天津大学黄显教授团队 ACS Nano：基于光固化导电油墨的在体制备电极及全集成柔性心电信号监测系统

2023-05-20 来源：高分子科技

在公共卫生危机中，快速部署大量可穿戴健康监测设备有助于及时获取大范围人口的健康状况，准确识别潜在风险并调整疾病预防政策。然而大量电子设备的快速制造和部署成本高昂且实现难度大，并且预先制备的设备佩戴位置和样式固定，难以适应不同的监测对象和变化的监测需求。喷墨打印、气溶胶打印等原位制造技术为上述问题提供了可能的解决方案。然而，制备可低温固化的生物相容性材料并实现其在复杂表面上的快速涂覆仍然具有挑战性。

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院黄显教授团队开发了具有生物相容性的光固化导电油墨并构建了一种全集成的柔性系统，可实现表皮电极的原位制备，并独立完成心电信号的采集和传输（图1）。该油墨可通过注射的方式到达皮肤表面，先自发相变固化再通过光固化实现更高水平的聚合交联和致密化，最终形成具有高机械强度（7.48 MPa）和超高电导率（3.57×10⁵ S/m）的表皮电极。柔性系统主要由硅胶封装的FPCB、柔性光波导和油墨腔体组成，总体尺寸约为8×2×2.5 cm3。FPCB上集成紫光LED，其出射光在经过柔性光波导散射后，以0.74 mW的平均功率密度照射在油墨表面，并在5 min内迅速完成油墨的光固化。

图1 光固化导电油墨和全集成柔性系统的示意图

光固化电极可承受反复的拉伸、弯曲和扭转，满足作为表皮电极的柔韧性要求。通过油墨的流变性能表征，确定了油墨的凝胶-溶胶转变温度约为33.2 ℃。电极具有良好的水蒸气透过性能，不会造成皮肤上汗液的滞留。另外，油墨具有良好的透光性，结合光引发剂的光漂白特性，有助于实现底层油墨的光固化（图2）。

图2 光固化电极的机械性能、电学性能、流变性能、水蒸气透过性能和光学性能表征

光固化电极具有良好的适形性能，不受毛发干扰并可自动填充皮肤纹理，在皮肤上的最大剥离强度可达1.96 N/cm。电极在8 g的加速度下和大量出汗的极端情况下仍可实现心电信号的稳定采集。另外，电极具有良好的生物相容性，可长时间粘附在皮肤表面用于生理电信号的测量（图3）。

图3 光固化电极的适形性能和生物相容性表征

柔性光波导由PVA芯层和PDMS包层组成，而芯层包括圆环、圆盘和其底面的立方体阵列。LED光首先进入PVA圆环，然后在圆盘内多次反射和折射，最后在光波导的PDMS底面和侧面出射，照射在油墨表面实现油墨的固化。有限元仿真和实验证明了柔性光波导结构提高油墨表面光均匀程度的有效性（图4）。

图4 柔性光波导性能表征

柔性系统在运动状态下仍然可以采集到清晰的QRS特征峰，实现稳定的心电信号监测。另外，该系统还可以对自由移动的个体进行长时程心电监测，并可捕获异常的rSr''波群，具有辅助诊断心脏异常的潜力（图5）。

图5 光固化电极和系统的心电信号传感性能

该工作已于5月16日以“In situ formation of conductive epidermal electrodes using a fully integrated flexible system and injectable photocurable ink”为题发表在《ACS Nano》上。本文的第一作者为天津大学精仪学院博士研究生晚春雪和吴子悦，通讯作者为黄显教授。上述工作得到了浙江省重点研发计划（2021C05005，2021C05007-2）和国家自然科学基金（52121002）的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01902

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（责任编辑：xu）

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