高动态稳定人体电生理监测在智能可穿戴健康监测、心血管疾病临床诊断、神经系统疾病治疗以及智能人机交互等领域具有广阔的应用前景. 作为人与外部环境的信号交互桥梁, 皮肤电极可贴合于皮肤表面, 以无创的方式监测和采集各种电生理信号, 成为高动态稳定电生理监测的理想平台. 从材料角度出发, 皮肤电极的高动态稳定性决定于基底材料的高粘附性和可拉伸性. 因此, 如何通过高分子结构的合理设计制备高粘附可拉伸高分子材料, 构筑高度共形粘附于人体皮肤表面的电极, 从而实现高动态稳定人体电生理监测, 是柔性智能健康监测领域的重要研究方向.
天津大学杨辉课题组总结了其课题组近年来在高粘附可拉伸高分子材料制备及其在高动态稳定人体电生理监测应用方面的研究进展, 并讨论了高粘附可拉伸高分子材料在下一代柔性智能健康监测领域面临的机遇和挑战.
人体在动态生理活动中会产生各种电生理信号如心电(ECG)、肌电(EMG)、脑电(EEG)、眼电(EOG)信号等, 反映了器官和组织的生理状态, 在监测健康状况和评价临床治疗方面发挥着不可替代的作用. 因此, 高动态稳定人体电生理监测结合智能算法可获得即时信息反馈, 是加快无创即时检查和个性化治疗应用的重要驱动力, 在智能可穿戴健康监测、心血管疾病临床诊断、神经系统疾病治疗以及智能人机交互等领域具有广阔的应用前景. 作为人与外部环境的信号交互桥梁, 皮肤电极可贴合于皮肤表面, 以无创的方式监测和采集各种电生理信号, 并结合人工智能算法对动态数据进行精准分析和实时反馈, 成为高动态稳定电生理监测的理想平台. 为了在复杂的环境中实现精确和稳定的人体电生理信号监测, 皮肤电极的力学性能应与人体皮肤相匹配, 使其能够共形粘附于皮肤表面, 随着皮肤的运动而运动, 并且保持其与皮肤之间的界面阻抗稳定不变, 从而实现电生理信号监测的高动态稳定性(图1). 对于与皮肤力学性能不匹配的电极而言, 其在皮肤发生拉伸或松弛时仍保持初始状态, 因而容易在皮肤表面滑移甚至脱落, 造成界面阻抗剧烈变化, 导致电生理信号动态监测的不稳定性. 因此, 从材料角度看, 皮肤电极的高动态稳定性决定于基底材料的可拉伸性和高粘附性, 两者协同作用, 从而实现皮肤电极高度共形粘附于人体皮肤表面, 连续、实时、准确地监测人体各种电生理信号. 其中, 可拉伸性实现电极与皮肤的力学匹配, 使电极能够随着皮肤的运动而运动; 高粘附性实现电极与皮肤的高度共形, 避免电极在皮肤拉伸或松弛过程中滑移甚至脱落. 此外, 高粘附性和可拉伸性的完美结合使界面阻抗保持不变, 提高了电生理信号的信噪比. 目前, 应用于制备皮肤电极的基底材料主要是可拉伸弹性聚合物, 如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氢化苯乙烯–丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)和聚氨酯(PU)等. 尽管这些弹性聚合物材料具有优异的可拉伸性, 但其在湿润界面的低界面粘附能和高界面阻抗限制了其在人体电生理信号的长期、稳定及动态监测上的进一步应用.
图1 皮肤电极的力学性能影响电生理信号监测的稳定性
此外, 现有的商业凝胶电极主要由Ag/AgCl和丙烯酸酯类聚合物构成, 其不可拉伸、防汗性差和生物相容性差等问题严重限制了其在高动态稳定人体电生理监测中的应用. 一方面, 电极的不可拉伸性使其在皮肤发生大形变时仍保持初始形状, 因而容易在皮肤表面发生滑移, 使电极与皮肤之间的界面阻抗发生变化, 从而产生运动伪差, 影响动态电生理信号监测的准确性和可靠性; 另一方面, 电极的防汗性差, 人体在运动过程中产生的汗液会降低电极与皮肤表面的界面粘附能, 导致电极在湿润皮肤表面滑移甚至脱落, 影响动态电生理信号监测的稳定性. 此外, 商业电极缺乏良好的透气透水性, 抑制了人体汗液的蒸发和皮肤中挥发性有机成分的排放, 在长时间监测后, 可能会引起皮肤刺激, 导致过敏或炎症反应. 因此, 商业凝胶电极不适用于人体电生理信号的长期动态稳定监测. 从材料角度出发, 高动态稳定性皮肤电极的核心基础是基底材料的可拉伸性和高粘附性. 因此, 如何通过高分子结构的合理设计制备高粘附可拉伸高分子材料, 研究可拉伸高分子材料在干湿皮肤表面的粘附机制, 构筑高度共形粘附于人体皮肤表面的电极, 从而实现高动态稳定人体电生理监测, 是柔性智能健康监测领域的重要研究方向.
天津大学杨辉课题组总结了近年来在高粘附可拉伸高分子材料制备及其在高动态稳定人体电生理监测应用方面的研究进展, 并总结了一系列基于天然丝素蛋白和聚多巴胺的高粘附可拉伸高分子材料的设计策略、合成方法及材料性能，并论述了其在高动态稳定人体电生理监测如心电、肌电和脑电监测等方面的应用. 最后, 讨论了高粘附可拉伸高分子材料在下一代柔性智能健康监测设备应用中面临的机遇和挑战（图2）.
图2 高粘附可拉伸高分子材料与高动态稳定人体电生理监测
该文将收录于 《中国科学：化学》“柔性电子材料与器件专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：
胡明爽, 杨辉*. 高粘附可拉伸高分子材料与高动态稳定人体电生理监测. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2022-0155
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