北京师范大学刘楠教授课题组《Mater. Horiz.》：瓣鳃类动物启发的用于电生理的表皮电极

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表皮电子作为一种全新的可穿戴电子设备，质量轻，可以像贴画或者纹身一样直接贴合在皮肤上，能够检测生物信号并向用户提供反馈而不干扰用户日常活动。为了准确地收集和传递人体生物信号，理想的表皮电极应该自然地与皮肤贴合，以减小电极与皮肤之间的界面阻抗。由于人类皮肤具有一定拉伸性，所以能承受一定应力并能够适应，因此对于新型类皮肤的表皮电极来说，可拉伸性必不可少。此外，人的皮肤受伤后还能够进行伤口愈合，因此自治愈的表皮电极有望实现长期的坚固性和耐用性。目前，商用的银/氯化银凝胶电极缺乏可拉伸性和自治愈性，而且涂抹的凝胶还经常引起皮肤刺激或易干燥等问题，这限制了其在高强度和长时间的日常活动中的应用。因此，新型的像皮肤一样的无凝胶表皮电极是迫切需求的。

图一.瓣鳃类动物启发的用于电生理的表皮电极示意图。(a)一只贻贝通过其足丝附着在另一只贻贝上面。(b)瓣鳃类动物足丝软硬部分的化学结构。(c) STAR的化学结构和拉伸后的两个动态键变化。(d)电生理信号监测的示意图。

瓣鳃类动物例如贻贝、牡蛎或蛤等可以利用其足丝牢固地附着在岩石表面，从而能在潮涨潮汐过程中生存下来。这种可伸展、能自愈的粘性足丝主要归咎于其两相结构特征:儿茶酚-金属离子配合物作为硬域提供刚度，硫醇或二硫键作为软域耗散能量用以实现可伸展性，动态配位键与二硫键赋予其自愈能力，羟基、硫醇或二硫键与接触表面作用从而具有一定粘性。

受上述瓣鳃类动物足丝结构启发，北京师范大学刘楠教授和博士生叶国共同设计并合成了一种类皮肤弹性体，该弹性体具有极高的断裂伸长率（Stretchability＞2300%）和透明性（Transparency＞90%@550 nm），温和的粘性（Adhesiveness）和快速的自治愈能力（Rapidly self-healing），取这些性能首字母将该弹性体命名为STAR。结合银纳米线可以制备出兼具透明、可拉伸、自修复、生物兼容的表皮电极，它可以准确记录电生理信号并且控制机械手进行人机交互。相关工作以“A Lamellibranchia-inspired epidermal electrode for electrophysiology”为题发表在Materials Horizons（IF=12.319）上。

通过理论计算、单分子力光谱和红外光谱表明STAR由强的动态氢键和弱的动态二硫键组成，其中动态键的梯度断裂可以进行耗散能量，动态氢键和二硫键的协同作用让其兼具可拉伸性、粘性和自愈性。

图二.STAR的微观结构表征。（a）动态二硫键交换的双分子片段的优化构型与结合能。（b）具有氢键相互作用的双分子片段的优化构型与结合能。（c）单分子力光谱。（d）和（e）断裂力的统计直方图。拉伸下（f）氢键和（g）二硫键的红外光谱变化。（h）和（i）由AFM测量的杨氏模量图。

将STAR与银纳米线结合，可以制备出透明、可拉伸、自修复、生物兼容的表皮电极，该电极可以准确记录电生理信号如心电和肌电信号。此外，该电极还可以控制机械手进行人机交互。这种表皮电极为一套同时兼具透明、可拉伸、自治愈、粘附和生物兼容的表皮电子器件提供了广泛的应用前景。

图三.电生理信号检测和人机交互。（a）STAR电极（b）自治愈后的STAR电极以及（c）商用凝胶电极记录的心电信号。（d）STAR电极（e）自治愈后的STAR电极以及（f）商用凝胶电极记录的肌电信号。（g-i）STAR电极控制机械手进行人机交互，可以识别不同的手势：（g）伸手，（h）“ i-love-u”手势，以及（i）握拳。

该工作得到了国家自然科学基金（21903007, 22072006）的资助与支持。文章第一作者为博士生叶国，通讯作者为北京师范大学化学学院刘楠教授，北京化工大学何程智研究员为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D0MH01656J

课题组网站：http://chem1.bnu.edu.cn/liunan/

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