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北卡罗莱纳州立大学朱勇教授和南京邮电大学马延文教授合作《ACS Nano》:生物电监测用柔性超薄透气电极的新进展
2020-05-11  来源:高分子科技

  柔性电子器件可作为表皮电子设备和可人体植入电子设备用于个人医疗保健、人类活动监控和人机界面等方面。然而,目前大多数表皮电子设备都建立在固态无孔隙的聚合物衬底上,例如PDMS、PET和PI等。这些聚合物材料缺乏透气性,会阻止人体皮肤中汗液等挥发性成分的散发,降低穿着舒适度,刺激皮肤,甚至导致皮肤过敏。并且这类材料的杨氏模量较大,厚度较厚,难以和皮肤形成紧密接触,这会降低对生物电(EP)监测的信号质量。因此,为了实现长时间应用,必须开发具有良好透气性材料作为衬底。另一方面,为了实现电极与皮肤间的紧密接触,提升生物电监测的信号质量,开发质地柔软的材料也十分重要。


  针对以上所述的瓶颈问题,北卡罗莱纳州立大学朱勇教授和南京邮电大学马延文教授合作提出了利用呼吸图法制备多孔TPU膜,然后将银纳米线(AgNWs)热压至TPU表层下制备成超薄透气可拉伸导电薄膜。这种多孔膜具有良好的透气性,保障了汗液可以自由蒸发,防止损伤皮肤,提高了长期佩戴的舒适度。且其超薄特性使之能够与皮肤紧密接触,从而提升了对生物信号的监测质量。除了作为表皮电子器件作为肤上生物电感应电极外,这种超薄透气可拉伸导电薄膜还可以集成在纺织品表面,用作无线触摸传感器中触摸电极。这项研究为制备超薄透气性柔性电子材料提供了新的思路。


图1. 制备多孔透气性薄膜过程的原理图。


  这种多孔薄膜电极非常适合对生物电信号的连续监测。其在人造皮肤上的电极的光学显微镜图像说明了这种超薄的电极与皮肤可以形成紧密的接触,从而确保了接触面积并降低了皮肤-电极阻抗。在监测心电图(ECG)和肌电图(EMG)信号检测方面,这一新型多孔导电薄膜电极与商用凝胶电极的性能相近。同时,这种电极在使用过程中不需要添加导电的凝胶,完全避免了凝胶可能引起的皮肤刺激以及凝胶脱水引起的信号降低。同时,该多孔电极的良好透气性对于保障它在人体表皮连续监测生物电信号的应用也是非常重要的。


图2. 多孔透气性电极在生物电监测方面的应用。


  这种透气性的电极也可以应用在自电容式触摸传感器的电极。集成了自电容模式无线触摸传感器的袖套可以用作无线人-机接口来游玩俄罗斯方块游戏。图3显示了不同按键的功能以及通过触摸按键控制砖块的移动轨迹,可以看到这种触摸传感器灵敏度高且响应准确。按下袖套上不同的键后,游戏中的图块会产生相应的实时变化,没有出现明显的延迟。


图3. 多孔透气性电极在无线人机界面方面的应用。


  上述工作发表在ACS Nano期刊上。南京邮电大学大学周伟欣和北卡罗来州立大学姚姗姗(现纽约大学石溪分校)为共同第一作者,南京邮电大学马延文教授和北卡罗莱纳州立大学朱勇教授为共同通讯作者。该课题得到了美国国家科学基金会No. CMMI-1728370.项目的资助和江苏省重点研发计划项目(BE2018010-3)资助。


  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00906

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