东华大学朱美芳院士/潘绍武研究员 Adv. Funct. Mater.：原位成型生物电极实现高度共形、稳定的电生理信号界面

2024-04-30 来源：高分子科技

柔性生物电极在日常健康监测和辅助临床医学诊断领域具有重要的应用前景。然而，人体皮肤的毛发、微结构及弯曲界面会影响预成型电极与皮肤间的结合界面，导致电极与皮肤间存在明显的间隙，从而影响生物电信号的采集质量。因此，通过皮肤表面的原位成型，可以获得与皮肤形成稳定保形界面的生物电极，是解决该问题的一个重要途径。

近期，东华大学纤维材料改性国家重点实验室&材料科学与工程学院的朱美芳院士、潘绍武研究员等，共同研制了一种通过原位凝胶化在皮肤表面快速形成稳定保形界面的生物电极。该电极利用丝素蛋白的构象转变，使电极前驱体溶液在皮肤上快速凝胶化形成生物电极（OSF-SP），成功与毛发皮肤、不规则皮肤和生物组织形成良好的共形粘附界面（图1）。快速成型过程所使用的凝胶剂由结构转变剂和力学增强剂组成。其中，结构转变剂的主要成分是乙醇，通过调整乙醇含量来控制凝胶的形成时间；力学增强剂的主要成分为海藻酸钠，通过调节海藻酸钠的含量来调整生物电极的力学性能。

图1. 生物电极的原位成型过程及机理，以及与组织的高度共形界面

原位成型生物电极主要由丝素蛋白和凝胶剂构成。丝素蛋白作为一种天然的生物高分子材料，具有优异的生物相容性；而成型所用的凝胶剂不会对皮肤造成任何损伤。通过对比小鼠背部皮肤的组织学分析证明OSF-SP生物电极具有良好的生物相容性（图2a, b）。为了证明OSF-SP生物电极与皮肤间的保形界面，对比预成型生物电极（Pre-SP）和 OSF-SP生物电极与猪皮、模拟皮肤和丰富毛发皮肤间的接触界面（图2c-g）。结果显示，OSF-SP生物电极在猪皮上成型后不会受到猪皮形变的影响，能够与起伏的皮肤微结构间形成完整的无缝粘附界面，同时能够穿过毛发直接与皮肤间形成粘附界面，避免毛发对电极与皮肤接触界面的干扰，这些证明OSF-SP生物电极能够与不同状态的皮肤间形成良好的保形接触界面。

图2. 生物电极的生物相容性与保形接触界面

良好的共形粘附界面能够有效提高生物电信号的采集质量（图3），分别将Pre-SP生物电极与OSF-SP生物电极用于采集表面肌电信号（EMG），OSF-SP生物电极采集到的EMG信号的信噪比与Pre-SP生物电极相比提高了38.9%。此外，良好的共形粘附界面也能够提高生物电极在水下的粘附稳定性。同时OSF-SP生物电极稳定的物理交联结构和丝素蛋白外层丰富的疏水基团，能够保证其在水下的长时间结构稳定性。商业化的凝胶电极在水下会出现明显的溶胀现象（3小时体积溶胀率为200%）, 在水下心电信号（ECG）采集过程中信噪比值不断下降，最终在90秒内失效；而OSF-SP生物电极可在水下始终保持稳定的ECG信号采集，信噪比值在较长时间始终保持在稳定水平，有望拓展生物电极在水下生物电信号检测的应用场景。

图3. 生物电极用于生物电信号采集

高质量的生物电信号在人机交互领域具有广泛的应用前景，通过将生物电极采集到的高质量电生理信号与具有矢量性的加速度传感器信号进行结合（图4），利用电生理信号控制智能小车的运动状态，加速度传感信号控制智能小车的运动方向，仅通过单通道信号传递和简单的手势动作即可实现对智能小车的精准控制，为复杂环境的人机交互控制提供了应用可能。

图4. 生物电极用于人机交互

该工作以 “An On-Skin-Formed Silk Protein Bioelectrode for Conformable and Robust Electrophysiological Interface” 为题在线发表于期刊《Advanced Functional Materials》上。东华大学材料科学与工程学院硕士研究生杨中华为本文第一作者，潘绍武研究员为通讯作者，研究工作得到了朱美芳院士的指导。该项目得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402608

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（责任编辑：xu）

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