Adv. Mater.报道：具有超低生物电子阻抗的柔性离子粘附电极

【背景介绍】

在生物系统中，离子传导在生命体征的传递和执行生理活动中起着核心作用。高效、精确地收集或传输这些离子信号是临床神经生理学和材料科学的重要研究兴趣。因此，需要一种具有柔性生物表面和低生物电界面阻抗（电极-皮肤系统的理想阻抗为6-10 kΩ）的电极。表面肌电图（sEMG）是一种典型的非侵入性、方便的技术，用于耦合两种不同的电流。然而，由于在肌肉收缩期间与皮肤弯曲之间存在间隙，许多电极对皮肤的顺应性差，且生物电阻抗高，从而导致严重的噪音和信号错误，尤其是来自低水平肌肉收缩的信号。更重要的是，品质较差的sEMG信号不利于限制串扰，是通过减小电极尺寸来限制sEMG的主要问题。此外，当厚度＜100 nm时，获得具有较低电极生物电子阻抗的电极仍然面临巨大挑战。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学的陈晓东教授和浙江大学的李德昌副教授（共同通讯作者）等人联合报道了一种基于粘性水凝胶的藻酸盐-聚丙烯酰胺（Alg-PAAm）柔性电极。该电极通过强的静电相互作用，以及与皮肤间存有的大量氢键消除了那些较大的间隙。所获得的柔性电极具有20 kΩ的超低生物电阻抗，甚至可以监测肌肉的2.1％最大自主收缩（MVC）。同时，由于在低电水平MVC时，具有>5：1的高信噪比（SNR），因此通过减小电极尺寸可以最小化不相关肌肉的串扰。此外，作者成功地展示了一种假体，利用该假体可以精确的抓握基于一个9 mm² Alg-PAAm肉性电极的针。总之，设计这种肉性电极的策略为改善动态弱sEMG信号的质量提供了新思路，从而可以精确地控制假体，以有目的地进行活动。研究成果以题为“A Compliant Ionic Adhesive Electrode with Ultralow Bioelectronic Impedance”发布在著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、基于柔性离子粘合剂的超低生物电界面阻抗
（a）sEMG的电极和皮肤的示意图，以及电解组织介质中离子通量和记录电极中电流的耦合过程；

（b）不同的干/湿电极的界面阻抗和粘附/厚度。

图二、模拟Alg-PAAm水凝胶与角质层之间的分子间相互作用
（a）海藻酸盐-聚丙烯酰胺水凝胶链的仿真模型；

（b）Alg-PAAm粘合剂水凝胶和SC在分子水平上的相互作用；

（c）在150 ns时，Alg-PAAm水凝胶和SC之间相互作用的细节；

（d）Alg-PAAm水凝胶和SC基质之间的范德华力和静电能；

（e）水凝胶和SC基质之间的最小距离；

（f）海藻酸盐-聚丙烯酰胺水凝胶和SC基质之间的氢键数；

（g）基于Alg-PAAm水凝胶和市售水凝胶的90^o剥离测试，表明Alg-PAAm的粘附性优于市售；

（h-i）SEM图像显示猪皮和商用电极间的界面有许多用红色虚线，而与Alg-PAAm柔性电极的界面则具有纳米级间隙；

（j）从1-10⁴ Hz的电极-皮肤系统阻抗的图表。

图三、商业电极和不同尺寸Alg-PAAm柔性电极的SNR和串扰
（a）使用不同的电极，记录实时sEMG；

（b）利用81和9 mm² Alg-PAAm电极、78.5和9.8 mm²商业电极在不同的肌肉收缩情况下采集sEMG信号的SNR；

（c）在10％MVC时，随着尺寸的减小，Alg-PAAm和商用电极的SNR和串扰；

（d）拇指引起的中指串扰率，随电极尺寸的增加和肌肉收缩强度的增加而增加；

（e）在没有串扰区域的拇指、食指、中指和无名指的sEMG信号。

图四、基于商业和Alg-PAAm电极来驱动假肢
（a）基于商用电极的抓针实验；

（b）由81 mm² Alg-PAAm电极获得的sEMG信号驱动的抓针；

（c）由9 mm² Alg-PAAm电极获得的sEMG信号驱动的抓针；

（d-e）基于化学电极的假体四个手指握住针时，获得的sEMG数据和弯曲角度；

（f-g）基于81 mm² Alg-PAAm电极的假体四个手指握住针时，获得的sEMG数据和弯曲角度；

（h-i）基于9 mm² Alg-PAAm电极的假体四个手指握住针时，获得的sEMG数据和弯曲角度。

【小结】

综上所述，作者制备的可记录动态弱sEMG信号且串扰低的柔性离子粘合电极，可以驱动假肢手指执行抓针等精细活动。作者利用含5％LiCl的高粘性Alg-PAAm水凝胶作为柔层，以增强分子间的相互作用，消除皮肤上的间隙。该AlgPAAm柔性电极在低水平肌肉收缩时，具有比商用电极（500 kΩ）更低的生物电阻抗（20 kΩ）和更好的SNR。即使在2.1％MVC的肌肉活动下，该电极也可以记录微弱的sEMG信号。更重要的是，较小的Alg-PAAm电极可更好地减少相邻肌肉的不良串扰，而该柔性电极可记录的微弱sEMG信号来驱动假肢的手指准确抓住针头。总之，该研究结果为假肢用户利用动态微弱的sEMG信号进行精细而复杂的运动提供了有希望的解决方案。

文献链接：A Compliant Ionic Adhesive Electrode with Ultralow Bioelectronic Impedance（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003723）

本文由材料人CQR编译。

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