清华大学刘冉教授ACS AMI：折叠式皮肤电子界面，用于检测人体生理电信号

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生理医学信号（心电图（ECG）、脑电图（EEG）、皮肤阻抗、皮肤温度、呼吸频率和血氧饱和度等），可提供大量的人体有关信息。为了健康监测和疾病诊断，这些信号需要从人体传输到外部设备。另一方面，设备也可以用于信号输入，例如电刺激和热刺激。通过刺激、疾病治疗和康复控制将变得更加迅速和准确。因此，无论将它们用于健康监测还是刺激治疗，都需要一个皮肤接口和用于检测人体电信号的设备接口。为了在这些应用程序中成功使用，界面应包括以下功能。（1）应具有适当的厚度以实现皮肤贴合性和生物相容性，从而在佩戴时保证安全。（2）对于电连接应该是导电的，并且应该方便地连接到后续电路。（3）应能长期稳定使用，并能够重复连接到相同或不同的电路系统。

目前，有不同种类的电极用于检测生理信号。然而（1）湿电极通常用于医疗设备，但是必须将其粘在皮肤上，并且不能长时间使用。（2）干电极通过压力连接到皮肤，这会导致不适甚至疼痛。因此，这些商用电极不是用户友好的。研究表明，柔性电极可以应用于人体的不同位置，以获取不同种类的信号。例如，超薄无胶带电子纹身，可以测量ECG信号、皮肤温度和皮肤水合作用；温度传感器可以24小时测量腋窝温度和体表温度。

如上所述，柔性电极在皮肤舒适度和其电性能方面表现良好。现在仍然需要解决的关键问题是如何将这种超薄的皮肤接口连接到其他设备。在主要使用的微加工制造工艺中，柔性电极只能制成一侧导电。由于电极需要与皮肤紧密接触，因此金属层位于柔性基板的下方，并且不能通过基板直接连接到外部电路。以下是已发表论文中精选的挑战和解决方案。（1）由于电极与皮肤接触，因此需要在电极与皮肤之间插入连接线，这会影响电极对皮肤的附着力。（2）电路也通过微加工工艺进行处理并转移到软基板上；但是，在转移过程中，电路的导线很容易折断，可能导致不可恢复的损伤。（3）虽然可以使用双层微机械加工工艺制造双层电极，但在该工艺中需要绝缘层，增加了难度和成本。

针对上述问题，清华大学生物医学工程系刘冉教授课题组在国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces (IF 8.758)上发表题为“Nano Foldaway Skin-like E-interface for Detecting Human Bioelectrical Signals”的研究论文，提出了一种用于连接设备的集成接口设计，称为电子界面。

研究人员提出了一种用于连接设备的集成接口设计，称为电子界面。电子接口可确保接口与皮肤的附着力，并为后续电路提供稳定的连接垫。为了实现这一目标，科研人员提出了一种折叠工艺，以通过单层微加工工艺制造电子界面，然后将连接垫折叠到柔性基板的另一侧，从而制造出双面电子界面，其中电极附着在皮肤上，连接区域在另一侧。

通过这种方法制备的柔性电极具有良好的稳定性、长期皮肤顺应性，并且可以连接到硬或柔性电路系统，并可以随时进行信号检测。更重要的是，电子界面最终实现了人体皮肤的所有优点，包括舒适可穿戴和健康安全性。

图1.（a）电子接口制造过程。

（b）电子界面的结构设计。

（c）由（a）中所示的过程和（b）中所示的设计制成的电子界面的图像。

图2.（a-c）将电子接口连接到电线的不同方法：

（a）在接口和皮肤之间插入电线；

（b）双层折叠工艺，使导线可以在外部连接；

（c）单层折叠工艺以减少厚度以更好地适合皮肤。

（d-f）单层折叠模型的最大应变以及不同的基板厚度：（d）9.0μm，（e）9.2μm和（f）9.4μm。

（g-i）SEM图像表明硅胶皮肤复制品与各种厚度的基材之间的保形接触程度。

图3.（a-f）折叠和转移的完整过程：

（a）释放到水溶性胶带的界面。

（b）硅胶粘贴在界面上。

（c）接口已折叠。

（d）完成折叠。

（e）水溶性胶带的顶层溶解。

（f）水溶性胶带的底层溶解。

（g）电极未折叠就连接到皮肤和电路。

（h）电极通过折叠连接到皮肤和电路。

图4.（a）三个电子界面在拉伸下的电阻应变曲线。

（b）在1000个周期内对电子接口进行疲劳测试。

（c）通过将两个电极粘贴到前臂上来测量皮肤阻抗的实验。

（d）在皮肤上测量的电子接口和凝胶电极的接触阻抗。

（e）在挤压和拉伸下的皮肤贴合性。

（f）用自来水冲洗之前和之后的前臂上的电子接口，以测试其防水性能。

图5.（a）粘贴在人体上的电子接口。

（b）用柔性印刷电路（FPC）粘贴在人体上的电子接口。

（c）ECG信号的放大。

（d）电子接口和电路系统检测到的ECG信号：结果表明，站立或跳跃时该信号变化不大。

原文链接
https://doi.org/10.1021/acsami.0c16981

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