新加坡南洋理工大學陳曉東教授課題組:防水可拉伸皮膚電極

可穿戴生理信號檢測設備被廣泛地應用於健康監測、疾病早期診斷、運動管理等領域。現有的商用產品可檢測多種體征信號,包括心電(ECG)等電生理信號,並實現日常生活或運動中的實時監測,然而這些商用產品以及研究中所報道的可拉伸電極都未考慮在水下使用的情況。

隨著生活條件的提高,越來越多人開始參加遊泳、潛水等水下活動,而在水中身體出現不適所帶來的危險遠高於在陸地上,尤其是突發心臟病的情況,病人會失去活動能力和呼救能力,很快溺水身亡。

實現水下的ECG實時監測可以減少這類的風險,ECG波形的變化可用於對心臟疾病的判斷和預警,所得心率數據也可用於監測其他突發身體狀況,或水下運動的記錄與管理,因此實現ECG的水下監測具有重要的現實意義。在水下進行ECG的監測需要電極同時具備水下黏附、對水的穩定性、以及交流導電性,為瞭在運動過程中也能取得穩定的信號,這些電極還要可與皮膚共形拉伸,同時符合這些條件的電極還未有報道。

【成果】

為瞭實現ECG的水下監測,新加坡南洋理工大學陳曉東教授和天津大學楊輝教授在Advanced Materials發表題目為“Water-Resistant Conformal Hybrid Electrodes for Aquatic Endurable Electrocardiographic Monitoring”的研究文章,第一作者為新加坡南洋理工大學的姬少博。研究人員利用疏水的金/聚二甲基矽氧烷(Au/PDMS)膜作為基底,設計合成瞭可實現水下黏附和導電的聚合物,將二者結合得到防水可拉伸電極並實現瞭遊泳過程中的ECG監測。

新加坡南洋理工大學陳曉東教授課題組:防水可拉伸皮膚電極
圖1.A)電極多層結構,電極-皮膚界面簡易等效電路圖,以及所使用的水下黏附高分子。MEA不溶於水,提供結構穩定性;DMA提供水下黏附能力;AA在水存在下可電離提供交流導電性。B)隻有含有全部三種單體的高分子才同時具有高的水下黏附力和導納。C)透明的黏附層表面在接觸皮膚後產生瞭與皮膚表面結構對應的圖案,說明瞭其共形黏附。

Au/PDMS體系具有良好的拉伸導電性和對水的穩定性,然而由於其疏水性質,Au/PDMS膜在水存在的情況下無法與皮膚黏附,不能使用。

為瞭將其應用於水下監測,研究者為其設計瞭水下黏附層。黏附層的引入會為電極-皮膚界面帶來額外的電阻(圖1A),為瞭使電生理信號(交流,如心電信號主要檢測范圍~0.5– 100 Hz)從皮膚傳遞到用於檢測的金層,該黏附層還必須具有一定的交流導電性。

為瞭滿足水下電極應用的全部要求,研究者對含多巴胺高分子體系進行瞭改進,使用三種單體共聚得到瞭目標高分子黏附層。

如圖1A所示,MEA作為主鏈不溶於水,賦予瞭該黏附層水穩定性;DMA含有多巴胺基團,賦予黏附層水下黏附能力和與金層的高結合力;AA提供的羧基在水存在下可以電離,提供交流導電能力。

通過對照實驗,可以發現隻有含有全部三種單體的黏附層(pDAM)才同時具備高的水下黏附力和交流導電性(圖1B),證實瞭分子設計的合理性和必要性。

將pDAM塗附於Au/PDMS的金表面,可以得到防水可拉伸電極,DAM。在與皮膚接觸後,原本平整透明的黏附層表面會出現圖案(圖1C),對應於皮膚的表面結構,說明該黏附層可根據皮膚表面發生形變,實現共形黏附,帶來更高的黏附力和穩定性。

新加坡南洋理工大學陳曉東教授課題組:防水可拉伸皮膚電極
圖2.A)在水中,商用凝膠電極在皮膚形變時很容易脫落,DAM可以隨皮膚形變並保持黏附。B)在仿皮膚PDMS基底進行的黏附力測量,DAM具有不受水影響的高黏附力。C)黏附於仿皮膚PDMS基底的電極在水下靜態放置的穩定性,商用凝膠電極會發生明顯溶脹並脫落,DAM表現出高結構穩定性。D)皮膚-電極界面阻抗隨浸水時間的變化,商用凝膠電極-皮膚界面會有水滲入,阻抗變化會導致所檢測信號的不穩定,DAM表現出高的電學穩定性。

如圖2A所示,通過在手臂皮膚上的對比,可以看出商用凝膠電極在水下皮膚形變時會馬上脫落,而DAM防水可拉伸電極則會隨皮膚形變並保持黏附於皮膚上,證實瞭DAM在水下運動過程應用的可能性。通過在表面具有仿皮膚結構的PDMS基底(彈性模量~80kPa,與皮膚相似)上進行測量,可以發現在空氣中DAM具有與商用電極相近的黏附力,而在水中商用電極會失去其黏附力,DAM則幾乎不受水的影響(圖2B),證實瞭其水下黏附能力。

同時由於DAM的共形黏附和水穩定性,它可以穩定的黏附於仿皮膚PDMS基底;而商用凝膠電極會明顯溶脹,在靜態放置的條件下也會於50分鐘內脫落(圖2C)。這是由於皮膚表面結構與非共形黏附的商用凝膠電極之間會產生空隙,水可以滲入界面與凝膠接觸使其溶脹。水滲入電極-皮膚界面還會導致電學性質的變化,影響信號檢測的穩定性和可靠性(圖2D)。與商用凝膠電極相比,DAM表現出瞭高水下黏附,高結構穩定性,和高電學穩定性。此外,將黏附於仿皮膚PDMS基底的DAM放入水中以300rpm的速度連續攪拌24小時後仍不會脫落,其黏附能力和電學性質不會發生明顯變化,進一步證實瞭其穩定性。

新加坡南洋理工大學陳曉東教授課題組:防水可拉伸皮膚電極
圖3.A)在水下ECG監測時,商用凝膠電極靜態條件下會於20分鐘內脫落,不可用於長時間監測,DAM則在連續工作1小時後仍可以收集穩定的信號。B)水中不同條件下的ECG監測,用於模擬運動和水流沖擊的情況。C)DAM收集的信號具有更高的穩定性。如A中所標示,ECG曲線中T波與P波中間的基線應為完全的直線,因此該段的偏差(TPDeviation)越小說明所得信號越穩定。

由於良好的黏附性和穩定性,DAM可黏附於皮膚並進行連續的ECG監測,所得信號在1小時後仍保持穩定(圖3A),相比之下商用電極靜態放置時在20分鐘內便會從皮膚脫落,無法用於長時間的監測。此外,在不同條件的水下監測中(圖3B),DAM所收集的信號都具有比商用凝膠電極更高的穩定性(圖3C)。

新加坡南洋理工大學陳曉東教授課題組:防水可拉伸皮膚電極
圖4.A)可穿戴水下ECG檢測設備,ECG腰帶。B)遊泳過程中收集的ECG信號,具有高的穩定性,同時也說明該個體心臟處於正常狀態。C)遊泳過程中ECG的連續收集。

而在泳池中,貼附於預處理的幹燥皮膚上的商用凝膠電極會於8分鐘內脫落,貼附於未處理的濕皮膚上時則會於30秒內脫落,進入泳池後則無法貼附於皮膚;而DAM電極即使是進入泳池後在進行貼附,也可保持黏附並穩定工作40分鐘以上。研究者將DAM電極與可穿戴ECG檢測設備相結合,得到瞭可穿戴水下ECG監測系統(圖4A)。該系統可以實現遊泳過程中連續的ECG監測,所得信號可以保持穩定(圖4B,C)。所得的ECG波形可用於判斷心臟的狀況,用於心臟疾病預警等應用;同時從ECG中可以得到心率數據,也可用於健康管理和運動管理等領域。

【小結】

研究人員利用疏水的可拉伸Au/PDMS作為基底,設計合成瞭可水下黏附且離子導電的高分子黏附層,得到瞭防水的可拉伸電極。這些電極具有穩定的水下黏附能力和電學性質,可在皮膚上實現水下心電信號的長時間實時監測,所得信號在運動和水流沖擊的條件下都可以保持很高的穩定性。該電極在使用過程中無需保護,可直接暴露於水環境中,與可穿戴設備結合後可用於遊泳過程中的實時心電監測,所得數據可用於對心臟狀況進行監測,對運動情況進行評估和管理等。

參考文獻:

Shaobo Ji,Changjin Wan, Ting Wang, Qingsong Li, Geng Chen, Jianwu Wang, Zhiyuan Liu, HuiYang,* Xijian Liu, and Xiaodong Chen*. Water-Resistant Conformal HybridElectrodes for Aquatic Endurable Electrocardiographic Monitoring. Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202001496.

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001496

相关新闻