可穿戴生理信號檢測設(shè)備被廣泛地應(yīng)用于健康監(jiān)測、疾病早期診斷、運動管理等領(lǐng)域。現(xiàn)有的商用產(chǎn)品可檢測多種體征信號，包括心電（ECG）等電生理信號，并實現(xiàn)日常生活或運動中的實時監(jiān)測，然而這些商用產(chǎn)品以及研究中所報道的可拉伸電極都未考慮在水下使用的情況。
隨著生活條件的提高，越來越多人開始參加游泳、潛水等水下活動，而在水中身體出現(xiàn)不適所帶來的危險遠高于在陸地上，尤其是突發(fā)心臟病的情況，病人會失去活動能力和呼救能力，很快溺水身亡。
實現(xiàn)水下的ECG實時監(jiān)測可以減少這類的風(fēng)險，ECG波形的變化可用于對心臟疾病的判斷和預(yù)警，所得心率數(shù)據(jù)也可用于監(jiān)測其他突發(fā)身體狀況，或水下運動的記錄與管理，因此實現(xiàn)ECG的水下監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。在水下進行ECG的監(jiān)測需要電極同時具備水下黏附、對水的穩(wěn)定性、以及交流導(dǎo)電性，為了在運動過程中也能取得穩(wěn)定的信號，這些電極還要可與皮膚共形拉伸，同時符合這些條件的電極還未有報道。
【成果】
為了實現(xiàn)ECG的水下監(jiān)測，新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授和天津大學(xué)楊輝教授在Advanced Materials發(fā)表題目為“Water-Resistant Conformal Hybrid Electrodes for Aquatic Endurable Electrocardiographic Monitoring”的研究文章，第一作者為新加坡南洋理工大學(xué)的姬少博。研究人員利用疏水的金/聚二甲基硅氧烷（Au/PDMS）膜作為基底，設(shè)計合成了可實現(xiàn)水下黏附和導(dǎo)電的聚合物，將二者結(jié)合得到防水可拉伸電極并實現(xiàn)了游泳過程中的ECG監(jiān)測。
Au/PDMS體系具有良好的拉伸導(dǎo)電性和對水的穩(wěn)定性，然而由于其疏水性質(zhì)，Au/PDMS膜在水存在的情況下無法與皮膚黏附，不能使用。
為了將其應(yīng)用于水下監(jiān)測，研究者為其設(shè)計了水下黏附層。黏附層的引入會為電極-皮膚界面帶來額外的電阻（圖1A）,為了使電生理信號（交流，如心電信號主要檢測范圍~0.5– 100 Hz）從皮膚傳遞到用于檢測的金層，該黏附層還必須具有一定的交流導(dǎo)電性。
為了滿足水下電極應(yīng)用的全部要求，研究者對含多巴胺高分子體系進行了改進，使用三種單體共聚得到了目標(biāo)高分子黏附層。
如圖1A所示，MEA作為主鏈不溶于水，賦予了該黏附層水穩(wěn)定性；DMA含有多巴胺基團，賦予黏附層水下黏附能力和與金層的高結(jié)合力；AA提供的羧基在水存在下可以電離，提供交流導(dǎo)電能力。
通過對照實驗，可以發(fā)現(xiàn)只有含有全部三種單體的黏附層（pDAM）才同時具備高的水下黏附力和交流導(dǎo)電性（圖1B），證實了分子設(shè)計的合理性和必要性。
將pDAM涂附于Au/PDMS的金表面，可以得到防水可拉伸電極，DAM。在與皮膚接觸后，原本平整透明的黏附層表面會出現(xiàn)圖案（圖1C），對應(yīng)于皮膚的表面結(jié)構(gòu)，說明該黏附層可根據(jù)皮膚表面發(fā)生形變，實現(xiàn)共形黏附，帶來更高的黏附力和穩(wěn)定性。
如圖2A所示，通過在手臂皮膚上的對比，可以看出商用凝膠電極在水下皮膚形變時會馬上脫落，而DAM防水可拉伸電極則會隨皮膚形變并保持黏附于皮膚上，證實了DAM在水下運動過程應(yīng)用的可能性。通過在表面具有仿皮膚結(jié)構(gòu)的PDMS基底（彈性模量~80kPa，與皮膚相似）上進行測量，可以發(fā)現(xiàn)在空氣中DAM具有與商用電極相近的黏附力，而在水中商用電極會失去其黏附力，DAM則幾乎不受水的影響（圖2B），證實了其水下黏附能力。
同時由于DAM的共形黏附和水穩(wěn)定性，它可以穩(wěn)定的黏附于仿皮膚PDMS基底；而商用凝膠電極會明顯溶脹，在靜態(tài)放置的條件下也會于50分鐘內(nèi)脫落（圖2C）。這是由于皮膚表面結(jié)構(gòu)與非共形黏附的商用凝膠電極之間會產(chǎn)生空隙，水可以滲入界面與凝膠接觸使其溶脹。水滲入電極-皮膚界面還會導(dǎo)致電學(xué)性質(zhì)的變化，影響信號檢測的穩(wěn)定性和可靠性（圖2D）。與商用凝膠電極相比，DAM表現(xiàn)出了高水下黏附，高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，和高電學(xué)穩(wěn)定性。此外，將黏附于仿皮膚PDMS基底的DAM放入水中以300rpm的速度連續(xù)攪拌24小時后仍不會脫落，其黏附能力和電學(xué)性質(zhì)不會發(fā)生明顯變化，進一步證實了其穩(wěn)定性。
由于良好的黏附性和穩(wěn)定性，DAM可黏附于皮膚并進行連續(xù)的ECG監(jiān)測，所得信號在1小時后仍保持穩(wěn)定（圖3A），相比之下商用電極靜態(tài)放置時在20分鐘內(nèi)便會從皮膚脫落，無法用于長時間的監(jiān)測。此外，在不同條件的水下監(jiān)測中（圖3B），DAM所收集的信號都具有比商用凝膠電極更高的穩(wěn)定性（圖3C）。
而在泳池中，貼附于預(yù)處理的干燥皮膚上的商用凝膠電極會于8分鐘內(nèi)脫落，貼附于未處理的濕皮膚上時則會于30秒內(nèi)脫落，進入泳池后則無法貼附于皮膚；而DAM電極即使是進入泳池后在進行貼附，也可保持黏附并穩(wěn)定工作40分鐘以上。研究者將DAM電極與可穿戴ECG檢測設(shè)備相結(jié)合，得到了可穿戴水下ECG監(jiān)測系統(tǒng)（圖4A）。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)游泳過程中連續(xù)的ECG監(jiān)測，所得信號可以保持穩(wěn)定（圖4B,C）。所得的ECG波形可用于判斷心臟的狀況，用于心臟疾病預(yù)警等應(yīng)用；同時從ECG中可以得到心率數(shù)據(jù)，也可用于健康管理和運動管理等領(lǐng)域。
【小結(jié)】
研究人員利用疏水的可拉伸Au/PDMS作為基底，設(shè)計合成了可水下黏附且離子導(dǎo)電的高分子黏附層，得到了防水的可拉伸電極。這些電極具有穩(wěn)定的水下黏附能力和電學(xué)性質(zhì)，可在皮膚上實現(xiàn)水下心電信號的長時間實時監(jiān)測，所得信號在運動和水流沖擊的條件下都可以保持很高的穩(wěn)定性。該電極在使用過程中無需保護，可直接暴露于水環(huán)境中，與可穿戴設(shè)備結(jié)合后可用于游泳過程中的實時心電監(jiān)測，所得數(shù)據(jù)可用于對心臟狀況進行監(jiān)測，對運動情況進行評估和管理等。
參考文獻：
Shaobo Ji,Changjin Wan, Ting Wang, Qingsong Li, Geng Chen, Jianwu Wang, Zhiyuan Liu, HuiYang,* Xijian Liu, and Xiaodong Chen*. Water-Resistant Conformal HybridElectrodes for Aquatic Endurable Electrocardiographic Monitoring. Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202001496.
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