生物電信號是人體最基本的生理信號之一，通過對生物電信號的監(jiān)測可以對多種生理疾病進(jìn)行診斷和預(yù)防。隨著微電子科技的不斷發(fā)展，越來越多的醫(yī)療科技選擇使用電極貼片與診斷設(shè)備集成，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測人體健康狀況的醫(yī)療保健系統(tǒng)，從而對于突發(fā)性強(qiáng)、致命性高的心腦血管疾病有著顯著的預(yù)防作用。

生物電監(jiān)測電極作為系統(tǒng)硬件的重要組成單元，直接與人體接觸采集生物電信號，是生物電傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件。常見的是銀-氯化銀（Ag/AgCl）凝膠電極，但由于凝膠或粘合劑會對皮膚產(chǎn)生刺激，很難用來長期監(jiān)測生物電信號。為了實(shí)現(xiàn)長效與皮膚接觸監(jiān)測的功能，生物相容性良好的干電極技術(shù)近年來得到了一定的發(fā)展。然而，由于皮膚的彈性、粗糙質(zhì)地，附加汗水、油脂、皮屑和毛發(fā)等表面特性，干電極技術(shù)在皮膚附著力、接觸阻抗、透氣性等創(chuàng)新優(yōu)化方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。

由于自然環(huán)境下目標(biāo)附著表面的復(fù)雜多樣性，依靠單一的黏附機(jī)制往往不足以提供生物體穩(wěn)定的附著和快速運(yùn)動的能力。幾乎所有具有全空間運(yùn)動能力的生物，均擁有兩種及以上的界面附著策略，且生物體型越大，越需要多種附著方式協(xié)同作用來提升界面附著力以平衡自重。生物高魯棒性的附著調(diào)控特性依賴于生物腳爪精細(xì)的跨尺度附著結(jié)構(gòu)，以及附著結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的機(jī)制之間的協(xié)同作用。

圖1 典型具有足端附著能力的生物結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)策略

基于此，南京航空航天大學(xué)姬科舉課題組在前期微針摩擦與樹蛙濕粘附協(xié)同的仿生電極（Advanced materials interfaces, 2022, 2200532）研究基礎(chǔ)之上，提出了一種兼具排汗透氣性和多機(jī)制粘附性能的健康監(jiān)測電極貼片。相關(guān)研究成果以題為“Biomimetic Patch with Wicking-Breathable and Multi-mechanism Adhesion for Bioelectrical Signal Monitoring”發(fā)表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces。

圖2 兼具排汗透氣性與多機(jī)制粘附性能的仿生電極設(shè)計(jì)

貼片的排汗透氣功能采用錐形通孔與蜂窩狀微溝槽集成設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，錐形通孔產(chǎn)生的拉普拉斯液相壓差和微溝槽的毛細(xì)力協(xié)同實(shí)現(xiàn)了汗液的自驅(qū)導(dǎo)流作用；Ag/Ni微針陣列和PDMS-t粘附材料的多機(jī)制附著一定程度上保障了電極貼片與皮膚接觸的力學(xué)穩(wěn)定性，其中，Ag/Ni微針陣列通過高度控制，形成與皮膚角質(zhì)層的接觸，在保障安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)了生物電信號采集通道的可靠性。

圖3 仿生監(jiān)測電極排汗透氣通道結(jié)構(gòu)形貌及其單向自驅(qū)導(dǎo)效果圖 仿生電極的皮膚界面阻抗測試顯示，在100 Hz以下，仿生電極的接觸阻抗低于標(biāo)準(zhǔn)Ag/AgCl凝膠電極，在監(jiān)測志愿者的EMG和ECG生物電信號應(yīng)用中，仿生電極展示出了較好的靜態(tài)和動態(tài)采集性能。這主要?dú)w因于微針陣列與皮膚高阻抗角質(zhì)層形成機(jī)械鎖合，與通孔陣列柔性聚合物粘附接觸協(xié)同作用，增強(qiáng)了仿生電極與皮膚表面的附著力，減少了運(yùn)動偽影。同時，仿生電極設(shè)計(jì)中汗液的自驅(qū)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)保障了皮膚排汗透氣的需求，具有良好的皮膚接觸生物相容性，為實(shí)現(xiàn)長效的健康監(jiān)測提供了新思路和新途徑。

圖4 仿生電極貼片切向摩擦力和法向粘附力量化測試實(shí)驗(yàn)

圖5 仿生電極貼片心電監(jiān)測性能及其與皮膚接觸的生物相容性評價 論文第一作者為南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生張遷，論文通訊作者為姬科舉副研究員，南京航空航天大學(xué)為第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、南京市醫(yī)學(xué)科技發(fā)展基金、江蘇省仿生功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c13984

審核編輯 ：李倩