Adv. Mater.報道：具有超低生物電子阻抗的柔性離子粘附電極

【背景介紹】

在生物系統中，離子傳導在生命體征的傳遞和執行生理活動中起著核心作用。高效、精確地收集或傳輸這些離子信號是臨床神經生理學和材料科學的重要研究興趣。因此，需要一種具有柔性生物表面和低生物電界面阻抗（電極-皮膚系統的理想阻抗為6-10 kΩ）的電極。表面肌電圖（sEMG）是一種典型的非侵入性、方便的技術，用于耦合兩種不同的電流。然而，由于在肌肉收縮期間與皮膚彎曲之間存在間隙，許多電極對皮膚的順應性差，且生物電阻抗高，從而導致嚴重的噪音和信號錯誤，尤其是來自低水平肌肉收縮的信號。更重要的是，品質較差的sEMG信號不利于限制串擾，是通過減小電極尺寸來限制sEMG的主要問題。此外，當厚度＜100 nm時，獲得具有較低電極生物電子阻抗的電極仍然面臨巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，新加坡南洋理工大學的陳曉東教授和浙江大學的李德昌副教授（共同通訊作者）等人聯合報道了一種基于粘性水凝膠的藻酸鹽-聚丙烯酰胺（Alg-PAAm）柔性電極。該電極通過強的靜電相互作用，以及與皮膚間存有的大量氫鍵消除了那些較大的間隙。所獲得的柔性電極具有20 kΩ的超低生物電阻抗，甚至可以監測肌肉的2.1％最大自主收縮（MVC）。同時，由于在低電水平MVC時，具有>5：1的高信噪比（SNR），因此通過減小電極尺寸可以最小化不相關肌肉的串擾。此外，作者成功地展示了一種假體，利用該假體可以精確的抓握基于一個9 mm² Alg-PAAm肉性電極的針。總之，設計這種肉性電極的策略為改善動態弱sEMG信號的質量提供了新思路，從而可以精確地控制假體，以有目的地進行活動。研究成果以題為“A Compliant Ionic Adhesive Electrode with Ultralow Bioelectronic Impedance”發布在著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、基于柔性離子粘合劑的超低生物電界面阻抗
（a）sEMG的電極和皮膚的示意圖，以及電解組織介質中離子通量和記錄電極中電流的耦合過程；

（b）不同的干/濕電極的界面阻抗和粘附/厚度。

圖二、模擬Alg-PAAm水凝膠與角質層之間的分子間相互作用
（a）海藻酸鹽-聚丙烯酰胺水凝膠鏈的仿真模型；

（b）Alg-PAAm粘合劑水凝膠和SC在分子水平上的相互作用；

（c）在150 ns時，Alg-PAAm水凝膠和SC之間相互作用的細節；

（d）Alg-PAAm水凝膠和SC基質之間的范德華力和靜電能；

（e）水凝膠和SC基質之間的最小距離；

（f）海藻酸鹽-聚丙烯酰胺水凝膠和SC基質之間的氫鍵數；

（g）基于Alg-PAAm水凝膠和市售水凝膠的90^o剝離測試，表明Alg-PAAm的粘附性優于市售；

（h-i）SEM圖像顯示豬皮和商用電極間的界面有許多用紅色虛線，而與Alg-PAAm柔性電極的界面則具有納米級間隙；

（j）從1-10⁴ Hz的電極-皮膚系統阻抗的圖表。

圖三、商業電極和不同尺寸Alg-PAAm柔性電極的SNR和串擾
（a）使用不同的電極，記錄實時sEMG；

（b）利用81和9 mm² Alg-PAAm電極、78.5和9.8 mm²商業電極在不同的肌肉收縮情況下采集sEMG信號的SNR；

（c）在10％MVC時，隨著尺寸的減小，Alg-PAAm和商用電極的SNR和串擾；

（d）拇指引起的中指串擾率，隨電極尺寸的增加和肌肉收縮強度的增加而增加；

（e）在沒有串擾區域的拇指、食指、中指和無名指的sEMG信號。

圖四、基于商業和Alg-PAAm電極來驅動假肢
（a）基于商用電極的抓針實驗；

（b）由81 mm² Alg-PAAm電極獲得的sEMG信號驅動的抓針；

（c）由9 mm² Alg-PAAm電極獲得的sEMG信號驅動的抓針；

（d-e）基于化學電極的假體四個手指握住針時，獲得的sEMG數據和彎曲角度；

（f-g）基于81 mm² Alg-PAAm電極的假體四個手指握住針時，獲得的sEMG數據和彎曲角度；

（h-i）基于9 mm² Alg-PAAm電極的假體四個手指握住針時，獲得的sEMG數據和彎曲角度。

【小結】

綜上所述，作者制備的可記錄動態弱sEMG信號且串擾低的柔性離子粘合電極，可以驅動假肢手指執行抓針等精細活動。作者利用含5％LiCl的高粘性Alg-PAAm水凝膠作為柔層，以增強分子間的相互作用，消除皮膚上的間隙。該AlgPAAm柔性電極在低水平肌肉收縮時，具有比商用電極（500 kΩ）更低的生物電阻抗（20 kΩ）和更好的SNR。即使在2.1％MVC的肌肉活動下，該電極也可以記錄微弱的sEMG信號。更重要的是，較小的Alg-PAAm電極可更好地減少相鄰肌肉的不良串擾，而該柔性電極可記錄的微弱sEMG信號來驅動假肢的手指準確抓住針頭。總之，該研究結果為假肢用戶利用動態微弱的sEMG信號進行精細而復雜的運動提供了有希望的解決方案。

文獻鏈接：A Compliant Ionic Adhesive Electrode with Ultralow Bioelectronic Impedance（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003723）

本文由材料人CQR編譯。

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