可穿戴生理信號(hào)檢測(cè)設(shè)備被廣泛地應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、疾病早期診斷、運(yùn)動(dòng)管理等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的商用產(chǎn)品可檢測(cè)多種體征信號(hào)，包括心電（ECG）等電生理信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)日常生活或運(yùn)動(dòng)中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然而這些商用產(chǎn)品以及研究中所報(bào)道的可拉伸電極都未考慮在水下使用的情況。
隨著生活條件的提高，越來(lái)越多人開(kāi)始參加游泳、潛水等水下活動(dòng)，而在水中身體出現(xiàn)不適所帶來(lái)的危險(xiǎn)遠(yuǎn)高于在陸地上，尤其是突發(fā)心臟病的情況，病人會(huì)失去活動(dòng)能力和呼救能力，很快溺水身亡。
實(shí)現(xiàn)水下的ECG實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以減少這類的風(fēng)險(xiǎn)，ECG波形的變化可用于對(duì)心臟疾病的判斷和預(yù)警，所得心率數(shù)據(jù)也可用于監(jiān)測(cè)其他突發(fā)身體狀況，或水下運(yùn)動(dòng)的記錄與管理，因此實(shí)現(xiàn)ECG的水下監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在水下進(jìn)行ECG的監(jiān)測(cè)需要電極同時(shí)具備水下黏附、對(duì)水的穩(wěn)定性、以及交流導(dǎo)電性，為了在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也能取得穩(wěn)定的信號(hào)，這些電極還要可與皮膚共形拉伸，同時(shí)符合這些條件的電極還未有報(bào)道。
【成果】
為了實(shí)現(xiàn)ECG的水下監(jiān)測(cè)，新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授和天津大學(xué)楊輝教授在Advanced Materials發(fā)表題目為“Water-Resistant Conformal Hybrid Electrodes for Aquatic Endurable Electrocardiographic Monitoring”的研究文章，第一作者為新加坡南洋理工大學(xué)的姬少博。研究人員利用疏水的金/聚二甲基硅氧烷（Au/PDMS）膜作為基底，設(shè)計(jì)合成了可實(shí)現(xiàn)水下黏附和導(dǎo)電的聚合物，將二者結(jié)合得到防水可拉伸電極并實(shí)現(xiàn)了游泳過(guò)程中的ECG監(jiān)測(cè)。
Au/PDMS體系具有良好的拉伸導(dǎo)電性和對(duì)水的穩(wěn)定性，然而由于其疏水性質(zhì)，Au/PDMS膜在水存在的情況下無(wú)法與皮膚黏附，不能使用。
為了將其應(yīng)用于水下監(jiān)測(cè)，研究者為其設(shè)計(jì)了水下黏附層。黏附層的引入會(huì)為電極-皮膚界面帶來(lái)額外的電阻（圖1A）,為了使電生理信號(hào)（交流，如心電信號(hào)主要檢測(cè)范圍~0.5– 100 Hz）從皮膚傳遞到用于檢測(cè)的金層，該黏附層還必須具有一定的交流導(dǎo)電性。
為了滿足水下電極應(yīng)用的全部要求，研究者對(duì)含多巴胺高分子體系進(jìn)行了改進(jìn)，使用三種單體共聚得到了目標(biāo)高分子黏附層。
如圖1A所示，MEA作為主鏈不溶于水，賦予了該黏附層水穩(wěn)定性；DMA含有多巴胺基團(tuán)，賦予黏附層水下黏附能力和與金層的高結(jié)合力；AA提供的羧基在水存在下可以電離，提供交流導(dǎo)電能力。
通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)只有含有全部三種單體的黏附層（pDAM）才同時(shí)具備高的水下黏附力和交流導(dǎo)電性（圖1B），證實(shí)了分子設(shè)計(jì)的合理性和必要性。
將pDAM涂附于Au/PDMS的金表面，可以得到防水可拉伸電極，DAM。在與皮膚接觸后，原本平整透明的黏附層表面會(huì)出現(xiàn)圖案（圖1C），對(duì)應(yīng)于皮膚的表面結(jié)構(gòu)，說(shuō)明該黏附層可根據(jù)皮膚表面發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)共形黏附，帶來(lái)更高的黏附力和穩(wěn)定性。
如圖2A所示，通過(guò)在手臂皮膚上的對(duì)比，可以看出商用凝膠電極在水下皮膚形變時(shí)會(huì)馬上脫落，而DAM防水可拉伸電極則會(huì)隨皮膚形變并保持黏附于皮膚上，證實(shí)了DAM在水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程應(yīng)用的可能性。通過(guò)在表面具有仿皮膚結(jié)構(gòu)的PDMS基底（彈性模量~80kPa，與皮膚相似）上進(jìn)行測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)在空氣中DAM具有與商用電極相近的黏附力，而在水中商用電極會(huì)失去其黏附力，DAM則幾乎不受水的影響（圖2B），證實(shí)了其水下黏附能力。
同時(shí)由于DAM的共形黏附和水穩(wěn)定性，它可以穩(wěn)定的黏附于仿皮膚PDMS基底；而商用凝膠電極會(huì)明顯溶脹，在靜態(tài)放置的條件下也會(huì)于50分鐘內(nèi)脫落（圖2C）。這是由于皮膚表面結(jié)構(gòu)與非共形黏附的商用凝膠電極之間會(huì)產(chǎn)生空隙，水可以滲入界面與凝膠接觸使其溶脹。水滲入電極-皮膚界面還會(huì)導(dǎo)致電學(xué)性質(zhì)的變化，影響信號(hào)檢測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性（圖2D）。與商用凝膠電極相比，DAM表現(xiàn)出了高水下黏附，高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，和高電學(xué)穩(wěn)定性。此外，將黏附于仿皮膚PDMS基底的DAM放入水中以300rpm的速度連續(xù)攪拌24小時(shí)后仍不會(huì)脫落，其黏附能力和電學(xué)性質(zhì)不會(huì)發(fā)生明顯變化，進(jìn)一步證實(shí)了其穩(wěn)定性。
由于良好的黏附性和穩(wěn)定性，DAM可黏附于皮膚并進(jìn)行連續(xù)的ECG監(jiān)測(cè)，所得信號(hào)在1小時(shí)后仍保持穩(wěn)定（圖3A），相比之下商用電極靜態(tài)放置時(shí)在20分鐘內(nèi)便會(huì)從皮膚脫落，無(wú)法用于長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。此外，在不同條件的水下監(jiān)測(cè)中（圖3B），DAM所收集的信號(hào)都具有比商用凝膠電極更高的穩(wěn)定性（圖3C）。
而在泳池中，貼附于預(yù)處理的干燥皮膚上的商用凝膠電極會(huì)于8分鐘內(nèi)脫落，貼附于未處理的濕皮膚上時(shí)則會(huì)于30秒內(nèi)脫落，進(jìn)入泳池后則無(wú)法貼附于皮膚；而DAM電極即使是進(jìn)入泳池后在進(jìn)行貼附，也可保持黏附并穩(wěn)定工作40分鐘以上。研究者將DAM電極與可穿戴ECG檢測(cè)設(shè)備相結(jié)合，得到了可穿戴水下ECG監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖4A）。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)游泳過(guò)程中連續(xù)的ECG監(jiān)測(cè)，所得信號(hào)可以保持穩(wěn)定（圖4B,C）。所得的ECG波形可用于判斷心臟的狀況，用于心臟疾病預(yù)警等應(yīng)用；同時(shí)從ECG中可以得到心率數(shù)據(jù)，也可用于健康管理和運(yùn)動(dòng)管理等領(lǐng)域。
【小結(jié)】
研究人員利用疏水的可拉伸Au/PDMS作為基底，設(shè)計(jì)合成了可水下黏附且離子導(dǎo)電的高分子黏附層，得到了防水的可拉伸電極。這些電極具有穩(wěn)定的水下黏附能力和電學(xué)性質(zhì)，可在皮膚上實(shí)現(xiàn)水下心電信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所得信號(hào)在運(yùn)動(dòng)和水流沖擊的條件下都可以保持很高的穩(wěn)定性。該電極在使用過(guò)程中無(wú)需保護(hù)，可直接暴露于水環(huán)境中，與可穿戴設(shè)備結(jié)合后可用于游泳過(guò)程中的實(shí)時(shí)心電監(jiān)測(cè)，所得數(shù)據(jù)可用于對(duì)心臟狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行評(píng)估和管理等。
參考文獻(xiàn)：
Shaobo Ji,Changjin Wan, Ting Wang, Qingsong Li, Geng Chen, Jianwu Wang, Zhiyuan Liu, HuiYang,* Xijian Liu, and Xiaodong Chen*. Water-Resistant Conformal HybridElectrodes for Aquatic Endurable Electrocardiographic Monitoring. Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202001496.
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