江南大学刘天西、黄云鹏团队Nano Energy：自清洁、超可拉伸织物基表皮电极

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可穿戴表皮生物电极因其能够非侵入地监测人体动作（如关节动作、脉搏等）和生物电信号（如肌电信号、心电信号、脑电信号），而在运动传感、健康管理和人机交互领域具有广泛的应用价值。为了适应日常生活和恶劣环境中的实际应用，可穿戴表皮电极必须同时具备良好的穿戴舒适性、优异的生理信号检测性能，以及对外界恶劣环境（汗液、污渍、腐蚀性液体等）的良好耐受性。传统的金属和凝胶电极因其柔韧性或透气性较差，难以满足表皮电极对耐形变能力、透气/透湿性、耐候性的需求。

鉴于此，江南大学化学与材料工程学院的刘天西教授、黄云鹏副教授课题组与英国伦敦大学学院（University College London）的Ivan P. Parkin教授合作，以高弹性、低杨氏模量、透气透湿的静电纺SEBS弹性体织物为基材，将廉价、高导电性的炭黑/碳纳米管（CB/CNT）杂化导电材料负载于弹性基体以构筑0D-1D杂化导电层，接着将全氟辛基三乙氧基硅烷改性的 TiO₂ 纳米颗粒 (PFOTES-TiO₂ NPs)负载于导电层表面，成功地构筑了一种超可拉伸、具备优异健康监测性能和出色自清洁能力的织物基表皮电极。弹性体纤维上自适应、耐形变的CB/CNT杂化导电网络可以在大拉伸下（>1000%）维持稳定的导电通路，而具有微纳结构和低表面能的外层 PFOTES-TiO₂ NPs能够为导电织物提供超疏水表面。

 

图1 自清洁、超可拉伸织物基表皮电极的设计示意图

图2所制备的织物基表皮电极的力学性能表征

本工作通过在SEBS基体中共混F127以改善弹性织物的表面亲和力，为后续杂化导电材料的高效负载提供了便利条件。测试结果表明，弹性织物基体有着优异的力学性能。

图3超疏水表皮电极的自清洁性能测试

具有超疏水表面的织物电极显示出极好的自清洁性能，以及对多种腐蚀性液体甚至机械损伤的耐受能力，确保了其在恶劣环境下的性能稳定性。

图4表皮电极的人体动作检测性能测试

图5表皮电极的ECG和EMG监测性能测试

得益于该织物基表皮电极的高可拉伸性、低模量，以及0D-1D杂化导电网络的高耐形变性能，在作为可穿戴应变传感器时，其兼具1050.0%的超宽检测范围和高达1134.7的应变系数。应用于生理电信号监测时，该织物电极能够实时、精确地传输人体心电 (ECG) 和肌电 (EMG) 信号。

因此，这项研究为开发高性能、可舒适穿戴的表皮电子器件提供了新途径。该工作近日以题为“Ultra-Stretchable and Superhydrophobic Textile-Based Bioelectrodes for Robust Self-Cleaning and Personal Health Monitoring”的研究论文发表于Nano Energy。论文第一作者为江南大学化工学院2020级博士研究生董建成。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107160

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