用于传导生物电位和生物力学信号的表皮贴片在可穿戴健康监测中至关重要。然而，生物电极的适形能力差、粘附不足和运动伪影等缺点严重阻碍了生物电极感知稳定和高质量的生理信号。本文通过衣康酰基肼(IAH)诱导的梯度聚合制备了具有自发Janus结构的聚合物表皮贴片。单体在IAH中的溶解度差异决定了Janus结构在两侧具有不同的粘附性能。此外，IAH构建的氢键网络使聚合物具有高度的蒙皮顺应性，使其具有动态稳定的力学性能，可以承受复杂的监测环境。通过整合皮肤般的柔软性(杨氏模量≈0.16 MPa)，强大的附着力(35 kPa)和高信噪比(32 dB)，该表皮贴片在生理活动谱内显示出卓越的弹性，提供快速的电气和机械自我恢复能力，并抵抗动态信号监测(变形，压缩，湿度等)的干扰。通过展示在各种干扰下心电图记录的多方面应用，表皮贴片描绘了一种有前途的无创、持久的可穿戴生物电子接口，具有抗干扰性。
图解
方案1：IDH聚合物的设计图解。a) IA修改为IAH。b) IA和IAH的XRD谱图。c) IDH聚合物的网络结构和分子间相互作用，包括d) IAH的非共价相互作用(左)和氢键网络(右)。e) IDH聚合物两侧的SEM图像。f) DH聚合物和IDH聚合物的截面线性氮元素作图和SEM图像(黄线为扫描区域)。
图1:IDH聚合物的优化。a)拉伸应力-应变曲线，b)拉伸应力，c)拉伸模量，d)不同组分(包括HEA, DAS, IAH, IL)形成的聚合物的拉伸应变。e)拉伸应力-应变曲线，f)拉伸应力，g)拉伸模量，h)不同IAH含量形成的IDH聚合物的拉伸应变。i)拉伸应力-应变曲线，j)拉伸应力，k)拉伸模量，l)不同IL含量形成的IDH聚合物的拉伸应变。数据以平均值±SD表示(n = 3，来自独立实验)。
图2：IDH聚合物的力学特性。a)不同IAH摩尔比下的拉伸应力-应变曲线。b)不同应变下的拉伸加卸载曲线。c) 300%应变下2000次循环拉伸-释放曲线。插页显示了10个循环的循环开始和结束段。d)不同IAH含量下的压应力-应变曲线。e)不同应变下的压缩加卸载曲线。f) 20%应变下1000次循环压缩-释放曲线。插页显示了测试中的第一个和最后十个周期。g)拉伸应变增大时IDH聚合物的顺序力学响应:200%应变内的弹性回弹和200%应变以上的能量耗散。
图3：IDH聚合物的自愈性能。a) IDH聚合物的自愈机制。b) LED灯泡的照度随IDH聚合物切割和愈合的变化。c)不同愈合时间下IDH聚合物愈合过程的显微镜演化。放大后的图像为IDH聚合物骨折及愈合区域的扫描电镜图像。d)拉伸应力-应变曲线，e)拉伸应力，f)拉伸模量，g)不同时间IDH聚合物愈合的拉伸应变。h)拉伸应力与应变曲线，i)拉伸应力，j)拉伸模量，k) IDH聚合物在切割和愈合2个循环过程中的拉伸应变。数据以平均值±SD表示(n = 3，来自独立实验)。
图4：IDH聚合物的粘接性能强、牢固。a) IDH聚合物与皮肤的粘附机理。i) IDH聚合物对起皱皮肤的附着力。ii) DH(上)和IDH(下)与微结构表面的粘附。b) IDH聚合物的频率相关流变特性。c) IDH聚合物与商用医用胶带(屈臣氏、嘉德、3m四种品牌胶带)的粘接强度。在猪皮上进行90度剥离试验。d)三种测试方法(Lap-shear, Peel，张拉)在10个附着/解吸周期中，IDH聚合物与猪皮的粘附强度。e-g)不同聚合物和商用水凝胶电极(Ag/AgCl电极)在三种测试方法下的粘附强度比较。插图对测试模式进行了图解。数据以平均值±SD表示(n = 3，来自独立实验)。
图5：IDH贴片的电特性和信号传输电位。a)不同拉伸应变下的相对电阻变化b)商用水凝胶电极(Ag/AgCl电极)和IDH电极的皮肤阻抗分析。插页是生理状况的监测窗口。c)拉伸-释放周期下IDH传感器的相对电阻变化。d) IDH聚合物通过莫尔斯电码输出“ECG”。皮肤相对IDH聚合物应变监测e)拉伸，f)压缩。
图6：IDH表皮贴片在不同电生理条件下心电信号检测中的应用。a)心电试验物理V2导联图。b)心电信号一个心动周期的放大曲线。c)在挥杆和出汗条件下测试原理图。d)静态、摆臂和出汗环境下商用电极和IDH表皮贴片测得的心电图。e)商用电极和IDH表皮贴片长时间测量心电图。f)坐、走、跑时用IDH表皮贴片测心电图。
结论
总之，我们设计了基于小分子诱导的自发Janus结构的IDH聚合物。IDH表皮贴片具有与皮肤相似的弹性、优异的同源性、机械/电自愈能力以及对各种材料，特别是生物组织的牢固和强粘附性。这些综合属性增强了表皮贴片从显著干扰(如运动伪影、潮湿环境)中获取高质量生物电位和生物力学信号的能力。成功演示了多种干扰下的心电记录，并与商用凝胶电极(Ag/AgCl电极)进行了对比，在各种运动状态下均表现出更高的信噪比和优越的抗干扰能力，显示了其在生理监测中的广泛应用。IDH表皮贴片有望提供一个可行的解决方案，以可靠和稳健地监测动态和连续的生理医疗条件。
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原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202411588
