动态设置的电生理（EP）信号的高保真度和舒适记录对于医疗保健和人机界面（HMI）至关重要。微针电极允许直接进入表皮，并消除耗时的皮肤制备。然而，现有的微针电极缺乏强健的皮肤界面所需的弹性和可靠性，从而使长期、高质量的EP传感在身体运动过程中具有挑战性。
韩国高等科学技术学院Jae-Woong Jeong、Jung Kim和科罗拉多大学博尔德分校Jianliang Xiao共同研究开发了一种可拉伸的微针粘合贴片（SNAP）。SNAP提供了卓越的皮肤穿透性和强大的机电皮肤界面，可在不同的皮肤条件下进行长期可靠的EP监测。结果表明，SNAP可以显著降低皮肤污染下的皮肤接触阻抗，并提高运动过程中的穿着舒适性，优于凝胶和柔性微针电极。
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图1：SNAP的设计和工作理念。（A） 显示SNAP的总体系统配置和应用程序的示意图。与皮肤适形SNAP集成的贴片型设备能够在不考虑皮肤状况的情况下进行可靠的长期EP信号监测。插图显示了柔软的、适应组织的SNAP的特写视图，该SNAP使用微针穿透角质层，直接进入表皮。（B） SNAP的分解示意图，由可拉伸的蛇形互连、Au涂层的硅微针和由Ag薄片-硅复合材料制成的ECA组成。（C） SNAP的示意图，突出显示其适应组织拉伸的能力。（D） SNAP的相对电阻变化作为拉伸应变的函数。SNAP在进行30%拉伸时表现出可忽略的电阻变化，这对应于人类皮肤的最大拉伸范围（8，49）。这突出了其在拉伸变形下保持稳定电测量的能力。（E） 光学图像显示SNAP的高机械顺应性：（左）原始状态，（中）30%拉伸，（右）10%拉伸180°扭曲。（F） SNAP的有限元建模，用于与（E）中所示的变形配置相对应的变形配置。
视频1
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图2：SNAP的制造、材料和机械性能。（A） SNAP的制造过程示意图。（B） 已完成设备的光学图像。比例尺，5毫米。右侧的图像显示了连接微针的可拉伸互连的显微照片（顶部图像；装置的背面）和带ECA基板的Au涂层微针阵列（底部图像；装置正面）。红框图像中的插图显示了单个微针的放大视图。（C） 单个微针的扫描电子显微照片（SEM）图像显示了从ECA层突出的Au涂覆的尖端。比例尺，50μm。（D） ECA层的SEM图像显示Ag薄片和硅胶的混合物。（E） 比较第3天在细胞培养基中培养的对照组（不含SNAP）和实验组（含浸泡的SNAP）之间的细胞活力的图。右边的图像显示了SNAP浸泡组（i）和对照组（ii）在培养3天后3T3细胞的活/死染色图像。比例尺，100μm。（F） 用涂布在微针阵列上的蓝色染料染色的人类皮肤的光学图像。插图展示了皮肤穿透SNAP的实验设置。（G）SNAP与FME的皮肤穿透力对比图。（H） SNAP安装在皮肤上的光学图像，使用镊子有意部分分离，证明了该设备与皮肤的牢固粘合。（I） 显示SNAP与商业医用膜和有机硅粘合剂的粘合强度相比对皮肤的粘合强度的图。
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图3：附着在皮肤上的SNAP的电气特性。（A） 图示不同类型电极的电极-皮肤界面的示意图，以及相应的等效电路模型：（i）凝胶电极、（ii）ECA电极、（iii）FME和（iv）SNAP。电路模型中的参数在注释S1中定义。（B） 电极-皮肤接触阻抗随频率变化的曲线图。皮肤的准备方法是用浸过水的纱布擦拭干净，然后用酒精交换擦拭消毒。（C和D）显示不同皮肤状况的光学图像，包括有汗液、死皮细胞、毛发和污垢的皮肤（C），以及在这些不同皮肤状况下用不同EP传感器测量的皮肤接触阻抗的SD图（D）。（E） 在皮肤压缩和拉伸过程中拍摄的皮肤安装SNAP和FME的照片。（F） 有限元分析结果显示了SNAP和FME的微针在单轴皮肤应变（ε=30%）下在皮肤组织中引起的机械应力。（G） 显示SNAP和FME在不同拉伸应变下的皮肤接触阻抗测量结果的曲线图。（H） 比较循环拉伸和释放过程中使用SNAP和FME测量的静息EMG信号的基线噪声水平的图。（I） SNAP和FME循环拉伸和释放后皮肤表面的光学图像，视觉上表明SNAP由于其高机械适应性而对皮肤施加的应力可以忽略不计。（J）比较使用SNAP、ECA和商用凝胶电极在8天内测量的静息EMG信号的基线噪声水平的图。
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图4：EMG监测无线SNAP系统在各种移动过程中的性能。（A） 无线SNAP系统的分解示意图。无线系统由SNAP、用于无线EP记录的可拉伸电路、用柔软、生物相容的弹性体封装的可拆卸LiPo电池组成。（B） 拉伸（ε=30%；i）和扭转（扭转90°；ii）期间拍摄的装置照片。（C） 装置在对应于（B）的变形下的有限元分析模拟结果。（D） 使用与凝胶电极（灰色图）和SNAP（红色图）集成的贴片型设备显示不同类型的动态运动及其相应的EMG记录的图像。受试者进行了四种类型的活动：（i）行走、（ii）跑步、（iii）跳跃和（iv）深蹲，目标肌肉为正中血管。（E至G）记录的EMG信号质量的图，包括预处理和污染皮肤状况的基线噪声幅度（E）、SNR值（F）和四种类型的动态运动的基线噪声振幅（G）。
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图5：演示无线SNAP系统作为外骨骼机器人闭环控制的HMI。（A） 图示描述了外骨骼机器人的系统架构和控制策略。连接到下肢肌肉的SNAP系统将EMG信号无线传输到外骨骼机器人控制器，以触发辅助操作。另一个连接在背部肌肉上的SNAP系统监测肌肉活动，以评估机器人的辅助性能。（B） 气动背部支撑外骨骼系统的硬件配置。气缸的线性致动使该装置推动躯干，产生辅助髋关节扭矩来提升沉重的外部负载。SNAP系统连接到L1、GM和BF肌肉，用于操作外骨骼机器人并验证其辅助性能。（C） 在下蹲举（顶部）和弯腰举（底部）的单个循环中，实时测量来自触发肌的TKEO-EMG信号。（D） 使用和不使用机器人辅助的RMS EMG的比较。当使用机器人辅助时，无论皮肤准备和出汗水平如何，背部肌肉活动都显著减少。作者提出了一种可拉伸微针粘合贴片（SNAP），作为一种无需准备、高度可靠和长期监测EP信号的解决方案。这种SNAP将对需要可靠EP传感的应用产生广泛影响，并开辟新的机会，如持续健康监测、神经研究和可穿戴HMI。
SNAP 的软硬混合结构，包括可穿透的刚性微针阵列和柔软、可拉伸的粘合剂平台，表现出独特的功能，例如通过角质层直接进入表皮和组织顺应性。这些特性不仅确保了对皮肤分泌物和污染的高免疫力，而且还提供了长时间的舒适佩戴性。带 ECA 的 SNAP 具有高导电性和粘附性，因此提供了改进的坚固的皮肤界面，与商业凝胶电极相比，突出了其减少的运动伪影和基线噪声。
【参考文献】
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adk5260
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