用于肌肉-血管活動的原位雙模監測的透明離子電子電極

背景介紹

人類活動伴隨著電生理學（EP）和血氧代謝。EP和BO的原位雙模監測有利于人機界面、疾病診斷和康復。BO通常通過近紅外光譜（NIRs）進行監測，因此；原位雙模監測需要一個多層集成傳感器：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，透明電極也應柔軟且可伸展，以實現機械匹配。此外，為了實現信息映射，需要多通道電極。

此前，用于EP監測的透明和可拉伸電極是基于碳、金屬、和PEDOT開發的。這些導電材料具有電子導電性，并且通常不是本質透明的。需要具體的結構設計來實現一定程度的透明度和導電性的權衡。此外，為了實現穩定的皮膚EP監測，通常需要用另一層水凝膠對這些電極的檢測墊進行修飾，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在EP監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絡，可以顯著降低接觸阻抗并提高EP檢測的準確性。重要的是，它是一種具有離子導電性和固有高透明度的干電極。多項研究采用可拉伸離子凝膠實現單通道EP監測。然而，通過柔軟可拉伸的貼片對EP和BO進行的原位雙模監測尚未實現，濕粘合劑和多通道離子電極的研究仍然缺乏。

本文亮點

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，表現出優異的性能，如高透明度、大拉伸性、濕粘附性、生物相容性、柔軟性和長期穩定性。

2. 該電極表現出24小時的穩定接觸阻抗和2周的周期性EP監測。16通道透明離子電子電極的性能優于可拉伸金電極，因為它提供了穩定的EP監測，對血氧檢測的近紅外干擾最小。

3. 隨著時間的推移，EP強度和血氧水平之間存在原位負相關。

圖文解析

圖1 用于肌肉血管活動的原位雙模監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，用于同時監測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） 雷達圖像用于我們的工作與其他參考文獻的干電極之間的比較。

圖2 離子凝膠的性質。a） 不同[P14][TFSI]含量的離子凝膠的拉伸應力-應變曲線。b） 根據（a）計算的楊氏模量（平均值±SD，n=3）。c） 離子凝膠的電阻隨應變的變化。d） 與離子凝膠共培養的L929細胞在72小時內的細胞活力（平均值±SD，n=6）。e） 離子凝膠與玻璃基質的搭接剪切粘附。f） IONOGEL-5和IONOGEL-10的電導率（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）。i） IONOGEL-10和IONOGEL-5的透射率。

圖3 IONOGEL用于EP信號監測。a） 用于EMG監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監測制作拳頭的過濾EMG信號，并在2周開始和結束時進行測量。c） 來自（b）的EMG信號的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重復一次擴胸）進行擴胸時的ECG信號。f） 不同電極擴胸心電圖信號的信噪比（平均值±標準差，n=10，***p<0.001，***p<0.01，以及單因素方差分析檢驗）。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）睜眼和閉眼時的眼電圖（EOG）信號。i） 來自（h）的頻譜。

圖4 BO和EMG的同步監測。a） a-i）Ionogel/PU膜和a-ii）Au/PU膜的粘附狀態。b） 在血液閉塞期間從不同膠片獲得的BO標測。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監測的狀態和通道分布。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。f） 在放松和抓握過程中通過透明離子電子電極同步監測HbO2和EMG。g） 同步監測時Ch2和均方根的HbO2變化（平均值±SD，n=3）。

審核編輯：劉清