用于可穿戴皮膚設備的高性能電極的材料特性和結構設計

可穿戴皮膚接觸設備因其能夠提供方便和安全的健康監測而得到廣泛研究?？刂破湫阅艿囊粋€關鍵方面是設備電極的性能。優化電極結構及其制造材料可以提高設備的功能性。

據麥姆斯咨詢報道，近期，韓國延世大學（Yonsei University）的研究人員在Communications Materials期刊上發表了題為“Material and structural considerations for high-performance electrodes for wearable skin devices”的綜述文章，討論了最佳電極性能所需的各種特性，包括機械、電氣和生物相容性因素。研究人員考量了改變電極結構，開發柔性導電材料，以及創建混合結構。此外，文章提出了人工智能（AI）的集成是實現智能設備的一個有前途的方向。除了概述高性能可穿戴皮膚設備的基本特征外，研究人員還提供了對未來可能應用的見解。

可穿戴皮膚設備電極材料要求

可穿戴皮膚設備中采用的電極用于與皮膚相互作用，并捕獲在此過程中產生的各種電信號。具體而言，皮膚具有各種特征，在設計電極時充分考慮這些特征至關重要。具有皮膚-電極界面的電極所需的特性可分為機械特性、電氣特性和生物相容性。滿足這三個方面的特性對于構建功能齊全的皮膚設備至關重要。

可穿戴皮膚設備電極的材料要求

機械性能是皮膚設備電極的最基本特性。由于皮膚的自由柔韌性，皮膚設備電極必須與皮膚很好地貼合并牢固地附著。首先，需要考慮的最重要的方面是可拉伸性；第二個考慮因素是粘附性，這對患者的舒適體驗和穩定的生理監測至關重要。此外，與皮膚的適形性也很關鍵。

電極的電氣特性是有效電刺激和分析電生理信號[包括肌電圖（EMG）和腦電圖（ECG）]的重要部分。典型的電氣特性包括皮膚和電極之間相互作用的阻抗和信噪比（SNR）。

生物相容性被認為是皮膚電子設備確保安全應用于人體表皮的最重要標準。最近的研究趨勢集中在導電材料與彈性材料的結合上，以克服許多皮膚上的情況，如身體運動引起的動態拉伸。研究人員介紹了新型生物相容性復合材料，以及降低生物相容性風險的替代策略。

生物相容性和其它特性

除了這些關鍵特性之外，可穿戴皮膚設備可能還需要基于其預期用途或特定情況的額外特性。雖然不是必不可少的，但這些特性有助于滿足特定要求，如功能、外觀和尺寸。研究人員闡述了透氣性、透明度、尺寸和密度與皮膚設備的關系。

可穿戴皮膚設備材料的未來方向

可拉伸性是決定設備是否能夠適應皮膚拉伸的關鍵因素。在設備中實現可拉伸性有兩種主要策略：一種涉及材料創新，從一開始就使用柔性材料，結合可拉伸性的成本，或集成可拉伸材料；另一種涉及結構設計，即賦予不可拉伸材料獨特的機械結構或修改材料結構以吸收施加于設備的應力和應變，從而防止材料失效并提高耐久性。研究人員探討了可穿戴皮膚設備中使用的材料的未來方向，特別關注三個關鍵發展：（1）結構設計的創新，（2）柔性電極材料的進步，以及（3）混合材料的合成。

可穿戴皮膚設備的結構

用于可穿戴皮膚設備的柔性電極材料

可穿戴皮膚設備的應用前景

可穿戴皮膚設備技術的進步不僅體現在制造方面，還開創了潛在應用的新時代。研究人員對檢測生物信號、電刺激和藥物輸送的傳統方法進行了介紹。此外，文中還深入探討了這些設備在混合系統中的創新應用，這些系統具有在單一設備內執行多種功能的能力。此外，人工智能的集成有望顯著提高可穿戴皮膚設備的性能。通過利用機器學習和深度學習方法，這些設備可以通過人工神經網絡處理信息，反映人類神經元的功能。這一技術進步為個性化智能可穿戴皮膚設備的未來鋪平了道路。

可穿戴皮膚設備的應用

可穿戴皮膚設備中的電極必須符合機械、電氣和生物相容性標準，以確保穩定運行、適合的皮膚接觸和長期使用。具有非常高模量的傳統金屬電極難以承受皮膚運動，這促使了可拉伸結構電極的發展，如網狀或交錯設計。此外，在使用柔性材料制造可穿戴皮膚設備和混合材料方面也取得了進展。

這些材料具有優異的導電性、高透明度、機械可變形性、強大的柔韌性、化學穩定性、防潮性和光滑的表面。鑒于某些特性需要權衡取舍，從各種材料和結構角度對其進行分析至關重要?？纱┐髌つw設備的下一個研究階段包括單獨確定機械、電氣和生物相容性要求，并根據預期用途增強電極的基本功能。

通過電極技術的創新、人工智能集成和混合功能的發展，可穿戴皮膚設備的未來有望取得重大進展，有望通過為健康監測和疾病治療提供更方便、準確和多功能的工具，徹底改變醫療保健。此外，探索混合功能，將傳感、刺激和藥物輸送集成到集成系統中，是一個令人興奮的前沿領域。這種方法不僅簡化了設備的使用，而且為單一設備的綜合診斷、治療和警報功能開辟了途徑。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s43246-024-00490-8

審核編輯：劉清