背景介紹

人類活動(dòng)伴隨著電生理學(xué)（EP）和血氧代謝。EP和BO的原位雙模監(jiān)測有利于人機(jī)界面、疾病診斷和康復(fù)。BO通常通過近紅外光譜（NIRs）進(jìn)行監(jiān)測，因此；原位雙模監(jiān)測需要一個(gè)多層集成傳感器：第一層是直接粘附在皮膚上的透明電極來檢測EP，第二層是近紅外光通過第一層電極來檢測BO的近紅外光譜。由于皮膚柔軟且可拉伸，透明電極也應(yīng)柔軟且可伸展，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械匹配。此外，為了實(shí)現(xiàn)信息映射，需要多通道電極。

此前，用于EP監(jiān)測的透明和可拉伸電極是基于碳、金屬、和PEDOT開發(fā)的。這些導(dǎo)電材料具有電子導(dǎo)電性，并且通常不是本質(zhì)透明的。需要具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)一定程度的透明度和導(dǎo)電性的權(quán)衡。此外，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的皮膚EP監(jiān)測，通常需要用另一層水凝膠對(duì)這些電極的檢測墊進(jìn)行修飾，以降低界面阻抗。近年來，由無水可拉伸離子凝膠組成的離子電子學(xué)在EP監(jiān)測方面有很大的前景。離子凝膠是用離子液體溶脹的聚合物網(wǎng)絡(luò)，可以顯著降低接觸阻抗并提高EP檢測的準(zhǔn)確性。重要的是，它是一種具有離子導(dǎo)電性和固有高透明度的干電極。多項(xiàng)研究采用可拉伸離子凝膠實(shí)現(xiàn)單通道EP監(jiān)測。然而，通過柔軟可拉伸的貼片對(duì)EP和BO進(jìn)行的原位雙模監(jiān)測尚未實(shí)現(xiàn)，濕粘合劑和多通道離子電極的研究仍然缺乏。

本文亮點(diǎn)

1. 基于可拉伸和可打印的離子凝膠制備了16通道透明離子電子電極，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如高透明度、大拉伸性、濕粘附性、生物相容性、柔軟性和長期穩(wěn)定性。

2. 該電極表現(xiàn)出24小時(shí)的穩(wěn)定接觸阻抗和2周的周期性EP監(jiān)測。16通道透明離子電子電極的性能優(yōu)于可拉伸金電極，因?yàn)樗峁┝朔€(wěn)定的EP監(jiān)測，對(duì)血氧檢測的近紅外干擾最小。

3. 隨著時(shí)間的推移，EP強(qiáng)度和血氧水平之間存在原位負(fù)相關(guān)。

圖文解析

圖1 用于肌肉血管活動(dòng)的原位雙模監(jiān)測的可拉伸多通道離子電子電極的示意圖。a） 透明多通道離子電子電極，用于同時(shí)監(jiān)測BO和EMG。NIR、BO和EMG分別代表近紅外光譜、血氧和肌電圖。b） 通過將離子凝膠前體刮涂到SEBS膜上并進(jìn)行UV固化，制備16通道透明離子電子電極的工藝。c） 透明16溝道電極（i和ii）和16溝道SEBS Au電極（iii）的圖像。比例尺：1厘米。d） 雷達(dá)圖像用于我們的工作與其他參考文獻(xiàn)的干電極之間的比較。

圖2 離子凝膠的性質(zhì)。a） 不同[P14][TFSI]含量的離子凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b） 根據(jù)（a）計(jì)算的楊氏模量（平均值±SD，n=3）。c） 離子凝膠的電阻隨應(yīng)變的變化。d） 與離子凝膠共培養(yǎng)的L929細(xì)胞在72小時(shí)內(nèi)的細(xì)胞活力（平均值±SD，n=6）。e） 離子凝膠與玻璃基質(zhì)的搭接剪切粘附。f） IONOGEL-5和IONOGEL-10的電導(dǎo)率（平均值±SD，n=3）。g） 離子凝膠和Ag/AgCl水凝膠電極在100Hz下24小時(shí)的皮膚接觸阻抗（平均值±SD，n=3）。h） 剝離具有不同NHS含量的IONOGEL-10對(duì)干燥和潮濕人類皮膚的粘附性（平均值±SD，n=3，***p<0.01，***p<0.01和*p<0.05，單因素方差分析檢驗(yàn)）。i） IONOGEL-10和IONOGEL-5的透射率。

圖3 IONOGEL用于EP信號(hào)監(jiān)測。a） 用于EMG監(jiān)測的離子凝膠電極的圖像。比例尺：3厘米。b） 通過Ag/AgCl電極、IONOGEL-0、IONOGEL-5和IONOGEL-10監(jiān)測制作拳頭的過濾EMG信號(hào)，并在2周開始和結(jié)束時(shí)進(jìn)行測量。c） 來自（b）的EMG信號(hào)的SNR（平均值±SD，n=10，***p<0.001，單因素方差分析測試。）。d）用于ECG監(jiān)測的離子凝膠電極的圖像。比例尺：1.5 cm。e）Ag/AgCl電極、Au/SBS電極和IONOGEL-5以不同頻率（0.2、0.5和1Hz，表示每5、2和1s重復(fù)一次擴(kuò)胸）進(jìn)行擴(kuò)胸時(shí)的ECG信號(hào)。f） 不同電極擴(kuò)胸心電圖信號(hào)的信噪比（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=10，***p<0.001，***p<0.01，以及單因素方差分析檢驗(yàn)）。g） Ag/AgCl電極和IONOGEL-5在排汗過程中粘附在皮膚上的照片。比例尺：1.5 cm。h）睜眼和閉眼時(shí)的眼電圖（EOG）信號(hào)。i） 來自（h）的頻譜。

圖4 BO和EMG的同步監(jiān)測。a） a-i）Ionogel/PU膜和a-ii）Au/PU膜的粘附狀態(tài)。b） 在血液閉塞期間從不同膠片獲得的BO標(biāo)測。c） 無離子凝膠膜和Au膜和有離子凝膠膜的Ch3血液閉塞后HbO2的變化（平均值±SD，n=3）。d） BO和EMG監(jiān)測的狀態(tài)和通道分布。S表示源，D表示檢測器。e） e-i）透明離子電子電極和e-ii）SEBS-Au電極的粘附狀態(tài)。f） 在放松和抓握過程中通過透明離子電子電極同步監(jiān)測HbO2和EMG。g） 同步監(jiān)測時(shí)Ch2和均方根的HbO2變化（平均值±SD，n=3）。

審核編輯：劉清