重庆大学、新加坡国立大学&俄罗斯科学院等交叉研究成果IM：用于表皮生理电信号检测且可与皮肤保形接触的自粘附生物相容性干电极材料

X. Lin, Z. Ou, X. Wang, C. Wang, Y. Ouyang, I. M. Mwakitawa, F. Li, R. Chen, Y. Yue, J. Tang, W. Fang, S. Chen, B. Guo, J. Ouyang, T. Shumilova, Y. Zhou, L. Wang, C. Zhang, K. Sun. Self-adhesive and biocompatible dry electrodes with conformal contact to skin for epidermal electrophysiology. Interdiscip. Mater. 2024; 3(5): 775-790. doi: 10.1002/idm2.12198

生物电信号是指可从人体等生物体表面测量获得的基本生理电信号，主要包括肌电图(EMG)、心电图(ECG)和脑电图(EEG)等，这些信号的特点是幅值较小、频率较低。生物电极通过与皮肤形成可靠的生物电子界面，能够有效获取这些生理电信号，为疾病的早期检测、预防、诊断和治疗提供重要手段。目前常用的生物电极包括凝胶电极和干电极两种类型。其中，凝胶电极由于具有优异的机械柔顺性和较低的制作成本，已在临床诊断领域得到广泛应用。然而，凝胶与皮肤长时间接触会产生刺激，且凝胶在使用过程中会逐渐脱水，导致信号质量下降。因此，干电极被认为更适合于长期监测生物电信号。聚(3，4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)具有良好的生物相容性、可调节的机械刚度和导电性等优点，是制备柔性电极的理想材料。但原始PEDOT:PSS缺乏拉伸性和粘附性，难以满足生物电极使用的性能要求。

为解决这一挑战，本研究采用一步掺杂法，在PEDOT:PSS中引入生物质羟基化合物麦芽糖醇作为二次掺杂剂和增塑剂，获得了具有优异综合性能的复合自支撑生物电极(PM)。引入麦芽糖醇促进了PEDOT结构改变和PEDOT/PSS相分离，使PM材料的电导率提高到102 S/cm。PM电极最大断裂伸长率高达62%，超过人体皮肤的极限形变能力，且具有良好的机械循环稳定性，这主要是因为麦芽糖醇与PSS形成氢键，破坏了PEDOT:PSS中PSS与PSS的氢键，从而改善力学性能。PM电极与猪皮的最大粘附力高达0.46 N/cm，源于麦芽糖醇与皮肤蛋白质间的氢键作用。PM电极的低杨氏模量(7 MPa)有利于与皮肤形成紧密贴合。以上性能的协同改善使PM电极与皮肤界面阻抗(100 Hz时为48.2 kΩ cm²)低于商用Ag/AgCl凝胶电极(190 kΩ cm²)。进一步对EMG、ECG和EEG等生物电信号的静动态测试表明，所报道的柔性PM干电极比Ag/AgCl凝胶电极具有更高的信号质量。临床试验也证实了PM干电极长期使用的信号稳定性。该研究提出的超柔顺、自粘附和导电的PM自支撑干电极，推动了表皮电子学的发展。

图1 PM薄膜的制备示意图。(A) 聚(3，4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)和麦芽糖醇的化学结构。(B) PM膜的制备方法。(C) PM干电极在肌电图(EMG)、心电图(ECG)和脑电图(EEG)中的应用。

图2 M-PEDOT薄膜的电学性能及表征结果。(A) 掺杂不同浓度麦芽糖醇的M-PEDOT薄膜在水冲洗处理前后的电导率变化。(B) 原始PEDOT:PSS和10 wt% M-PEDOT薄膜在1200–1700 cm^-1的拉曼位移范围内的拉曼光谱对比。(C) 10 wt% M-PEDOT薄膜在水冲洗前后的紫外可见吸收光谱图。(D) 原始PEDOT:PSS和(E) 水冲洗后10 wt% M-PEDOT薄膜的AFM相位图，所有扫描区域均为2×2 µm。(F) 自支撑M-PEDOT膜和PM膜的电导率值。误差棒表示三个测量样本的标准差。

图3 PM膜的力学性能表征结果。(A) 掺杂不同浓度麦芽糖醇的PM薄膜(厚度50 μm)的应力-应变曲线。(B) PM薄膜的断裂伸长率、拉伸强度和杨氏模量与麦芽糖醇浓度的关系。误差棒由三个样品测试得到。(C) 将PM薄膜的应变能力和杨氏模量与之前报道的改性PEDOT:PSS进行对比。(D) 10 wt% PM薄膜在第一次拉伸过程中的归一化电阻与应变曲线的关系。(E) 在最大应变30%的条件下，PM膜经历500次拉伸循环的应力-应变曲线，和(F) 归一化电阻R/R₀的变化曲线，插图为460–490循环时R/R₀的放大视图，拉伸速率为50 mm/min。(G)和(H)分别为PSSH-PSSH和PSSH-麦芽糖醇的低能量优化结构。(I) 示意图展示了麦芽糖醇与PSSH之间氢键相互作用的原理。

图4 PM膜的粘附性能结果。(A) 采用标准90度剥离试验(ASTM D2861)测量PM膜在皮肤或玻璃表面的界面附着力。(B) 测试了掺杂不同浓度麦芽糖醇的PM膜在猪皮上的附着力。(C) PM膜粘附力与掺杂的麦芽糖醇浓度的对应关系，误差条来自三个测量样品。(D) PM膜在弯曲手腕、手腕伸展、光滑皮肤和有毛发皮肤等不同情况下的优异粘附性能。(E) 负载200 g重量的PM膜可以牢固地附着在ITO玻璃上，并点亮连接的LED灯泡。(F)PM膜和Ag/AgCl凝胶电极分别贴于皮肤24小时后撕除的照片对比。

图5 PM膜的生物相容性测试。(A) 实验处理示意图。(B) 血清生化指标(丙氨酸转氨酶[ALT]、转氨酶[AST]、血尿素氮[BUN]、肌酐[CRE])。(C) 苏木精-伊红(H&E)染色主要脏器(心、肝、脾、肺、肾)切片。

图6 使用PM干电极测量肌电图(EMG)和心电图(ECG) 的结果。(A) 干燥和出汗皮肤条件下，PM干电极和Ag/AgCl凝胶电极的阻抗谱对比。(B) 在不同握力水平下，PM电极和Ag/AgCl凝胶电极采集的肌电信号对比。(C) 不同握力状态下，两种电极测得的肌电信号相对变化对比。(D) PM干电极和商用Ag/AgCl凝胶电极采集的心电图信号对比。(E) 在运动过程中，PM干电极和Ag/AgCl凝胶电极采集的心电信号及其对应的均方根噪声值对比。(F) PM干电极连续24小时监测心电图的结果，以及(G) 对应的均方根噪声变化曲线。

图7 PM干电极进行脑电图检测的结果。PM干电极在眨眼(A) 时采集的脑电信号(B)和在声音刺激(C) 时识别的脑电伪迹信号(D)。(E) 闭眼状态下PM干电极记录的脑电图信号。(F) 脑电信号的功率谱密度(PSD)。

Tatyana Shumilova

孙  宽

重庆大学能源与动力工程学院副院长、博士生导师，低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室副主任。长期从事可再生能源高效利用原理及技术的研究，具有多年的材料设计和器件构筑经验。累计发表SCI论文160余篇，被引用15000余次，H因子61，入选科睿唯安高被引学者等榜单。担任Elsevier国际期刊 DeCarbon 执行副主编、Materials Reports: Energy 副主编、EI期刊《材料导报》执行编委、SmartMat 青年编委以及 Science 等61本期刊审稿人。

周永利

重庆大学能源与动力工程学院教师、工程师。主要从事有关热工及材料测试方面的教学和科研工作。发表SCI论文5篇，教改论文8篇，申请发明专利10项，申请软件著作权3项。主持承担教改项目5项；获得教学成果奖两项；2016年开发完成的“能源动力工程伦理仿真器”获得高等学校国家级实验教学示范中心联席会一等奖，重庆市教育科学研究院优秀教改论文三等奖1项。参与编写《高等学校实验教学典型案例汇编》两例。

王  亮

重庆医科大学附属第一医院神经内科副主任医师、副教授、神经病学博士、硕士研究生导师。重庆市中青年医学高端人才，瑞典卡罗林斯卡医学院访问学者。任中华医学会神经病学分会神经重症协作组委员，重庆市脑损伤评估质控中心秘书。从事神经重症及癫痫持续状态、癫痫相关研究。以第一作者及通讯作者发表SCI论文15篇。主持国家自然科学基金、重庆市科委联合、重庆市博士后 、留学创业基金等项目8项。

张承武

山西医科大学基础医学院教授，博士生导师。主要研究方向为中枢神经退行性疾病、脑胶质瘤相关研究，生物标志物荧光探针和纳米药物的设计与开发，主持山西省科技厅一带一路项目、山西省自然科学基金面上项目、山西省博士启动基金、中烟安徽省重点实验室开放课题等项目。在 Antioxidants、ACS Applied Materials & Interfaces、Molecular Neurobiology 等期刊上发表多篇论文。

林晓雪

重庆大学能源与动力工程学院2021级在读博士研究生，研究方向为导电高分子及其在生物电极领域的应用研究。