可自贴肤的超薄表皮电生理电极的制备及应用

柔性可穿戴表皮电生理电极在人工智能和生命健康等领域具有重要的意义. 稳定高质量的表皮电生理信号的获得是监测人体生理信息的关键. 目前, 常用于临床诊断的Ag/AgCl凝胶电极还存在许多不足, 包括在长期使用时带来严重的不适感以及无法避免的运动伪影等. 因此, 迫切需要开发可长期用于表皮穿戴的、有效避免运动伪影的电生理电极. 具有与皮肤杨氏模量相近、厚度极薄(<1 μm)的可自贴肤的电极是满足上述需求的典型电极. 北京师范大学刘楠课题组详细介绍了该类表皮电生理电极的研究进展, 依据材料种类的不同分门别类综述了其设计思想、基本特征及穿戴时的优缺点, 同时, 论述了自贴肤超薄电极在医疗诊断和分析、人机交互中的应用, 并展望了其在电生理信号采集方面的机遇和挑战.

电子皮肤是一种具有触感能力、与人体皮肤属性类似的柔性可穿戴电子系统. 评估人体健康状况的重要临床指标——电生理信号, 是一类可以从人体组织和器官中捕获的最基本的生理信息, 主要包括心电(ECG)、肌电(EMG)、眼电(EOG)和脑电(EEG). 其中, ECG与心肌细胞的传导有关, 反映了心脏的整体活动, 通常可以用作检测心律失常的指标. EMG是来源于肌纤维细胞活动的电信号, 因此与肌肉激活、肌肉疲劳等方面密切相关. EOG能够反映眼球运动和视网膜刺激, 该信号是由带正电的眼角膜与带负电的视网膜之间存在的电位差引起的. EEG信号为脑机接口提供了一种可行的方法. 电生理信号提供的丰富信息为可穿戴电子设备、医学诊疗、药物输运、运动训练、人机交互等领域开辟了一条新途径.

电极是捕获由低电位驱动产生的电生理信号的关键. 根据应用场景的不同, 检测电生理信号的方式可分为表皮式和侵入式. 侵入式电极捕获的电生理信号具有较高的信噪比(SNRs), 但是上述方法会对人体造成创伤. 与此相反, 表皮式电极对人体的危害较小,但也存在一些需要解决的问题. 目前, Ag/AgCl凝胶电极是一种临床使用的表皮式电极, 虽然能够提供较高的信号质量, 但是凝胶易刺激皮肤引发不适, 并且在长时间佩戴后出现水分流失的问题, 增加了皮肤与电极之间的接触阻抗, 此外, 硬质的凝胶电极与存在复杂褶皱的皮肤接触时还易引发相对位移, 从而产生较大的运动伪影, 因此上述凝胶电极很难用于表皮穿戴式设备的长期监测和诊断. 随着柔性电子技术的发展, 柔性可穿戴表皮电生理电极受到广泛关注, 与Ag/AgCl凝胶电极相比, 该类电极不仅能够和皮肤紧密结合, 而且对皮肤的刺激较小, 更适合人体的日常可穿戴监测. 因此, 具有能与皮肤杨氏模量相近、厚度极薄(<1 μm)、生物兼容等特点的可自贴肤的超薄表皮电生理电极逐渐成为实现低运动伪影、高信噪比、长期稳定监测表皮电生理信号的理想选择.

北京师范大学刘楠课题组综述了该类表皮电生理电极的研究进展, 依据材料种类的不同分门别类的介绍了其设计思想、基本特征及穿戴时的优缺点, 同时, 阐述了自贴肤超薄电极在医疗诊断和分析、人机交互中的应用, 并对其在电生理信号采集方面的机遇和挑战进行了展望.

图1 可自贴肤的超薄表皮电生理电极的制备及应用

该文将收录于《中国科学：化学》2022年第6期庆祝“北京师范大学建校120周年暨化学学科创立110周年专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：

胡文亚, 宋德魁, 施潇虎, 刘楠*.可自贴肤的超薄表皮电生理电极的制备及应用. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2022-0019