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

            閱讀:645      發(fā)布時間:2024-6-14
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            近年來,隨著生理電信號在輔助醫(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。非侵入式柔性電極能夠?qū)⑷梭w內(nèi)部的離子電信號轉(zhuǎn)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。然而如何實現(xiàn)高質(zhì)量信號的采集、實現(xiàn)不同皮膚狀態(tài)下的長時間穩(wěn)定粘附及提高長時間穿戴舒適性,是阻礙柔性電極應(yīng)用的研究難點。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(jié)構(gòu),但仍舊難以實現(xiàn)穩(wěn)定粘附性、低界面阻抗和高透氣性的有機統(tǒng)一。因此,開發(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、田洪淼團隊提出了一種仿樹蛙腳蹼的非侵入式柔性可穿戴電極,用于生理電信號的長時間連續(xù)監(jiān)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(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)計靈感來源及結(jié)構(gòu)展示。 (A)仿生靈感來源,(B)電極結(jié)構(gòu)示意,(C)相較于普通平膜的優(yōu)勢。


            該柔性電極的設(shè)計靈感來源于紅蹼樹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小液橋,從而大幅提高樹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,則可使得粘液在樹蛙腳蹼間均勻分散,這兩種結(jié)構(gòu)共同實現(xiàn)了樹蛙在多種表面的穩(wěn)定黏附。


            結(jié)合此兩種結(jié)構(gòu),本文設(shè)計了一種兼具高透水透氣性、穩(wěn)定粘附性及長時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結(jié)構(gòu)電極提升了2.79/13.16倍);上層為參照鳥喙和粘液腺設(shè)計的改進錐孔結(jié)構(gòu),有利于實現(xiàn)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(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。


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


            底面離散化結(jié)構(gòu)除了能實現(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,研究團隊采用圖像處理技術(shù)及離散優(yōu)化設(shè)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(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條件下的粘附越可靠)及理論有效面積(該值會影響接觸阻抗進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(shè)計的柔性可穿戴電極。


            圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 (A)錐孔優(yōu)化設(shè)計,(B)分散柱狀機構(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)計完成電極的微觀結(jié)構(gòu)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脂模具,并通過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) 仿樹蛙腳蹼電極(E)仿樹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率,該電極的正向/逆向水蒸氣透過率相較于棉織物提升了近12/6倍,實現(xiàn)了較好的透氣性能。


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


            最后,研究團隊采集了多種生理電信號,并對其進行了分析。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,并且長時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(xiàn)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)長時間心電信號的測量及信號分析,(B)睜眼及閉眼時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蛙腳蹼的仿生電極可以實現(xiàn)在干/濕皮膚表面的穩(wěn)定粘附,且兼具高透水透氣性、長時間穿戴舒適性及穩(wěn)定的低接觸阻抗等優(yōu)點,有望促進生理電信號長時間持續(xù)檢測的廣泛應(yīng)用。


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