用于肌肉-血管活动的原位双模监测的透明离子电子电极

文章来源：MEMS 

背景介绍

人类活动伴随着电生理学（EP）和血氧代谢。EP和BO的原位双模监测有利于人机界面、疾病诊断和康复。BO通常通过近红外光谱（NIRs）进行监测，因此；原位双模监测需要一个多层集成传感器：第一层是直接粘附在皮肤上的透明电极来检测EP，第二层是近红外光通过第一层电极来检测BO的近红外光谱。由于皮肤柔软且可拉伸，透明电极也应柔软且可伸展，以实现机械匹配。此外，为了实现信息映射，需要多通道电极。

此前，用于EP监测的透明和可拉伸电极是基于碳、金属、和PEDOT开发的。这些导电材料具有电子导电性，并且通常不是本质透明的。需要具体的结构设计来实现一定程度的透明度和导电性的权衡。此外，为了实现稳定的皮肤EP监测，通常需要用另一层水凝胶对这些电极的检测垫进行修饰，以降低界面阻抗。近年来，由无水可拉伸离子凝胶组成的离子电子学在EP监测方面有很大的前景。离子凝胶是用离子液体溶胀的聚合物网络，可以显著降低接触阻抗并提高EP检测的准确性。重要的是，它是一种具有离子导电性和固有高透明度的干电极。多项研究采用可拉伸离子凝胶实现单通道EP监测。然而，通过柔软可拉伸的贴片对EP和BO进行的原位双模监测尚未实现，湿粘合剂和多通道离子电极的研究仍然缺乏。

本文亮点

1. 基于可拉伸和可打印的离子凝胶制备了16通道透明离子电子电极，表现出优异的性能，如高透明度、大拉伸性、湿粘附性、生物相容性、柔软性和长期稳定性。

2. 该电极表现出24小时的稳定接触阻抗和2周的周期性EP监测。16通道透明离子电子电极的性能优于可拉伸金电极，因为它提供了稳定的EP监测，对血氧检测的近红外干扰最小。

3. 随着时间的推移，EP强度和血氧水平之间存在原位负相关。

图文解析

图1 用于肌肉血管活动的原位双模监测的可拉伸多通道离子电子电极的示意图。a） 透明多通道离子电子电极，用于同时监测BO和EMG。NIR、BO和EMG分别代表近红外光谱、血氧和肌电图。b） 通过将离子凝胶前体刮涂到SEBS膜上并进行UV固化，制备16通道透明离子电子电极的工艺。c） 透明16沟道电极（i和ii）和16沟道SEBS Au电极（iii）的图像。比例尺：1厘米。d） 雷达图像用于我们的工作与其他参考文献的干电极之间的比较。

图2 离子凝胶的性质。a） 不同[P14][TFSI]含量的离子凝胶的拉伸应力-应变曲线。b） 根据（a）计算的杨氏模量（平均值±SD，n=3）。c） 离子凝胶的电阻随应变的变化。d） 与离子凝胶共培养的L929细胞在72小时内的细胞活力（平均值±SD，n=6）。e） 离子凝胶与玻璃基质的搭接剪切粘附。f） IONOGEL-5和IONOGEL-10的电导率（平均值±SD，n=3）。g） 离子凝胶和Ag/AgCl水凝胶电极在100Hz下24小时的皮肤接触阻抗（平均值±SD，n=3）。h） 剥离具有不同NHS含量的IONOGEL-10对干燥和潮湿人类皮肤的粘附性（平均值±SD，n=3，***p<0.01，***p<0.01和*p<0.05，单因素方差分析检验）。i） IONOGEL-10和IONOGEL-5的透射率。

图3 IONOGEL用于EP信号监测。a） 用于EMG监测的离子凝胶电极的图像。比例尺：3厘米。b） 通过Ag/AgCl电极、IONOGEL-0、IONOGEL-5和IONOGEL-10监测制作拳头的过滤EMG信号，并在2周开始和结束时进行测量。c） 来自（b）的EMG信号的SNR（平均值±SD，n=10，***p<0.001，单因素方差分析测试。）。d）用于ECG监测的离子凝胶电极的图像。比例尺：1.5 cm。e）Ag/AgCl电极、Au/SBS电极和IONOGEL-5以不同频率（0.2、0.5和1Hz，表示每5、2和1s重复一次扩胸）进行扩胸时的ECG信号。f） 不同电极扩胸心电图信号的信噪比（平均值±标准差，n=10，***p<0.001，***p<0.01，以及单因素方差分析检验）。g） Ag/AgCl电极和IONOGEL-5在排汗过程中粘附在皮肤上的照片。比例尺：1.5 cm。h）睁眼和闭眼时的眼电图（EOG）信号。i） 来自（h）的频谱。

图4 BO和EMG的同步监测。a） a-i）Ionogel/PU膜和a-ii）Au/PU膜的粘附状态。b） 在血液闭塞期间从不同胶片获得的BO标测。c） 无离子凝胶膜和Au膜和有离子凝胶膜的Ch3血液闭塞后HbO2的变化（平均值±SD，n=3）。d） BO和EMG监测的状态和通道分布。S表示源，D表示检测器。e） e-i）透明离子电子电极和e-ii）SEBS-Au电极的粘附状态。f） 在放松和抓握过程中通过透明离子电子电极同步监测HbO2和EMG。g） 同步监测时Ch2和均方根的HbO2变化（平均值±SD，n=3）。