皮膚電極能夠貼合于皮膚表面，長時間監(jiān)測人體的電生理信號，如心電、肌電、腦電等體征信號，在遠程健康監(jiān)測、疾病早期診斷以及人類情緒管理等醫(yī)療健康領域具有應用前景?，F(xiàn)有的商業(yè)皮膚電極主要由銀/氯化銀導電電極和聚甲基丙酸甲酯類聚合物凝膠粘附層所構成，被廣泛應用于采集靜態(tài)電生理信號，無法應用于長時間動態(tài)人體電生理信號監(jiān)測。這是因為這些商業(yè)電極在此類應用中存在一些重要問題：商業(yè)電極不能夠隨皮膚形變而拉伸，導致在身體動態(tài)過程中電極-皮膚接觸界面不穩(wěn)定；此外，在長時間監(jiān)測中，皮膚出汗難以避免，汗液會降低粘附層與皮膚表面的粘附能，導致電極在皮膚表面的自由移動甚至脫落。這些問題會影響長時間動態(tài)人體電生理監(jiān)測信號的穩(wěn)定性和可靠性，特別是對心臟疾病早期診斷具有臨床診斷依據(jù)的長時間動態(tài)心電監(jiān)測。
【成果】
為了解決上述問題，新加坡南洋理工大學陳曉東教授和Yew-SoonOng教授在《ACS?Materials?Letters》發(fā)表題目為“Adhesive Bio-compositeElectrodes on Sweaty Skin for Long-term Continuous ElectrophysiologicalMonitoring”的研究文章，共同第一作者為天津大學楊輝教授和新加坡南洋理工大學的姬少博。研究人員利用原位界面聚合成功制備了在出汗皮膚表面具有高粘附的生物復合電極（CAPE），并將其應用于長時間動態(tài)電生理監(jiān)測。
文章的設計思想是基于絲素蛋白的水分響應使生物復合電極在汗液存在下可以保持高黏附能。絲素蛋白黏附層隨著含水量的增加，其楊氏模量降低至與皮膚相近從而實現(xiàn)了絲素蛋白層與皮膚的共形黏附（conformal adhesion），增強了復合電極與皮膚間的界面黏附性能。聚吡咯作為一種導電聚合物，具備阻抗低、良好的生物相容性、成本低的優(yōu)點，但不可拉伸限制了其在柔性可拉伸電極領域的應用。研究人員以預先加入絲素蛋白層中的Fe(III)離子為引發(fā)劑，引發(fā)吡咯在離子交聯(lián)的絲素蛋白凝膠表面發(fā)生界面聚合，得到了可拉伸生物復合電極。絲素蛋白黏附層與聚吡咯導電層之間通過界面聚合形成了緊密的聯(lián)鎖結構，使界面具備了互相穿插的三維網(wǎng)絡結構，這種結構將絲素蛋白凝膠層良好的拉伸性能傳遞給聚吡咯，使之具有延展性，實現(xiàn)力學性能相互兼容，保證了電極的均勻拉伸性，且在典型的皮膚形變30%的應變下保持良好的電穩(wěn)定性。
生物復合電極的高黏附性能，可拉伸性，和良好的導電性，使其可以在人體運動過程中出汗狀態(tài)下穩(wěn)定地記錄動態(tài)電生理信號，且其靈敏度高于商用凝膠電極，可用于人體長期動態(tài)電生理信號監(jiān)測。另外，柔性可拉伸電極復合電極在皮膚變形時與皮膚完美貼合，表現(xiàn)出與皮膚的高度共形性和保角接觸性，在皮膚變形較大的肘部運動時也能穩(wěn)定黏附在人體表皮。
研究人員還向我們展示了復合電極監(jiān)測人體動態(tài)生理信號的各種應用：如應用于心電圖的測量，可用于早期診斷潛在冠心??；用于體育管理，監(jiān)測運動時的心率變化，為健康生活方式的科學運動安排提供參考；通過機器學習對心電圖信號進行分析用于情緒監(jiān)測；或者將復合電極應用于腦電圖的記錄，用來評估睡眠狀態(tài)等。
【小結】
研究人員通過界面聚合設計制備了一種基于絲素蛋白和聚吡咯的全聚合物柔性可拉伸電極，克服了目前開發(fā)的皮膚柔性電極在皮膚出汗時黏附性能下降、易從表皮脫離的缺陷，在出汗的皮膚表面表現(xiàn)出高黏附性能，實現(xiàn)了運動時長期的人體動態(tài)生理信號監(jiān)測，可應用于體育管理、情緒監(jiān)測、疾病診斷等領域。
參考文獻：
Hui Yang#, ShaoboJi#, Iti Chaturvedi, Huarong Xia, Ting Wang, Geng Chen, Liang Pan, Changjin Wan,Dianpeng Qi, Yew-Soon Ong*, and Xiaodong Chen* Adhesive Bio-composite Electrodeson Sweaty Skin for Long-term Continuous Electrophysiological Monitoring.?ACSMaterials Letters,?2020, 2, 478-484.
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