心電（ECG）、肌電（EMG）和腦電（EEG）等生物電信號(hào)是反映人體健康狀況的重要生理指標(biāo)。可穿戴電極是準(zhǔn)確檢測這些生物電信號(hào)的重要設(shè)備，尤其是在日常生活中針對心臟疾病的長期或持續(xù)性監(jiān)測。目前臨床普遍使用是一次性的Ag/AgCl凝膠電極，由于溶劑揮發(fā)導(dǎo)致的信號(hào)衰變和電解質(zhì)刺激皮膚等問題，這類凝膠電極不適合長期穩(wěn)定檢測生物電信號(hào)。干電極是一種適于長期檢測生物電信號(hào)的穿戴式電極，但在文獻(xiàn)里報(bào)道的干電極與皮膚之間的貼合性較差，尤其是在身體運(yùn)動(dòng)和皮膚出汗等狀況下，造成明顯的信號(hào)噪音和運(yùn)動(dòng)偽像干擾，限制了干電極的實(shí)際性能。
針對這一問題，新加坡國立大學(xué)歐陽建勇教授課題組和任洪亮教授課題組合作，在世界上首次研發(fā)了可拉伸，自粘附和高電導(dǎo)的導(dǎo)電高分子并且證明它們可用為高效的生物干電極（PWS干電極）。該材料由生物可相容的高分子和有機(jī)分子構(gòu)成，同時(shí)具有高導(dǎo)電性（>390?S/cm）和高拉伸性(斷裂伸長率>43%)，能夠貼敷于細(xì)微的皮膚紋路，牢固的粘附在干甚至濕皮膚表面，即使在皮膚拉伸變形、震動(dòng)等狀態(tài)下，PWS干電極基本不脫落。PWS干電極還表現(xiàn)出拉伸應(yīng)變不靈敏的特點(diǎn)（440次拉伸循環(huán)后電阻變化<?6.5%）。
圖1.?PWS干電極的制備材料(a)、制備過程及其表皮生物電信號(hào)檢測應(yīng)用(b)。
圖2.?PWS的微觀結(jié)構(gòu)及其拉伸、電學(xué)性能。a, b?PWS干電極薄膜表面的原子力顯微鏡相圖；c?PWS干電極薄膜表面的原子力顯微鏡3D形貌；PWS薄膜的拉伸性能（d）和導(dǎo)電率（e）隨著PEDOT：PSS含量的變化；f?440次循環(huán)拉伸（30%應(yīng)變）過程中PWS薄膜的電阻變化。
圖3.?PWS薄膜的粘附性能。a?承載250g重物的PWS薄膜牢固粘附在ITO玻璃，構(gòu)成穩(wěn)定的導(dǎo)電回路；b PWS薄膜牢固粘附在光滑、帶毛發(fā)皮膚、濕潤皮膚以及拉伸變形的皮膚表面；c?PWS薄膜緊密貼合于皮膚復(fù)制物表面的微細(xì)紋路；d?將PWS薄膜按壓貼敷于皮膚復(fù)制物表面，揭下的PWS薄膜可復(fù)制出皮膚紋路；e?PWS薄膜在皮膚或基底表面的粘附力測試；f?PWS薄膜在干、濕皮膚、玻璃及豬皮表面的粘附力。
與文獻(xiàn)中的干電極和商業(yè)化的凝膠電極相比，PWS干電極具有較低的皮膚接觸阻抗（82 KΩ?cm2@10?Hz）和優(yōu)異的穩(wěn)定性，在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢測過程中產(chǎn)生的信號(hào)噪音極低，可以實(shí)現(xiàn)在干、濕皮膚以及身體運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜狀況下高分辨檢測心電、肌電以及腦電等信號(hào)。而且，可以作為新型人機(jī)界面交互式電子皮膚，利用肌電信號(hào)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制機(jī)械手臂精確運(yùn)動(dòng)。
圖4. PWS干電極檢測心電信號(hào)性能。a,?b?PWS干電極檢測心電的貼敷位置；c?PWS干電極（藍(lán)色）和商業(yè)化Ag/AgCl凝膠電極（紅色）檢測的心電信號(hào)；d?PWS干電極檢測的心電脈沖圖譜（頻率0-45Hz）；e,?f粘附性PWS干電極、輕微粘附PW干電極和不粘的PEDOT薄膜電極在震動(dòng)皮膚表面測試心電信號(hào)。
通過與新加坡國立醫(yī)院的Raymond Seet教授的合作，他們深入研究了PWS干電極在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用性能。針對患有心房纖維性顫動(dòng)疾病的高齡病人，PWS電極可以有效檢測到病人的心律不齊及心電P波異常缺失等癥狀。另外，利用PWS干電極能夠快速準(zhǔn)確檢測出病人肱二頭肌持續(xù)性收縮，以及肱二頭肌肌腱應(yīng)激反應(yīng)過程中的肌電信號(hào)，用于協(xié)助肌肉神經(jīng)康復(fù)的診斷和治療，表現(xiàn)出優(yōu)異的臨床應(yīng)用性能。
圖5.?PWS干電極檢測肌電和腦電信號(hào)。a PWS干電極檢測肌電信號(hào)并利用肌電遠(yuǎn)程控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)；b?PWS干電極檢測不同手指運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的肌電信號(hào)；c?三維結(jié)構(gòu)PWS干電極穿過頭發(fā)檢測后腦頭皮的腦電信號(hào)。
該成果以“Fully organic compliant dry electrodes self-adhesive to skin for long-term motion-robust?epidermal biopotential monitoring”為題發(fā)表在《NATURE COMMUNICATIONS》。通訊作者是歐陽建勇教授和任洪亮教授，第一作者是張磊博士和Kirthika?Senthil Kumar。
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