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西安交通大學(xué):高滲透性、黏附和長(zhǎng)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(shù):299


近年來(lái),隨著生理電信號(hào)在輔助醫(yī)療、科學(xué)訓(xùn)練及神經(jīng)科學(xué)研究等的領(lǐng)域的不斷深入和廣泛應(yīng)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?qū)⑷梭w內(nèi)部的離子電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子元器件可讀取的電子信號(hào),成為了連接這兩者的橋梁。然而如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量信號(hào)的采集、實(shí)現(xiàn)不同皮膚狀態(tài)下的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定粘附及提高長(zhǎng)時(shí)間穿戴舒適性,是阻礙柔性電極應(yīng)用的研究難點(diǎn)。盡管已有研究團(tuán)隊(duì)提出了許多能提高粘附力與增加透氣性的結(jié)構(gòu),但仍舊難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定粘附性、低界面阻抗和高透氣性的有機(jī)統(tǒng)一。因此,開(kāi)發(fā)一款兼具高透水透氣性和粘附穩(wěn)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(tuán)隊(duì)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(hào)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)。該柔性電極是使用摩方精密nanoArch® S130(精度:2μm)高精度3D打印設(shè)備加工模具后使用導(dǎo)電復(fù)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(shè)計(jì)靈感來(lái)源及結(jié)構(gòu)展示。 (A)仿生靈感來(lái)源,(B)電極結(jié)構(gòu)示意,(C)相較于普通平膜的優(yōu)勢(shì)。


該柔性電極的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于紅蹼樹(shù)蛙腳蹼表面的分散六邊形柱狀結(jié)構(gòu)及深層的粘液腺。六邊形分散柱狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)了樹(shù)蛙在多種表面的穩(wěn)定黏附。


結(jié)合此兩種結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)了一種兼具高透水透氣性、穩(wěn)定粘附性及長(zhǎng)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(jié)構(gòu),有利于實(shí)現(xiàn)高效而穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)化阻抗與商用Ag/AgCl凝膠電極相近)及穩(wěn)定附著(在干/濕條件下的粘附力相較于無(wú)結(jié)構(gòu)電極提升了2.79/13.16倍);上層為參照鳥(niǎo)喙和粘液腺設(shè)計(jì)的改進(jìn)錐孔結(jié)構(gòu),有利于實(shí)現(xiàn)人體皮膚表面排泄物定向搬運(yùn),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(yī)用敷料提升了40倍以上)。該仿生電極在粘附穩(wěn)定性、透水透氣性和耐用性等方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。


首先,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論推導(dǎo)和仿真計(jì)算的方式得到了錐孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合適參數(shù)區(qū)間,并將該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與電極底面分散柱狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)解耦,大幅降低了分散柱狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。


底面離散化結(jié)構(gòu)除了能實(shí)現(xiàn)高效而穩(wěn)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(dǎo)致的粘附效果降低。為此,研究團(tuán)隊(duì)采用圖像處理技術(shù)及離散優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,量化計(jì)算了全部三種可單一平面密鋪正多邊形柱狀結(jié)構(gòu)在不同尺寸參數(shù)下的最大汗腺堵塞率(最大堵塞率越小代表該電極在濕潤(rùn)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(hào)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(shè)計(jì)的柔性可穿戴電極。


圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (A)錐孔優(yōu)化設(shè)計(jì),(B)分散柱狀機(jī)構(gòu)可大幅降低汗腺的被堵塞率,(C)分散柱狀結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),(D) 六邊形柱狀結(jié)構(gòu)的最大汗腺堵塞率(E)不同形狀及尺寸的分散柱狀結(jié)構(gòu)的未堵塞率和理論接觸面積。


在設(shè)計(jì)完成電極的微觀結(jié)構(gòu)之后,研究團(tuán)隊(duì)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(duì)比組)。仿生電極相較于對(duì)比組的干/濕粘附力提升了2.79/13.16倍,實(shí)現(xiàn)了在干/濕環(huán)境下的穩(wěn)定附著。


圖3 微觀形貌表征。 (A)錐孔模板,(B)只含錐孔的電極,(C)分散柱狀結(jié)構(gòu)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(tuán)隊(duì)還測(cè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的表面接觸角變化,(B)各種結(jié)構(gòu)表面接觸角隨時(shí)間的變化關(guān)系,(C)水蒸氣透過(guò)率測(cè)試,(D) 仿生電極與多種常見(jiàn)織物的水蒸氣透過(guò)率對(duì)比。


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


圖5 多種生理電信號(hào)的測(cè)試與性能對(duì)比。 (A)長(zhǎng)時(shí)間心電信號(hào)的測(cè)量及信號(hào)分析,(B)睜眼及閉眼時(shí)腦電信號(hào)的采集與分析,(C)肌電信號(hào)的采集與分析,(D) 仿生電極與多種電極的綜合性能對(duì)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(xiàn)在干/濕皮膚表面的穩(wěn)定粘附,且兼具高透水透氣性、長(zhǎng)時(shí)間穿戴舒適性及穩(wěn)定的低接觸阻抗等優(yōu)點(diǎn),有望促進(jìn)生理電信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)檢測(cè)的廣泛應(yīng)用。