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天津工業大學劉皓教授、王威教授《ACS AMI》:規整微納米柱陣列結構低動態噪聲心電干電極
2022-07-17  來源:高分子科技

  柔性生物電干電極是長期醫療健康監測系統的重要組成部分,其可以在不使用導電凝膠的情況滿足長期使用要求,生物電干電極的微納米結構表面是干電極設計的重要方面。近期,天津工業大學劉皓教授、王威教授團隊通過設計連續可調的氧化陽極氧化鋁(AAO)模板,分別制備了PANI/TPU單層微納米柱陣列結構干電極和雙層微納米柱陣列結構干電極。與平面結構相比,微納米柱陣列結構可以減小電極與皮膚之間的接觸間隙,增大接觸面積,從而顯示出較低的接觸阻抗和較高的信號質量。此外,由于微納結構的表面增大了接觸面積,雙層結構電極的剝離強度比平面結構電極提高了約210.7% ,在動態心電圖測量中顯示出較低的基線漂移,適合于動態測量。該項工作以 Ordered Nanopillar Arrays of Low Dynamic Noise Dry Bioelectrodes for Electrocardiogram Surface Monitoring 為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上(DOI: 10.1021/acsami.2c08318),文章第一作者為博士研究生牛鑫,通訊作者為劉皓教授、王威教授。


1 PANI/TPU微納米柱陣列結構干電極制備過程


  在電極與人體皮膚接觸界面,由于人體皮膚角質層的接觸阻抗較高,將導致皮膚-電極界面的電信號傳輸受阻,是生物電信號監測過程中的主要問題。接觸阻抗由皮膚特性、接觸面積等因素共同控制。對于具有相同尺寸的表面干電極,其與皮膚的有效接觸面積越大,接觸阻抗就越低,從而采集到的信號質量就越高。與平面干電極相比,具有微納米表面形貌的干電極在相同尺寸下具有更大的表面積,可以有效減少皮膚-電極接觸阻抗。該團隊通過設計不同結構的氧化陽極氧化鋁(AAO)模板,制備了PANI/TPU微納米柱陣列結構干電極,該電極的微納米結構可有效增加剝離強度,從而具有更好的動態信號采集性能。


 2 不同尺寸的多孔陽極氧化鋁(AAO)模板


 圖3 利用不同尺寸的AAO模板制備的PANI/TPU微納米柱陣列


  微納米柱陣列結構可以增大電極與皮膚間的剝離強度,因此在動態采集中具有一定優勢,為了驗證電極在動態測試中的穩定性,利用微納米柱陣列結構電極采集了靜坐、擺臂、轉體和走路狀態時的心電信號,并測試了剝離強度,結果發現,雙層微納米柱陣列結構電極在動態采集中顯示出較低的基線漂移,剝離強度得到了顯著提升,而剝離強度的增加是由于接觸面積增加的結果,所以微納米柱結構的電極在心電圖測試中顯示出更好的測試結果,降低了運動狀態對采集信號的干擾。


利用PANI/TPU微納米柱陣列結構電極采集的心電圖


 圖5 PANI/TPU微納米柱陣列結構電極的剝離強度、拉伸強度、信號特征


  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c08318


  作者簡介:


  劉皓教授,天津工業大學紡織科學與工程學院智能可穿戴電子紡織品研究所副所長,紡織材料測試中心主任,其負責的團隊長期致力于柔性傳感器、智能服裝服飾、柔性發電和儲能裝置、柔性電子電路與元件等方向的研究,承擔了科技部國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項“冬季運動與訓練比賽高性能服裝研發關鍵技術”中積極保暖服裝的研發工作,同時也主持了國家自然科學基金面上項目、天津市自然科學基金面上項目等20余項縱向和橫向項目,劉皓教授獲得了2019年的紡織之光獎教金,第二屆中國國際新纖維產業鏈博覽會2021年度的十佳“新纖人”等榮譽。


  王威教授,智能可穿戴電子紡織品研究所副所長,中國紡織服裝教育學會理事。其主要研究方向為針織服裝設計與工藝、毛衫設計與工藝、智能紡織品、綠色紡織品。王威教授曾獲“紡織之光”針織內衣創新貢獻獎、“紡織之光”教學成果獎、天津市“大亨杯”服裝設計比賽獎、教育部優秀學術成果獎、天津市教育系統優秀工作者等省部級獎勵和榮譽多項。

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(責任編輯:xu)
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