具有低模量和高粘附性的生物电电极可以在皮肤-电极界面上提供高共形和强结合，以提高电生理信号采集的保真度和稳定性，因此受到了广泛的关注。然而，在电极从皮肤剥离的过程中，高粘附性往往会引起疼痛甚至皮肤刺激；此外，柔性的生物电电极也可能因人体活动或剥离时的过度拉伸/扭转而受损，阻碍了其在生物电信号采集中长期、动态及多次使用。

中国科学院上海硅酸盐研究所的孙静研究员团队提出了一种由温度触发的双稳态粘附聚合物(Bistable Adhesive Polymer, BAP)及褶皱结构的AgNWs网络组成的生物电电极。由于BAP的相变温度略低于皮肤温度（30 ℃），因此可由皮肤温度的快速触发实现低模量和高粘附性，以获得稳定共形的皮肤-电极界面。冰袋处理可以显著硬化电极，减少粘连，使电极可从皮肤上无痛脱离，并有效避免了电极的损坏。同时，具有皱褶结构的AgNWs导电网络显著提高了电极的机电稳定性。该电极成功地实现了长期（7天）、动态生物电监测稳定性及可重复使用性（至少10次），并且在生物电信号监测期间不会产生皮肤刺激。该工作的通讯作者为王冉冉研究员、程荫副研究员，第一作者为赖慧婷博士。

图1 BAP电极的工作原理及在生物电监测中的优势

【研究内容】

通过调节侧链丙烯酸十八酯(SA)及丙烯酸十四酯(TA)的相对比例，使得BAP衬底在皮肤温度附近产生巨大的模量和粘附性的变化。在皮肤温度的触发下，BAP电极获得了优于市面上常见的几种胶带的高粘附性，以及由于低模量带来的高共形的皮肤电极界面。经过冰袋短时处理后电极可从皮肤上轻松揭下，不产生疼痛和皮肤刺激。在电极的反复粘脱的过程中，其粘附性能也没有明显下降。

图2 BAP电极的机械性能和粘附性能

选择了具有高导电性的AgNWs作为导电层材料。同时，采用双轴预拉伸的方式构筑了褶皱结构，使得电极更能抵抗变形及脱附时的破坏。由于BAP在高温下的高流动性，衬底与AgNWs导电层形成了半嵌入结构，进一步提高了电极的电学稳定性。得益于高共形的电极-皮肤界面，BAP电极在低频下（1Hz）的界面接触阻抗远低于商用的Ag/AgCl电极，约为后者的1/8。

图3 BAP电极的电学性能

在生物电信号采集中，BAP电极也展现出良好的性能。与商用的Ag/AgCl电极相比，BAP电极在静态下可获得更高质量的心电信号。即使在水下活动、水流冲洗和剧烈运动等复杂的动态环境下，BAP电极测得的心电信号均清晰可辨。在7天的长期监测和10次的重复使用中BAP电极也始终能监测到稳定的心电信号。由于BAP电极在表面肌电信号监测中展现出更高的信噪比(18.773 dB)和更低的基线噪声(3.35 μV)，因此可运用于钢琴指法的识别和训练等较为复杂应用场景中。

图4 BAP电极及商用Ag/AgCl电极在静态及动态下的ECG监测

图5 BAP电极长期和重复监测的ECG信号

图6 BAP电极的表面肌电信号监测

【总结】

综上所述，本研究提出了一种基于BAP和AgNWs网络的具有可通过温度触发按需粘附和模量的生物电电极。该电极实现了与皮肤的高粘附性和无痛分离。除此之外，还实现了10次重复使用和7天不受人体运动、出汗、洗澡干扰的长期心电监测。与商用Ag/AgCl电极相比， BAP 电极在表面肌电信号监测中具有更高的信噪比(18.773 dB)和更低的基线噪声(3.35 μV)，有利于钢琴演奏的智能训练。这些结果证明了BAP电极在长时间/动态健康监测和诊断以及高精度人机交互(如假肢操作和情感识别)领域的巨大潜力。

该研究以题为“Temperature-Triggered Adhesive Bioelectric Electrodes with Long-Term Dynamic Stability and Reusability”的论文发表在《Advanced Science》上。

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文章链接：
http://doi.org/10.1002/advs.202300793

来源：高分子科学前沿

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