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)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)對于突發(fā)性強、致命性高的心腦血管疾病有著顯著的預(yù)防作用。
生物電監(jiān)測電極作為系統(tǒng)硬件的重要組成單元，直接與人體接觸采集生物電信號，是生物電傳感系統(tǒng)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)長效與皮膚接觸監(jiān)測的功能，生物相容性良好的干電極技術(shù)近年來得到了一定的發(fā)展。然而，由于皮膚的彈性、粗糙質(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)。
由于自然環(huán)境下目標附著表面的復(fù)雜多樣性，依靠單一的黏附機制往往不足以提供生物體穩(wěn)定的附著和快速的運動的能力。幾乎所有具有全空間運動能力的生物，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的跨尺度附著結(jié)構(gòu)，以及附著結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的機制之間的協(xié)同作用。
圖1兼具排汗透氣與皮膚黏附的仿生電極設(shè)計
本研究介紹了一種兼具排汗透氣性和多機制附著性能的健康監(jiān)測電極貼片。貼片的排汗透氣功能采用錐形通孔與蜂窩狀微溝槽集成設(shè)計來實現(xiàn)，錐形通孔產(chǎn)生的拉普拉斯液相壓差和微溝槽的毛細力協(xié)同實現(xiàn)了汗液的自驅(qū)導流作用；Ag/Ni微針陣列和PDMS-t粘附材料的多機制附著一定程度上保障了電極貼片與皮膚接觸的力學穩(wěn)定性，其中，Ag/Ni微針陣列通過高度控制，形成與皮膚角質(zhì)層的接觸，在保障安全性的前提下，實現(xiàn)了生物電信號采集通道的可靠性。
圖2 仿生監(jiān)測電極排汗透氣通道結(jié)構(gòu)形貌及其單向自驅(qū)導效果圖
圖3 仿生電極貼片切向摩擦力和法向黏附力量化測試實驗
圖4仿生電極貼片心電監(jiān)測性能及其與皮膚接觸的生物相容性評價
仿生電極的皮膚界面阻抗測試顯示，在100Hz以下，仿生電極的接觸阻抗低于標準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，仿生電極展示出了較好的靜態(tài)和動態(tài)采集性能。這主要歸因于微針陣列與皮膚高阻抗角質(zhì)層形成機械鎖合，與通孔陣列柔性聚合物黏附接觸協(xié)同作用，增強了仿生電極與皮膚表面的附著力，減少了運動偽影。同時，仿生電極設(shè)計中汗液的自驅(qū)導流結(jié)構(gòu)保障了皮膚排汗透氣的需求，具有良好的皮膚接觸生物相容性，為實現(xiàn)長效的健康監(jiān)測提供了新思路和新途徑。
本研究工作是建立在前期微針摩擦與樹蛙濕黏附協(xié)同的仿生電極（Advanced materials interfaces, 2022, 2200532，封底論文）研究基礎(chǔ)之上，著重探究了仿生電極自主排汗透氣方面功能實現(xiàn)方法。相關(guān)研究成果以題為“Biomimetic Patch with Wicking-Breathable and Multi-mechanism Adhesion for Bioelectrical Signal Monitoring”發(fā)表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文第一作者為南京航空航天大學機電學院碩士研究生張遷，論文通訊作者為姬科舉副研究員，南京航空航天大學為第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學基金、南京市醫(yī)學科技發(fā)展基金、江蘇省仿生功能材料重點實驗室基金等項目的資助。
論文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c13984
