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東華大學朱美芳院士/潘紹武研究員 Adv. Funct. Mater.:原位成型生物電極實現高度共形、穩定的電生理信號界面
2024-04-30  來源:高分子科技

  柔性生物電極在日常健康監測和輔助臨床醫學診斷領域具有重要的應用前景。然而,人體皮膚的毛發、微結構及彎曲界面會影響預成型電極與皮膚間的結合界面,導致電極與皮膚間存在明顯的間隙,從而影響生物電信號的采集質量。因此,通過皮膚表面的原位成型,可以獲得與皮膚形成穩定保形界面的生物電極,是解決該問題的一個重要途徑。


  近期,東華大學纖維材料改性國家重點實驗室&材料科學與工程學院的朱美芳院士、潘紹武研究員等,共同研制了一種通過原位凝膠化在皮膚表面快速形成穩定保形界面的生物電極。該電極利用絲素蛋白的構象轉變,使電極前驅體溶液在皮膚上快速凝膠化形成生物電極 (OSF-SP),成功與毛發皮膚、不規則皮膚和生物組織形成良好的共形粘附界面 (圖1)。快速成型過程所使用的凝膠劑由結構轉變劑和力學增強劑組成。其中,結構轉變劑的主要成分是乙醇,通過調整乙醇含量來控制凝膠的形成時間;力學增強劑的主要成分為海藻酸鈉,通過調節海藻酸鈉的含量來調整生物電極的力學性能。 


圖1. 生物電極的原位成型過程及機理,以及與組織的高度共形界面


  原位成型生物電極主要由絲素蛋白和凝膠劑構成。絲素蛋白作為一種天然的生物高分子材料,具有優異的生物相容性;而成型所用的凝膠劑不會對皮膚造成任何損傷。通過對比小鼠背部皮膚的組織學分析證明OSF-SP生物電極具有良好的生物相容性 (圖2a, b)。為了證明OSF-SP生物電極與皮膚間的保形界面,對比預成型生物電極 (Pre-SP) 和 OSF-SP生物電極與豬皮、模擬皮膚和豐富毛發皮膚間的接觸界面 (圖2c-g)。結果顯示,OSF-SP生物電極在豬皮上成型后不會受到豬皮形變的影響,能夠與起伏的皮膚微結構間形成完整的無縫粘附界面,同時能夠穿過毛發直接與皮膚間形成粘附界面,避免毛發對電極與皮膚接觸界面的干擾,這些證明OSF-SP生物電極能夠與不同狀態的皮膚間形成良好的保形接觸界面。 


圖2. 生物電極的生物相容性與保形接觸界面


  良好的共形粘附界面能夠有效提高生物電信號的采集質量 (圖3),分別將Pre-SP生物電極與OSF-SP生物電極用于采集表面肌電信號(EMG),OSF-SP生物電極采集到的EMG信號的信噪比與Pre-SP生物電極相比提高了38.9%。此外,良好的共形粘附界面也能夠提高生物電極在水下的粘附穩定性。同時OSF-SP生物電極穩定的物理交聯結構和絲素蛋白外層豐富的疏水基團,能夠保證其在水下的長時間結構穩定性。商業化的凝膠電極在水下會出現明顯的溶脹現象 (3小時體積溶脹率為200%), 在水下心電信號(ECG)采集過程中信噪比值不斷下降,最終在90秒內失效;而OSF-SP生物電極可在水下始終保持穩定的ECG信號采集,信噪比值在較長時間始終保持在穩定水平,有望拓展生物電極在水下生物電信號檢測的應用場景。 


圖3. 生物電極用于生物電信號采集


  高質量的生物電信號在人機交互領域具有廣泛的應用前景,通過將生物電極采集到的高質量電生理信號與具有矢量性的加速度傳感器信號進行結合 (圖4),利用電生理信號控制智能小車的運動狀態,加速度傳感信號控制智能小車的運動方向,僅通過單通道信號傳遞和簡單的手勢動作即可實現對智能小車的精準控制,為復雜環境的人機交互控制提供了應用可能。 


圖4. 生物電極用于人機交互


  該工作以 “An On-Skin-Formed Silk Protein Bioelectrode for Conformable and Robust Electrophysiological Interface” 為題在線發表于期刊《Advanced Functional Materials》上。東華大學材料科學與工程學院碩士研究生楊中華為本文第一作者,潘紹武研究員為通訊作者,研究工作得到了朱美芳院士的指導。該項目得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。


  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402608

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