汗腺的被堵塞率,從而避免排泄物的局部堆積導致的粘附效果降低。為此,研究團隊采用圖像處理技術(shù)及離散優(yōu)化設計方法,量化計算了全部三種可單一平面密鋪正多邊形柱狀結構在不同尺寸參數下的最大汗腺堵塞率(最大堵塞率越小代表該電極在濕潤條件下的粘附越可靠)及理論有效面積(該值會(huì )影響接觸阻抗進(jìn)而影響采集的信號質(zhì)量),并在綜合考慮這兩者之間的矛盾關(guān)系后,制造了優(yōu)化設計的柔性可穿戴電極。


    圖2 結構優(yōu)化設計。 (A)錐孔優(yōu)化設計,(B)分散柱狀機構可大幅降低汗腺的被堵塞率,(C)分散柱狀結構尺寸參數,(D) 六邊形柱狀結構的最大汗腺堵塞率(E)不同形狀及尺寸的分散柱狀結構的未堵塞率和理論接觸面積。


    在設計完成電極的微觀(guān)結構之后,研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)技術(shù)加工了具有良好一致性的樹(shù)脂模具,并通過(guò)模塑工藝制造出了仿生電極和只含有錐孔的電極(對比組)。仿生電極相較于對比組的干/濕粘附力提升了2.79/13.16倍,實(shí)現了在干/濕環(huán)境下的穩定附著(zhù)。


    圖3 微觀(guān)形貌表征。 (A)錐孔模板,(B)只含錐孔的電極,(C)分散柱狀結構模板,(D) 仿樹(shù)蛙腳蹼電極(E)仿樹(shù)蛙腳蹼電極截面輪廓,(F)粘附力表征。


    之后,研究團隊還測試了該仿生電極的正向和逆向水蒸氣透過(guò)率,該電極的正向/逆向水蒸氣透過(guò)率相較于棉織物提升了近12/6倍,實(shí)現了較好的透氣性能。


    圖4 單向輸水性及水蒸氣透過(guò)率表征。 (A)各種結構的表面接觸角變化,(B)各種結構表面接觸角隨時(shí)間的變化關(guān)系,(C)水蒸氣透過(guò)率測試,(D) 仿生電極與多種常見(jiàn)織物的水蒸氣透過(guò)率對比。


    最后,研究團隊采集了多種生理電信號,并對其進(jìn)行了分析。該仿生電極采集出的生理電信號質(zhì)量可與商用Ag/AgCl凝膠電極相媲美,并且長(cháng)時(shí)間使用下安全性和穩定性性均優(yōu)于商用Ag/AgCl凝膠電極。相較于已報道文獻,本文所提出的仿生電極在機械性能、電學(xué)性能及電極性能方面表現出優(yōu)異的均衡性能。


    圖5 多種生理電信號的測試與性能對比。 (A)長(cháng)時(shí)間心電信號的測量及信號分析,(B)睜眼及閉眼時(shí)腦電信號的采集與分析,(C)肌電信號的采集與分析,(D) 仿生電極與多種電極的綜合性能對比。


    綜上所述,本研究提出的基于樹(shù)蛙腳蹼的仿生電極可以實(shí)現在干/濕皮膚表面的穩定粘附,且兼具高透水透氣性、長(cháng)時(shí)間穿戴舒適性及穩定的低接觸阻抗等優(yōu)點(diǎn),有望促進(jìn)生理電信號長(cháng)時(shí)間持續檢測的廣泛應用。


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