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  體表電極作為非侵入式電極，可應用于采集人體生物電信號（如心電和肌電），為未來慢性疾病診斷和智能健康監測提供有效手段。現有的商用凝膠電極由于易失水造成信號質量下降，且常常引起過敏反應而無法應用于長期日常監測。傳統干電極由于剛性材料與皮膚組織機械性能不匹配，易造成運動偽影和噪音。近年來，柔性體表電極的出現和發展解決了材料機械性能的匹配問題，實現了電極與皮膚的共形貼附，成為未來體表電極的重要研究方向。然而，長期實時監測要求電極表面與皮膚長時間反復接觸。在此過程中，皮膚表面油脂對電極表面的污染會造成皮膚/電極界面阻抗升高，引起信號質量下降（圖1, a-b）。而通常用于制備柔性電極的材料，如各種金屬（Au, Ag）以及硅橡膠類材料（比如PDMS, Ecoflex）都易于被皮膚表面油脂浸潤污染且難于清洗。因此電極在長期重復使用過程中會逐漸失去檢測能力。未來智能可穿戴健康監測系統要求柔性電極與其它多種功能模塊進行集成，這就要求電極具有相當的可重復使用性從而大大簡化系統的復雜性并方便于使用者日常使用。因此，如何制備具有抗皮膚油脂污染性質并且可重復使用的柔性體表電極對開發設計下一代可穿戴健康監測器件具有重大的意義。

圖1. 基于兼性離子聚合物分子刷的柔性抗皮膚油脂皮膚電極

  為了解決上述問題，陳曉東教授課題組巧妙地將超親水自清潔技術引入柔性電極的設計中，將超親水兼性離子聚合物分子刷聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿（PMPC）修飾在金/聚二甲基硅氧（Au/PDMS）復合柔性電極表面（圖1c）。含有兼性離子的磷酸膽堿分子是細胞膜的重要組成部分，同時也是細胞膜自清潔和抗生物附著能力的主要貢獻來源。將磷酸膽堿分子的聚合物分子刷修飾在電極表面后，表面具有了超親水自清潔特性。電極表面雖然也會被皮膚表面的油脂污染，但可以在水中實現對油脂的去潤濕，通過簡單水洗而自發去除表面附著的油脂而不需要任何洗滌劑，表面活性劑和額外機械能的引入。該工作從解決實際問題出發，以材料設計為基礎，為未來長期可重復使用柔性體表電極的制備和設計提供了獨特的可借鑒性成果。

圖2. PMPC聚合物分子刷修飾的電極的抗皮膚油脂水中自清潔性能表現。a-b)電極表面油脂的水中去潤濕過程 c)皮膚/電極界面阻抗在多次油脂污染-水洗處理過程中的變化。

  在電極的制備過程中，研究人員采用在半固化的聚二甲基硅氧基底表面沉積導電金薄膜，實現了金與聚二甲基硅氧之間良好的粘附性，以防止在后續的分子刷修飾過程中金與聚二甲基硅氧發生脫離。然后，研究人員采用了表面引發原子轉移自由基聚合方法在復合電極的金表面引發聚合修飾PMPC聚合物分子刷。所得到的復合電極具有低界面阻抗，高導電性，良好的柔性可拉伸性能等優良性質。而更重要的是，電極表面具有了抗皮膚油脂的水中自清潔能力。實驗證明，油脂雖然可以在空氣中浸潤污染表面，卻會在水中快速去潤濕并自發脫離表面。其去潤濕過程可在1秒內完成（圖2a）。實驗同時證明，電極被皮膚油脂多次污染后，皮膚/電極界面阻抗會明顯升高，而PMPC修飾的電極則可以通過簡單的清水潤洗恢復低的界面阻抗（圖2c）。研究人員同時展示了實際應用這種抗油脂自清潔柔性電極對人體心電和肌電信號進行監測（圖3）。結果證明，普通電極經皮膚油脂反復污染后，得到的生理電信號質量下降。其中，在心電檢測中，噪音增強，特征信號P波難以辨認。而在肌電測試中，信噪比也明顯降低（<10dB）。而PMPC修飾的自清潔體表電極可以通過簡單水洗恢復最初良好的信號質量和信噪比（30dB）（圖3,c-g）。

圖3. 人體心電（ECG）和肌電（EMG）信號的監測和抗油脂自清潔性能。a-b）采用該柔性自清潔電極獲得的心電和肌電信號 c-e）心電信號在電極經歷皮膚油脂污染-水洗處理過程中的變化。f-g）肌電信號在電極經歷皮膚油脂污染-水洗處理過程中的變化以及信噪比分析。

  陳曉東教授課題組設計制備的這種抗皮膚油脂污染的自清潔柔性電極解決了一般柔性電極在使用過程中易于被皮膚油脂污染，不能應用于長期重復監測的問題，為下一代柔性體表電極和可穿戴健康監測電子器件的開發提供了新的思路。

  相關工作以題目“An On-Skin Electrode with Anti-Epidermal-Surface-Lipid Function Based on a Zwitterionic Polymer Brush”發表在Advanced Materials上。論文的第一作者為新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院博士后何克博士，通訊作者為陳曉東教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202001130