生物電信號是人體最基本的生理信號之一，通過對生物電信號的監(jiān)測可以對多種生理疾病進(jìn)行診斷和預(yù)防。隨著微電子科技的不斷發(fā)展，越來越多的醫(yī)療科技選擇使用電極貼片與診斷設(shè)備集成，以實現(xiàn)長期實時監(jiān)測人體健康狀況的醫(yī)療保健系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)對于預(yù)防突發(fā)性強(qiáng)、致命性高的心腦血管疾病（如腦血栓、心肌梗塞、心律失常以及心臟驟停等心腦血管疾?。┯兄@著的作用，對于患者的健康安全有重大意義。

生物電監(jiān)測電極作為測量系統(tǒng)的重要組成單元，直接與人體接觸采集生物電信號，是生物電傳感器中最為核心的基礎(chǔ)部件。常見的是銀-氯化銀（Ag/AgCl）凝膠電極，但由于凝膠或粘合劑會對皮膚產(chǎn)生刺激，很難用來長期監(jiān)測生物電信號。為了實現(xiàn)長效接觸監(jiān)測的功能，生物相容性良好的干電極技術(shù)近年來得到了較大的發(fā)展。然而，由于皮膚的粗糙、彈性質(zhì)地，附加汗水，油脂、皮屑和毛發(fā)等表面特性，干電極技術(shù)在皮膚附著力、接觸阻抗、透氣性等創(chuàng)新優(yōu)化方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。

[典型具有附著與固定能力的生物結(jié)構(gòu)與功能實現(xiàn)策略]

由于自然環(huán)境下目標(biāo)附著表面的復(fù)雜多樣性，依靠單一的黏附機(jī)制往往不足以提供生物體穩(wěn)定的附著和快速的運(yùn)動的能力。幾乎所有具有全空間運(yùn)動能力的生物，均擁有兩種及以上的界面附著策略，且生物體型越大，越需要多種附著方式協(xié)同作用來提升界面附著力以平衡自重。生物高魯棒性的附著調(diào)控特性依賴于生物腳爪精細(xì)的跨尺度附著結(jié)構(gòu)，以及附著結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的機(jī)制之間的協(xié)同作用。

[微針摩擦與樹蛙濕黏附協(xié)同的仿生電極設(shè)計]

受此啟發(fā)，本研究設(shè)計了一種微針摩擦與樹蛙濕黏附協(xié)同的仿生電極，銀基微針陣列（高度80μm）與皮膚角質(zhì)層的接觸可以提供高的摩擦力，同時可以作為生物電信號采集單元，實現(xiàn)對心電、肌電信號的有效監(jiān)測。而六邊形仿樹蛙結(jié)構(gòu)一方面可以保障皮膚表面排汗透氣的需求，另一方面可以起到增大濕黏附的能力，并且分離的六邊形單體設(shè)計，可以有效阻止脫附過程中的界面裂紋擴(kuò)展，進(jìn)一步增強(qiáng)與皮膚的附著力。

[仿生電極與皮膚的接觸附著穩(wěn)定性測試]

為了驗證仿生電極與皮膚的接觸附著穩(wěn)定性，分析了靜態(tài)、動態(tài)、不同潤濕狀態(tài)、不同負(fù)載擾動條件下仿生電極的附著力，可以看到，仿生電極在干態(tài)或者濕態(tài)皮膚表面上可以承受法向最大100g，切向最大200g的擾動載荷。其中法向力的產(chǎn)生一方面有一定的負(fù)壓吸附效果，尤其是濕潤表面，另一方面成對出現(xiàn)的切向高摩擦可以形成類似壁虎黏附在天花板上的互鎖作用，實現(xiàn)法向的客觀黏附力。結(jié)果表明在日?；顒樱òú叫?/span>，坐著，睡覺等）期間，不需要對皮膚進(jìn)行特殊的預(yù)處理，便可保障電極可靠地固定在皮膚上。

[仿生電極的皮膚界面阻抗和生物電監(jiān)測應(yīng)用]

仿生電極的皮膚界面阻抗測試顯示，在100Hz以下（人體心電圖和肌電信號的主要頻帶），仿生電極的接觸阻抗明顯低于標(biāo)準(zhǔn)Ag/AgCl凝膠電極。在監(jiān)測志愿者的EMG和ECG生物電信號應(yīng)用中，仿生電極也展示出了較好的動態(tài)和靜態(tài)采集性能。這主要?dú)w因于微針陣列與皮膚高阻抗角質(zhì)層形成機(jī)械鎖合，與六邊形的仿生濕黏附墊協(xié)同作用，增強(qiáng)了仿生電極與皮膚表面的附著力，減少了運(yùn)動偽影。同時，微針與六邊形微結(jié)構(gòu)保障了皮膚排汗透氣的需求，即使使用數(shù)十小時也不會引起明顯的皮膚刺激。多機(jī)制協(xié)同的仿生電極設(shè)計為實現(xiàn)長效的健康監(jiān)測提供了新思路和新途徑。

相關(guān)研究成果以題為“Bionic Design and Performance of Electrode for Bioelectrical Signal Monitoring”發(fā)表在期刊《Advanced materials interfaces》上，并作為封底論文。第一作者為南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生袁聰，姬科舉副研究員為本文通訊作者。南京航空航天大學(xué)為第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、南京市醫(yī)學(xué)科技發(fā)展基金、江蘇省仿生功能材料重點(diǎn)實驗室基金等項目的資助。

論文鏈接： Bionic Design and Performance of Electrode for Bioelectrical Signal Monitoring - Yuan - 2022 - Advanced Materials Interfaces - Wiley Online Library