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天津大學黃顯教授團隊 ACS Nano：基于光固化導電油墨的在體制備電極及全集成柔性心電信號監(jiān)測系統(tǒng)

2023-05-20 來源：高分子科技

在公共衛(wèi)生危機中，快速部署大量可穿戴健康監(jiān)測設備有助于及時獲取大范圍人口的健康狀況，準確識別潛在風險并調(diào)整疾病預防政策。然而大量電子設備的快速制造和部署成本高昂且實現(xiàn)難度大，并且預先制備的設備佩戴位置和樣式固定，難以適應不同的監(jiān)測對象和變化的監(jiān)測需求。噴墨打印、氣溶膠打印等原位制造技術為上述問題提供了可能的解決方案。然而，制備可低溫固化的生物相容性材料并實現(xiàn)其在復雜表面上的快速涂覆仍然具有挑戰(zhàn)性。

近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院黃顯教授團隊開發(fā)了具有生物相容性的光固化導電油墨并構建了一種全集成的柔性系統(tǒng)，可實現(xiàn)表皮電極的原位制備，并獨立完成心電信號的采集和傳輸（圖1）。該油墨可通過注射的方式到達皮膚表面，先自發(fā)相變固化再通過光固化實現(xiàn)更高水平的聚合交聯(lián)和致密化，最終形成具有高機械強度（7.48 MPa）和超高電導率（3.57×10⁵ S/m）的表皮電極。柔性系統(tǒng)主要由硅膠封裝的FPCB、柔性光波導和油墨腔體組成，總體尺寸約為8×2×2.5 cm3。FPCB上集成紫光LED，其出射光在經(jīng)過柔性光波導散射后，以0.74 mW的平均功率密度照射在油墨表面，并在5 min內(nèi)迅速完成油墨的光固化。

圖1 光固化導電油墨和全集成柔性系統(tǒng)的示意圖

光固化電極可承受反復的拉伸、彎曲和扭轉，滿足作為表皮電極的柔韌性要求。通過油墨的流變性能表征，確定了油墨的凝膠-溶膠轉變溫度約為33.2 ℃。電極具有良好的水蒸氣透過性能，不會造成皮膚上汗液的滯留。另外，油墨具有良好的透光性，結合光引發(fā)劑的光漂白特性，有助于實現(xiàn)底層油墨的光固化（圖2）。

圖2 光固化電極的機械性能、電學性能、流變性能、水蒸氣透過性能和光學性能表征

光固化電極具有良好的適形性能，不受毛發(fā)干擾并可自動填充皮膚紋理，在皮膚上的最大剝離強度可達1.96 N/cm。電極在8 g的加速度下和大量出汗的極端情況下仍可實現(xiàn)心電信號的穩(wěn)定采集。另外，電極具有良好的生物相容性，可長時間粘附在皮膚表面用于生理電信號的測量（圖3）。

圖3 光固化電極的適形性能和生物相容性表征

柔性光波導由PVA芯層和PDMS包層組成，而芯層包括圓環(huán)、圓盤和其底面的立方體陣列。LED光首先進入PVA圓環(huán)，然后在圓盤內(nèi)多次反射和折射，最后在光波導的PDMS底面和側面出射，照射在油墨表面實現(xiàn)油墨的固化。有限元仿真和實驗證明了柔性光波導結構提高油墨表面光均勻程度的有效性（圖4）。

圖4 柔性光波導性能表征

柔性系統(tǒng)在運動狀態(tài)下仍然可以采集到清晰的QRS特征峰，實現(xiàn)穩(wěn)定的心電信號監(jiān)測。另外，該系統(tǒng)還可以對自由移動的個體進行長時程心電監(jiān)測，并可捕獲異常的rSr''波群，具有輔助診斷心臟異常的潛力（圖5）。

圖5 光固化電極和系統(tǒng)的心電信號傳感性能

該工作已于5月16日以“In situ formation of conductive epidermal electrodes using a fully integrated flexible system and injectable photocurable ink”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。本文的第一作者為天津大學精儀學院博士研究生晚春雪和吳子悅，通訊作者為黃顯教授。上述工作得到了浙江省重點研發(fā)計劃（2021C05005，2021C05007-2）和國家自然科學基金（52121002）的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01902

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（責任編輯：xu）

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