深圳先进院/南洋理工《AM》：用于长期电生理信号监测的毛皮适应性粘弹性干电极！

皮肤上的超长期电生理（EP）监测在发展人机协作的骨骼控制、疾病预防、精确诊断和治疗等方面起着至关重要的作用。EP信号是身体内生物活动产生的电信号。大脑、肌肉和心脏的电活动可以分别识别为脑电图（EEG）、肌电图（EMG）和心电图（ECG）。长期的EP监测能够识别异常症状，有助于对癫痫、心房颤动和肌肉萎缩等疾病的准确诊断。然而，人类的皮肤上覆盖着毛发，其平均生长速度为每天0.3 mm，这阻碍了皮肤和干表皮电极之间的稳定接触，导致超长期的EP监测出现运动伪影。因此，准确和高质量的EP信号检测仍然具有挑战性。

中国科学院深圳先进技术研究院李光林研究员、刘志远研究员、陈世雄研究员和新加坡南洋理工大学陈晓东教授等人报道了一种新的毛皮适应性粘弹性干电极（VDE），其能绕过毛发并填充到皮肤皱纹中，在动态拉伸过程中为无毛和有毛皮肤提供持久稳定的界面阻抗。此外，当应用于ECG和EMG监测时，VDE拥有出色的抗运动伪影能力，同时在EEG监测中也显示出显著的信号稳定性和高精确度。这项工作提供了一种具有超长稳定性的柔性表皮电极，为设计和开发在无毛和有毛皮肤上对人体EP信号进行无伪影监测提供了一个新的方向。该研究以题为“Hairy Skin-adaptive Viscoelastic Dry Electrodes for Long-term Electrophysiological Monitoring”的论文发表在《Advanced Materials》上。

【VDE的制备】

作者设计和制造了一种毛皮适应性粘弹性干电极（VDE），先通过端羟基聚二甲基硅氧烷（PDMS）、硼酸和d-山梨醇的缩合反应合成粘弹性山梨醇改性聚硼硅氧烷（SPBS）基质，然后通过添加导电碳填料，将粘弹性和导电性能结合起来，作为毛皮适应性电极。与固体电极不同，VDE在外加应力下，其应变随时间迅速增加，因此在低剪切率下表现得像液体，这种半流动的特性使其能够穿透头发。此外，导电碳填料和粘弹性SPBS基质等成分赋予了VDE一些理想的特性，包括粘附性、可拉伸性、可塑形性和可愈合性。由于SPBS基质的动态网络中存在可逆的B-O相互作用和氢键，VDE还可以被回收和重塑。

图1 毛皮适应性粘弹性干电极

【VDE的稳定性】

由于高拉伸性和对皮肤沟槽和毛发适应性的协同效应，VDE有望在毛发皮肤上运动时表现出稳定的界面阻抗。为评估VDE的质量和稳定性，作者将其与其他两种商业产品：电解质凝胶和导电浆料进行了的对比。结果表明，VDE具有长达48天的最低和最稳定的界面阻抗。为评估电极对毛发皮肤运动的耐久性，作者采用三种柔性电极进行了皮肤界面研究，即商用Ag/AgCl凝胶电极、Au/SEBS薄膜电极和VDE。结果表明，Ag/AgCl凝胶电极在拉伸100次后从人体皮肤上分层，界面阻抗增加。Au/SEBS薄膜始终不能与毛状皮肤完全接触，阻抗较高，且在拉伸100次后明显起皱。而VDE能将头发对电极的干扰降到最低，在100次循环中其界面阻抗始终保持稳定，表明其在循环使用中具有很高的稳定性。

图2 表面上不同金字塔高度的射流沸腾换热性能

【VDE的应用】

作者将VDE作为工作电极附着在无毛和有毛的胸部，分别在静息和扩胸时进行ECG信号监测。结果表明，VDE在无毛和有毛的心电图监测中均表现出最高的运动信噪比，在减轻运动伪影和毛发干扰方面优于其他商用电极。此外，VDE在监测大变形、动态变形的有毛皮肤的EMG信号方面也具有优势。结果表明，与商用电极相比，VDE在所有动态变形频率下都显示出最高的信噪比，这表明VDE具有出色的动态变形耐久性，并且可以最大限度地减少毛发皮肤上的运动伪影。除了在ECG和EMG信号监测上的优势外，VDE在EEG监测方面也表现出很高的性能。结果表明，VDE监测的α波功率谱密度（PSD）比其他电极更稳定。因此，VDE的高性能使无毛皮肤和有毛皮肤都能对人体运动进行稳定的实时ECG、EMG和EEG监测，提高了长期和实时EP监测的精度。

图3 VDE在心电图监测中的应用

图4 VDE在肌电图监测中的应用

图5 VDE在脑电图监测中的应用

总结：作者报道了一种高性能、半流动、可塑、可拉伸和可回收的毛皮适应性粘弹性干电极（VDE）。其能填充皮肤凹槽并有效地穿透毛发，在动态拉伸过程中为无毛和有毛皮肤提供持久稳定的界面阻抗。此外，当应用于ECG和EMG监测时，VDE拥有出色的抗运动伪影能力，同时在脑电图监测中也显示出显著的信号稳定性和高精确度。这项工作代表了EP监测领域的一个实质性突破，为以前在有毛的皮肤上监测人类EP信号这一具有挑战性的问题提供了一个解决方案。

封面来源于图虫创意