南洋理工陈晓东/苏大张克勤/深圳先进院刘志远《ACS Nano》高度热湿舒适和保形丝基电极用于具有耐汗功能的皮肤传感器

2021-06-18 10:57:44 高分子材料科学

【科研摘要】

可穿戴医疗保健非常需要传感器和人体皮肤之间的无创和无缝接口。即使在动态运动下,基于薄膜的柔软且可拉伸的传感器也可以在某种程度上与皮肤形成共形接触,以获取高保真信号。然而,这些用于长期监测的传感器下方的汗水积累会损害热湿舒适性、电极对皮肤的粘附性和信号保真度。

最近, 南洋理工大学 陈晓东教授 /苏州大学 张克勤教授 / 中国科学院深圳先进研究院 刘志远研究员 报告了一种 高热湿舒适和保形丝基电极的制造,该电极可用于在出汗条件下进行皮肤电生理测量。 它是通过将 导电聚合物聚( 3,4-亚乙基二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)掺入甘油增塑的丝纤维垫中来实现的。甘油起到调节丝纤维垫的机械性能和增强 PEDOT:PSS 导电性的作用 。

该 丝基电极具有高拉伸性 (>250%)、低绝热性 ( ∼ 0.13 °C·m 2 ·W –1 )、低蒸发阻力 ( ∼ 23 Pa·m 2 ·W –1 ,比 ∼ 1.3 Pa·m 2 ·W –1 低 10 倍) mm 厚的商业凝胶电极)和高水蒸气透过率(出汗条件下约 117 g·m -2 ·h -1 , 比皮肤失水高 2 倍 )。这些特性使心电图信号质量比商业凝胶电极更好,而不会干扰汗液蒸发过程中的散热,并为纺织品集成提供了可能性,以监测大变形下的肌肉活动。 该 甘油增塑丝基电极具有卓越的生理舒适性,可以进一步推 动具有耐汗性的皮肤电子设备的进展。相关论文以题为 Highly Thermal-Wet Comfortable and Conformal Silk-Based Electrodes for On-Skin Sensors with Sweat Tolerance 发表在《 ACS Nano 》上。

【主图导读】

图 1. 甘油增塑丝垫和丝基电极的机械性能。 (a) 基于丝纤维垫的可拉伸和透气电极的制备示意图。(b) 分子动力学模拟显示了丝绸的稳定和塑化机制。(c) 初纺丝、甘油稳定丝(标记为 G-silk)和涂有 PEDOT:PSS 的甘油稳定丝的 FTIR 光谱,PEDOT:PSS 含有 15 vol% 甘油(标记为 Silk-P-15G)。(d) PEDOT:PSS 涂层溶液中的甘油含量对最终丝基电极在空气和水中的拉伸性、杨氏模量和 (e) 导电性的影响。

图 2. 甘油增塑丝基电极应变下的电性能和形态演变。 (a)丝基电极Silk-P-15G的电阻-应变特性以及与其他常用电极的比较。(b) 丝基电极 (Silk-P-15G) 在 10%、20% 和 30% 循环应变下的电阻变化。(c) 可变应变下丝基电极的扫描电子显微镜 (SEM) 图像和 (d) 通过对 0°和 180°之间的每一度的 FFT SEM 图像的像素强度进行径向求和来进行相应的快速傅立叶变换 (FFT) 分析。

图 3. 丝基电极的绝热性、蒸发阻力和水汽渗透特性。 (a) 34 段热“牛顿”人体模型系统示意图;标记区域(区域 15)是使用过的测试段。(b) 丝基电极 (Silk-P-15G) 的热绝缘性和 (c) 蒸发电阻与 1.3 毫米厚的商业凝胶电极和 SEBS 聚合物基材上的 Au 相比。(d) 丝基电极在模拟舒适 (20 °C) 和出汗 (37 °C) 条件下的 WVTR,与 SEBS 上约 1.3 mm 厚的商业 水凝胶 电极和 Au 相比。标记区域是成人在正常状态和运动期间皮肤的 TEWL 范围。

图 4. 具有耐汗性的皮肤电生理监测。 (a)在正常和(b)起皱状态下层压在人体前臂上的丝基电极的照片。(c) 光学显微镜图像显示丝基电极对人体皮肤不规则结构的适应性。(d)与商业凝胶电极和丝金电极相比,丝基电极的皮肤界面阻抗。(e) 运动前后由丝绸电极和商用电极记录的心电图信号。(f) 运动前后皮肤上各种电极的光学和红外照片,以证明丝基电极的良好热传递。(g) 佩戴电极时皮肤的中心温度变化与运动后周围裸露皮肤的温度相比。

【总结】

团队已经通过电纺丝蛋白纤维垫的甘油塑化展示了基于丝绸的、高度热湿舒适的、具有耐汗性的保形电极。该具有随机取向纤维的丝基电极由于其多孔结构和拉伸过程中的纤维重新排列而显示出更高的电拉伸性。更重要的是, 该电极具有较高的热湿舒适性、较低的绝热性、低蒸发阻力和较高的水蒸气渗透率。这些特性使我们的基于丝绸的电极对于电生理信号检测(例如运动后平静和出汗情况下的心电图记录)非常可靠。 此外,基于丝绸的电极不会阻止汗液的渗透和蒸发。几乎没有观察到皮肤对局部体温的调节受到干扰。这些结果表明,该基于丝的电极具有优异的生理舒适性,并且可能在具有耐汗性的基于生物材料的可穿戴和亲肤电子产品方面取得更多进展。

参考文献 :

doi.org/10.1021/acsnano.1c01431

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